Coseskrývávjádřeukažmesinapracovnímstole

Co se skrývá v jádře ukažme si na pracovním stole. . . Anna Macková

∗

24. listopadu 2006

1

Úvod

Cílem těchto dílen bylo ukázat si co nejjednodušším způsobem několik jednoduchých pokusů, které demonstrují vlastnosti jaderného záření. Lidé se s jaderným zářením (radioaktivitou) běžně setkávají (např. kosmické záření[1], radioaktivní prvky v přírodě a v našem těle [2]).Dále jsme v přednášce poukázali na širokou škálu aplikací jaderné fyziky v běžném životě (iontové svazky mění a zkoumají materiály [3], radiologické metody diagnostikují a léčí zhoubné nádory[4], fůzní reaktory pro budoucí zdroje energie [5]). Vzhledem k tomu, že článek na podobné téma jsem minulý rok publikovala ve sborníku LŠMF[6], uvádím v této části jen důležité odkazy, kde tyto informace najdete. • LŠMF Jirkov 2005 přednáška http://alpha.ujep.cz/∼mackova • Program prvního fůzního reaktoru ITER http://www.iter.org • Aplikace jaderné fyziky v lékařství http://www.astronuklfyzika.cz/index.html • Jaderné analytické metody, nový urychlovač Tandetron http://omega.ujf.cas.cz/vdg Jaderná fyzika v jednoduchých experimentech předpokládá minimální vybavení, které nelze jednoduše sestrojit, a to je radioaktivní zářič a detektor záření. Součástí dílen bylo několik jednoduchých experimentů prokazujících existenci záření kolem nás, rozlišení různých typů záření vycházející z jader radioaktivních prvků a jejich absorbce v různých typech materiálu. Poslední součástí dílen byla ukázka appletů a animací, které názorně ukazují např. princip radioaktivní přeměny, funkci jaderné elektrárny, radioaktivní rozpady různých typů a interakce nabitých částic s prostředím. Také v závěrečné části uvedu odkazy, kde prezentované informace nalézt. Základní vysvětlení jednotlivých pojmů, které zde používáme také naleznete v encyklopedii www.wikipedia.com popřípadě v její české alternativě www.wikipedia.cz, která však je podstatně méně vybavena. Ústav jaderné fyziky AV ČR, Řež 250 68, Přírodovědecká fakulta, Univerzita J. E. Purkyně, České mládeže, Ústí nad Labem, Tel: 266172102, [email protected] ∗

1

2

Teorie a úvod k prvnímu pokusu

Radioaktivitou rozumíme schopnost některých atomových jader vysílat záření. Přitom se takové jádro může změnit v jiné tzv. dceřinné jádro. Dceřinná jádra mají často přebytek energie (vzniknou v excitovaném stavu) a tuto energii mohou vyzářit ve formě elektromagnetického záření velmi krátkých vlnových délek (cca 10−12 m), které je velmi pronikavé. Při jaderné přeměně se proměňuje struktura jádra, izotop jednoho prvku se mění v izotop prvku jiného. V přírodě existují jednak stabilní izotopy, jednak radioizotopy, které projevují přirozenou radioaktivitu. Ono je klidně možné, že i některá údajně stabilní jádra se rozpadají, mají však tak dlouhý poločas rozpadu, že jejich nízkou aktivitu nedokážeme zaznamenat. Dále se setkáváme s umělými radioizotopy, které jsou vyráběny na urychlovačích (např. cyklotron) a používají se hlavně v lékařství. Záření α představuje svazek rychle letících jader atomu helia, tvořených dvěma protony a dvěma neutrony. Kinetická energie částice α se pohybuje mezi 2-8 MeV. Záření α se vychyluje jak v elektrickém tak magnetickém poli. Ve vzduchu se pohltí po uběhnutí několika centimetrů. Záření β je tvořeno rychle letícími elektrony. Vychyluje se také v elektrickém a magnetickém poli, avšak na opačnou stranu než záření alfa. Některé radionuklidy vyzařují místo elektronů kladně nabité pozitrony (částice se stejnými charakteristikami jako elektron, ale opačného náboje), a proto rozlišujeme radioaktivitu β − a β + . Záření γ je elektromagnetické záření (fotony) s krátkými vlnovými délkami. Protože fotony nemají elektrický náboj, záření γ se neodchyluje v elektrickém ani magnetickém poli. Podrobnosti o jednotlivých typech jaderného záření naleznete např. na [7]. V našem pokusu použijeme dva radioaktivní izotopy jako zdroje radioaktivity 241 Am (Americium) zdroj záření gama a 90 Sr (Stroncium) jako zdroj záření β − . Americim je primárně zdroj alfa částic, které jsou však silně bržděny a mají malý dolet, proto z uzavřeného zdroje prakticky neproniknou ven. Po vyzáření částice alfa se toto jádro přemění na dceřinné jádro 237 N p (Neptunium). Jádro dceřinné však může vzkniknou v tzv. excitovaném stavu a může vyzářit gama záření. Toto záření je mnohem pronikavější než alfa částice a může proto i při energiích několik desítek keV být vyzářeno z uzavřeného zdroje, v němž je Americium. Stroncium má poločas rozpadu 29 let a vyzařuje elektrony s maximální energií 546 keV. Pokud chcete znát podrobnosti, lze je nalézt v podrobných tabulkách radioaktivních prvků na [7] Tuto radioaktivitu zaznamenáváme čítačem impulsů (tj. počítadlem zachycených částic) připojeným k detektoru částic, v našem případě se jedná o Geiger-Müllerův detektor. Tvar pole určitého záření je dán počtem impulsů při určité poloze zářiče vůči detektoru. Pro pokus se použije záření β a γ. Každé záření bude mít svou prostorovou charakteristiku. Více o detektorech záření na [8].

3

Vybavení a postup

Indikátor záření (detektor), digitální čítač, stativ, zdroj záření - školního zdroje ionizujícího záření, terčové destičky z Pb, Al, školní magnet viz obrázek 1. 1. Určení přirozené radiace prostředí

2

Obrázek 1: Popis soupravy GAMABETA

(a) Indikátor připevníme do stativu a připojíme digitální čítač impulsů. (b) Prověříme, zda není v blízkosti umělý zdroj záření. (c) Měříme počet impulsů za sto vteřin. 2. Důkaz rozptylu záření β na olověné, hliníkové a měděné destičce, závislost rozptylu (odrazu) na protonovém čísle prvku (a) Indikátor i zdroj záření upevníme do stativu do požadovaných poloh viz obrázek 2. (b) Provedeme měření s destičkou z Pb po dobu sto sekund. (c) Měření opakujeme pro destičku z Sn a Al. 3. Ověření vlivu magnetického pole na dráhu částice β (a) Indikátor i zdroj záření upevníme do stativu do požadovaných poloh. (b) Do stativu upevníme magnet. Měření provedeme po dobu 100 sekund. (c) Zdroj částic otočíme o 45o od čítače částic a měření opakujeme. (d) Zdroj částic otočíme o 45o na druhou stranu od čítače částic a měření opakujeme.

3

Obrázek 2: Experimentální uspořádání pro měření zpětného odrazu záření β.

4

Výsledek pokusu

Výsledkem pokusu je zjištění, že i v místě, kde není přítomen žádný zdroj jaderného záření zaznamenáváme určitý počet pulsů, které pocházejí z tzv. přirozeného pozadí. Rozdíl mezi četnostmi částic měřenými z přirozeného pozadí a z radioaktivního zdroje jsme porovnali přiložením zdroje záření k detektoru, kde se poté objeví několikanásobně vyšší počty registrovaných částic. Pokud budeme radioaktivní zdroj oddalovat, je zřejmé, že četnost částic ze zdroje (tedy po odečtení změřeného pozadí) rychle klesá nepřímo úměrně kvadrátu vzdálenosti detektor zářič. Cenný poznatek je, že chránit se před zářením můžeme účinně zvětšením vzdálenosti od zdroje. Při studiu odrazu záření β (proud elektronů) pozorujeme, že rozptylové destičky zhotovené z materiálu s vyšším protonovým číslem odrážejí více elektronů zpět směrem k detektoru. Z rostoucím protonovým číslem se tedy jeví elektronům prostředí hustší (s rostoucím protonovým číslem roste i počet elektronů v atomu rozptylového materiálu) a odráží se zpět. Účinně můžeme tedy záření β stínit materiály s vyšším protonovým číslem. Magnetické pole dráhu záření beta vychyluje v závisloti na směru siločar magnetického pole a je zde zřejmá podobnost s případem vodiče, kterým prochází elektrický proud, v magnetickém poli viz obrázek 3.

