Взаимодействие альфа-частиц с веществом

Объект исследования

    Используется препарат плутоний-238 из набора учебных радионуклидных (радиоактивных) источников закрытого типа “Плутон”, суммарная интенсивность которого не превышает минимально значимый по нормам радиационной безопасности (НРБ-76). Поток a-частиц с рабочей поверхности источника с радионуклидом плутоний-238 не менее 400 частиц в секунду.

    ВНИМАНИЕ! До начала работы необходимо знать, что недопустимы нарушения целостности источника, изменение его конструкции,
а также удары, воздействия твердыми или заостренными предметами на рабочую поверхность источника, его падение и другие механические повреждения. К работе допускаются лица, достигшие 18-летнего возраста. Во время работы с препаратом расстояние от глаз должно быть не менее 10 см.

    Перед началом работы открыть защитный контейнер, извлечь из него a-источник, поместить препарат в центр измерительного столика и проводить измерения. Закончив работу, поместить препарат в контейнер и сдать на хранение лаборанту или преподавателю.

Используемое оборудование

    Блок-схема измерительной установки (рис. 1) состоит из блока детектирования (сцинтиллятора с фотоумножителем ФЭУ-49Б) и измерителя скорости счета УИМ 2.

Рис. 1

Блок детектирования БДЗА2-01 обеспечивает регистрацию альфа-излучения в диапазоне энергий 4,13 – 5,15 МэВ. Эффективность регистрации блока при энергии 5,15МэВ при одном защитном слое без защитной решетки составляет 50%. В блоке детектирования используется сцитиллятор ZnS/Fg,
нанесенный на подложку из органического стекла. Альфа-частицы, попадая в слой люминофора ZnS/Fg, называют появление вспышки света. Световые вспышки, попадая на фотокатод фотоумножителя, выбивают из катода электроны, которые “умножаются” в результате вторичной эмиссии на диодах фотоумножителя. Питание блока детектирования производится от источника постоянного напряжения 12 В, потребляемый ток 50 mA. Выходной сигнал блока детектирования имеет следующие характеристики:

полярность – отрицательная;

амплитуда – 2,5(± 0,5) В;

длительность импульса не более 10,0 мкс;

форма импульса прямоугольная.

С блока детектирования импульсы подаются на измеритель средней скорости счета импульсов с автоматическим переключением поддиапазонов типа УИМ2. измеритель обеспечивает скорости счета в диапазоне от 0,3 до 30000 импульсов в секунду. Время установления рабочего режима не превышает
5 мин. Время установления показаний измерителя на 1–5 поддиапазонах (0,3–100 импульсов в с) не превышает 120 с, на 6–10 поддиапазонах
(100–30000 импульсов в с) не превышает 10 с. Постоянная времени интегрирования на 1–4 поддиапазонах 20 с; на 5–10 поддиапазонах – 2 с. Предел допускаемой, основной погрешности измерения средней скорости счета ±10 % от максимального значения поддиапазона измерения.

Альфа-распад

    Альфа-частицы, или a-частицы, представляют собой дважды ионизированные атомы гелия. Они имеют заряд 2е, состоят из четырех нуклонов – двух протонов и двух нейтронов.

    a-частицы возникают при радиоактивном распаде атомных ядер, а также в различных ядерных реакциях. Частицы с относительно небольшой энергией можно получить путем ионизации атомов гелия.

    a-частицы часто используются в качестве бомбардирующих частиц в ядерных реакциях. При изучении рассеяния a-частиц на тонких металлических пленках Резерфорд в 1911 году сделал вывод, что масса атома практически сосредоточена в положительно заряженном ядре, имеющим размеры порядка 10^-13 см. Первая ядерная реакция с использованием α-частиц

была осуществлена в 1919 г.

    На современных ускорителях получают пучки a-частиц с энергией от нескольких до сотен мегаэлектронвольт. Альфа-частицы с такой энергией успешно используются для изучения атомных ядер.

