Краткая теория. Определение длины пробега альфа-частиц

Определение длины пробега альфа-частиц

Главными характеристиками α-радиоактивных ядер и испус­каемых ими α-частиц являются период полураспада T_½, кинетическая энергия T_α и пробег R_α. Существуют следующие основные закономерности и особенности α-распада.

· В 1911 г. Гейгер и Нетолл установили, что для всех α - радиоактивных элементов период полураспада T _1/2 α-радиоактивного ядра и энергия E_α испускаемой им α-частицы связаны соотношением

,

где постоянные C₁ и C₂ практически одинаковы для всех радиоактивных семейств. Эти постоянные являются эмпирическими, то есть определяются из эксперимента. Закон позволяет определить период полураспада по экспериментальным данным о энергии испускаемой при реакции частицы, например, при альфа-распаде.

· За очень небольшими исключениями, энергия α-частиц Е_α и периоды полураспада T_½ для всех из­вестных в настоящее время α - радиоактивных ядер заключены в пределах

· Как правило, α - радиоактивностью обладают ядра с за­рядом Z > 82 (тяжелее свинца), причем энергия α - частиц растет с ростом Z ядра.

· Обычно ядра испускают α-частицы не с одним, а с несколькими близкими значениями кинетиче­ской энергии.

Объяснение природы α-распада заключается в эффекте преодо­ления потенциального барьера α-частицей при ее вылете из атомного ядра. В мире ми­крочастиц, движение которых описывается не классической, а квантовой механикой, возможен процесс так называемого туннельного перехода - прохожде­ния частицы через потенциальный барьер. Соответствующая задача решается в квантовой механике (Гамов, 1928). Решение получается в виде выражения для коэффициента прозрачности барьера D. Величина коэффициента прозрачности потенциального барьера D имеет физический смысл вероятности для α-частицы пройти через потенциальный барьер.

Альфа-частицы взаимодействуют с веществом посредством упругого рассеяния и ионизационного торможения. Кулоновское поле электронов атомов вещества взаимодействует с движущейся α - частицей, которая при этом теряет энергию, постепенно останавливаясь. Это процесс ионизационного торможения. Характерной особенностью альфа-частиц является существование у них определенного пробега R, т.е. расстояния, которое проходит частица до момента полной потери энергии.

Для определенной среды и частицы с данным зарядом величина потерь энергии, отнесённая к единице пути, является функцией только кинетической энергии. Учитывая этот факт, можно вычислить полный пробег частицы, то есть путь R, который заряженная частица проходит до остановки и полной потери кинетической энергии:

.

Обычно пробег измеряется в единицах длины или длины, умноженной на плотность (г/см²).

Если исследовать монохроматический поток α-частиц и подсчитывать число частиц, увеличивая постепенно расстояние между источником и детектором, то есть заставляя альфа-частицы проходить все больший слой воздуха, то число N частиц в пучке начинает на определенном расстоянии падать не сразу до нуля, а с некоторым наклоном (кривая 1 на Рис.1.).

Если эту кривую продифференцировать и построить величину dN/dx в зависимости от толщины слоя x, то получится кривая 2 (Рис.1.) с резким максимумом при x=R₀, показывающим, что подавляющее большинство α-частиц имеет определенный пробег с некоторым разбросом в ту и другую сторону. В диапазоне энергий 4 < E_α < 15 Мэв используют для оценки E_α зависимость:

Контрольные вопросы

1. Каковы характерные особенности α–распада?

2. Почему спектр α –частиц дискретный?

3. В чем состоит закон Гейгера – Неттола?

4. Как α – частицы взаимодействуют с веществом?

5. Что называется длиной пробега α–частицы?

6. Как оценить энергию α–частицы?

Тяжёлые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжёлой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм), а также поверхностной плотности материала (или, что равнозначно, длины пробега, умноженной на плотность) (г/см²). Выражение пробега в единицах длины имеет смысл для фиксированной плотности среды (например, часто в качестве среды выбирается сухой воздух при нормальных условиях). Физический смысл пробега в терминах поверхностной плотности — масса единицы площади слоя, достаточного для остановки частицы.

Дата добавления: 2014-12-25