ФОТОЕФЕКТ.

Фотоефект виникає при взаємодії g-квантів з атомом речовини. В результаті цього процесу з атому вилітає електрон із енергією, що дорівнює різниці енергій g-кванту і енергії зв'язку електрону в атомі. При цьому найбільш імовірно, що енергія кванту передається електрону, що знаходиться на найближчому до ядра К-шарі.

Якщо через s_К позначити ефективний перетин фотоефекту на К-шарі, а через s_L і s_М на L і М шарах, то для g-частинок середніх енергій співвідношення між перетинами поглинання для різних шарів можна виразити так:

Перетин фотоефекту є функція атомного номеру Z (величина заряду ядра) і енергії g-кванту. Із збільшенням заряду ядра (Z), перетин фотоефекта, що визначається атомом речовини, збільшується як Zⁿ (4<n<5). При збільшенні енергії g-кванту перетин фотоефекту зменшується. При малих енергіях (Е” 0,2 МэВ) як , а при великих (Е” 0,5 МэВ) за законом 1/Е. (?) Тому, особливо важливо потрібно враховуввати фотоефект при взаємодії g-квантів з речовиною, що складається з важких атомів (Pb, Ag) і при малих енергіях g-квантів.

1.2. КОМПТОНІВСЬКЕ РОЗСІЮВАННЯ.

g -квант у процесі взаємодії з електроном може розсіюватися на деякий кут, передаючи електрону частину своєї енергії. Цей процес називається комптонівським розсіюванням g-променів. Із законів збереження енергії і імпульсу випливає, що при будь-якому куті розсіювання як електрон, так і розсіяний g-квант, повинні мати певні енергії. Якщо позначити через n₀ - частоту падаючого g-кванту, через n - частоту g' - кванту, що розсіюється на кут Q по відношенню до попереднього напрямку падіння, а через Т - кінетичну енергію електрону, що вилітає під кутом j, то на виході будемо мати g-фотон з частотою n й електрон з енергією Т. n і Т визначаються за формулами:

Комптонівське розсіювання досить вагоме при енергіях до 10 МэВ.

1.3. УТВОРЕННЯ ПАР е⁺ і е^-.

При великих енергіях g-квантів можливе утворення пари електрон-позитрон у полі ядра чи в полі атомного електрону. При цьому процесі g-квант зникає. Утворення пар при малих енергіях g-часток неможливе.

Повна енергія пари е⁺+е^-=hn. Таким чином, утворення пар можливе при hnі2mc² (2mc²=1,02 МэВ). Істотну роль процес утворення пар має при Е_gі 10 МеВ.

Із сказаного вище випливає, що повний коефіцієнт поглинання g-випромінювання в речовиною дорівнює:

m = m_фот + m_компт + m_пар (6)

де m_фот, m_компт, m_пар – коефіцієнти поглинання g-випромінювання при відповідному процесі.

Графіки залежності коефіцієнтів m_фот, m_компт і m_пар від енергії g-фотона для Pb і Al приведені на рис.1.

Рис. 1.

 

БУДОВА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ УСТАНОВКИ.

Експериментальна установка схематично представлена на рис.2.

Рис. 2.

 

- S - джерело випромінювання g-частинок;

- К - коліматор;

- П – пластинки, що вбирають випромінювання (поглиначі);

- сч – лічильник Гейгера-Мюлера;

- ПП – лічильний пристрій (ПСО2-4);

- БП - блок живлення.

Вузли установки повинні розміщюватися у певній відповідності. Щоб отримати більш менш правдоподібні результати при вимірах, необхідно розміщувати випромінювач так, щоб пучок g-квантів менше розсіювався і його промені були паралельно направлені у виділені в свинцевих коліматорах віконця. Випромінювачем g-квантів використовують b-радіоактивний кобальт .

Період його напіврозпаду Т=5,3 роки.

Схема розпаду відображена на рис.3.

Рис. 3.

Так як g-кванти, що випромінюються ядром , супроводжують його b-розпад, то радіоактивність g-випромінювача триватиме час, що збігається з періодом напіврозпаду .

Оскільки b-спектр випромінювання ⁶⁰Со більш “м'який” (Е=0,32 МэВ), то усі випромінювані ним b-частинки будуть поглинатися стінками ампули з Al, в якій знаходиться сам випромінювач. Для g-випромінювання стінки ампули практично прозорі.

У роботі розглядається можливість проведення досвіду на двох різних вимірювальних установках.

2. ВИКОНАННЯ ДОСЛІДУ

У досліді виміряється число g-часток N, зареєстрованих лічильником Гейгера-Мюллера.

2.1. Проведення досліду:

1. Вимірити товщини d пластин Al і Pb, що використовується в роботі як поглинач. Результати вимірів занесіть у таблицю;

2. Перевірити працездатність приладів що використовуються в лабораторній роботі, а також виміряти фон в лабораторії. Для цього включити прилад ВУП-2 і ПСО2‑4. На приладі ПСО2-4 нажати кнопки “300 с”, “однократно”, “пуск”. Знайти усереднений фон іонізуючого випромінювання в лабораторії за 100 с.;

3. Визначити інтенсивність N₀ g-випромінювання випромінювача ⁶⁰Со. Виміри провести за t =100 с;

4. Визначити інтенсивність N g-випромінювання, що пройшла через поглинач товщиною d₁, d₂, d₃ см. Вимір провести за t =100 с і занести в таблицю;

5. Дослід провести для пластинок Al і Pb.

2.2. Розрахунок коефіцієнта поглинання.

Залежність числа g-фотонів (N), що пройшли через товщину d, визначається:

(7)

де I₀=N_0i, I(d)=N(d)

Якщо визначити значення N(d) для двох товщин, то можна отримати співвідношення:

звідки

(8)

з урахуванням фону N_Ф Формула (8) буде мати вигляд:

(9)

За допомогою формули (9) визначаємо коефіціент поглинання для Al і Pb. Для визначення m треба використовувати графік, зображений на рис. 5. Визначені результати порівняти з даними графіків на рис. 4.

Рис. 4. Рис. 5.

2.3. Розрахунки і висновки:

1. Визначити значення коефіцієнтів поглинання для Al () і Pb () за формулою (9)

2. Побудувати графіки N(d) для Al і Pb.

3. Порівняти отримані значення m_Pb m_Al з даними, які можна одержати з графіка (мал. 4).

4. Проаналізувати процеси, що призводять до поглинання g-випромінювання в Pb і Al.

 

3. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ.

1. Що таке g-випромінювання?

2. Види взаємодії g-випромінювання з речовиною?

3. Чому відрізняється коефіцієнт поглинання Al відрізняється від коефіцієнта поглинання Pb?

4. Яке джерело g-випромінювання використовується â роботі? Які характеристики g-випромінювання: Е, n, l?

 

4. ЛІТЕРАТУРА.

1. Савельєв И.В. Курс загальної фізики, т.3., 1979р.;

2. Базакуца В.А. Лабораторний практикум по фізиці, Харків, 1972 р.