Методи реєстрації заряджених частинок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Іонізуюче випромінювання. Фотоемульсійний метод

Доки частинка летить у вакуумі і ні з чим не взаємодіє, її неможливо спостерігати. Частинку. можна зареєструвати лише при взаємодії її з речовиною. Відомі різні види взаємодії частинки з речовиною. Заряджені частинки, проходячи через речовину, викликають іонізацію і збудження атомів середовища, що, в свою чергу, може проявитись у вигляді помітних ефектів: імпульсів струму, спалахів світла і інше. Гамма-кванти самі не створюють іонізації, але, взаємодіючи з атомами середовища, вони можуть у результаті різноманітних ефектів породжувати швидкі електрони, ям вже іонізують речовину. Нейтрони викликають різноманітні ядерні реакції, в. ході яких виникають швидкі заряджені частинки: протони, а - частинки, уламки атомних ядер та інші, або утворюються нестабільні ядра, які, як відомо, можна виявити за їх радіоактивністю.

Можливі процеси взаємодії частинок з речовиною і не зв'язані з іонізацією, наприклад, генерація квантів випромінювання Вавілова-Черенкова.

Всі ці процеси, суть яких у перетворенні енергії випромінювання в інші види енергії, можна використати для реєстрації частинок. До пристроїв, в яких безпосередньо використовується створювана випромінюванням іонізація речовини, відносяться іонізаційні камери, газорозрядні лічильники Гейгера, напівпровідникові детектори, камера Вільсона, фотоемульсії і інші.

Зупинимось дещо детальніше на фотоемульсійному методі реєстрації заряджених частинок.

Як відомо, фотоемульсії є шаром желатину з вкрапленими в нього зернами бромистого срібла. Розмір зерен залежить від типу фотоемульсії і коливається в межах від 1 до 0,1 мкм. У тих фотоемульсіях, які використовуються для реєстрації заряджених частинок, для збільшення чутливості відносний вміст бромистого срібла порівняно з желатином у 8 разів більший, ніж у звичайних фотоемульсіях. Товщина фотоемульсійного шару в таких пластинках в 10…100 разів більша, ніж у звичайних фотопластинках.

Заряджені частинки в результаті взаємодії з зернами бромистого срібла іонізують їх. При цьому в зернах бромистого срібла утворюються іони срібла і брому. При проявленні в першу чергу починають відновлюватись в чисте срібло ті зерна бромистого срібла, в яких були вільні атоми срібла. Чим сильніше фотопластинка була піддана дії опромінення, тим більше виявиться в ній «заряджених» атомами зерен бромистого срібла, і, відповідно, тим сильніше вона потемніє при проявленні.

Сліди, залишені зарядженими частинками в фотоемульсіях, після проявлення є чорними лініями різноманітної товщини і називаються треками. Заряджені частинки одного виду, але які мають різну енергію, залишають в фотопластинці сліди однакової товщини, але різної довжини.

Фотоемульсійний метод дозволяє одночасно виявити природу заряджених частинок і їх енергію.

До створення прискорювачів заряджених частинок єдиним джерелом високоенергетичного випромінювання були космічні промені У космічних променях були виявлені дві компоненти: жорстка, яка здатна проникати через значні товщини свинцю, і м'яка, яка значно поглинається навіть невеликими товщинами свинцю.

Частинки жорсткої компоненти були названі мезонами, тому що вони мали масу, проміжну між масами електрона і протона. До мезонів в першу чергу відносять m^- і m⁺ - мезони (мюони), маса яких m_m=207m_е і p^- і p⁺ - мезони (мюони) з масами m_p=275m_е.

Було встановлено, що мюони утворюються при розпаді піонів. Фотоемульсійні пластинки, які використовуються в цій роботі, одержані шляхом опромінення на одному із прискорювачів протонів.

Протони, прискорені до енергії 10¹⁰ еВ, виводяться із кільцевого прискорювача з допомогою відхилювального пристрою і потрапляють на мішень. Під дією досить енергійних протонів у мішені відбуваються різноманітні процеси, зокрема утворюються пучки p - мезонів. Ці пучки і реєструються фотоемульсійним методом. У фотопластинці позитивні піони не можуть наблизитись до позитивно зарядженого ядра і розпадаються з народженням мюона і нейтрино:

(1)

Мюон - досить нестабільна частинка і розпадається на позитрон, нейтрино і антинейтрино

(2)

Негативний піон має можливість близько підійти до ядра і поглинутись ним, що приводить до ядерного розщеплення. Уламки такого розщеплення розлітаються в усіх напрямках із збереженням імпульсу. Ці уламки в фотоемульсії утворюють так звану «зірочку», показану на рис. 6-4 1.

