Визначення середньої довжини пробігу альфа-частинок у повітрі (варіант 2)

Завдання роботи:

1. Ознайомитися з будовою та принципом роботи установки ФПК-03 для визначення довжини пробігу частинок у повітрі.
2. Визначити середню довжину пробігу альфа-частинок у повітрі за результатами експерименту, проведеного на установці ФПК-03 з використанням радіоактивного джерела.

Обладнання:

установка ФПК-03, ПК.

Рис. 1. Загальний вигляд установки ФПК-03

Рис. 2. Об’єкт дослідження установки ФПК-03

Основні терміни та поняття

ПРИРОДНА РАДІОАКТИВНІСТЬ ШТУЧНА РАДІОАКТИВНІСТЬ α – АЛЬФА Методи спостереження і реєстрації заряджених частинок Лічильник Гейгера – Мюллера – Методи спостереження і реєстрації заряджених частинок

Теоретична частина

Іонізуюче випромінювання – це випромінювання, взаємодія якого з середовищем призводить до утворення електричних зарядів (іонів) різних знаків. Джерелом іонізуючого випромінювання є природні та штучні радіоактивні речовини й елементи (уран, радій, цезій, стронцій та ін.). Джерела іонізуючого випромінювання широко використовуються в атомній енергетиці, медицині (для діагностики та лікування) та в різних галузях промисловості (для дефектоскопії металів, контролю якості зварних з’єднань, визначення рівня агресивних середовищ у замкнутих об’ємах, боротьби з розрядами статичної електрики тощо).

Іонізуюче випромінювання поділяють на електромагнітне (фотонне) та корпускулярне. До останнього належать випромінювання, що складаються з потоку частинок, маса спокою яких не дорівнює нулю (альфа- і бета-частинок, протонів, нейтронів та ін.). До електромагнітного випромінювання належать гамма- та рентгенівські випромінювання.

Альфа-випромінювання – це потік позитивно заряджених частинок (ядер атомів гелію), що рухаються зі швидкістю 20 000 км/с.

Бета-випромінювання – це потік електронів та позитронів, швидкість яких наближається до швидкості світла.

Гамма-випромінювання – це короткохвильове електромагнітне випромінювання, яке за своїми властивостями подібне до рентгенівського, однак має значно більшу швидкість (приблизно дорівнює швидкості світла) та енергію.

Для спостереження і реєстрації елементарних частинок використовують дві групи пристроїв: лічильники іонізуючих частинок і трекові камери.

Лічильники іонізуючих частинок, зокрема спінтарископ та лічильник Гейгера-Мюллера дають змогу підрахувати число частинок, які надходять до реєструвального пристрою.

Трекові камери, зокрема камера Вільсона, бульбашкова та дифузійна камери, дають можливість спостерігати сліди (треки), що залишають заряджені частинки, пролітаючи крізь їхній робочий об’єм, та визначити, які саме ці частинки.

У лабораторній роботі пропонується ознайомитися з будовою та принципом дії установки ФПК-03 для визначення довжини пробігу частинок у повітрі та здійснити розрахунок середньої довжини пробігу альфа-частинок за результатами експерименту, проведеного з використанням зазначеної установки та радіоактивного джерела.

Установка ФПК-03 (рис. 1) складається з об’єкту дослідження та вимірювального пристрою, з’єднаних між собою кабелем. Основним вузлом об’єкту дослідження (рис. 2) є формувач (1), у корпусі якого розміщені підсилювально-нормувальний пристрій для перетворення сигналів з лічильників іонізуючих випромінювань на нормовані імпульси для роботи вимірювального пристрою та високовольтний перетворювач для живлення лічильників. На боковій стінці корпусу закріплений роз’єм для під’єднання лічильника випромінювання. Лічильник випромінювання (2) має віконце (3), що може зачинятися за допомогою шторки. Тримач радіоактивного зразка (4) може пересуватися напрямними стрижнями (5). Для визначення відстані від зразка до віконця лічильника призначена лінійка (6).

Вимірювальний пристрій призначений для підрахунку кількості частинок, що надходять до лічильника за певний регульований проміжок часу.

