Rozpadem promieniotwórczym nazywamy samorzutną przemianę jąder jednego nuklidu w jądra drugiego nuklidu. Szczególnym typem przemiany, łączącym się z rozpadem promieniotwórczym, jest przejście jądra atomowego od wyższego stanu energetycznego do niższego stanu energetycznego. Jest to deekscytacja jądra atomowego. Deekscytację można rozpatrywać jako rozpad polegający na zmianie energetycznego stanu jądra. Nuklidy ulegające rozpadowi promieniotwórczemu noszą nazwę promieniotwórczych lub radioaktywnych. N=N₀e^-*t, * jest stałą rozpadu, N₀ jest liczbą jąder w chwili początkowej, N jest liczbą jąder po upływie czasu t.

Czas połowicznego rozpadu. Jest to czas w ciągu którego aktywność źródła zmaleje dwukrotnie T=.

Rozpad * jest to proces, podczas którego z rozpadającego się jądra emitowane jest jądro He (cząstka *). W tym rozpadzie jądro przemienia się w jądro o liczbie atomowej Z_F =Z_I -2 i liczbie masowej A_F = A_I -4. Można to również zapisać : . Atom końcowy Y, powstający w tym rozpadzie, ma o dwa elektrony w powłokach mniej niż atom początkowy X.

Rozpad *-. W tej przemianie z jądra emitowany jest elektron, zwany cząstką beta minus, oraz antyneutrino elektronowe o masie spoczynkowej równej zero i nie posiadającej ładunku elektrycznego. W wyniku tej przemiany liczba atomowa zwiększa się o jeden Z_F =Z_I+1, a liczba masowa pozostaje bez zmiany : A_F =A_I. Zapis rozpadu beta minus jest następujący : . Ze względu na zwiększenie ładunku elektrycznego jądra Y, atom końcowy ma o jeden elektron więcej niż atom X.

Rozpad *+ polega na wysłaniu z jądra pozytonu, zwanego cząstką beta plus, i neutrina elektronowego. W przemianie beta plus liczba atomowa zmniejsza się o jeden: Z_F = Z_I -1, a liczba masowa nie ulega zmianie: A_F=A_I. Zapis tej przemiany ma postać : . Atom końcowy Y ma o jeden elektron mniej niż atom X.

Promieniowanie *. Krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne, emitowane przez promieniotwórcze lub wzbudzone jądra atomowe podczas przemian jądrowych, a także powstające przy anihilacji par, rozpadzie mezonów *⁰.

Schemat rozpadu ¹³⁷Cs. ¹³⁷ Cs rozpada się przechodząc w jądro baru ¹³⁷Ba. Rozpad ten może zachodzić na dwóch drogach, albo przez emisję cząstki *^- o energii 1,18 MeV ( rozpad ten zachodzi z prawdopodobieństwem 8% ), albo przez emisję cząstki o energii 0,52 MeV i przejście powstałego w tym procesie wzbudzonego jądra baru ¹³⁷Ba do stanu podstawowego przez emisję kwantu * o energii 0,663 MeV. ( Ten rozpad zachodzi z prawdopodobieństwem 92% ).

Schemat rozpadu ¹³⁷ Cs

Promieniowanie tła. Wszystkie impulsy powstające w układzie rejestrującym nie pochodzące z badanego procesu nazywamy tłem. Impulsy te mogą powstawać np. pod wpływem promieniowania kosmicznego, zanieczyszczeń promieniotwórczych powietrza lub z zanieczyszczeń źródła. Niekiedy mogą być wywołane samorzutnymi wyładowaniami w liczniku.

Współczynnik absorbcji. Osłabienie strumienia promieni * przy przejściu przez materię następuje w trzech procesach : zjawisku fotoelektrycznym, zjawisku Comptona i zjawisku tworzenia się par. Wkład innych oddziaływań jest mały i można go pominąć. Wartość współczynnika osłabienia zależy od rodzaju absorbenta i energii promieni *. Przy przejściu cienkiej warstwy absorbentu strumień promieni * ulega osłabieniu zgodnie z równaniem : -dI=*Idx, gdzie I jest strumieniem promieni * padającym na cienką warstwę absorbentu, dI jest to część strumienia zaabsorbowana i rozproszona w warstwie o grubości dx. Po scałkowaniu otrzymuje się następujące wyrażenie : I=I₀e^-*x, gdzie I₀ jest strumieniem promieni * dochodzącym do absorbentu, I jest strumieniem promieni * po przejściu warstwy absorbentu o grubości x. Powyższe równanie jest słuszne w warunkach dobrej geometrii, tzn. gdy wiązka promieni * jest równoległa i wąska.