У більшості випадків сліди частинок, які створили «зірочку», розміщуються не в площині, паралельній предметному столику мікроскопа, тому в процесі спостереження необхідно коректувати фокусну відстань. Довжину R кожного із треків, які утворюють «зірочку», легко виміряти за допомогою шкал препаратоводія Для всіх треків «зірочки», довжини яких перевищують 100 мкм, енергію Е частинок розраховують з допомогою такого емпіричного співвідношення (Е в МеВ, R в мкм):

E=0,25l?R^0,58 (3)

або користуються графіком залежності «пробіг-енергія» (рис. 6-4 2). І в тому, і в іншому випадку точність вимірювання не перевищує 2%.

іонізуючий випромінювання фотоемульсійний реєстрація

Радіоактивність. Альфа-, бета - частинки, гама-випромінювання. Методи реєстрації іонізувального випромінювання. Поглинена доза іонізувального випромінювання та його біологічна дія

Явище спонтанного випускання хімічними елементами випромінювання, що має велику проникну здатність та іонізувальні властивості, називають прородною радіоактивністю, а такі елементи стали називати радіоактивними.

Уперше це явище відкрив 1896 року Беккерел в урані, а через два роки Марія Склодовська-Кюрі відкрила її у радії, полонії і торії. Наразі відомо, що радіоактивними є всі хімічні елементи, таблиці Меделеєва після свинцю, а також деякі ізотопи, що стоять перед свинцем.

На початку ХХ ст. англійський фізик Резерфорд пропустив сильне випромінювання радіоактивних елементів через сильне магнітне поле, внаслідок чого потік частинок ядер розділився на три потоки, які Резерфорд назвав ?-, ?-частинками, ?-променями.

Як з'ясувалося пізніше, потік ?-частинок є потоком ядер гелію. Вони мають малу проникну здатність, але найбільшу іонізувальну здатність. Листок паперу чи одяг затримують їх повністю.

?-частинки є виявились потоком дуже швидких електронів, які рухаються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Вони мають більшу проникну здатність, навіть пластинка з алюмінію завтовшки в декілька міліметрів не повністю їх затримує. ?-промені виявились електромагнітними хвилями з дуже малою довжиною хвилі, на багато меншою, ніж довжина хвилі видимого світла і навіть рентгенівських променів. Вони мають дуже велику проникну здатність. Пластинка з свинцю завтовшки 1 см затримує їх не повністю.

На основі спостережень та експериментів учені встановили, що радіоактивність супроводжується довільним перетворенням одних ядер в інші і випромінюванням різних частинок.

Перетворення ядер відбувається за правилом зміщення, яке вперше сформулював Содді: під час ? - розпаду ядро втрачає позитивний заряд 2е, і маса його зменшується приблизно на чотири атомні одиниці маси. У результаті елемент зміщується на дві клітинки до початку періодичної системи:

У випадку розпаду з ядра вилітає електрон. Тому заряд збільшується на одиницю, а маса залишається майже незмінною:

Чисельні дослідження показали, що під час радіоактивного розпаду виконується закони збереження заряду, енергії, і імпульсу та інші закони мікросвіту.

Для кожної радіоактивної речовини є певний інтервал часу, протягом якого активність зменшується у два рази. Цей інтервал називають періодом піврозпаду. Період піврозпаду Т - це той час, за який розпадається половина всієї кількості наявних радіоактивних атомів.

Виведемо закон радіоактивного розпаду. Нехай кількість радіоактивних атомів у початковий момент часу (t = 0) дорівнює N₀. Тоді по закінченні періоду піврозпаду їх кількість дорівнюватиме N₀/2. Ще через один такий інтервал часу їх кількість дорівнюватиме:

Через час t = nT, тобто через n періодів піврозпаду Т, радіоактивних атомів залишиться: .

Оскільки n = t/T, то .

Це і є основний закон радіоактивного розпаду. Чим менший період піврозпаду, тим менший час життя атомів, тим швидше відбувається розпад. Період піврозпаду радію дорівнює 1600 років, торію - 25, 64 години, а полонію - - 3·10^-7 с.

Закон радіоактивного розпаду - це статистичний закон.

Ядро атома має радіус приблизно 10^-15 м, такі малі предмети неможливо побачити ніякими сучасними приладами, тому будову атома доводиться вивчати так: ядро розбивають, наприклад, направивши на нього інше ядро, при цьому розлітаються частинки, більшість з яких заряджені. Ці уламки реєструють і збирають інформацію, після чого створюють модель атома ядра.

Розроблено багато пристроїв і методів реєстрації уламків. Найбільш популярні з них такі:

1. Лічильник Гейгера-Мюллера. Це металева чи скляна труба, вкрита з середини металом, яку заповнюють аргоном для зниження тиску. У центрі трубки натягнуто металеву нитку. Між трубкою і ниткою прикладають напругу в декілька сотень вольтів. Послідовно з трубкою вмикають опір навантаження R. Коли в трубку влітає уламок ядра, він на своєму шляху іонізує газ і в трубці створює газовий розряд, внаслідок чого на опорі навантаження виникають короткочасні імпульси напруги, які реєструються приладами.