Отже, установка дає змогу здійснити підрахунок кількості іонізуючих частинок, що надходять від радіоактивного джерела та з навколишнього середовища, за певний проміжок часу при різній відстані від джерела до лічильника.

Аби здійснити селекцію за альфа-випромінюванням, необхідно провести дві серії вимірювань. У першій серії проводять вимірювання загальної кількості іонізуючих частинок залежно від відстані від лічильника до джерела. У другій серії вимірювань віконце лічильника закривають екраном альфа-частинок (звичайний аркуш паперу за розмірами віконця). Різниця між результатами вимірювань з досить високою точністю дорівнюватиме кількості альфа-частинок.

Хід роботи

1. Підключіть мережевий шнур вимірювального пристрою до мережі та увімкніть установку вмикачем «Сеть» на задній панелі пристрою. При цьому на індикаторі має встановитися значення «time: 10 s» та режим установки часу «set».
2. Дайте установці прогрітися протягом 5 хв.
3. Натисніть кнопку «Сброс»; при цьому в усіх розрядах мають відтворюватися нулі.
4. Тримач зразка зніміть або встановіть на максимальній відстані від лічильника.
5. Послабте гвинти захисної шторки лічильника. Відкиньте її, відкривши робочу поверхню лічильника (надалі дотримуйтесь обережності, щоб не пошкодити цієї поверхні) та закріпіть у такому положенні за допомогою гвинта.
6. Натисніть кнопку «Пуск/Стоп», після чого мають з’явитися та наростати покази кількості частинок та секунд. Після проходження встановленого часу (10 секунд) вимірювання має автоматично припинитися. На індикаторі має зафіксуватися значення «10 s» та деяке число, що відповідає кількості підрахованих частинок.
7. Занесіть це число до таблиці та натисніть кнопку «Сброс».
8. Натисніть кнопку «Установка» та за допомогою кнопок «+» та «-» встановіть час замірів 2 хв («120 s»).
9. Натисніть кнопку «Пуск» і дочекайтеся закінчення підрахунку частинок. Результати занесіть до таблиці та повторіть вимірювання ще двічі.
10. Закрийте віконце лічильника аркушем паперу (екраном альфа-частинок) відповідного розміру та повторіть вимірювання за п. 8. Результати занесіть до таблиці.

Результати вимірювань довжини вільного пробігу частинок з використанням радіоактивного джерела для аналізу зведені до таблиць 1 та 2.

Таблиця 1. Результати вимірювань кількості частинок, що долітають від радіоактивного джерела до лічильника без екрану альфа-частинок

Таблиця 2. Результати вимірювань кількості частинок, що долітають від радіоактивного джерела до лічильника з екраном альфа-частинок

Аналіз даних

1. Розрахуйте середні арифметичні значення кількості частинок, що надходять з навколишнього середовища до лічильника установки ФПК-03 за відсутності та наявності екрану альфа-частинок.
2. Зробіть висновок щодо наявності чи відсутності альфа-частинок у загальному радіаційному фоні навколишнього середовища.
3. Занесіть дані таблиць 1 та 2 до Excel.
4. За даними таблиць 1 та 2 розрахуйте середні арифметичні значення від кількості частинок та округліть їх до цілих чисел.
5. Розрахуйте кількість альфа-частинок шляхом віднімання середніх значень за даними таблиці 1 від середніх значень за даними таблиці 2.
6. Видаліть комірки, які відповідають кількості альфа-частинок, що не перевищує 2, та визначте максимальну довжину пробігу альфа-частинок.
7. Побудуйте графік залежності кількості альфа частинок, що долітають до лічильника, від відстані між джерелом та лічильником.
8. Побудуйте лінію тренда, задавши параметри: «Поліноміальна», «Ступінь 2», «Показати рівняння на діаграмі», «Помістити на діаграму величину достовірності апроксимації R2».
9. Визначте величину, що відповідає половині максимальної кількості альфа-частинок.
10. Підставте отриману величину до отриманого рівняння, розв’яжіть його та визначте середню довжину пробігу альфа-частинок.
11. Порівняйте отримані результати з результатами експерименту в дифузійній камері (робота “Визначення середньої довжини пробігу альфа-частинок у повітрі (варіант 1)”).

Таблиця результатів