Sprawozdanie

z ćwiczeń laboratoryjnych fizyki

Ćwiczenie wykonali Bober Dariusz, Remigiusz Szafraniec

Sprawozdanie napisał Dariusz Bober

Temat ćwiczenia: Wyznaczanie krzywej cechowania spektrometru scyntylacyjnego.

Grupa dziekańska ED 3.1

Semestr trzeci

Data wykonania ćwiczenia 1996.10. 22

Ocena i uwagi:

1. Cel ćwiczenia.

Wykonanie przez nas tego ćwiczenia miało na celu zapoznanie się z zależnością natężenia promieniowania od rodzaju źródła. W tym celu badamy, za pomocą spektrometru scyntylacyjnego, aktywność różnych pierwiastków promieniotwórczych.

2. Podstawowe informacje teoretyczne.

Promieniowanie γ powstaje w wyniku anihilacji pary pozyton-elektron, a także podczas reakcji jądrowych. Promieniowanie nie powstaje nigdy samotnie. Najczęściej towarzyszy promieniowaniu α,β. Jest ono skutkiem zmiany stanu energetycznego jądra, które (bądź już aktywne, bądź też zaktywowane reakcją jądrową) emituje cząstki α lub β. Po wyemitowaniu cząsteczek jądro pozostaje w stanie wzbudzonym. By powrócić do normalnego stanu energetycznego emituje następnie krótkofalowe promieniowanie γ (5*10^-13m. -4*10^-11m.). Jest to promieniowanie ogromnie przenikliwe, przez co najbardziej niebezpieczne. O ile cząstki α zatrzymywane są przez pojedyncze kartki papieru, β - wychwytywane jest przez 100 takich kartek, to promieniowanie γ przechodzi przez warstwę wielu grubych tomów. Osłonę przed promieniowaniem γ stanowią dopiero grube bloki ołowiane.

Dominującymi, z oddziaływań γ, są:

- zjawisko fotoelektryczne, polegające na wybijaniu elektronu z ich orbit wokół jądra. Energia takiego elektronu wynosi:

E_P=hν- I

gdzie: I - praca wyjścia,

- zjawisko Comptona, w którym przyjmuje się pędzący foton γ jako korpuskułę, która w zderzeniach ze swobodnymi elektronami jest poddana prawom zachowania pędu i energii. Długość fali takiego rozproszonego fotonu możemy wyliczyć ze wzoru:

gdzie: θ- kąt rozproszenia,

m_e-relatywistyczna masa elektronu

λ₀-długość promieniowania pierwotnego,

- tworzenie się par pozyton-elektron, która zachodzi w polu elektrycznym jądra, lub elektronu (trzeciej cząstki).

rys 1.1

W urządzeniach, służących do pomiaru promieniowania γ, wykorzystuje się jego właściwości, mierząc nie bezpośrednio samo promieniowanie, ale pośrednio - obliczając efekty oddziaływania γ z materią. Jednym z urządzeń tego typu jest licznik scyntylacyjny( rys.1.1). Mierzona wiązka promieniowania pada na scyncylator, substancję luminescencyjną (antracen, naftalen, siarczek potasu aktywowany tlenem i inne). Powstałe w ten sposób elektrony wtórne tracą swą energię w procesach jonizacji i wzbudzenia molekuł oraz atomów scyntylatora, które przechodząc do stanu podstawowego emitują krótkie w czasie (10^-9-10^-4s) promieniowanie widzialne lub ultrafioletowe. Liczba powstałych w scyntylatorze fotonów zależy wprost proporcjonalnie od ilości zaabsorbowanych fotonów γ. Błyski scyntylatora (scyntylacje) rejestrowane są przez fotopowielacze, lampy próżniowe o dużej ilości elektrod. Pierwszą elektrodą jest fotokatoda K, z której światło wybija elektrony, które z kolei przechodząc przez kolejno następne elektrody o dużej emisji wtórnej (dynody) są powielane. W rezultacie każdemu elektronowi opuszczającemu fotokatodę K odpowiada lawina (10⁶- 10¹²) elektronów wtórnych na anodzie A. Na wyjściu fotopowielacza, na oporze R_a, powstaje impuls elektryczny, który po wzmocnieniu zostaje zarejestrowany. Licznik scyntylacyjny wraz ze wzmacniaczem, analizatorem amplitud, i przelicznikiem impulsów, stanowi tzw. liniowy spektrometr scyntylacyjny. Analizator amplitud (jednokanałowy) jest układem, na którego wyjściu pojawiają się znormalizowane impulsy tylko wtedy, gdy na jego wejście dochodzą impulsy o amplitudach większych od zadanej wartości progowej U_P, lecz nie wyższej od U_P+ΔU_P, gdzie U_p nazywane jest szerokością okienka analizatora. Czyli analizator „przepuszcza” impulsy o zadanym przekładzie amplitud.

3. Wykonanie ćwiczenia.

W ćwiczeniu wykorzystujemy różne pierwiastki promieniotwórcze, zapisując wyniki zliczeń w tabeli:

Następnie na podstawie tabeli wykreślamy widma scyntylacyjne poszczególnych pierwiastków:

Z wykresu odczytujemy maksima napięcia dla poszczególnych izotopów, oraz ze skryptu odczytujemy energie odpowiadające tym izotopom. Dane te zebrane są w poniższej tabeli

Na podstawie tabeli wykonujemy wykres zależności energii izotopu od maksimum fotoelektronowego:

Przybliżając doświadczalną funkcję linią prostą otrzymujemy liniową zależność energii od maksimum fotoelektronowego (U₀):

z której odczytujemy energie odpowiadające U₀ dla izotopu nieznanego pierwiastka X.

0,1642

0,7042

Porównując otrzymane energie z tabelą energii zawartej w skrypcie dochodzę do wniosku, że nieznany izotop to:

........................................

Wnioski

Widmo scyntylac;yjne dają nam piękny obraz, niejako wizytówkę, pierwiastka.

Dużym uproszczeniem i ułatwieniem w wykonaniu obliczeń było wykorzystanie elektronicznej techniki obliczeniowej (programu komputerowego „Microsoft Excel”).

---