Лічильники Гейгера-Мюллера використовують переважно для реєстрації електронів, а також фотонів великих енергій ? - квантів.

2. Камера Вільсона - це прозора циліндрична камера, заповнена насиченою парою води і спирту. Спочатку тиск в камері трохи підвищують, а потім різко знижують, від чого пара стає перенасиченою. Якщо в цю хвилину в камеру влітає заряджений уламок ядра, то за ним можна спостерігати видимий слід - трек. Якщо камеру Вільсона помістити в сильне магнітне поле, то трек буде вигнутим. За кривизною треку визначають відношення заряду до маси цього уламка (q/m). Ця величину строго визначено для кожного уламка, що дозволяє розпізнати його.

3. Бульбашкова камера або камера Гледзера. Це прозора камера, заповнена зрідженим газом під тиском. У разі різкого зниження тиску зріджений газ переходить в стан перегрітий. Якщо в цей час у камеру влітає уламок, то за ним утворюється шлейф бульбашок пари - трек. Бульбашкову камеру, як і камеру Вільсона, можна помістити в магнітне поле.

Основна перевага бульбашкової камери полягає у великій гальмівній здатності робочої рідини (бензолу, фреону, пропану, тощо), що дозволяє отримувати треки дуже швидких частинок.

4. Метод товстошарових фотоемульсій.

.

На поверхню плівки наносять товстий шар бромистого срібла AgBr і цей матеріал підставляють під потік заряджених частинок (рис. 7.15). Уламки ядер на своєму шляху розбивають молекули бромистого срібла або експонують матеріал. Після обробки плівки проявником і закріпленні її під мікроскопом можна побачити чіткі треки частинок.

За формою треку, його довжиною, почервонінням зерек емульсій та за іншими ознаками можна встановити вигляд частинки, її енергію, швидкість, напрям руху тощо.

Цей метод дозволяє одержувати сліди частинок, що не зникають та виявляти треки усіх високоенергетичних заряджених частинок, що пролетіли за час експозицій крізь фотопластинку. Треки частинок більш чіткі, ніж в камері Вільсона або бульбашковій камері.

5. Метод сцинтиляцій. Цей метод метод застосували першим. Наразі він не має широкого застосування. Сцинтиляційний лічильник реєструють частинки, які потрапляють на люмінісціювальний екран і викликають спалахи. Ці спалахи сприймаються фотопомножувачем і через підсилювач сигнали подаються на лічильник імпульсів. Такі лічильники можуть фіксувати на тільки кількість частинок, а й їх розподіл за енергіями.

Випромінювання радіоактивних речовин справляє дуже активний вплив на живі організми. Рухаючись у живому організмі, уламок ядра руйнує частинки живих клітин, в результаті клітина гине чи порушується її генетичний код. Найбільш чутливими до випромінювання частинок є ядра клітин, особливо тих, які швидко поділяються. Тому, в першу чергу, випромінювання вражають кістковий мозок, через що порушується кровообіг. Далі вражаються клітини шлункового тракту та інших органів.

Сильний вплив чинить випромінювання на спадковість, вражаючи гени в хромосомах.

Інколи випромінювання може бути корисним: пригнічувати ? - випромінюванням ракових пухлин.

Вплив радіоактивного випромінювання на живі організми характеризується дозою опромінювання - відношення поглинутої енергії іонізованого випромінювання до маси опромінюваної речовини: яка опромінюється.

.

У СІ [D] = 1 Грей = Дж/кг.

1 Гр, дорівнює поглинутій дозі випромінювання, за якої речовини масою 1 кг, що опромінюється., передається енергія іонізувального випромінювання 1Дж.

На практиці користується що одиницею дози опромінення - рентген (Р). Доза опромінення дорівнює 1 Р, коли в 1 см³ сухого повітря за нормальних умов виникає 2·10⁹ пар іонів.

Існує біологічно допустима доза опромінення - за рік 0,05 Гр. Для людини доза 600 Р (рентген) (1Р 0,01 Гр) вважається смертельною, а доза 500 Р - доза напіввиживання.

Позасистемна одиниця дози опромінення - біологічний еквівалент рентгена (бер): 1 бер = 10^-2 Дж/кг.

Для захисту від радіоактивного випромінювання найкраще відійти від джерела випромінювання. Можна використовувати захисні стіни, із матеріалів з більшою атомною масою наприклад, свинецю. На практиці широко використовують для цього залізобетон. Для захисту від потоку нейтронів потрібно спочатку уповільнити їх водою, а потім використати стінку з берилію.

Размещено на Allbest.ru