Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations
Ce arată
Interacțiunile diferitelor radiații cu materia sunt unice și determină penetrabilitatea lor prin materie și, în consecință, tipul și cantitatea de ecranare necesară pentru protecția împotriva radiațiilor. Fiind neutre din punct de vedere electric, interacțiunea razelor gamma cu materia este un proces statistic și depinde de natura absorbantului, precum și de energia razelor gamma. Există întotdeauna o probabilitate finită ca un raze gamma să penetreze o anumită grosime de material absorbant și astfel, spre deosebire de radiațiile sub formă de particule încărcate, care au o rază maximă de acțiune în absorbant, unde toate sunt oprite indiferent de puterea sursei, unele raze gamma vor trece întotdeauna și, având în vedere o sursă suficient de puternică, pot trece foarte multe.
Cum funcționează
Această demonstrație este prezentată de obicei împreună cu demonstrația Surse și detecție; detalii despre radionuclizii și detectoarele utilizate aici pot fi găsite, de asemenea, în acea scriere.
(1) Particulele alfa interacționează cu materia în principal prin forțele lui Coulomb între sarcina lor pozitivă și sarcina negativă a electronilor atomici din absorbant. Intervalul de alfa de o anumită energie este o cantitate destul de unică într-un anumit material absorbant. Pentru o energie dată, particulele alfa sunt mult mai lente decât particulele beta, dând naștere la impulsuri mai mari. În plus, sarcina sa dublă (+2e) face ca o particulă alfa să aibă o rată foarte mare de pierdere a energiei în materie, ceea ce o face să fie o radiație puternic ionizantă. În consecință, adâncimea de penetrare a particulelor alfa este foarte mică în comparație cu celelalte radiații. În cazul materialelor cu densitate scăzută, intervalul de 5,5 MeV alfa (de la Am-241) este cuprins între 4,5 și 5 mg/cm2; materialele cu densitate mai mare oferă un interval cuprins între 5 și 12 mg/cm2. The table below gives some specific values.
| Absorber | Density | Alpha Range | |
|---|---|---|---|
| air (STP) | 1.2 mg/cm3 | 3.7 cm | – |
| paper (20lb) | 0.89 g/cm3 | 53 µm | one sheet = 89 µm |
| water (soft tissue) | 1.0 g/cm3 | 45 µm | will not penetrate skin |
The thickness of a single sheet of paper (0.0035″) is enough to stop all the alphas.
(2) Beta particles also interact through Coulomb forces with the atomic electrons. Betas have much higher speeds due to their smaller mass, and smaller impulses are involved in collisions. Astfel, pătrunderea lor în materie este considerabil mai mare decât a alfaselor, dar, datorită naturii interacțiunilor forței Coulomb, și betas sunt oprite de foarte puțină materie (în comparație cu gammas). Deoarece masele lor sunt identice cu cele ale electronilor care se împrăștie, sunt posibile abateri mari ale traiectoriei particulelor beta și chiar și absorbanții subțiri vor atenua betas în virtutea faptului că acestea sunt împrăștiate cu ușurință în afara fasciculului direct. O altă diferență care complică comparația este faptul că, spre deosebire de alfas monoenergetice, particulele beta se prezintă într-un spectru continuu de energii, energia medie fiind de aproximativ 1/3 din cea maximă. Beta de energie joasă sunt atenuate rapid.
O regulă utilă pentru intervalul maxim al electronilor este că intervalul (în gm/cm2) este jumătate din energia maximă (în Mev). Acest lucru este, desigur, complicat de densitate: razele de acțiune ale electronilor tind să fie de aproximativ 2 mm pe MeV în materialele cu densitate scăzută și de aproximativ 1 mm pe MeV în absorbanții cu densitate medie. For our Sr/Y-90 source (maximum beta energy = 2.27 MeV, average energy = 1.13 MeV), more precise beta ranges are tabulated below:
| Absorber | Density | Depth (2.3 MeV) | Depth (1.1 MeV) |
|---|---|---|---|
| air | 1.2 mg/cm3 | 8.8 m | 3.8 m |
| water (soft tissue) | 1.0 g/cm3 | 11 mm | 4.6 mm |
| plastic (acrylic) | 1.2 | 9.6 | 4.0 |
| glass (Pyrex) | 2.2 | 5.6 | 2.2 |
| aluminum | 2.7 | 4.2 | 2.0 |
| copper | 8.9 | 1.2 | 0.5 |
| lead | 11.3 | 1.0 | 0.4 |
C-14 emite betas cu o energie maximă de 0,156 MeV și o energie medie de 0,049 MeV. Gama maximă de betas C-14 este de numai 0,25 mm (0,01″) în plastic. Avem ambele surse și este plăcut să le punem în contrast. O carte de identitate de la Harvard are o grosime de aproximativ 0,8 mm și oprește toate betas C-14. Nu la fel se întâmplă când treci la sursa Sr-90. Este nevoie de o bucată de plastic de 3/8″ (9,6 mm) grosime pentru a opri toate betas-urile Sr-90.
(3) Interacțiunile razelor gamma cu materia sunt complet diferite de cele ale particulelor încărcate. Lipsa de sarcină elimină interacțiunile Coulomb și permite ca razele gamma să fie mult mai penetrante. Interacțiunile care au loc sunt prin intermediul efectului fotoelectric, al împrăștierii Compton și al producerii de perechi. Probabilitatea ca oricare dintre aceste interacțiuni să aibă loc este specificată de o secțiune transversală, iar coeficienții de atenuare liniară pentru razele gamma sunt definiți de aceste secțiuni transversale.