5

Teorie a úvod k druhému pokusu

Atomový obal se skládá z elektronů, které se řadí do slupek tak, aby celek měl co nejmenší energii. Elektrony se sdružují do slupek podle pravidel, která jsou dána kvantovou mechanikou. V tomto pokusu nás bude zajímat, jaký vliv na absorpci záření β a γ budou mít materiály s různou hustotou a různého složení. Budeme srovnávat absorpci gama záření 4

Obrázek 3: Průběh magnetických siločar v okolí magnetu a působení Lorentzovy síly na pohybující se náboj ve vodiči, stejně je v magnetickém poli ovlivňován proud částic β −

destičkami z Pb, mosazi (CuZn), Sn a Cu, které obsahují prvky s různým protonovým číslem. Dopadající gama záření vyvolává fotoefekt, kdy je z atomového obalu vyzářen elektron a dochází tedy k pohlcení gama kvanta, k jeho zeslabení při průchodu destičkou. Fotoefekt pro daný prvek, z něhož je absorpční destička zhotovena, probíhá až od určité energie gama kvant např. pro Pb je tzv. hrana fotoefektu (tj. nejnižší potřebná energie dopadajícího gama kvanta, aby proběhl fotoefekt) pod 88 keV a pro Sn je to méně než 30 keV. Proto použité gama záření o dané energii 60 keV by mělo být více pohlcováno 50 Sn, ačkoli jeho protonové číslo je menší než 82 Pb. Obecně však platí, že γ záření je pronikavější než záření β a α. Alfa a beta částice (tedy jádra helia a elektrony popř. pozitrony) jsou hmotnější než gama záření, mají větší ionizační účinky a tím i energetické ztráty v materiálu, současně ztrácí výrazněji energii nepružným rozptylem. Na pohlcení záření gama záření je třeba větší tloušťky materiálu. Vhodnější jsou materiály s vyšším atomovým číslem a s vysokou hustotou. Čím energetičtější je záření, tím tlustší stínění je zapotřebí. Schopnost materiálu pohlcovat záření zpravidla vyjadřujeme polotloušťkou materiálu, tj. tloušťkou, po jejímž průchodu se původní intenzita záření sníží n a polovinu. Například záření, jehož intenzitu 1 cm olova zredukuje na polovinu, bude mít poloviční intenzitu také pro průchodu 6 cm betonu.

6

Úkoly a postup

Indikátor záření (detektor), digitální čítač, stativ, zdroj záření - školního zdroje ionizujícího záření, terčové destičky z Pb, Al, Cu, mosaz. 1. Stanovte míru absorbce záření β a γ v závislosti na tloušťce a typu stínícího materiálu. (a) Indikátor připevníme do stativu tak, že zdroj záření je v pozici vedle indiká5

toru. Do drážky stativu vkládáme absorpční destičky a připojíme digitální čítač impulsů. Destičky vkládáme do svislé polohy mezi indikátorem (detektorem) a zdrojem záření. (b) Prověříme, zda není v blízkosti umělý zdroj záření. (c) Použijeme soubor absorpčních destiček ze slitiny CuZn (mosaz) s tloušťkou 0,2 mm. (Některé soupravy mají destičky z Al po 0,3 mm a z Cu 0,25 mm, 1,5 mm, 3mm, můžeme je kombinovat). Měříme počet impulsů za sto vteřin. První měření provedeme bez vložené destičky, postupně nabíráme tloušťku absorbátoru. Změříme pro beta a gama zářič. Změříme absorbci destičky Pb a Sn stejné tloušťky. (d) Jaký je rozdíl v absorpci beta a gama záření?

7

Výsledek pokusu

Pokus prokazuje, že záření beta se v mosazných destičkách pohlcuje účinněji než gama záření. Polovina celkové intenzity beta záření je odstíněna již 0,1 mm mosazi, pro stejný účinek stínění na záření gama potřebujeme destičku 0,45 mm tlustou, přestože gama záření má výrazně nižší energii než beta. V případě Al a Cu destiček zjistíme, že 0,3 mm Al odstíní téměř 85% beta částic, avšak pouze 30 % gama záření. Cu destička 0,25 mm odstíní 100% záření beta a 80% záření gama. Potvrzuje se vysoká pronikavost gama záření, která souvisí s tím, jak se chová gama záření a beta záření (elektrony) v pevné látce. Současně také můžeme pozorovat, že pohlcování gama záření roste s rostoucím protonovým číslem materiálu. Srovnáme-li však Sn a Pb, vidíme, že absorbují téměř srovnatelně, což je dáno tím, že Sn má výhodnou prahovou energii pro fotoefekt a námi použité gama záření (60 keV) je tak Sn pohlcováno. Můžeme tím vlastně dokázat slupkovou strukturu atomu, protože gama záření s energií dostatečnou k uvolnění elektronu z atomu Sn je pohlcováno selektivně.

8

Teorie a úvod k třetímu pokusu

V tomto experimentu jsme si ukázali vliv magnetického pole na dráhu nabité částice a současně jsme demonstrovali ionizaci v plynném prostředí. Použijeme trubici naplněnou plyným argonem pod nízkým tlakem (10−1 Pa). Na jednom konci je umístěna žhavená katoda, ze které vyletují elektrony. Elektrony urychlené v elektrickém poli (mezi katodou a anodou) vlétnou do magnetického pole orientovaného kolmo na směr jejich pohybu. Letící elektrony procházejí srážkami s molekulami argonu a ionizují je. Trajektorie elektronového paprsku je tak zviditelněna díky luminiscenci (emise záření ve viditelné části spektra) vzniklé rekombinací argonových iontů. Kladně nabité ionty argonu mají vedle toho pozitivní efekt na fokusaci paprsku elektronů. Žebříček v podélné ose trubice má příčle ve vzdálenostech opatřené luminiscenčním nátěrem a slouží k přesnějšímu určení poloměru kruhové dráhy. Zdrojem napájení je regulovatelný zdroj vhodný pro napájení aparatury. Urychlovací potenciál je možno plynule měnit dvěma potenciometry v rozsahu 0 − 300 V. 6

Působením Lorentzovy síly se trajektorie elektronů zakřiví, podobně jako jsme to demonstrovali v prvním pokusu s nabitými částicemi (elektrony) z radioaktivního zdroje. Specifický náboj elektronu (tedy poměr náboje ku hmotnosti mee ) určujeme ze znalosti urychlujícího napětí, intenzity magnetického pole a poloměru zakřivení dráhy elektronu. Je-li elektron o hmotnosti me a s nábojem e urychlován rozdílem potenciálů U , získá kinetickou energii Ek = e.U = 12 me v 2 , kde ~v je rychlost elektronu. V magnetickém poli ~ na elektron pohybující se rychlostí ~v působí Lorentzova síla F~ = e.~v × B. ~ intenzity B Je-li magnetické pole homogenní, elektron se začne pohybovat ve spirále s osou rovnoběžnou se směrem magnetických siločar. Tato trajektorie pro případ, kdy je směr rychlosti kolmý na vektor magnetické indukce, je zjednodušena na kružnici o poloměru r. Protože 2 na elektron pohybující se po kružnici působí dostředivá síla mer.v , která se rovná uvedené síle Lorentzově, dostáváme z rovnosti velikosti těchto sil vztah v = mee .B.r , kde B je velikost intenzity magnetického pole. Známe-li velikost magnetické indukce (určíme z měřeného proudu procházejícího cívkami) a urychlovací napětí v trubici tzn. energii elektronů, můžeme stanovit poměr náboje a hmotnosti elektronu mee .

Obrázek 4: Uspořádání pokusu při měření náboje elektronu - hlavní část je uprostřed, kde vidíme Helmholtzovy cívky vytvářející magnetické pole a trubici s argonovými parami, kde světélkuje po zapnití svazek elektronů

9

Výsledek pokusu

Změnou proudu Helmholtzovými cívkami docílíme zformování kruhové trajektorie elektronů. Působení magnetického pole můžeme demonstrovat dále tak, že otočíme trubici okolo osy tak, že katoda (zdroj elektronů) je mimo osu trubice a místo po kružnici se elektrony budou pohybovat po spirále. Zapisujeme si hodnoty proudu pro jednotlivé vzdále7

nosti a velikosti urychlovacího napětí. Na základě naměřených hodnot a vzorců uvedených v teoretické části pak můžeme určit specifický náboj elektronu. Pokud chceme zvětšit poloměr kružnice, který elektrony opisují v trubici buď zvýšíme jejich energii (tedy urychlovací napětí) nebo snížíme proud tekoucí cívkami a tím i velikost magnetického pole, které dráhu elektronů zakřivuje.

10

Počítačové animace z oboru jaderné fyziky

• funkce jaderné elektrárny www.cez.cz • interaktivní hra ”Jak zabránit výbuchu Černobylu?” www.ida.liu.se/ her/hpp/demo.html • Radioaktivní rozpad www.colorado.edu/physics/2000/applets/iso.html • a spousta dalších vzrušujících animací a appletů ze všech fyzikálních oborů. . . .:o) http://physics.uwstout.edu/physapplets

Reference [1] www-hep2.fzu.cz/Auger/cz/kosmzar.html, [2] http://physics.isu.edu/radinf/natural.htm [3] http://omega.ujf.cas.cz/vdg [4] http://astronuklfyzika.cz/index.htm [5] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/fusion.html [6] http://home.clara.net/darvill/nucrad/detect.htm [7] http://ie.lbl.gov/education/isotopes.htm [8] http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/prednasky/subatom/astrofyzika/zareni.html [9] Macháček: Encyklopedie fyziky, Mladá fronta, 1995.

8