Бекітемін Физика кафедрасының меңгерушісі Косов В. Н. 2019 ж. «Атом, атом ядросы және қатты дене физикасы»
жүктеу/скачать 5,44 Mb.
|
5 АТОМНАЯ ФИЗИКА КАЗ лаб 2019 дайын
- Бұл бет үшін навигация:
- 5.3 зертханалық жұмыс
- Қажетті құрал-жабдықтар
- - бөлшектің энергиясын олардың заттағы жүріп өткен жолы арқылы анықтау ыңғайлы.
- -бөлшек үшін ауада жүріп өтудің орташа ұзындығы және аралығындағы кинетикалық энергиямен байланысы эмпирикалық формуламен анықталады
| Бақылау сұрақтары
2-суретте көрсетілген қисықтың қай жерлерінде атом мен электрон арасындағы серіпімді соқығысу, ал қай жерлерінде серпімсіз соқтығысу болатынын түсіндіріңдер? Не себепті коллекторға бөгеуіш кернеу беріледі және оны қандай ой-пікірден таңдап алады? Франк пен Герц тәжірибелерінде контактілік потенциалдар айырымы қалай пайда болады? Әдебиеттер Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.III. Электричество. – М.: Наука.1983. Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в атомную физику. – М.:Наука. 1969. № 5.3 зертханалық жұмыс АЛЬФА-БӨЛШЕКТЕРДІҢ АУАДА ЖҮРІП ӨТКЕН ЖОЛЫНЫҢ ШАМАСЫ БОЙЫНША ОЛАРДЫҢ ЭНЕРГИЯСЫН АНЫҚТАУ Жұмыстың мақсаты: - радиоактивтілік құбылысымен және альфа-бөлшектердің ауада жүріп өткен жолы бойынша олардың энергиясын анықтау әдісімен танысу. Қажетті құрал-жабдықтар: Бөлшектердің ауада жүріп өткен жолының ұзындығын анықтауға арналған қондырғы ФПК-03 Қысқаша теориялық мәліметтер Альфа-бөлшек гелий атомының ядросы болып табылады және массалық саны 4, заряды +2е, байланыс энергиясы болатын екі нейтроннан және екі протоннан тұрады. Бұл бөлшектер көбіне реттік нөмірі атом ядроларның радиоактивті ыдырауы кезінде, сондай-ақ түрлі ядролық реакциялар, мысалы жеңіл ядролардың синтезі кезінде туындайды. - бөлшектің жұқа металл пленкада шашырауын зерттеу кезінде 1911 жылы Резерфорд мынадай қорытынды жасады: атомның массасының көп бөлігі оның центріне – өлшемі шамамен болатын оң зарядталған ядросында шоғырланған. - бөлшекті қолдана отырып, 1919 жылы алғаш рет жасанды ядролық реакция жүзеге асты: . Альфа-ыдыраудың реакциясын келесі түрде жазуға болады: . - ыдыраудың энергетикалық шартын келесідей жазуға болады: мұндағы бастапқы (аналық) ядроның массасы, төлдік ядроның массасы, - бөлшектің массасы. 150-дей - радиоактивті ядролар белгілі, олардың көбісі – жасанды нуклидтер. Табиғи жағдайда уран, актиний және торий қатарларында (топтамасында) активті ядролар саны 30. Төлдік ядроның массасымен салыстырғанда - бөлшектің массасы аз болғандықтан бастапқы ядроның ыдырауы кезінде бөлінетін энергияның негізгі бөлігі - бөлшекпен кетеді. Ыдырау кезінде тек екі бөлшек түзілетіндіктен, энергия мен импульстің сақталу заңдарына сәйкес, ұшып шығатын - бөлшек үшін кинетикалық энергия тұрақты. Сәйкесінше - бөлшектің энергия спектрі дискретті (сызықты). Бір ыдырау кезінде түрлі энергия мәндері бар - бөлшектердің бірнеше тобының болуы төлдік ядроның негізгі энергетикалық күйде болып қана қоймай, қоздырылған күйде болуына негізделген. Әртүрлі ауыр нуклидтер шығаратын - бөлшектердің энергиясы 4 МэВ-пен 10 МэВ интервалында болады (жердің сирек кездесетін элементтері үшін 2 Мэв-тан 4,5 МэВ-қа дейін). Осы энергияларға жылдамдық сәйкес келеді. Альфа-активті ядролардың жартылай ыдырау периоды өте ауқымды аралықта құбылады: -дан (полоний үшін ) -ға дейін (қорғасын үшін ) және де ұшып шыққан - бөлшектің энергиясына Гейгера – Нэттолдың эмпирикалық заңына сәйкес өте күшті тәуелділікте: , (1) мұндағы және - элементтің Z (зарядтық санынан) реттік