Fizika · Atom va kvant fizikasi · 11-sinf

Zarralarni qayd qilish

Ko‘zga ko‘rinmas nurlanishni qanday ko‘rish, sanash va undan himoyalanish mumkin?

Vaziyat

Maktab fizika xonasida o‘qituvchi qora tagli shisha idish ichiga spirt shimdirilgan kigiz qo‘yib, ostiga quruq muz joylaydi. Bir necha daqiqadan keyin idish ichida ingichka oq chiziqlar paydo bo‘lib, darhol yo‘qola boshlaydi — bular kosmik nurlar va tabiiy radioaktivlik izlari. Yonidagi Geyger hisoblagichi chirsillaydi, shifoxonadagi gamma-spektrometr esa qaysi izotop nurlanayotganini aniq aytadi. Ko‘zga ko‘rinmaydigan zarralarni qanday “ko‘rish”, sanash, ularning energiyasini o‘lchash va ulardan himoyalanish mumkin?

Mavzu

Zarralarni qayd qilish va dozimetriya. Vilson kamerasidagi izlar, Geyger hisoblagichi va dozimetr

Asosiy tushunchalar

Vilson kamerasi
Geyger hisoblagichi
Doza: Gr va Zv

Formulalar

r = \frac{p}{| q | B}, p [GeV / c] = 0,3 B [Tl] r [m]

Magnit maydondagi trek radiusi — zarra impulsini beradi.

- \frac{d E}{d x} \propto \frac{z^{2} n_{e}}{v^{2}} \ln \frac{2 m_{e} v^{2}}{I}

Bete formulasi: sekin va ko‘p zaryadli zarra ko‘p ionlaydi — trek oxirida Bragg cho‘qqisi.

n = \frac{m}{1 - m τ}, σ_{N} = \sqrt{N}

Geyger hisoblagichining o‘lik vaqti $τ$ uchun tuzatish va Puasson statistikasi.

I = I_{0} e^{- μ x}, μ = \frac{\ln 2}{x_{1 / 2}}

γ-nurlanishning modda qatlamida susayishi; $x_{1 / 2}$ — yarim susaytirish qatlami.

H = w_{R} D, \dot{H} = Γ \frac{A}{r^{2}} e^{- μ x}

Ekvivalent doza (Zv) = nurlanish turi koeffitsienti × yutilgan doza (Gr); nuqtaviy γ-manba doza quvvati.

Nazariya

Iz qoldiruvchi detektorlar

Barcha detektorlar zaryadli zarra moddani ionlashtirishidan foydalanadi. Vilson kamerasida (1912) o‘ta to‘yingan bug‘ ionlarda tomchilarga aylanadi: zarra yo‘li tuman chizig‘i bo‘lib ko‘rinadi. Sahnadagi diffuzion kamerada spirt bug‘i quruq muz (−78 °C) ustida o‘ta to‘yinadi. Pufakli kamerada (1952) qizdirilgan suyuqlikda pufakchalar hosil bo‘ladi, yadro fotoemulsiyasida kumush donachalari qorayadi. Iz qalinligi zarra zaryadi va tezligini, magnit maydondagi egriligi — impulsini, uzunligi — energiyasini ko‘rsatadi. Iz fotosuratlarini o‘lchash — klassik laboratoriya ishi: “Foto” rejimida radiusni o‘lchab, $p = q B r$ dan energiyani topasiz.

Sanovchi va spektrometrik detektorlar

Geyger–Myuller hisoblagichi: zarra gazni ionlaydi, kuchli maydonda ko‘chki boshlanib, bir xil impuls hosil bo‘ladi — u zarralarni sanaydi, lekin energiyasini bilmaydi; har impulsdan keyin ≈ 100 mks o‘lik vaqt. Ssintillyator (NaI(Tl) kristali) zarra energiyasiga proporsional yorug‘lik chaqnashi beradi, uni fotoelektron ko‘paytirgich kuchaytiradi. Yarimo‘tkazgichli detektorlar (Ge, Si) da bitta elektron-kovak jufti uchun ≈ 3 eV kerak (gazda ≈ 30 eV), shuning uchun energiya aniqligi o‘nlab marta yuqori. Astronomiyada yorug‘lik PZS (CCD) matritsalarida qayd etiladi; infraqizil, ultrabinafsha, rentgen va gamma qabul qilgichlari atmosfera ularni yutgani uchun kosmosga chiqariladi, radio — antennalar bilan. Neytrino detektorlari ulkan suv hovuzlarida Cherenkov yorug‘ligini kuzatadi (Super-Kamiokande, 50 ming t suv), gravitatsion to‘lqinlar lazer interferometrlarida qayd etiladi (“Interferometr” tajribasiga qarang).

Zaryadli zarralar moddada

Og‘ir zarralar (α, p) elektronlarni ionlab energiya yo‘qotadi: Bete formulasiga ko‘ra yo‘qotish $z^{2} / v^{2}$ ga proporsional, shuning uchun sekinlashgan sari kuchayadi va iz oxirida Bragg cho‘qqisi hosil bo‘ladi. 5,5 MeV li α havoda ≈ 4 sm, tirik to‘qimada ≈ 40 mkm yuradi — yugurish uzunligi aniq. Proton terapiyasi shundan foydalanadi: 150 MeV proton suvda ≈ 16 sm chuqurlikda energiyasining katta qismini beradi. Elektronlar yengil, har to‘qnashuvda sezilarli buriladi — izi egri-bugri (ko‘p karrali sochilish; “e⁻ + folga” rejimida yupqa alyuminiy folgadagi sochilish burchaklarini o‘lchang). Tez elektron og‘ir yadrolar yonida tormozli (radiatsion) nurlanish chiqaradi: qo‘rg‘oshinda ≈ 7 MeV dan yuqorida bu asosiy yo‘qotish. Zarra muhitdagi yorug‘lik tezligidan ( $c / n$ ) tez uchsa, Vavilov–Cherenkov nurlanishi paydo bo‘ladi (suvda elektron uchun $T > 0,26$ MeV) — reaktor hovuzlaridagi ko‘k nur.

