Вказівки до виконання роботи

↑

⇐ ПредыдущаяСтр 59 из 59

Для виконання роботи потрібно засвоїти такий теоретичний матеріал: радіоактивне випромінювання та його види; закономірності a, b і g- розпаду та їхні властивості; поглинута, експозиційна та біологічна дози опромінення, їхні одиниці; потужність дози опромінення.

Література: [1, §§ 255 – 259, 2, §§ 188, 254–258, 260; 4, § 70].

Перед виконанням роботи ознайомитись з вказівками до роботи № 7.1.

Радіоактивністю називають процес спонтанного перетворення одних атомних ядер в інші, який супроводжується випромінюванням різних частинок. Найбільшу проникну здатність має γ-випромінювання, яке супроводжує α-  і β- розпади у процесі перетворення ядра. Під час проходження пучка γ-квантів крізь речовину інтенсивність γ-випромі-нювання зменшується в основному внаслідок трьох процесів – фото-ефекту, народження пар та комптонівського розсіяння, кожен з яких переважає за певних енергій γ-випромінювання.

Розглянемо ці процеси.

1. Фотоефект – це процес поглинання γ-квантів речовиною, коли їхня енергія витрачається на народження вільних електронів, які або покидають поверхню матеріалу (зовнішній фотоефект) або залишаються вільними носіями заряду всередині (внутрішній фотоефект). Цей процес є переважним серед трьох зазначених видів взаємодії за низьких енергій γ-квантів. Наприклад, фотоелектричне поглинання є найбільш суттєвим в алюмінії для енергій Е_γ < 50 кеВ, у свинці – за Е_γ < 0,5 МеВ.

2. У міру збільшення енергії γ-квантів переважає процес комптонівського розсіяння– розсіяння γ-квантів на вільних або слабко зв’язаних електронах (енергія зв’язку електронів в атомі є набагато меншою за енергію γ-квантів). Внаслідок комптон-ефекту енергія розсіяного фотона зменшується, а електрон, на якому відбулося розсіяння, набуває кінетичної енергії. Цей процес переважає за енергій γ-квантів: в алюмінії 60 кеВ < Е_γ < 15 МеВ, у свинці 0,7 МеВ < Е_γ < 5,0 МеВ.

3. Утворення пар домінує над цими двома процесами за великих енергій γ- квантів. Процес полягає у тому, що в кулонівському полі ядра або зарядженої частинки (яка отримує частку енергії фотона, що вступає у взаємодію) виникає електрон-позитронна пара. Поріг цієї реакції у полі важкого ядра ≈ 2m_ec² ≈ 1,022 МеВ, а в полі електрона становить ≈ 4m_ec².

Зміна інтенсивності γ-випромінювання під час проходження крізь речовину описується законом Бугера:

                            (7.2.1)

де I_x – інтенсивність γ-випромінювання після проходження шару речовини завтовшки x; I₀ – початкова інтенсивність γ-випромінювання;
μ – повний лінійний коефіцієнт поглинання, який характеризує зменшення інтенсивності випромінювання під час проходження крізь речовину. Одиниці вимірювання лінійного коефіцієнта поглинання – [ ]= 1 м^-1.

Повний лінійний коефіцієнт (лінійний коефіцієнт) поглинання визначає долю моноенергетичних γ-квантів, які вибувають із паралельного пучка на одиниці шляху випромінювання у речовині. Він залежить від густини, порядкового номера речовини та від енергії γ-квантів, отже, містить три складові , де τ – лінійний коефіцієнт поглинання у випадку фотоефекту, ε – лінійний коефіцієнт поглинання для комптон-ефекту, χ – лінійний коефіцієнт поглинання для процесу утворення пар.

Основними характеристиками дії γ-випромінювання, а також інших видів іонізуючого випромінювання на речовину, є поглинута, експозиційна та біологічна дози випромінювання і потужність дози опромінення.

Поглинута доза показує, яка кількість енергії випромінювання поглинається одиницею маси опромінюваного тіла. Одиницею вимірювання поглинутої дози у системі СІ є грей (Гр). Один грей – це доза, за якої речовині масою 1 кг передається енергія іонізуючого випромінювання 1 Дж (або 1 Гр = 100 рад).

