 |
Описание установки и порядок выполнения работы
|
|
|
|
Для качественных исследований видимой части спектра служат различного рода спектроскопы..один из наиболее простых типов спектроскопа состоит из треножного штатива, на котором укреплены следующие оптические части (рис.4):
1. Коллиматор К, состоит из трубы, имеющей щель О, установленную в главном фокусе линзе А. Благодаря этому лучи, падающие из щели на линзу А, идут по выходе из нее параллельным пучком. Ширину щели можно изменять при помощи специального винта.
2. Призма Р, помещена на столике спектроскопа. Лучи из линзы А, падают на переднюю грань призмы Р, разлагаются в призме и выходят из нее системой лучей разных цветов и направлений в зависимости от длины волны. Причем все лучи одного цвета параллельны друг другу.
3. Затем лучи поступают в оптическую трубу Т через объектив В.
Так как выходящие из призмы параллельные лучи одного цвета имеют различное направление с параллельными лучами других цветов, то в фокальной плоскости объектива В получается ряд параллельных различно окрашенных изображений щели О. Эти изображения рассматриваются через окуляр Q. Для определения относительного расположения спектральных линий окуляр Q снабжен нитью. Смещая трубу Т относительно призмы, с помощью лимба можно совмещать нить окуляра с различными линиями спектра. Смещение трубы отсчитывается с помощью лимба и горизонтальной миллиметровой линейки, прилегающей к лимбу. при одном полном повороте лимба труба Т перемещается на один миллиметр горизонтальной линейки. Лимб разделен на 50 делений. Поэтому поворот лимба на 1 деление соответствует смещение трубы Т на 1/50 мм по линейке.
Порядок выполнения работы
При выполнении работы необходимо выполнять следующие указания к работе:
|
|
|
a) без разрешения преподавателя приборы к питанию не подключать;
b) оберегать газоразрядную трубу от толчков и ударов, т.к. вакуумированные трубки легко взрываются;
c) передвигать подвижные части спектроскопа без нажима, иначе нарушится центрированность системы.
1. Трубку с водородом, укрепленную в держателе генератора "Спектр–1", подключают к питанию на щитке стола (6 В).
2. Устанавливают трубку с водородом против щели О коллиматора К.
3. Добиваются четкой видимости спектральных линий водорода. Определяют положение нескольких линий (цвет их указывается преподавателем) спектра водорода по шкале спектроскопа.
4. При помощи градуировочной кривой определяют длины волны указанных линий спектра водорода.
5. По формуле (16!) вычисляют несколько значений постоянной Планка при тех значениях l, которые соответствуют изученным линиям водорода. Из найденных значений находят среднее значение h, абсолютную и относительную. погрешность.
Протокол лабораторной работы №26
Вопросы для самопроверки к работе №26
Список рекомендуемой литературы
1. Дмитриева В.Ф., Прокофьев В.Л. Основы физики. – М.: Высшая школа, 2009.
2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2010.
Материально–техническое обеспечение
1. Программа для моделирования лабораторной работы на компьютере.
Лабораторная работа №30
«Определение слоя половинного ослабления гамма–излучения в веществе»
Краткая теория.
Радиоактивность.
Радиоактивностью называется процесс самопроизвольного превращения ядер одного элемента в ядро другого за счет испускания a, b± и g – излучения.
a и b – излучения – это частицы с определенной массой и зарядом; g – излучение(g – квант) – это электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, энергия которого равна eg = h n = 
;
a – частицы – это ядра гелия; b – это поток электронов, b+ – поток позитронов.
|
|
|
g – излучение в основном, сопровождает a– и b– излучения, когда дочернее ядро из возбужденного состояния переходит в стационарное.
Основной закон радиоактивного распада выражается так:
N = N0 e–lt,
где N0 – число радиоактивных ядер в момент времени t = 0; N – число радиоактивных ядер, оставшихся нераспавшимися к моменту t.
l – постоянная радиоактивного распада: l = 
, где Т1/2– период полураспада.
2. Закон поглощения g –излучения.
Гамма–кванты состоят из фотонов одной энергии или содержат группу фотонов с дискретными значениями энергии. Чаще всего энергия гамма–лучей находится в диапазоне от нескольких КэВ до нескольких МэВ.
Прохождение g –излучения через вещество сопровождается его поглощением. При прохождении поглотителя толщиной 
x интенсивность J g –лучей уменьшается на J, причем относительная интенсивность поглощения излучения пропорциональна толщине поглотителя:
 = –mDх
| (1) |
где m – линейный коэффициент поглощения.
Если вместо конечной толщины Dх имеем бесконечно малую величину dx, бесконечно малое изменение интенсивности d J, то уравнение (1) примет вид:
 = – m dx
| (2) |
Интегрируя это уравнение, получим
| J =J0 е–mх | (3) |
При рассмотрении процесса поглощения гамма–излучения веществом, полезным оказывается понятие о слое половинного поглощения х1/2.
Слоем половинного поглощения называется толщина поглотителя, в котором поглощается половина падающих на него фотонов.
Эта величина выражается: 
= е –mх 
Тогда, логарифмируя, получим:
х = 
| (4) |
До сих пор рассматривали явление поглощения гамма–лучей, не касаясь конкретного взаимодействия гамма–лучей с веществом, обусловливающего процесс поглощения и величину m – коэффициента поглощения.
При прохождении g – лучей через вещество происходит ослабление интенсивности первоначального пучка. Это ослабление интенсивности является результатом взаимодействия g – квантов с электронами и атомами вещества, через которые они проходят.
Практически наиболее существенны три процесса взаимодействия с веществом: фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пар, приводящих к поглощению g – излучения.
а. Ф О Т О Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Й Э Ф Ф Е К Т
|
|
|
Фотоэффектом называется такой процесс взаимодействия g – кванта (фотона) с веществом, при котором g – квант исчезает, полностью передавая свою энергию и импульс электрону и атому. При этом электроны выбрасываются за пределы атома с кинетической энергией
| Wk = hn – Ai | (5) |
где hn – энергия g – кванта; Аi – работа выхода электрона с i –ой оболочки атома.
Фотоэффект наиболее вероятен в том случае, когда энергия фотона близка к работе выхода А. Именно поэтому ослабление лучей вследствие фотоэффекта играет основную роль при малых энергиях (Еg £ 1 МэВ). Фотоэффект возможен лишь на связанном электроне и не может быть на свободном электроне.
Вероятность фотоэффекта на К –оболочке атома dфот » 
при
Еg >>Ак и dфот» 
при Еg > Ак × (Ак – работа выхода электрона на К – оболочке).
б. К О М П Т О Н О В С К О Е Р А С С Е Я Н И Е
Процесс рассеяния g – квантов на свободных или слабосвязанных электронах называется комптон–эффектом. В результате рассеяния изменяется направление движения g – кванта и уменьшается его длина волны:
Dl = l2 – l1
Вероятность комптоновского эффекта при Еg >>m0c2 (m0c2 – энергия покоя электрона) равна dкомп» 
.
в. О Б Р А З О В А Н И Е П А Р
Третьим процессом, приводящим к ослаблению g – излучения при прохождении через вещество, является процесс образования пар. Согласно современной теории, падающий g – квант полностью поглощается в области кулоновского поля ядра (или электрона), в результате чего возникает пара частиц: электрон–позитрон. Минимальная энергия фотона, необходимая для образования пары в области поля ядра, равна
Е = 2 Е0е = 2 m0 c2
Вероятность образования пары
dпар» Z5 l n Eg
Таким образом, поглощение g – излучения веществом и величина m обусловлена тремя рассмотренными процессами, каждый из которых, в зависимости от энергии g – излучения и свойств поглощающего вещества, вносит свой вклад в значение: m = mфот + mкомп + mпар. Величина mфот, mкомп, mпар, в свою очередь, определяется описанными выше вероятностями: m» mфот + mкомп +mпар.
