P racownia Dydaktyki Fizyki Instytut Fizyki umk w Toruniu



Pobieranie 2,12 Mb.
Strona1/9
Data16.01.2018
Rozmiar2,12 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9

Józefina Turło, Krzysztof Służewski, Zygmunt Turło

P

racownia Dydaktyki Fizyki


Instytut Fizyki UMK w Toruniu

9. Badanie promieniowania jonizującego


z wykorzystaniem licznika GM
Cele doświadczenia
Cele ogólne


  • Ukształtowanie świadomości w zakresie pozytywnych i negatywnych skutków promieniowania jonizującego oraz dopuszczalnych, nieszkodliwych dla człowieka dawek tego promieniowania, a także zasad bezpiecznego posługiwania się preparatami promieniotwórczymi,

  • Poznanie metody komputerowego wspomagania eksperymentów z zakresu fizyki jądrowej.


Cele operacyjne
1. Poznanie pojęć:

  • Dawka promieniowania jonizującego, dawka dopuszczalna, dawka graniczna,

  • Jednostki wielkości fizycznych związanych z promieniotwórczością, jak: bekerel (Bq), grey (Gy), siwert (Sv),

  • Okres półrozpadu substancji promieniotwórczej,

  • Charakterystyka licznika Geigera-Müllera, czas martwy licznika.

2. Nabycie umiejętności:

  • wykrywania promieniowania jonizującego i pochodzącego z naturalnych i sztucznych źródeł promieniowania, jak sole potasowe, nawozy sztuczne, materiały budowlane, koszulki Auera itp. i pomiar jego intensywności,

  • demonstrowania zasady działania i parametrów technicznych licznika Geigera-Müllera,

  • wykorzystania prawa rozpadu promieniotwórczego do wyznaczania okresu półrozpadu substancji promieniotwórczych,

  • badanie zależności poziomu promieniowania jonizującego od odległości od źródła,

  • określania zasięgu promieniowania jonizującego w różnych materiałach.


Stosowane przyrządy i materiały


  • Licznik GM współpracujący z komputerem IBM PC (zaopatrzony we wtyk BT).

  • Panel Coachlab II (lub konsola UIA/UIB podłączona do licznika przez adapter 0520).

  • Oprogramowanie: Coach 5.

  • Naturalne i sztuczne bezpieczne źródła promieniowania jonizującego (materiały budowlane, koszulki Auera, sole potasowe itp.).

  • Płytki z różnych materiałów (np. metalowe, drewniane, plastikowe) o różnej grubości.

  • Linijka.


Badane zjawisko
Czym jest i jak powstaje promieniowanie jonizujące
Naturalną promieniotwórczość pierwiastków, polegającą na emisji przez nietrwałe jądra atomów promieniowania jonizującego odkrył w 1896 roku francuski uczony Henri Becquerel. Nazwy radioaktywność (promieniotwórczość) po raz pierwszy użyła nasza rodaczka Maria Skłodowska-Curie, która odkryła dwa pierwiastki promieniotwórcze polon i rad i za wyniki swych badań w dziedzinie promieniotwórczości dwukrotnie otrzymała nagrodę Nobla - w 1903 roku, wspólnie z mężem Piotrem Curie w dziedzinie fizyki i w roku 1911 w dziedzinie chemii.
Promieniowaniem jonizującym określamy różne rodzaje promieniowania, które mając wystarczająco dużą energię powodują zmiany elektryczne - odrywanie elektronów od atomów i powstawanie jonów, czyli jonizację materii, przez którą przechodzą, mogąc przy tym rozrywać wiązania chemiczne pomiędzy atomami.
Promieniowanie jonizujące jest nieodłącznym składnikiem naszego środowiska, mającym doniosły wpływ na rozwój i ewolucje życia na Ziemi. Promieniowanie to powstaje w wyniku szeregu procesów:

  • promieniowania kosmicznego, będącego w istocie rozpędzonymi do ogromnych energii protonami, jądrami helu, a także innymi atomami docierającymi nieustannie z Kosmosu oraz z atmosfery Słońca, które zderzając się z atomami atmosfery ziemskiej prowadzą do powstawania wtórnych źródeł promieniowania,

  • samorzutnego rozpadu niestabilnych atomów promieniotwórczych, wchodzących w skład naszego naturalnego otoczenia,

  • rozpadu promieniotwórczych pierwiastków wprowadzonych do naszego otoczenia w sposób niekontrolowany, np. w wyniku prób z bronią jądrową, czy też katastrof w energetyce jądrowej,

  • rozpadu paliwa jądrowego w reaktorach jądrowych lub przyspieszania cząstek do dużych prędkości w akceleratorach,

  • przy przejściach elektronów na wewnętrzne powłoki elektronowe atomu, powstające wówczas promieniowanie rentgenowskie wykorzystywane jest w technice i diagnostyce medycznej.