нөмірінен әлсіз тәуелді болатын тұрақтылар, - бөлшектің энергиясы. Бұл заң алдымен эмперикалық түрде табылып, одан кейін теориялық түсініктер негізінде алынды. Жартылай ыдырау периодының - бөлшектің энергиясына эмпирикалық тәуелділігі кванттық теориямен жақсы түсіндіріледі. - бөлшектің шекарада және ядродан тыс қозғалысы ( - бөлшектің ыдырауға дейін болуы алдын ала белгілі болады) негізгі рөл атқарады. Ядро сфералық потенциальды шұңқыр түрінде бейнеленеді, ал сфераның радиусы мына эксперименттік қатынаспен анықталады: , мұндағы , массалық сан. Классикалық физика - бөлшектің ыдырауын түсіндіріп бере алмайды. Кванттық теорияда - ыдыраудың периоды - бөлшек үшін кулондық тосқауыл өтімділігі (тунелдік эффект) арқылы есептеледі. - бөлшектің энергиясын олардың заттағы жүріп өткен жолы арқылы анықтау ыңғайлы. Заттан өту кезінде -бөлшектер кездескен атомдарды иондап және қоздырып энергияларын жоғалтады. Энергиясы бірнеше мегаэлектронвольт болатын, зат арқылы қозғалған кездегі ауыр зарядталған бөлшектің энергия шығынын сипаттайтын формула мынадай: (2) мұндағы ортада қозғалған бөлшек жолының ұзындығы, және бөлшектің заряды мен жылдамдығы, и электронның массасы мен оның заряды, см³ - тағы электрондар саны, – жұтатын зат атомдарының орташа иондалған потенциалы, мұндағы ортаның ядро заряды. Бұл формула жуықталған болып табылады, дегенмен құбылыстың негізгі ерекшеліктерін сипаттайды. Көріп отырғанымыздай, иондалған бөлшектің қасиеттері мен қозғалысын сипаттайтын көп параметрлердің ішінен формулаға тек оның заряды мен жылдамдығы ғана кіреді. Берілген заряд кезінде энергия шығыны бөлшектің тек жылдамдығымен анықталады, жылдамдық көбейген сайын шығын азая түседі. Энергияны баяу бөлшектер көбірек жоғалтады. Бөлшектің затта жүріп өткен жолының -ке тәуелділігі Брег қисығы деген атқа ие. және шығарған - бөлшектердің ауадағы қозғалысына арналған екі қисық 1-суретте көрсетілген. Суреттен көріп тұрғанымыздай, Брегг қисықтарында қозғалыс соңында сипаттамалық көтеріңкі тұс бар, ол Брег шыңы деп аталады. 1-сурет. және шығарған -бөлшектер үшін Брег қисықтары (2) формуланы интегралдап, - бөлшек жүріп өткен жолынан оның энергиясының функциясы ретінде анықтауға болады. Бұл жолмен анықталатын дәлдік практикалық мақсаттар үшін жеткіліксіз болып табылады, сондықтан, энергия мен жүріп өткен жолды байланыстыратын формуланы эксперименттік мәліметтер бойынша анықтайды. (2)-формула көрсеткендей, берілген жылдамдықта энергия шығыны электрон тығыздығының жол ұзындығына көбейтіндісіне пропорционал: . Мұндай ортада электрондар тығыздығы жай тығыздыққа пропорционал: (3) мұндағы Авогадро тұрақтысы, заттың атомдық массасы, элементтің атомдық нөмірі. Сондықтан заттың қандайда бір қабатынан өткен кезде - бөлшек шығындайтын энергия көбейтіндісі арқылы анықталады, мұнда зат тығыздығы, ал өтілген қабаттың қалыңдығы. Басқаша айтқанда, бөлшек энергиясын сантиметрмен өрнектелген жүріп өткен жолмен емес, орта тығыздығының қозғалысқа көбейтіндісі арқылы анықтаған ыңғайлырақ: . шамасы г/см² өлшем бірлігіне ие. Ол табаны 1см², ал ұзындығы – - бөлшектің жүріп өткен жолы болып табылатын цилиндрдің массасына тең. шамасын сондай-ақ -бөлшектің жүріп өткен жолы деп те атайды. Осылайша, жүріп өткен жолды см-мен немесе г/см²-пен өрнектеуге болады. Жүріп өткен жолды анықтаудың екінші жолы тиімдірек болып табылады. Жұтқыштың атомдық нөмірі өскен сайын жүріп өткен жол да жәйімен артады. Бұл процеске екі фактор әсер етеді. Заттың атомдық нөмірінің өсуімен