    Если радиоактивное ядро претерпевает a-распад, то этот процесс протекает по схеме

,

где X – символ материнского ядра; Y – символ дочернего ядра.

    Электрический заряд ядра при a-распаде уменьшается на две единицы

,

т. е. образуется ядро элемента, стоящее в таблице Менделеева на две клетки левее исходного элемента.

    Массовое число при этом уменьшается на четыре единицы:

.

В качестве примера a-распада можно привести распад ядер плутония-238, при котором образуется ядро урана-234:

.

    Основными характеристиками a-распада, как и всякого другого радиоактивного процесса, являются: 1) область атомных ядер, у которых наблюдается этот распад, 2) период полураспада, 3) энергетический спектр испускаемых a-частиц.

1. a-распад наблюдается лишь у достаточно тяжелых ядер, у которых А > 84, либо Z > 84. В таких ядрах имеется не менее двух нейтронов или двух протонов сверх замкнутой оболочки, соответствующей магическому числу 82.

2. Периоды полураспада a-радиоактивных изотопов – самые разнообразные – от 10^-6 с (радон-215) до 1,4 10¹⁷лет (свинец-204).

3. Энергия a-частиц составляет 4-9 МэВ.

Необходимое (но недостаточное) условие a-распада: энергия связи  материнского ядра должна быть меньше суммы энергий связи дочернего ядра и a-частицы

.

Суммарная энергия, выделяющаяся при a-превращении одного ядра, равна

.

    При ΔW > 0 – распад возможен, при ΔW < 0 – запрещен.

Найдем, к примеру, энергию, выделяющуюся при a-распаде некоторых ядер.

    Энергия связи ядер  равна соответственно 1801,3, 1778,6, 28,3 МэВ, а удельная энергия связи 7,1 МэВ/нуклон. Следовательно, a-распад становится энергетически возможным только для тех ядер, для которых удельная энергия связи оказывается меньше 7,1 МэВ, что имеет место для ядер с массовым числом, превышающим 140.

Рис. 2

    Энергетический спектр a-частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, – дискретный. Это объясняется тем, что дочернее  ядро может возникнуть не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях, энергетический спектр которых, как уже говорилось, – дискретный. На рис. 2 изображены нормальный W₀ и возбужденные W₁, W₂, W₃ уровни энергии дочернего ядра.

    Если дочернее ядро возникает в невозбужденном состоянии, то вся избыточная энергия выделяется в виде кинетической энергииa- частицы и дочернего ядра

.

Найдем, в какой пропорции распределяется энергия DW между a- частицей и дочерним ядром. Полагая, что до распада материнское ядро покоилось, по закону сохранения импульса имеем

,

откуда

.

W  и W_y равны соответственно

, .

Решая уравнения совместно, получим

.

Так как масса дочернего ядра в десятки раз больше a-частиц, то большую часть энергии уносит a-частица (эта группа a-частиц на рис. 2 обозначена через a₀).

    Если дочернее ядро возникает в возбужденном состоянии, то кинетическая энергия дочернего ядра a-частицы составит часть DW^K

,

где  – энергия возбуждения дочернего ядра.

    При распаде ядер  72 % всех a-частиц (частицы a₀) соответствуют невозбужденному дочернему ядру, 27,89 % (a₁) – первому возбужденному состоянию, 0,1 % (a₂) – второму возбужденному состоянию и менее 0,006 % – всем остальным возбужденным состояниям.

    Время жизни a-возбужденных ядер составляет  с. По истечении этого времени возбужденное ядро, как правило, испускает γ-квант и переходит в нормальное или более низкое возбужденное состояние. Энергия
γ-кванта равна разности энергий W_i и W_j уровней, между которыми происходит переход:

.

    Энергия возбуждения дочернего ядра может быть выделена и другим способом. Возбужденное ядро может испускать какую-либо частицу – протон, нейтрон и т. д. Оно может отдать избыточную энергию одному из электронов атомной оболочки, в результате чего этот электрон вылетит из атома. Этот процесс называется внутренней конверсией. Освободившееся после вылета электрона состояние заполняется электронами с вышележащих энергетических уровней, вследствие чего возникают характеристические рентгеновские лучи.

    a-частица образуется из двух протонов и двух нейтронов непосредственно в ядре. Покидая ядро, она преодолевает потенциальный барьер, существующий у поверхности ядра и обусловленный ядерным и кулоновским взаимодействием a-частиц с ядром. Кривая потенциальной энергии
a-частицы в функции расстояния от центра ядра изображена на рис. 3. Внешняя ветвь барьера обусловлена кулоновскими силами отталкивания
a-частицы и дочернего ядра, внутренняя – ядерными силами притяжения.

Рис. 3

Высота потенциального барьера всегда несколько больше энергии, которой обладает a-частица в ядре. С точки зрения классической механики преодоление a-частицей потенциального барьера при этих условиях невозможно. По квантовой теорииa-частица может просочиться сквозь барьер благодаря туннельному эффекту. Использование теории туннельного эффекта для объяснения a-распада приводит к результатам, согласующимся с экспериментом.

    Мы рассмотрели наиболее распространенный случай a-распада, когда a-частицы испускаются материнскими ядрами из невозбужденных состояний. Коротко живущие a-активные ядра могут испускать a-частицы, находясь в возбужденном состоянии. Однако вероятность таких процессов мала. Чаще всего возбужденные ядра переходят в нормальное состояние, испуская не a-частицы, а γ-кванты.

Взаимодействие альфа-частиц с веществом

Основными силами взаимодействия a-частиц с веществом являются кулоновские силы, основными процессами взаимодействия – процессы упругого рассеяния и ионизационного торможения.

    Упругое рассеяние – это такой процесс взаимодействия двух частиц, при котором суммарная кинетическая энергия обеих частиц сохраняется и происходит лишь перераспределение ее между частицами. При этом сами частицы изменяют направление своего движения, т. е. происходит процесс рассеяния.

    Проходя через вещество, a-частицы почти не рассеиваются на электронах среды из-за своей большой массы, а рассеиваются на ядрах атома. Опыт по изучению рассеяния a-частиц сыграли историческую роль в развитии представлений о строении атомов. Основываясь на наблюдении больших
углов рассеяния > 90°, Резерфорд предположил, что весь положительный заряд сосредоточен в очень малом объеме радиусом порядка 10^-13 см. Отсюда и возникла впервые “ядерная” модель атома, согласно которой атом подобен планетарной системе: в центре – ядро, вокруг которого вращаются электроны. При торможении заряженной частицы энергия расходуется на ионизацию и возбуждение атомов среды, через которую она проходит. Пробег частицы R можно определить как расстояние, которое она проходит до момента полной потери энергии. Характерной особенностью a-частиц является существование у них определенного пробега: треки a-частиц одинаковой энергии в камере Вильсона представляют собой прямые линии одной и той же длины с небольшим разбросом в ту или другую сторону. Величина пробега частиц определяется теми потерями энергии, которые происходят при их движении. На опыте (рис. 4) можно убедиться, что a-частицы, вылетевшие из источника с одинаковыми скоростями, имеют несколько различные пробеги.

Рис. 4

Если исследовать пучок a-частиц, например, при помощи флюоресцирующего экрана, и подсчитывать число сцинтилляций, увеличивая постепенно расстояние между источником и экраном, т. е. заставляя a-частицы проходить все больший слой воздуха, то оказывается, что число частиц N в пучке остается постоянным, (график идет параллельно оси r) до определенного расстояния R_о, а затем постепенно уменьшается до нуля по кривой с некоторым наклоном. Если эту кривую продифференцировать и построить величину  в зависимости от толщины слоя воздуха (r), то получится кривая (2). Эта кривая имеет максимум при , показывающий, что подавляющее большинство a-частиц имеет определенный пробег с некоторым разбросом. Разброс пробега объясняется флюктуацией числа атомов, встречающихся на пути a-частицы. Число ионов, созданных частицей, и потеря ее энергии при этом будет зависеть от числа столкновений с атомами.

    Второй причиной разброса является перезарядка частиц при ее движении через среду. Если направить пучок a-частиц через камеру Вильсона
с малой скоростью (пропустив их предварительно через фильтры перед камерой), то в треках a-частиц можно видеть разрывы – это участки пути, на которых они являются нейтральными. При прохождении a-частиц через вещество к ним может примкнуть один или два электрона. Таким образом, на всем пути частица имеет разный заряд. Опытами установлено, что быстрая
a-частица движется, в основном, как двухзарядный ион, при уменьшении скорости она будет терять заряд, двигаясь как однозарядный ион или даже как нейтральная частица. Естественно, что перезарядка вызывает дополнительные флюктуации пробега.

    Помимо среднего значения пробега a-частиц, существует понятие экстраполированного пробега, который получается путем продолжения почти прямой линии спада до пересечения ее с осью r (рис. 4). Величина, соответствующая точке пересечения, принимается за величину экстраполированного пробега R_э. Этот пробег всегда больше, чем средний R_ср. Величина пробега частиц определяется потерями энергии, которые происходят при их движении. Потери эти различны для различных скоростей частиц. При скоростях a-частиц (1–2,5) 10⁹ см/с и энергии (4–15) МэВ можно использовать закон Гейгера

,

где R_э – в см, W – энергия в МэВ.

Пробеги a-частиц, испускаемых естественно – радиоактивными элементами и имеющих энергии(4-10) МэВ, удовлетворяют закону Гейгера.

Порядок выполнения работы

1. После проверки работы установки надо поместить препарат плутоний-238 на центр столика и поворачивая столик, приблизить его к блоку детектирования.

2. Произвести измерение скорости счета (N), учитывая показания стрелочного прибора и величину множителя (красные цифры на шкале прибора и соответственно красные цифры множителя, черные цифры шкалы – светлые цифры множителя).

3. Увеличивая расстояние от детектора на 1 мм (поворачивая столик на 1/3 оборота), произвести измерение скорости счета импульсов. Результаты измерений занести в таблицу (N, r). Измерения продолжить до прекращения счета.

4. По результатам измерений построить график зависимости скорости счета a-частиц N от расстояния до детектора r и определить величину экстраполированного пробега R_э в см.

5. Увеличить R_э на 2,1 см (учет недоступности расстояния и ослабления защитной пленки). По формуле (1) рассчитать энергию a-частиц.

6. В отчете привести таблицу, график зависимости скорости счета импульсов от расстояния, расчет величины пробега и энергии a-частиц.

Контрольные вопросы

1. Из каких элементарных частиц состоят ядра атомов? Характеристика их основных свойств и сил взаимодействия между частицами в ядре.

2. Что называется энергией связи ядер? В чем заключается туннельный эффект? Квантовая природа туннельного эффекта.

3. Каковы условия существования a-распада? Описать это явление.

4. Какие виды потерь энергии возможны при прохождении a-частиц через вещество?

5. Что называется длиной пробега a-частиц? От чего она зависит?

6. На каком принципе основана регистрация a-частиц? Объяснить назначение всех элементов измерительной установки.

Литература

1. Савельев, И. В. Курс общей физики: в 3-х т. Т. 3 / И. В. Савельев. – М: Наука, 1979.

2. Практикум по ядерной физике/ ред. В. С. Сергеев. – М.: Высш. шк., 1975.

3. Сивухин, Д. В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика / Д. В. Сивухин. – М.: Наука, 1989. – Ч. 2.

4. Астахов, Ф. В. Курс физики / Ф. В. Астахов, Ю. М. Широков. –
М.: Наука. 1983. – Т. 3.