os³abienie gamma

Wydział Fizyki
Środa 8:00-11:00
Data: 8.12.2010
Ocena z przygotowania:
Dzięgielewski
Przemysław
2. Wojcieszkiewicz
Klaudia
Prowadzący:
Wiesław Tłaczała
Nr zespołu 2
Ocena ze sprawozdania:
Ocena końcowa:
1.
1.5
Podpis prowadzącego
BADANIE OSŁABIENIA PROMIENIOWANIA GAMMA PRZY PRZCHODZENIU
PRZEZ MATERIĘ
1. Wstęp
Rozróżniamy 3 rodzaje promieniowania: alfa, beta i gamma.
Promieniowanie α polega na emisji cząstki alfa czyli zjonizowanego podwójnie jądra helu. Przemiana
β polega na emisji z jądra elektronu i antyneutrina lub pozytonu i neutrina elektronowego. W czasie
przemian promieniotwórczych α i β jądro atomowe uzyskuje nadmiar energii. Tym przemianom
towarzyszy promieniowanie elektromagnetyczne czyli promieniowanie γ. Polega ono na wyzbyciu się
nadmiaru energii (czyli energii wzbudzenia) z jądra. Wyemitowany kwant gamma może podlegać 3
zjawiskom: Comptona, fotoelektrycznemu i tworzenia się par elektron-pozyton. Zachodzą one w
obecności materii (innych atomów), na które trafia wyemitowany kwant gamma.
Zjawisko Comptona:
Polega na oddziaływaniu kwantów gamma ze swobodnymi elektronami. Kwant gamma po natrafieniu
na elektron oddaje mu część energii i zmienia kierunek ruchu.
Zjawisko fotoelektryczne:
Kwant gamma oddziaływuje z elektronami, które są silnie związane w atomie i poruszają się po
orbicie położonej najbliżej jądra. Energia przekazana przez kwant gamma nadaję elektronowi energię
kinetyczną i pozwala na opuszczenie jądra (minimalna energia potrzebna do opuszczenia atomu
nazywana jest pracą wyjścia).
Zjawisko tworzenia par elektron-pozyton:
Jeżeli energia kwantu gamma jest wystarczająco duża może zajść zjawisko tworzenia pary elektronpozyton, wówczas kwant γ zanika. Do zajścia tego procesu potrzebne jest dodatkowe ciało, które
odbierze nadmiar energii tego procesu. Wartością progową dla tego zjawiska jest 1.02 MeV co jest
sumaryczną wartością energii elektronu i pozytonu.
Osłabienie gamma zależy od energii kwantu oraz materiału który napotka na swojej drodze.
Prawo osłabienia promieniowania gamma
I(x)=I0exp(-μx)
μ – liniowy współczynnik absorbcji (suma liniowych współczynników osłabienia dla zjawisk:
fotoelektrycznego, Comptona i tworzenia par)
x – grubość absorbentu
I – natężenie wiązki po przejściu przez absorbent
I0 - natężenie wiązki przed przejściem przez absorbent
Jeżeli przez  oznaczymy wkład do natężenia wiązki pochodzący od jednego kwantu, to możemy
przejść od I do liczby kwantów promieniowania w wiązce:
N  =N0  exp(-μx)
po skróceniu  : N=N0exp(-μx)
2. Cel ćwiczenia, schemat blokowy i opis aparatury.
Celem ćwiczenia było zbadanie osłabienia promieniowania gamma przy przechodzeniu przez materię.
Polegało ono na wyznaczeniu współczynnika osłabienia dla konkretnego metalu (w załączniku
dokładne rachunki dla absorbentu Pb) i udowodnieniu liniowej zależności osłabienia od grubości
absorbentu.
W pierwszej części ćwiczenia zanalizowaliśmy widmo 60Co, które było źródłem promieniowania.
Następnie zmierzyliśmy widmo tła. Ostatecznie wykonaliśmy pomiar liczby kwantów gamma dla
różnych grubości absorbentu w takiej samej jednostce czasu (55s).
Schemat blokowy aparatury:
Do pomiaru używaliśmy licznika scyntylacyjnego. Wyemitowany kwant gamma trafiając na
powierzchnię powielacza powoduje powstanie niewielkiego prądu elektrycznego, który „powielony” i
wzmocniony trafia poprzez analizator jednokanałowy do komputera ze specjalną kartą licznikową.
3. Wyniki pomiarów
Do pomiaru użyliśmy izotopu
wszystkich pomiarów.