Tworzenie par. W procesie tym padający foton oddziaływuje z polem jądra i jest całkowicie zaabsorbowany; na jego miejsce powstaje para elektronowo-pozytonowa. Energie cząstek biorących udział w procesie opisane są równaniem : h*=T_- + T₊ + 2m₀c², gdzie T_- ,T₊ oznacza odpowiednio energie kinetyczne ujemnego elektronu i pozytonu, a m₀c² jest energią potrzebną do utworzenia elektronu w spoczynku. Ponieważ obie cząstki powstają dzięki energii dostarczonej przez foton, zatem proces jest energetycznie dozwolony gdy h*>2m₀c².

Schematyczne przedstawienie procesu tworzenia pary w polu jądra.

Zjawisko Comptona. Polega na elastycznym zderzeniu pomiędzy fotonem a swobodnym elektronem. Padający foton uderza elektron i w wyniku oddziaływania powstaje energetyczny elektron i rozproszony foton. Liniowy współczynnik osłabienia * w zjawisku Comptona zależy jedynie od liczby obecnych elektronów, czyli * =NZ _e*, gdzie N jest liczbą atomów/cm³, Z liczbą atomową, a _e* jest przekrojem czynnym elektronu na rozpraszanie Comptona. Wartość ta nie zależy od Z i maleje powoli ze wzrostem energii fotonu.

Schematyczne przedstawienie rozpraszania comptonowskiego.

Zjawisko fotoelektryczne. W zjawisku tym padający foton doznaje nieelastycznego zderzenia z uderzanym atomem. Pęd zachowuje się dzięki niewielkiemu odskokowi atomu. Jednakże, ze względu na stosunkowo dużą masę atomu, z ruchem tym związana jest zaniedbywalnie mała ilość energii kinetycznej. Resztę energii fotonu przeprowadza atom w stan wzbudzony, z którego przechodzi on do stanu o niższej energii wysyłając jeden ze swoich orbitalnych elektronów. Całkowitą energetykę procesu opisuje równanie fotoelektryczne T=h*-B_e , gdzie T jest energią kinetyczną wyrzuconego elektronu, zwanego również fotoelektronem, h* jest energią padającego fotonu, a B_e jest energią wiązania fotoelektronu. Energia oznaczana przez B_e jest obserwowana w laboratorium w postaci charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego lub elektronów Augera wyzwalających się przy zapełnianiu miejsca zwolnionego przez wybity fotoelektron.

Schematyczne przedstawienie zjawiska fotoelektrycznego.

Przekrój czynny. Gdy * cząstek pada na 1 cm² tarczy w ciągu 1s i jeśli tarcza jest na tyle cienka, by żaden jej atom nie był zasłaniany przez inne atomy, to jest intuicyjnie zrozumiałe, że wydajność reakcji musi być proporcjonalna zarówno do *, jak i do N_T czyli ilości atomów tarczy przypadających na 1 cm² przekroju wiązki. Każdemu atomowi tarczy przypisujemy pewną powierzchnię * taką, że z założenia każde przejście cząstki padającej przez tę powierzchnię powoduje reakcję. Zatem wydajność reakcji na 1 cm² wynosi : R=**N_T. Pole * zwane przekrojem czynnym, nie musi pozostawać w żadnym związku z faktycznymi rozmiarami jądra; w rzeczywistości wartość przekroju czynnego jąder na reakcje z powolnymi neutronami zmienia się. Często wielkość N_T =Ndx, gdzie N jest liczbą jąder w 1 cm³ a dx jest grubością tarczy, zatem R=**Ndx. Nie można stosować tego wyrażenia, gdy tarcza jest zbyt gruba.

