Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Определение коэффициентов поглощения гамма-излучения веществом и оценка энергии гамма-квантов

Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Определение коэффициентов поглощения гамма-излучения веществом и оценка энергии гамма-квантов

Лабораторная работа

Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Определение коэффициентов поглощения гамма-излучения веществом и оценка энергии гамма-квантов

Цели и задачи работы

Ознакомиться с основами эксперимента по изучению взаимодействия гамма-излучения с веществом и измерению характеристик ослабления потока гамма-квантов при прохождении через вещество (линейный и массовый коэффициенты поглощения, эффективное сечение поглощения). Оценить величины эффективных сечений поглощения гамма-излучения применяемого радиоактивного источника для некоторых веществ, а затем определить энергию гамма-квантов этого источника по известной для этих веществ экспериментальной зависимости этих сечений от энергии гамма-излучения.

План

1.      Провести измерения величин I₀ и I_фон с заданной статистической погрешностью.

2.      Провести измерения зависимости I(d) с заданной статистической погрешностью для определённого преподавателем набора образцов различных веществ известной толщины d.

.        Определить линейный m и массовый М коэффициенты ослабления g- излучения, а также величину микроскопического эффективного сечения взаимодействия излучения с веществом s для каждого из исследуемых веществ. Дать сравнительную оценку их защитных свойств по отношению к данному излучению.

.        Пo табл. приложения определить энергию - излучения исследуемого радиоактив. изотопа.

.        Привести соображения по наличию, степени важности, путям устранения различных систематических погрешностей в данном эксперименте.

Экспериментальная часть

Определим интенсивность регистрируемых импульсов по формуле

I = N/t,

где N - число сигналов (импульсов), зарегистрированных пересчеткой за некоторое, выбранное экспериментатором время t от момента нажатия на кнопку «Пуск».

Мы видим, что среднее значение приблизительно равное значению при времени 40/4.

Определим приближённо (грубо) интенсивность регистрируемого «фона» данного счётчика по одному - двум коротким (время экспозиции 10 - 20 с) измерениям. Отметим, что полученное значение «фона» не является объективной характеристикой этой величины (зависит от конкретного датчика и свойств установки в целом).

U= 420 B

Получив у преподавателя радиоактивный источник для данной лабораторной работы, коллиматор и набор поглотителей преступим выполнять пункт 1.

Провести измерения величин I₀ и I_фон с заданной статистической погрешностью.

Время одного измерения и количество измерений выбрать таким, чтобы средняя статистическая погрешность определения интенсивностей I₀ и I_фон не превышала заданной величины, например, относительная погрешность была не более 2%. Абсолютная ошибка (погрешность) ∆ измерения любой дискретной случайной величины, (например N - число импульсов, отсчитанных пересчеткой за определённое время, выбранное экспериментатором), распределение которой есть распределение Пуассона, соответствует дисперсии распределения и равно в данном случае ∆ =  = N^1/2 (см. лаб. раб. №4). Относительная ошибка этого измерения д = (УN_i)^-1/2.

Измеренная величина I_фон существенно превышает оценку «фона» данного счётчика, полученную выше, так как наличие радиоактивного источника, даже перекрытого по направлению к счётчику толстым слоем поглощающего вещества, не исключает попадания в счётчик комптоновски рассеянных в окружающих установку телах гамма-квантов источника, вылетающих из него вбок и вниз, где у источника нет «толстой защиты». Защитные свойства самого коллиматора также могут оказаться недостаточными.

Провести измерения зависимости I(d) с заданной статистической погрешностью для определённого преподавателем набора образцов различных веществ известной толщины d.

Время одного измерения и количество измерений выбрать таким, чтобы средняя статистическая погрешность определения интенсивностей I(d) не превышала заданной величины, например, относительная погрешность была не более 2% (дополнительно уточнить у преподавателя). Погрешностью в определении времени (по секундомеру часов) пренебречь.

Алюминий толщиной 5 мм

t=60

Алюминий толщиной 10 мм

Алюминий толщиной 15 мм

Графит толщиной 17 мм

График зависимости I(d) с заданной статистической погрешностью для определённого преподавателем набора образцов различных веществ известной толщины d.

Определить линейный m и массовый М коэффициенты ослабления g-излучения, а также величину микроскопического эффективного сечения взаимодействия излучения с веществом s для каждого из исследуемых веществ. Дать сравнительную оценку их защитных свойств по отношению к данному излучению.

Фотоэффект - процесс поглощения g-кванта атомом, сопровождающийся вылетом электрона атомной оболочки за пределы атома (и за пределы вещества при внешнем фотоэффекте). Энергия кванта расходуется на работу по разрыву связи электрона с ядром атома и на сообщение кинетической энергии этому электрону, покидающему атом.

Результаты лабораторной работы

погрешность радиоактивный изотоп

Вывод: в данной работе мы ознакомились с основами эксперимента по изучению взаимодействия гамма-излучения с веществом и измерения характеристик ослабления потока гамма-квантов при прохождении через вещество (линейный и массовый коэффициенты поглощения, эффективное сечение поглощения). Гамма-излучение - это «жесткое» электромагнитное излучение, испускаемое атомными ядрами при разрядке возбужденных ядерных энергетических уровней. Интенсивность I параллельного пучка излучения (в данной лабораторной работе g-квантов) определяется плотностью потока излучения, т.е. числом квантов, проходящих в единицу времени через единичную площадку, нормальную к направлению пучка.

Установили все зависимости интенсивности счета от толщины поглотителя I(d). Во всех измерениях относительная ошибка не превышала 2%, а была в пределах 1,04-1,43%. В пунктах 1 и 2 время каждого замера было равным 60 с. Полную толщину образца поглотителя мы определяли с помощью формулы m = (1/d)·ln(I₀/I). Далее мы выяснили массовый коэффициент ослабления потока излучения М = m/r. Введенные в рассмотрение коэффициенты ослабления излучения m и М зависят не только от количества поглощающих (рассеивающих) частиц в образце (на единицу длины или единицу площади соответственно), но и от свойств взаимодействия кванта данной энергии с одной частицей (атомом, электроном). Поскольку взаимодействия разных атомов вещества с гамма-квантами потока излучения независимы друг от друга, то на основании теории вероятностей, макроскопическое эффективное сечение является суммой микроскопических эффективных сечений взаимодействия s для отдельного атома этого вещества. Величина микроскопического эффективного сечения взаимодействия излучения с веществом s = (m∙A)/ (r·N_A) или s = (М A)/N_A. Посчитав все неизвестные величины мы перешли к пункту 5, где обратившись к приложению зависимости микроскопического эффективного сечения у (барн / атом) взаимодействия г-квантов с веществом от энергии квантов E_г для некоторых веществ определили энергию g-излучения исследуемого радиоактивного изотопа.

На счет соображений по наличию, степени важности, путем устранения различных систематических погрешностей в данном эксперименте можно сказать, что систематической погрешностью называется составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно меняющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. При этом предполагается, что систематические погрешности представляют собой определенную функцию неслучайных факторов, состав которых зависит от физических, конструкционных и технологических особенностей средств измерений, условий их применения, а также индивидуальных качеств наблюдателя. Это значит, что в любом эксперименте будет иметь место погрешность, наша задача приблизить её к минимальному значению. Более точно засекать время, аккуратно обращаться с приборами и также не мало важно что бы сами приборы давали верные значения.