Для повітря кількість випромінювання, яке викликає іонізацію, названо експозиційною дозою. Вона виражає сумарний заряд всіх іонів одного знаку в елементарному об’ємі повітря відносно маси даного об’єму. Позасистемна поширена одиниця вимірювання експозиційної дози –
рентген (Р), а в системі СІ – Кл/кг.

1 Р = 2,58 · 10^-4 Кл/кг.

Важливим є вимірювання дози, поглинутої біологічною тканиною. Для оцінювання міри біологічної небезпеки, яка залежить від типу іонізуючого випромінювання, введено поняття еквівалентної дози. Одиниця вимірювання еквівалентної дози випромінювання – бер. Один бер – це доза опромінення, аналогічна за своєю біологічною дією до дози опромінення рентгенівськими променями в один рентген.

Для прогнозування радіоактивного впливу введено поняття потужності дози опромінення, яке використовується як для експозиційної, так і для поглинутої, еквівалентної дози опромінення. В кожному випадку відповідна потужність визначає дозу, яку отримує речовина за одиницю часу.

Скориставшись формулою (7.2.1), можна отримати вираз для визначення лінійного коефіцієнту поглинання γ-випромінювання:

                            (7.2.2)

Із одержаної формули видно, що лінійний коефіцієнт поглинання γ-випромінювання різними матеріалами визначається шляхом вимірювання інтенсивності випромінювання I_x, що проходить крізь різні товщини  шару речовини, розміщеної між джерелом γ-випромінювання та лічильником, а також початкової інтенсивності γ-випромінювання I₀.

Для одержання точніших значень інтенсивності γ-випромінювання рекомендовано від одержаних даних I_x та I₀ відняти I_ф – інтенсивність випромінювання природного фону, тобто випромінювання, яке фіксує лічильник, якщо джерело радіоактивного випромінювання закрите свинцевим блоком (див. порядок виконання роботи).

Таким чином, робоча формула набуває вигляду:

                                (7.2.3)

Якщо густина ρ досліджуваного матеріалу відома, можна визначити масовий коефіцієнт поглинання, який вимірюється в [ ] = 1 м²/кг:

                              (7.2.4)

Рис.7.2.1

Порядок виконання роботи

1. Увімкнути лічильний пристрій.

2. Протягом трьох хвилин вимірювати кількість імпульсів N_ф, зумовлених природним фоном. Радіоактивний препарат при цьому має бути закритий свинцевим екраном. Обчислити величину I_ф (I_ф= N_ф/180).

3. Відкрити радіоактивне джерело, протягом трьох хвилин вимірювати кількість імпульсів . Обчислити величину I₀ (I₀= N₀/180).

4. Виміряти товщину поглиначів  і виразити її у метрах.

5. Досліджуваний зразок (метал, дерево, цегла або бетон) розмістити між джерелом радіоактивного випромінювання та лічильником і визначити інтенсивність I_х (I_х= N_х/180).

6. Усі результати записати в табл. 7.2.1.

7. Використовуючи середні значення I_х, I₀ та I_ф, розрахувати µ за формулою (7.2.3) та µ_m за формулою (7.2.4).

Таблиця 7.2.1

N_ф,

імп.

I_ф,

імп./с

N₀,

імп.

I₀,

імп./с

Товщина матеріалу, м

N_х,

імп.

I_х, імп./с

µ,

1/м

µ_m,

м²/кг

Контрольні запитання

1. Розкажіть про склад ядра атома.

2. Що називається енергією зв’язку та дефектом маси ядра?

3. Що називається радіоактивністю?

4. Сформулюйте закон радіоактивного розпаду.

5. Назвіть основні види іонізуючих випромінювань та охарактеризуйте їхні властивості.

6. Запишіть правила зміщень для α- і β-розпадів.

7. Які механізми взаємодії γ-випромінювання з речовиною вам відомі? За яких умов можливий кожен з цих механізмів взаємодії?

8. Що називається поглинутою, експозиційною, біологічною дозою випромінювання, потужністю дози опромінення?

9. Сформулюйте та поясність закон Бугера.

10. Який фізичний зміст лінійного та масового коефіцієнтів поглинання?