Samorzutny rozpad jąder atomów pierwiastków promieniotwórczych jest zjawiskiem przypadkowym, rządzą nim prawa prawdopodobieństwa. Ze statystycznego charakteru tego zjawiska wynika prawo rozpadu w postaci:



N/N0 = exp[-λt] = exp[- ] = exp[- (ln 2) ]

gdzie: N0 – początkowa liczba jąder danego pierwiastka,

λ – stała rozpadu,

τ – średni czas życia jąder,



T – okres półrozpadu – czas, po którym połowa jąder danego pierwiastka się rozpada.




Jak działa detektor GM?
Najprostszym, a jednocześnie bardzo czułym detektorem promieniowania jonizującego, możliwym do wykorzystania niemal w każdej szkolnej pracowni jest licznik Geigera-Müllera (GM). Jego działanie polega na zliczaniu lawinowych wyładowań w rurce GM z katodą Fe/Cr. Wyładowania te powstają w atmosferze helowo-neonowej pod niskim ciśnieniem w obecności silnego pola elektrycznego. Narastające lawinowo w liczniku GM wyładowanie, może być zapoczątkowane nawet przez pojedynczą cząstkę jonizująca, natomiast łączna ilość jonów biorących udział w lawinie jest bardzo duża. Z tego powodu licznik GM pozwala rejestrować pojedyncze cząstki jonizujące, a powstające przy tym lawiny są łatwe do wykrycia. Niestety, nie możemy przy pomocy licznika GM określić ani rodzaju cząstki jonizującej, która wywołała lawinę, ani też jej energii. Możemy jedynie stwierdzić, iż cząstka jonizująca dotarła do aktywnego obszaru licznika. Miarą natężenia promieniowania jest ilość zliczeń na sekundę. Przy typowej konstrukcji licznika GM, do obszaru aktywnego mogą dotrzeć jedynie szybkie elektrony (promieniowanie β) lub też kwanty promieniowana γ o energii powyżej 0.4 MeV. Dla innych rodzajów promieniowania jonizującego obudowa licznika stanowi zaporę nie do przebycia, co powoduje, iż licznik GM rejestruje jedynie promieniowanie β i γ z wydajnością zależną od zakresu energii.
Każdemu przypadkowi rozpadu (kiedy do licznika GM „wpada” cząstka beta lub promieniowanie gamma) towarzyszy impuls (5V, 0.265 ms) na złączu BT. W tym samym czasie, zdarzenie jest sygnalizowane przez błysk diody LED i akustycznie przez sygnał dźwiękowy (3 kHz, 84.5 ms) .



Rysunek 1. Schemat licznika GM.
Typowy licznik GM działa najlepiej, gdy zasilany jest napięciem około 500V. Wysokie napięcie, zasilające rurkę GM może być regulowane. Po naciśnięciu czerwonego przycisku na detektorze, napięcie zasilające rurkę zmienia się w przeciągu 10 minut od 300V do 650V; w czasie tej operacji dioda LED umieszczona na detektorze żarzy się słabym światłem. Ta opcja pozwala na badanie charakterystyki licznika Geigera-Müllera.

Napięcie zasilające rurkę GM można zmierzyć dokładnie poprzez podłączenie detektora (żółte wyjście po lewej stronie licznika) z wejściem analogowym interfejsu (patrz rysunek 4).

Na żółtym wyjściu napięcie zmniejszane jest w stosunku do napięcia na rurce 200-krotnie (1.5 – 3.25 V przy impedancji 1.5 kΩ) (patrz rysunek 1). Jeżeli napięcie rurki będzie dużo większe od nominalnego (500V) rurka może generować serie impulsów dla pojedynczej cząstki (będzie się wzbudzać).





  1   2   3   4   5   6   7   8   9


©operacji.org 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna