W5A

Absorbcja elektronów z rozpadu β

Wstęp

Promieniowanie β dzielimy na promieniowanie β^- oraz β⁺. Promieniowanie β^- stanowią elektrony wyrzucone z jąder atomowych. Przenikliwość tego promieniowania jest, podobnie jak zasięg, znacznie większa niż cząstek α. Jądro emitujące cząstkę β^- zmienia się w pierwiastek o liczbie atomowej o 1 większej, gdyż wyrzucając elektron z jądra, zamienia jeden neutron w proton.

$$_{0}^{1}{n \rightarrow_{- 1}^{0}{e +_{1}^{1}p}}$$

Otrzymany izotop ma liczbę masową identyczną z atomem wyjściowym.

Promieniowanie β⁺ stanowią pozytony (dodatnie elektrony) wyrzucone z jąder atomowych. Właściwości tego promieniowania są analogiczne jak w β^-. Jądro emitując cząstkę β⁺, zmienia się w pierwiastek o liczbie atomowej o jeden mniejszej od wyjściowego atomu, gdyż wyrzucając dodatni elektron z jądra, zamienia jeden proton w neutron.

$$_{1}^{1}{p \rightarrow_{0}^{1}{n +_{1}^{0}e}}$$

Otrzymany izotop ma liczbę masową identyczną z atomem wyjściowym.

Jeśli strumień cząstek β przechodzi przez jakąś substancję, to część elektronów traci swoją energię w oddziaływaniu z atomami tej substancji. Energia takich elektronów może zostać całkowicie pochłonięta, a ilość pochłoniętych elektronów zależy od rozmiarów atomów substancji na którą natrafiły, oraz ich gęstości powierzchniowej. Gęstość powierzchniowa rośnie wraz ze wzrostem grubości próbki substancji na którą pada strumień elektronów.

Metoda pomiarowa i układ pomiarowy

Na samy początku sprawdziliśmy promieniowanie tła w czasie 10 minut. Następnie po zamocowaniu przez prowadzącego źródła promieniowania zmierzyliśmy jego promieniowanie( bez żadnych przeszkód) w czasie jednej minuty, pomiar powtórzyliśmy trzykrotnie, obliczając średnią z otrzymanych wyników. Badaliśmy absorbcje elektronów przez trzy materiały o różnych grubościach: szkło organiczne (grubości: 0; 1; 2; 3; 4; 5 mm), aluminium(grubości: 0; 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,50; 1,75; 2 mm), papier (grubości: 0; 0,6; 1,2; 1,8; 2,4; 3; 3,6 mm). Dla każdej grubości materiału zbieraliśmy po trzy pomiary, z których wyciągaliśmy średnią, co zamieściliśmy w tabelach poniżej. Czas pojedynczego pomiaru trwał jedną minutę.

Opracowanie wyników

Promieniowanie tła
nT
196

Szkło organiczne
Grubość [ mm]
n
N
N-NT
ln(N-NT)

Aluminium
Grubość [mm]
n
N
N-NT
ln(N-NT)

Papier
Grubość [mm]
n
N
N-NT
ln(N-NT)

Wykres 1. ln(N-N_T) w funkcji grubości próbki.

Współczynnik pochłaniania μ$\ \left\lbrack \frac{1}{\text{mm}} \right\rbrack$
Szkło organiczne
Aluminium
Papier

Wykres 2. Współczynnik pochłaniania w funkcji gęstości

Masowy współczynnik absorbcji μ* równy jest 6,727±0,172 $\frac{\text{cm}^{2}}{g}$

Obliczenie współczynnika pochłaniania dla wody μ = μ^* ⋅ ρ $$\rho_{\text{wody}} = 0,9998\ \frac{g}{\text{cm}^{3}}$$ μ = 6, 727 ⋅ 0, 9998 μ = 6, 7256546 $$\mu \approx 6,726\ \frac{1}{\text{cm}}$$ $$\left\lbrack \mu \right\rbrack = \left\lbrack \frac{\text{cm}^{2}}{g} \right\rbrack \cdot \left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack = \left\lbrack \frac{1}{\text{cm}} \right\rbrack$$

Wnioski

Z wykonanego przez nas doświadczenia wynika, że oddziaływanie elektronów z materią jest znikome, wskazuje na to nasz pomiary promieniowania tła, który wynosi raptem 20 zliczeń w ciągu 1 minuty. Odziaływanie to jednak radykalnie się zmienia, jeśli w pobliżu materii którą badamy umieszczone zostanie źródło promieniowania β, podczas doświadczenia oddziaływanie to wzrosło około 140 razy.

Głównymi czynnikami które mają wpływ na absorbcje elektronów, jakie zaobserwowaliśmy podczas wykonywania doświadczenia są: rodzaj materiału na jaki padał strumień promieniowania β oraz grubość tego materiału. Im grubsza była próbka danego materiału tym więcej elektronów było przez niego pochłanianych. Z Wykresu 2 można dostrzec, że im gęstość jest większa tym więcej elektronów zostaje pochłoniętych, dlatego próbki aluminium pochłaniały o wiele więcej elektronów dla tej samej grubości niż np. szkło organiczne czy papier.

Promieniowanie β nie jest promieniowaniem przed którym trudno jest się ochronić. Wystarczą materiały o niedużej gęstości aby je całkowicie zatrzymać lub materiały o małej gęstości ale o dużej grubości próbki np. z Wykresu 1 wynika że ok. 4,70 mm aluminium całkowicie zaabsorbuje promieniowanie β.

Czynniki które mogły mieć wpływ na nasze pomiary to np.:

• Niedokładne grubości próbek,

• Niedokładności licznika,

• Zmiennie promieniowanie tła, co spowodowane mogło być np. obecnością większej liczby osób przy stanowisku (ludzkie kości zawierają radioaktywny potas ⁴⁰K).