60
Co. Napięcie licznika scyntylacyjnego U=860 V, bramka 55 s dla
Widmo:
Pomiar widma dla napięć 4 V – 7,6 V.
U [V]
N
4,0 4,5
237 221
5,0
210
5,5
335
6,0
329
6,2
308
6,4
184
6,6
143
6,8
189
7,0
213
7,2
95
7,4
8
7,6
2
Na wykresie widać krawędź comptonowską(pierwsze minimum) oraz dwa maksima – pierwsze
odpowiadające energii 1,17 MeV, drugie 1,33MeV.
Pomiar tła
Bramka 55 s, LL=6,6 V
Wartość kwantów gamma w tle: 38; 43.
Pomiar osłabienia
Bramka 55 s
Grubość
absorbentu
[mm]
2
5
7
10
12
15
17
20
Zliczenia Pb
Zliczenia Cu
975
768
663
599
532
454
371
322
1053
760
698
622
583
510
496
432
Zliczenia Al
933
873
878
824
Wyniki pomiarów i dane do wykresów:
Ołów (Pb)
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
d [mm]
2
5
7
10
12
15
17
20
N(d)
975
768
663
599
532
454
371
322
ΔN(d)
31.22
27.71
25.75
24.47
23.07
21.31
29.26
17.94
lnN
6.88
6.64
6.50
6.40
6.28
6.12
5.92
5.77
ΔlnN
0.03
0.04
0.04
0.04
0.04
0.05
0.05
0.06
Miedź (Cu)
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
d [mm]
2
5
7
10
12
15
17
20
N(d)
1053
760
698
622
583
519
496
432
ΔN(d)
32.45
27.07
26.42
24.94
24.15
22.78
22.27
20.78
lnN
6.96
6.63
6.55
6.43
6.37
6.25
6.21
6.07
ΔlnN
0.03
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.05
Lp.
1
2
3
4
d [mm]
5
10
15
20
Aluminium (Al)
N(d)
ΔN(d)
933
30.55
873
29.55
878
29.65
824
28.71
lnN
6.84
6.77
6.78
6.71
ΔlnN
0.03
0.03
0.03
0.03
Wykres liniowy osłabienia
Wykres logarytmiczny
Niepewność bezwzględną wyznaczyłem ze wzoru ΔlnN=1/√𝑁𝑖 natomiast niepewność ΔN=√𝑁(𝑑)
Współczynniki osłabienia wyznaczone przy pomocy programu komputerowego(ręcznie dla ołowiu w
załączniku):
Pb:
μ=0,0598 [1/mm] +/- 0,0026 [1/mm]
Cu:
μ=0,0468 [1/mm] +/- 0,0024 [1/mm]
Al:
μ=0,0073 [1/mm] +/- 0,0030 [1/mm]
4. Wnioski
Najlepszym absorbentem jest ołów, następnie miedź, najsłabszym z badanych jest aluminium. Można
zauważyć, że współczynnik absorpcji może zależeć od liczby atomowej pierwiastka, z którego
wykonany został absorbent.
Pewne rozbieżności pomiędzy wynikami wykonanego doświadczenia a wartościami tablicowymi
mogą wynikać np. ze statystycznego charakteru badanego zjawiska, zastosowanych metod
opracowania wyników (metody najmniejszych kwadratów).
Wiązka promieniowana pomimo zastosowania kolimatora nie jest idealnie równoległa i bardzo wąska
a takie było ograniczenie stosowalności naszej metody pomiaru. Płytki absorbentów nie zostały
wykonane idealnie, ponadto materiały, z których są zrobione nie są idealnie czystymi pierwiastkami.
Uzyskane wyniki są zbliżone do wartości tablicowych (np. dla energii 1,3 MeV
Cu: μ=0,0456 [1/mm] , Pb: μ =0,064 [1/mm]). Nie udało mi się odnaleźć tablicowej wartości μ dla Al.
Różnice pomiędzy wartościami tablicowymi, a wartościami wyznaczonymi doświadczalnie nie
przekraczają znacznie 10% a więc prawo osłabienia zostało potwierdzone.
Bibliografia:
1. Wiesław Tłaczała, Wirtualne laboratorium fizyki jądrowej, Oficyna Wydawnicza
Politechniki Warszawskiej
2. Jolanta Gałązka-Friendman, Instrukcja do ćwiczenia 11/B: Badanie osłabienia
promieniowania gamma przy przechodzeniu przez materię.