Описание установки и порядок выполнения работы.
|
|
|
В данной работе необходимо проверить закон поглощения g – излучения в веществе, построить график зависимости изменения интенсивности J g – излучения от толщины поглотителя. По графику определить слой половинного поглощения для g – излучения данной энергии и рассчитать коэффициент линейного поглощения m. В качестве источника излучения используется радиоактивный изотоп С060 (Е = 1,17 МэВ).
При выполнении работы используются приборы и принадлежности: радиометр–спектрометр (см. рис. 1); свинцовый домик типа "ТУР 74019 Robotron – masselectrone»; источник g – излучения С060; набор пластин из оцинкованного железа (см. рис. 1). Радиометр–спектрометр состоит из сцинтилляционного датчика «Stintillation probe type – 484 В» и измерительного пульта «Nuclear analyzer – 482 В». Датчик присоединяется с помощью высоковольтного разъема (1) с измерительным пультом (1) и помещен внутри свинцового домика, напротив источника g – излучения С060.
Между источником гамма–излучения и сцинтилляционным датчиком в свинцовом домике имеются приспособления для установки пластин, которые служат поглотителем g – излучения. Толщина поглотителя регулируется числом пластин.
1 – высоковольтный разъем датчика
2 – измеритель скорости счетчика и напряжения батарей
3 – переключатель поддиапазонов измерителя скорости счета
4 – дисплей
5 – переключатель дисплея
6 – тумблер Reset–start–star (cбор – пуск – стоп)
7 – переключатель селекции времени измерения
8 – регулятор высокого напряжения
9 – регулятор порога анализатора
10 – регулятор ширины окна анализатора
11 – переключатель режима измерения
12 – тумблер напряжения питания
Порядок выполнения: (см. обозначения на рис. 1 и приборе).
1. Включить сеть (тумблер ОN – 12).
2. Установить высокое напряжение 1200 В на многооборотном патенциометре "High – Vоltage" 400....1400 ® 8.
3. На блоке «Analyzer» – установить тумблер «int– diff» ® 12 в положение «int», ручку потенциометра 2 DE ® 10 в положение 0.0, ручку потенциометра «Е» ® 9в положение 860.
4.Переключатель «rate» ® 3 поставить в положение 3 × 105.
5. Ручку переключателя «time» ® 7 поставить в положение «01».
6. Убедиться, что в свинцовом (защитном) домике нет пластин.
7.Тумблер «reset – start – stop» ® 6 поставить в положение «start». На экране дисплея 4 появится точка (отсчет начался) через 6 секунд (0,1минуты) на экране дисплея 4 высветится число, соответствующее количеству g – квантов, зарегистрированных детектором (датчиком) в отсутствие поглотителя. Это число n0 записать в таблицу.
8. Установить в защитный домик 3 пластины и повторить п.7. Записать число n1, которое высветится на экране дисплея. Оно будет соответствовать количеству g – квантов, прошедших 1–й поглощающий слой пластин.
|
|
|
9. Последовательно увеличивать число пластин, устанавливая в домик 6, 9, 12....i пластин и каждый раз повторять п.7, записывая значения n2, n3,......ni c экрана дисплея в таблицу.
10. По результатам измерения построить график зависимости ni/n0 = f (i) (по оси координат 
, по оси абсцисс – число пластин i). По графику определить слой половинного поглощения и вычислить значения m; для этого вычислить толщину поглотителя, соответствующую слою половинного поглощения: 
= id, где d – толщина пластины (кг/м3).
ПРИМЕЧАНИЕ.
Числа на экране дисплея высвечиваются в течении 4 секунд, если за это время Вы не успели записать показания, то необходимо нажать тумблер «Display» ® 5 вверх и на экране дисплея высветиться это число, оно будет на экране до тех пор, пока Вы не отпустите тумблер.
|
|
|