11. Виведіть формулу, що дає змогу визначити зв’язок між лінійним коефіцієнтом поглинання і товщиною матеріалу.

Список літератури

1. Загальний курс фізики: навч. посіб. для студ. вищих техн. і пед. закладів освіти: в 3 т. / за ред. І.М.Кучерука. – К.: Техніка, 1999.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова.– М.: Высш. шк., 1990.

3. Чолпан П.П. Фізика: підручник / П.П. Чолпан. – К.: Вища шк., 2003.

4. Савельев И.В. Курс физики: учеб.: в 3 т. / И.В. Савельев. – М.: Наука, 1977.

5. Ландсберг Г.С. Оптика / Г.С. Ландсберг. – М.: Наука, 1976. – 926 с.

6. Азнаурян І.О. Фізика та фізичні методи дослідження: навч. посіб / І.О. Азнаурян. − К.: КНУБА, 2008. − 250 с.

7. Фізика в будівництві: навч. посіб. / В.І. Клапченко, І.О. Азнаурян, Н.Б. Бурдейна та ін. – К.: КНУБА, 2011. – 252 с.

8. Фізика. Лабораторний практикум: навч. посіб / В.І. Клапченко, В.І. Тарасевич, І.О. Азнаурян та ін.; за ред. В.І.Клапченка. – 2-ге вид., випр. і доп. – К.: КНУБА, 2006. – 228 с.

Додаток 

Основні фізичні сталі

Назва фізичної сталої

Позначення

Числове значення

Гравітаційна стала

γ

6,673×10^-11 м³/(кг×с²)

Число Авогадро

N_A

6,022×10²³ моль^-1

Універсальна газова стала

R

8,315×Дж/(моль×К)

Молярний об’єм ідеального газу

V_m

22,414×10^-3 м³

Електрична стала

8,854·10^-12 Ф/м

Магнітна стала

μ₀

4π·10^-7Гн/м=12,566·10^-7 Гн/м

Стала Больцмана

k

1,380×10^-23 Дж/К

Число Фарадея

F

9,649×10^-4 Кл/моль

Стала закону Стефана – Больцмана

s

5,669×10^-8 Вт/м²×К⁴

Стала закону зміщення Віна

b

2,897·10^-3 м·К

Стала Планка

h

6,626×10^-34 Дж×с

Питомий заряд електрона

е/m_с

1,759·10¹¹ Кл/кг

Заряд електрона

е

1,602×10^-19 Кл

Швидкість світла у вакуумі

с

2,997×10⁸ м/с

Борівський радіус

а₀

0,529·10^-10 м

Маса спокою електрона

m_e

9,109×10^-31кг=5,49×10^-4а.о.м.

Маса спокою протона

m_p

1,672×10^-27кг=1,00727а.о.м.

Маса спокою нейтрона

m_n

1,675×10^-27кг=1,00866а.о.м.

Стала Рідберга (для атома водню)

R

1,097·10⁷ м^-1

Комптонівська довжина хвилі електрона

l_с

2,426·10^-12 м

Магнетон Бора

m_Б

9,274×10^-24 А×м²

Енергія іонізації атома водню

W_i

2,18×10^-18Дж

Навчальне видання

КлапченкоВасиль Іванович
АзнаурянІрина Олександрівна

БурдейнаНаталія Борисівна та ін.

Ф І З И К А

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

Базовий цикл

Навчальний посібник

Редагування та коректура Г.В. Кобріної

Комп’ютерний набір та правка І.О. Азнаурян

Комп’ютерне верстання Т.І. Кукарєвої

Підписано до друку              2012. Формат 60 ´ 84 _{1/ 16}

Ум. друк. арк. 9,76. Обл.-вид. арк. 10,5.

Тираж 200 прим. Вид. № 23/І-11. Зам. №

КНУБА, Повітрофлотський проспект, 31, Київ, Україна, 03680

E-mail: red-isdat@knuba.edu.ua

Віддруковано в редакційно-видавничому відділі

Київського національного університету будівництва і архітектури

Свідоцтво про внесення до Державного реєстру суб¢єктів

Видавничої справи ДК № 808 від 13.02.2002 р.

Познавательные статьи:



Психологические особенности спортивного соревнования

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Занятость населения и рынок труда

Социальный статус семьи и её типология