γ-nurlanish moddada

Foton uch yo‘l bilan yutiladi: fotoeffekt (past energiyada, og‘ir moddalarda kuchli), Kompton sochilishi (foton energiyasining bir qismini elektronga beradi) va $E > 1,022$ MeV da elektron-pozitron jufti hosil bo‘lishi. Shuning uchun intensivlik eksponensial kamayadi: $I = I_{0} e^{- μ x}$ . Cs-137 (662 keV) uchun qo‘rg‘oshinda $μ \approx 1,25$ sm⁻¹, yarim susaytirish qatlami ≈ 0,55 sm (tor dasta). $μ$ energiyaga bog‘liq: qo‘rg‘oshinda 0,4 MeV da ≈ 2,6, 1,25 MeV da (Co-60) ≈ 0,67 sm⁻¹. Shuning uchun yutilish usuli bilan energiyani aniqlash mumkin: noma’lum manba uchun $μ$ ni o‘lchab, $μ (E)$ jadvalidan (grafigidan) $E$ o‘qiladi — «Geyger» rejimidagi «γ ?» manbada sinab ko‘ring. Qo‘rg‘oshinda $μ$ 3–4 MeV oralig‘ida eng kichik, shuning uchun usul taxminan 3 MeV gacha bir qiymatli. Spektrda: fotocho‘qqi (to‘liq yutilish), Kompton chegarasi $E_{C} = E - E / (1 + 2 E / m_{e} c^{2})$ (662 keV uchun 477 keV), atrofdan qaytgan fotonlarning orqaga sochilish cho‘qqisi (≈ 184 keV). Fotoeffekt va Kompton effekti batafsil — alohida tajribalarda.

Sanash statistikasi

Radioaktiv yemirilish tasodifiy, shuning uchun bir xil sharoitda ham sanoq har safar boshqacha. $N$ ta impuls sanalganda statistik xato $σ = \sqrt{N}$ , nisbiy xato $1 / \sqrt{N}$ : 1 % aniqlik uchun 10 000 impuls kerak. Ko‘p o‘lchovlar Puasson taqsimotini beradi (gistogrammada solishtiring). Hisoblagich $τ$ o‘lik vaqtda yangi zarrani sezmaydi: o‘lchangan tezlik $m$ haqiqiy $n$ dan kam, $n = m / (1 - m τ)$ . Fon (≈ 0,4 imp/s — kosmik nurlar va atrof radioaktivligi) har bir natijadan ayiriladi. Nuqtaviy manbadan intensivlik $1 / r^{2}$ qonuni bilan kamayadi; β-zarralar bunga qo‘shimcha havoda ham yutiladi.

Dozimetriya va himoya

Yutilgan doza $D$ — 1 kg moddaga berilgan energiya, birligi grey (1 Gr = 1 J/kg). Ekvivalent doza $H = w_{R} D$ , birligi zivert (Zv): γ, β va myuonlar uchun $w_{R} = 1$ , protonlar 2, α-zarralar 20, neytronlar 2,5–20. Organlar sezgirligini hisobga olgan effektiv doza ham zivertda. Odam yiliga o‘rtacha ≈ 2,4 mZv tabiiy fon oladi. Me’yorlar: aholi uchun qo‘shimcha 1 mZv/yil, xodimlar uchun 20 mZv/yil (5 yil o‘rtachasi). ≈ 0,5–1 Gr dan yuqori bir martalik doza o‘tkir nur kasalligini keltiradi; kichik dozalarda saraton xavfi taxminan 5 % / Zv. **Himoya: vaqt, masofa ( $1 / r^{2}$ ), to‘siq.** α — qog‘oz, β — bir necha mm plastmassa yoki alyuminiy (qo‘rg‘oshinda tormozli nurlanish kuchli), γ — qo‘rg‘oshin, beton. Neytronlarni avval yengil yadrolar (suv, parafin) sekinlashtiradi: vodorodda ≈ 18 to‘qnashuv, qo‘rg‘oshinda ≈ 1 900 ta kerak.

Bilasizmi?

Vilson kamerasini shotland fizigi Charlz Vilson yaratgan va 1927-yilda fizika bo‘yicha Nobel mukofotini olgan. Pozitron (1932) va myuon (1936) aynan Vilson kamerasi fotosuratlarida kashf etilgan.
Odam yiliga o‘rtacha taxminan 2,4 mZv tabiiy nurlanish oladi; uning taxminan yarmi havodagi radioaktiv radon gazidan keladi.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Foton impulsi va Kompton effekti — 11-sinf
De Broyl to‘lqinlari — 11-sinf
Rezerford tajribasi — 11-sinf
Atom yadrosi va bog‘lanish — 11-sinf
Termoyadro sintezi — 11-sinf
Elementar zarralar — 11-sinf
Spin, Zeeman effekti va MRT — 1-kurs
Ko‘p elektronli atomlar — 1-kurs
Qattiq jismlarda zonalar — 1-kurs
Shryodinger va tunnel effekti — 3-kurs