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 Iфон 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».

N1 tI1I1 (sr)5471054,755,935781057,85261052,65861058,621184052,95

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

N2 t2I2I2 (sr)28 201.41.09211.05201190.95211.05

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

Провести измерения величин I0 и Iфон с заданной статистической погрешностью.

Время одного измерения и количество измерений выбрать таким, чтобы средняя статистическая погрешность определения интенсивностей I0 и Iфон 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 ? = = N1/2 (см. лаб. раб. №4). Относительная ошибка этого измерения д = (УNi)-1/2.

Измеренная величина Iфон 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.

N0t0I0I0 (sr)375606,256,223585,973656,083495,823666,103816,353836,383736,223686,133786,303936,553886,473676,123826,373756,253836,383906,503585,973676,123816,353636,053716,183666,103776,283736,22д=1.04NfontIfonIfon (sr)210603,503,251923,201893,152063,432103,501883,131933,221953,251883,131963,271903,171893,152043,401963,271923,201823,031893,152013,351933,221883,131953,252063,432053,421893,151963,27д=1.43

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

N3 (d=5)I3I3 (sr)3135,225,533495,823275,453485,803145,233435,723465,773395,653095,153325,533415,683335,553315,523505,833425,703395,653265,433215,353255,423195,323255,423325,533475,783215,353265,43д=1.1

Алюминий толщиной 10 мм

N4 (d=10)I4I4 (sr)3325,535,893455,753656,083435,723565,933726,203455,753375,623485,803646,073626,033375,623595,983415,683636,053525,873575,953485,803455,753766,273405,673696,153565,933676,123585,97д=1.06

Алюминий толщиной 15 мм

N5 (d=15)I5I5 (sr)3475,785,353285,473335,553525,872984,973155,252874,783025,033275,453385,633145,233405,673075,123215,352984,973345,573045,073395,653195,323115,183385,633295,483015,023265,433205,33д=1.12

Графит толщиной 17 мм

NgrafitI6I6 (sr)3565,935,643045,073365,603295,483455,753285,473435,723525,873385,633225,373245,403616,023335,553455,753716,183275,453415,683475,783395,653315,523265,433255,423415,683385,633616,02д=1.09

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.

Вещества Физич. велич.Углерод, (графит) (C)Алюминий (Al)Медь (Cu)Олово (Sn)Свинец (Pb)Атомный номер613295082Плотность, г/см3? 2,232,6998,947,29511,34Атомная масса, г/моль12,01126,98263,546118,71207,2Толщина образцов для измерений, (по указанию препод.), мм.10 17 255 10 15 20 250,5 1,0 1,5 2,0 2,50,5 1,0 1,5 2,0 2,50,14 0,28 0,42 0,56 0,7

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

Вещества Физич. велич.Углерод, (графит) (C)Алюминий (Al) 5dАлюминий (Al) 10dАлюминий (Al) 15dm (см-1)5.7423.45.4310.02М (см2/г)2.578.692.013.71s (барн / атом)5.133.899.011.66Ег (MeV)0.030.50.081.5Ег ср.0.53 (MeV)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·NA) или s = (М A)/NA. 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 Eг 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.

Больше работ по теме: