Прохождение g - квантов через вещество

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт/Факультет – Энергетический институт

Направление – Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг.

Кафедра – Атомные теплоэнергетические станции.

Определение энергии гамма – квантов по кривой прохождения

Отчет по лабораторной работе № 1

по курсу «Ядерная физика»

Выполнили студенты гр.№5011 06.03.2013Виноградов М.П.

Фрадкин А.А.
Казанов Г.Ф.
Беляков А.Ф.

^{Подпись Дата И.О.Фамилия}

Проверил: Доцент 19.03.2013Рыжакова Н.К.

^{должность Подпись Дата И.О.Фамилия}

Томск – 2013

Содержание

Введение. 3

Прохождение g - квантов через вещество. 4

Протокол. 5

Графическое представление определяемых зависимостей. 6

Заключение. 7

Введение

Цель работы:изучение процессов взаимодействия g-квантов с веществом, а также ознакомление с методами определения коэффициента ослабления и энергии g-квантов по кривой прохождения для узкого моноэнергетического пучка.

Прохождение g - квантов через вещество

Под термином «g-квант» понимают жесткое электромагнитное излучение с энергиями десятки кэВ и выше, что соответствует длинам волн l d 10^-9 см.

Энергия реакции Q_g определяется разницей энергии покоя исходного и образовавшегося ядра. Законы сохранения энергии и импульса имеют вид:

Используя связь между энергией и импульсом:

; , (3)

можно из системы уравнений (1), (2) найти энергии продуктов реакции. Система из двух уравнений с двумя неизвестными имеет единственное решение, поэтому энергии g-кванта и ядра отдачи принимают вполне определенные значения. Следовательно, возбужденное ядро испускает моноэнергетические g-кванты. С учетом того, что ядра могут находиться в нескольких возбужденных состояниях, спектр g- квантов является дискретным, т.е. ядра испускают несколько линий. Гамма- квант как частица существенно более легкая по сравнению с ядром, уносит практически всю энергию, выделившуюся в реакции, т.е. E_g » Q_g.

Гамма - кванты испытывают электромагнитное взаимодействие с электронами и ядрами среды. Взаимодействие с ядрами может привести к протеканию так называемых фотоядерных реакций, когда g-квант поглощается, а из ядра вылетает протон или чаще нейтрон. Существует три основных процесса, определяющих закономерности прохождения g-квантов через вещество: фотоэффект, комптон -эффект и рождение электронно-позитронных пар.

При фотоэффектеg - квант поглощается атомом, после чего атом испускает электрон с одной из своих внутренних оболочек. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что фотоэффект возможен только на связанных в атоме электронах. Другими словами, свободный электрон поглотить g-квант не может.

Комптон-эффектом называют процесс рассеяния g-квантов на свободных электронах. Свободных (в абсолютном смысле) электронов в веществе не бывает. Но для g-квантов с энергиями, много большими энергии связи электронов в атоме, электроны вещества «кажутся» свободными. Отсюда понятно, что комптон-эффект с наибольшей вероятностью идет на g-квантах со сравнительно высокими энергиями порядка нескольких МэВ. После столкновения с электроном g-квант меняет направление движения и передает часть своей энергии электрону вещества, в результате чего электрон (как и при фотоэффекте) вылетает из атома.

При высоких энергиях g-квантов – десятки МэВ и выше – с наибольшей вероятностью протекает процесс рождения электронно-позитронных пар, при котором g-квант исчезает, а за счет его энергии возникают две частицы – электрон и позитрон. Очевидно, этот процесс возможен при энергиях g -квантов, превышающих суммарную энергию покоя электрона и позитрона:

E_g t 2m_ec² » 1.02 МэВ.

В соответствии с законами сохранения энергии и импульса превращение g-кванта в электронно-позитронную пару не может происходить в вакууме. Для осуществления этого процесса необходимо присутствие третьей частицы, в данном случае электрона или ядра вещества.

За счет рассмотренных процессов (фотоэффекта, комптон-эффекта и рождения пар) число g-квантов в пучке, проходящем через вещество, уменьшается с глубиной по экспоненциальному закону (рис. 5):

N(x) = N₀e^-mx . (4)

Здесь N₀ - число g-квантов, упавших на вещество, N(x) - число g-квантов, дошедших до глубины вещества x без взаимодействия, m - коэффициент ослабления g-квантов.

Рис. 5. Закон ослабления (или кривая прохождения) моноэнергетических g-квантов, N₀ - число g-квантов, упавших на мишень

Коэффициент ослабления m зависит от типа вещества и энергии g-квантов и определяется выражением:

m = n₀s = n₀(s_ф+s_к+s_п), (5)

где s_ф,s_к,s_п - сечения процессов фотоэффекта, комптон-эффекта и рождения пар, s = (s_ф+s_к+s_п) - полное эффективное сечение взаимодействия g-квантов с атомами вещества, n₀ - концентрация атомов вещества (число атомов в единице объема).

Величина m, имеющая размерность 1/см, называется линейным коэффициентом ослабления.

В задачах прохождения излучения через вещество толщину слоя измеряют в массовых единицах: x_m = xr; [x_m] =г/см². В этом случае в законе ослабления (1) нужно пользоваться массовыми коэффициентами ослабления m_m = m/r; [m_m]=см²/г. В литературе, как правило, приводятся значения m_m для разных веществ и энергий.

Схема установки для измерения кривой ослабления g-квантов изображена на рис. 9.

Рис. 9. Схема экспериментальной установки

Источник g-излучения 1 помещается в гнездо свинцового коллиматора 2, формирующего узкий пучок, падающий на поглотитель 3. Для детектирования g-квантов используется сцинтиллятор NaI(Tl) 5 и фотоумножитель 6. Коллиматор 4 не позволяет рассеянным в поглотителе и защите квантам попасть в детектор. Для защиты от фонового и рассеянного от окружающих предметов излучения источник с системой коллиматоров и детектор помещены в свинцовый домик. В качестве источника g-квантов используется радиоактивный изотоп Co⁶⁰.

Протокол

В качестве источника g-квантов используется радиоактивный изотоп Co⁶⁰ ( ).

Таблица 1. Вещество свинец

Таблица 2. Вещество Алюминий

Поиск по сайту: