Sprawozdanie z ćwiczeń dotyczących badania osłabienia strumienia promieniowania gamma przy przejściu przez materię
W momencie przejścia jądra między różnymi stanami energetycznymi może nastąpić absorpcja lun emisja promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie, które towarzyszy przejściu jądra ze stanu wyższego do niższego nazywamy promieniowaniem γ. Odległości pomiędzy poziomami energetycznymi są rzędu MeV, stąd też energia emitowanych kwantów będzie podobna (jest 200-1000 razy większa niż energia emitowana przez fotony podczas przejścia elektronów w atomie).Oddziaływanie promieniowania γ z materią jest skomplikowane, ponieważ promieniowanie może oddziaływać nie tylko z elektronami, ale również z jądrami. Ponadto oddziaływanie może prowadzić do całkowitej absorpcji oraz elastycznego lub nieelastycznego rozproszenia. Wiele procesów, które mogą zajść ma niewielkie prawdopodobieństwo, największe znaczenie mają następujące zjawiska:
Rozproszenie Comptona - to nieelastyczne rozproszenie kwantów gamma przez słabo związane elektrony swobodne, w którym foton zmienia swój kierunek i energię.
Zjawisko fotoelektryczne - jest to oddziaływanie promieni γ z elektronem związanym w atomie prowadzące do całkowitej absorpcji kwantu a także oderwania elektronu od atomu.
Zjawisko tworzenia par - to zjawisko, w którym foton ulega absorpcji, a na jego miejsce pojawia się para elektron-pozyton.
Strumień cząsteczek, pojęcie niezbędne do opisu procesu przechodzenia promieniowania gamma przez materię należy rozumieć jako liczbę kwantów gamma przechodzących w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku ich ruchu. Podczas przejścia warstwa absorbenta grubości dx monoenergetyczny strumień promieniowania γ ulega osłabieniu. Całkowity współczynnik osłabienia μ jest sumą liniowych współczynników osłabienia:
μf- związany ze zjawiskiem fotoelektrycznym,
μc- związany z rozproszeniem Comptona,
μp- związany ze zjawiskiem tworzenia się par.
Poza liniowymi współczynnikami osłabienia używa się także masowego współczynnika osłabienia, który wyraża się przez μ/p, gdzie p oznacza gęstość absorbenta.
Jeśli między źródło promieniowania gamma, a detektor wstawimy absorbent o grubości x, to zgodnie ze wzorem l(x)=μ l dx liczba kwantów γ będzie niższa niż w przypadku nieobecności absorbenta. Zmniejszenie natężenia wiązki nastąpi we wszystkich trzech wymienionych przypadkach. W trzecim przypadku kwanty tracą część swojej energii, natomiast kwant o mniejszej energii porusza się pod kątem do padającej wiązki, dlatego w tym zjawisku ważna jest geometria podczas prowadzenia pomiarów. Dobrą geometrię można osiągnąć dzięki dobrze skolimowanej wiązce promieniowania, dzięki czemu rozproszone kwanty gamma będą niemalże nierejestrowane. Dzięki pomiarom współczynnika osłabienia, które przeprowadzane jest z dobrą geometrią, możemy założyć, że kwanty przechodzące przez powietrze nie oddziałują z elektronami ośrodka. W takim przypadku powietrze jest przybliżeniem próżni. W ćwiczeniu wytwarzane są dwa kwanty gamma o masach: 1.17 i 1.33MeV. Licznik scyntylacyjny pełnił funkcję licznika. Przed rozpoczęciem ćwiczenia wyznaczono poziom tła, czyli liczbę impulsów bez źródła. Czas dobrano tak by niepewność pomiarowa nie przekroczyła 3%. W celu wyznaczenia współczynnika osłabienia rejestrowano kwanty docierające do licznika w określonym czasie. Następnie między źródło a detektor umieszczono płytki absorbenta o określonej grubości i każdorazowo po dodaniu kolejnej warstwy dokonywaliśmy pomiarów impulsów w ciągu czasu Δt. Uzyskane wyniki są analogiczne do wzoru N(x)=No e-μx, ponieważ każda z zarejestrowanych liczb impulsów była proporcjonalna do natężenia wiązki promieniowania przechodzącego przez absorbent. Po zlogarytmowaniu otrzymamy wzór: ln= N(x)/No = -μx.Gdy przedstawimy pomiar w pół-logarytmicznym układzie współrzędnych za pomocą wzoru lnN(x)= lnNo - μx to uzyskane wyniki powinny ułożyć się na prostej, a współczynnikiem kierunkowym będzie -μ. Pomiaru dokonano dla kilku różnych absorbentów wskazanych przez prowadzącego.