осы заттың 1 г-дағы электрондардың саны кемиді ( кемиді). -тің өсуімен орташа иондау потенциалы артады. (2)-формулаға сәйкес, бұл заттың тежегіш қабілетінің азаюына әкеледі. Мысал үшін көрсететін болсақ, г/см²-та өрнектелген энергиясы 5 МэВ -бөлшектің жүріп өткен жолы ауадағыға қарағанда, қорғасында 3 есе, алюминийде 25 %-ға ұзынырақ болады. Осылайша, ауадан қорғасынға өту кезінде г/см²-де өрнектелген тежегіштік қабілеті айтарлықтай өзгермейді. Табиғи нуклидтар шығаратын -бөлшек үшін ауада жүріп өтудің орташа ұзындығы және аралығындағы кинетикалық энергиямен байланысы эмпирикалық формуламен анықталады: . (4) Бұл формулада - бөлшектің ауада жүріп өткен жолы сантиметрмен өрнектелген, ал энергия мегаэлектроновольтпен. - бөлшектің ауадағы жүріп өткен жолы барлық радиоактивті заттар үшін бірнеше сантиметрді құрайды. жүріп өткен жолының орташа ұзындығының мәнін эксперименттен зат (қалыпты жағдайда ауа) арқылы - бөлшектің өту қисығы бойынша анықтайды, яғни зат арқылы өткен - бөлшектердің санын өлшеп, оны қабат қалыңдығының функциясы ретінде қарастырады. Бұл тәуелділіктің графигі 2-суретте көрсетілгендей түрге ие болады. Алғашқы бөлікте өткен бөлшектердің саны ауа қалыңдығына байланысты өзгермейді. Бірақ та - бөлшектің көзі мен детектор арасындағы ауа қалыңдығын ары қарай арттыру детектор тіркейтін - бөлшектердің санының жеткілікті түрде баяу нөлге дейін азаюына әкеледі (2-суреттегі қисықтың көлбеу бөлігі). Қисықтың көлбеу бөлігін жанамамен өсін қиғанға дейін экстраполяциялау экстраполяцияланған жүріп өткен жолды анықтауға мүмкіндік береді. Экстраполяцияланған жүріп өткен жолдың жүріп өткен жолдың орташа ұзындығынан айырмашылығы 1,5% - құрайды. Жүріп өткен жолдың орташа ұзындығын дифференциальданған қисық графигінің максимумы ретінде табады, яғни 2-суреттегі пунктир қисықпен берілген - тың қабат қалыңдығына тәуелділігі (эксперименттік қисықты дифференциальдаудың нәтижесі). 2-сурет – - бөлшектің зат арқылы өту қисығы Заттарда - бөлшектердің шашырауы және энергия шығынының статистикалық сипаты бастапқы энергиялары бірдей түрлі -бөлшектердің жүріп өткен жолдарының бір-бірінен азғантай айырмашылықта болуына әкеледі. Бұл айырмашылықтар бөлшектер санының жұтқышта сол бөлшектердің жүріп өткен арақашықтығына тәуелділігімен өрнектелетін қисық формасында өз көрінісін табады (2-сурет). Тереңдік аз болған жағдайда бөлшектер саны арақашықтыққа байланысты өзгермейді. Жол соңында бұл сан бірден нөлге жетпейді, ол оған баяу жақындайды. қисығынан көргеніміздей, - бөлшектердің көп бөлігі -тің қандайда бір мәніне жақын орналасқан орташа жүріп өту жолы деп аталатын тар аймаққа тоқтайды. (3)-формулаға осы кіреді. Кейде орнына экстраполяцияланған жүріп өткен жол өлшенеді. Оны өлшеу үшін қисығының нүктесінде жүргізілген жанаманы өсімен қиылысқа дейін жалғастыру қажет. - бөлшектің жүріп өткен жолын экспериментпен зерттеу кезінде сәуле көзінің қалыңдығы өлшеулер нәтижесіне өзгерістер әкелетін бұрмалауларды есте сақтау қажет. Ескі, бұрын жасалған сәуле көзі үшін жүріп өткен жолдың қисығы бұзылады және - бөлшектің сәуле көзінде тежелуіне байланысты қысқарады. Альфа-сәуле көздері жақын жатқан беттерді ластауы мүмкін. Бұл атомдардың -бөлшектерді бөлу кезінде орын алатын қайтарым салдарынан болады. Мұндай ластанудың алдын алу үшін альфа-сәуле көздерін әдетте пленкамен жабады. Қорғаушы пленка қаншалықты жұқа болмасын ол -бөлшектердің баяулауына әкеледі. жүктеу/скачать 5,44 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|