Din moment ce coeficienții de atenuare liniară variază în funcție de densitatea absorbantului, chiar și pentru același material absorbant, coeficientul de atenuare masică μ/ρ (coeficientul de atenuare liniară μ în 1/cm-1 împărțit la densitatea ρ în g/cm3) este mai util, iar legea atenuării se scrie sub forma
I = Ioe-(μ/ρ)ρt Ecuația (1)
unde I este intensitatea radiației și t este grosimea. Produsul ρt este parametrul semnificativ, iar unitățile (ca și în cazul particulelor β și α) sunt mg/cm2, ceea ce face ca exponentul din Ecuația (1) să fie adimensional.
Spre deosebire de particulele încărcate, un anumit procent de raze gama va reuși întotdeauna să treacă prin absorbant și este util să se ia în considerare grosimea la jumătate de valoare a unui anumit material absorbant pentru energiile razelor gama de interes. Grosimile semivaloare se determină din ecuația (1) folosind coeficienții de atenuare liniară sau de atenuare a masei găsiți în referințele de mai jos. Absorbers of these thicknesses attenuate the radiation reaching the detector by a factor of two and some of the common ones are tabulated below for Co-60 (1.33 and 1.17 MeV) and Cs-137 (662 keV).
| Absorber Material | Co-60 HVL (cm) | Cs-137 HVL (cm) | Co-60 1/10 VL (cm) | Cs-137 1/10 VL (cm) |
|---|---|---|---|---|
| water (soft tissue) | 13 | 9.5 | – | – |
| plastic (acrylic) | 11 | 7.9 | – | – |
| steel | 2.1 | 1.6 | 6.9 | 5.3 |
| lead | 1.0 | 0.6 | 4.0 | 2.1 |
Setting it Up
O sursă de Co-60 (etichetată #9) din laboratorul Phys 191 este cea mai convenabilă sursă pentru această demonstrație din punct de vedere al puterii (4 micro Ci din 2016 … timpul de înjumătățire este de 5,27 ani). Poziționați-o la aproximativ 2,5 cm în fața tubului Geiger-Muller. O bucată de plumb de 1/2″ grosime reduce rata de numărare cu un factor de doi, iar o bucată de 1,5″ grosime reduce rata cu un factor de zece.
Plasticul, aluminiul, oțelul, plumbul și mulți alți absorbanți sunt disponibili în funcție de necesități. Aceștia variază în grosimi de la sute de microni (folii) la câțiva centimetri. Absorbantul se plasează pur și simplu peste fereastra de capăt subțire a tubului G-M.
Nu se dorește cu adevărat să se transforme o demonstrație simplă într-un exercițiu de laborator îndelungat, așa că cel mai bine este să se decidă dinainte trăsăturile proeminente pe care se dorește să se impresioneze audiența și să se folosească absorbantele și grosimile adecvate pentru a se evidenția.
AIP Physics Desk Reference, editat de E. Richard Cohen, David R. Lide, George L.. Trigg, (Springer, New York, 2003)
G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, ediția a 2-a, (Wiley, NY, 1989)
G.W. Morgan, Some Practical Considerations in Radiation Shielding, Isotopes Division Circular B-4, (U.S. Atomic Energy Commission, Oak Ridge)
CRC Handbook of Radioactive Nuclides, editat de Y. Wang, (Chemical Rubber Company, Ohio, 1969)
A.H. Wapstra, G.J. Nijgh, and R. Van Lieshout, Nuclear Spectroscopy Tables, (North Holland, Amsterdam, 1959)
X-ray Attenuation Coefficients from 10 keV to 100 MeV, National Bureau of Standards Circular No. 583
https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html
https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab2.html
Într-adevăr, la începuturile măsurării radiațiilor, energiile particulelor alfa erau măsurate indirect prin determinarea grosimii absorbantului echivalent cu domeniul lor mediu.
Domeniul este exprimat în termeni de (densitate)×(grosime), care se scrie ca masă/unitate de suprafață a absorbantului de o anumită grosime. Din punct de vedere istoric, unitățile au fost mg/cm2. Densitatea-grosimea (denumită uneori și masa-grosimea) este un concept util atunci când se discută despre pierderea de energie a alfa și beta, deoarece, pentru materiale absorbante cu rapoarte neutroni/protoni similare, o particulă va întâlni aproximativ același număr de electroni care trec prin absorbanți de densitate-grosime egală. Prin urmare, puterea de oprire și raza de acțiune, atunci când sunt exprimate în aceste unități, sunt aproximativ aceleași pentru materiale care nu diferă foarte mult în Z.
Hârtia cântărește 4,77 gm/foiță, ceea ce îi conferă o densitate de 0,89 gm/cm3 și o densitate-grosime de 7,9 mg/cm2
Această regulă empirică este aplicabilă numai atunci când E > 0,8 MeV. Pentru alte intervale de energie, vezi Wang, p 912.
Valorile provin de la Y. Wang (referință). O altă regulă empirică este că intervalul de valori la jumătate este de aproximativ 1/7 din intervalul maxim, dar poate varia între 1/5 și 1/10 (în funcție de energia beta și de densitatea absorbantului).
Coeficientul de absorbție a masei depinde, de asemenea, de energia radiației. Pentru a calcula stratul de jumătate de valoare pentru un anumit material și o anumită energie de radiație, atunci trebuie să se caute „coeficientul de absorbție a energiei de masă” în CRC Handbook sau AIP Physics Desk Reference, sau în orice referință care este la îndemână.
.