Literatura :

J.Araminowicz, K.Małuszyńska, M.Przytuła - Laboratorium fizyki jądrowej, PWN, W-wa, 1978

O.Oldenberg, N.C.Rasmussen - Fizyka współczesna, PWN, W-wa, 1970

Encyklopedia fizyki, PWN, W-wa, 1974

Encyklopedia PWN, W-wa, 1996

Obliczenia :

N₀ = 117110

N_TŁA = 844

N₀ - N_TŁA = 116266

T = 100s

Ołów - Pb

Nr płytki	dsumy	N	N - NTŁA		ln ()		ln ()	*
1	2,34	88280	87436	1,329726	0,284973	1,326574	0,282600	0,120769
2	4,26	69221	68377	1,700367	0,530844	1,691827	0,525809	0,123429
3	6,49	54066	53222	2,184547	0,781408	2,20040	0,788641	0,121516
4	7,59	47854	47010	2,473218	0,905520	2,44723	0,894958	0,117912
5	8,59	43223	42379	2,743481	1,009227	2,70943	0,996740	0,116035
6	10,34	38277	37433	3,105976	1,133328	3,05953	1,118264	0,108149

Miedź - Cu

Nr płytki	dsumy	N	N - NTŁA		ln ()		ln ()	*
1	1,93	105022	104178	1,116032	0,109777	1,115099	0,108943	0,056447
2	3,88	93320	92476	1,257255	0,228931	1,254929	0,227079	0,058525
3	5,83	83223	82379	1,411354	0,344550	1,407118	0,341589	0,058591
4	7,76	74186	73342	1,585258	0,460747	1,578599	0,456538	0,058832
5	9,69	66225	65381	1,778284	0,575648	1,768365	0,570055	0,058829
6	11,58	59059	58215	1,997182	0,691737	1,982932	0,684576	0,059117
7	13,51	53126	52282	2,223824	0,799228	2,204382	0,790447	0,058508

Aluminium - Al

Nr płytki	dsumy	N	N - NTŁA		ln ()		ln ()	*
1	8,20	102634	101790	1,142214	0,132968	1,141044	0,131944	0,016090
2	16,26	88490	87646	1,326540	0,282574	1,323426	0,280224	0,017233
3	24,41	75529	74685	1,556751	0,442601	1,550530	0,438596	0,017967
4	32,57	65772	64928	1,790691	0,582601	1,780544	0,576919	0,017713
5	40,61	57013	56169	2,069931	0,727515	2,054092	0,719834	0,017725
6	48,79	49219	48375	2,403431	0,876897	2,379265	0,866833	0,017766
7	56,88	43084	42240	2,752509	1,012513	2,718178	0,999961	0,017580
8	65,14	37223	36379	3,195964	1,161888	3,146173	1,146186	0,017595
9	73,34	32739	31895	3,645273	1,293431	3,577079	1,274546	0,017378
10	81,66	28739	27895	4,167987	1,427433	4,074950	1,404858	0,017203
11	89,93	25529	24685	4,709985	1,549684	4,587332	1,523298	0,016938

I =I₀e^-*x

* - współczynnik absorbcji

x - grubość absorbenta

⇒ ⇒ ln ⇒ * =

I ~ N⇒ * =

Odczytując * z wykresów dla poszczególnych absorbentów :

* = []

Ołów

Nr płytki	dsumy	ln ()	*	* średnie
1	2,34	0,284973	0,121783
2	4,26	0,530844	0,124611
3	6,49	0,781408	0,120401	0,118865
4	7,59	0,905520	0,119304
5	8,59	1,009227	0,117488
6	10,34	1,133328	0,109606

Miedź

Nr płytki	dsumy	ln ()	*	* średnie
1	1,93	0,109777	0,056879
2	3,88	0,228931	0,059002
3	5,83	0,344550	0,059099
4	7,76	0,460747	0,059374	0,058950
5	9,69	0,575648	0,059406
6	11,58	0,691737	0,059735
7	13,51	0,799228	0,059158

Aluminium

Nr płytki	dsumy	ln ()	*	* średnie
1	8,20	0,132968	0,016215
2	16,26	0,282574	0,017378
3	24,41	0,442601	0,018131
4	32,57	0,582601	0,017887
5	40,61	0,727515	0,017914
6	48,79	0,876897	0,017972	0,017589
7	56,88	1,012513	0,017800
8	65,14	1,161888	0,017836
9	73,34	1,293431	0,017636
10	81,66	1,427433	0,017480
11	89,93	1,549684	0,017232

1

---