11,12,13. Гамма сәулелері.

Гамма сәулелері – α және β-ыдырау кезінде шығатын электромагниттік толқындар, энергиялары бірнеше МэВ. γ-сәулелерді аналық ядро емес туынды ядро шығарады. Туынды ядро бөлініп шыққан кезінде қозған күйде болады. Қалыпты күйге келгенше, 10^-14 – 10^-13 с уақыт ішінде, туынды ядро γ-сәулелер шығарады, спектрі - сызықтық болады. Мысалы, 12Mg²⁷ ядросының β-ыдырауға ұшырап ₁₃Al²⁷ ядросына айналуын қарастырайық. Жартылай ыдырау периоды – 9,5 мин. 6.5-суретте көрсетілгендей ыдырау ₁₃Al²⁷-дің кез келген қозған 2 деңгейінің біреуінде жүреді де, қозу күйіндегі ₁₃*Al²⁷ ядросы негізгі күйге өтеді. Кейде қозған ядроның негізгі күйге өтуі γ-сәулелер шығару арқылы емес, энергияны ядроға жақын жатқан электрон қабықтарындағы электрондарға беру арқылы болуы мүмкін. Бұл құбылысты ішкі конвексия құбылысы деп атайды. Ядродан шыққан γ-сәулелердің әсерінен атомның ішкі К, М қабықтарынан, электрондар жұлынып шығарылады. Бұл электрондар конвексиялық немесе конвексия электрондары деп аталады. Шыққан конвексия электрондардың энергиясы

E_e=hv-E_к, (27)

Мұндағы hv – ядро шығарған γ-кванттың энергиясы, ал Е_к – электрондық К

қабықтағы электрондардың энергиясы.

15.Радиоактивті изотроптарды қолдану

а) Геология мен археологияда қолдану. Геологияда табылған кен байлығының, минералдардың жасын шамалау үшін радиоактивті изотроптар қолданады. Мысалы, табиғатта көп кездесетін уран – 238 изотропының жасын анықтау арқылы Жердің жас шамасын білуге болады. ІІ тарауда қарастырған (6.5) формуласындағы радиоактивті ыдырау заңын қолдансақ

t= .

N₀ – бастапқы болған ядро саны, одан t уақыт өткенде ыдырап N ядро қалады. Қарастырып отырған мысалымыздағы уран негізінен уран – 238 – ден тұрады, себебі ол уранның 99,28 процент шамасындай, VI тарауда айтылғандай уран – 238 – дің ядросы ыдырау қорытындысында орнықты қорғасын Pb – 206 ядросына айналады. Сонымен, қорғасын ядросы дегеніміздің өзі әуелдегі уран ядросы болғаны ғой. Сондықтан қарастырып отырған табиғи урандағы уран мөлшерінің ыдырау қорытындысында пайда болған қорғасын мөлшеріне қатынасы, осы уран қорғасынға айналған уақытты береді.

Бір t₀=0 уақыт мезетінде табиғи уранда қорғасын жоқ, ал t уақыт өткенде табиғи уранда N_u уран ядросы және N_Pb қорғасын ядросы болсын. Әуелде, табиғи уранда тек уран ядросы ғана болады деп есептесек, N₀ =N_u+N_Pb , t уақыт өткенде

t=

Уран ядросы Жер қыртысының пайда болуымен бірдей уақытта болды деп есептегенде Жердің жас шамасы 4 миллиард жыл.

Археологияда қазба жұмыстары кезінде табылған заттардың, мысалы жануар сүйектерінің немесе көне ағашан жасалған бұйымдардың жас шамасын анықтау қажет болады.. Ол үшін радиоактивті көміртегі ₆С¹⁴ изотопын қолданады. Жартылай ыдырау периоды 5570 жыл. Әлбетте, атьосферадағы радиоактивті көміртегі көмір қышқыл газға айналып, өсімдіктерге өтеді де өсімдіктер арқылы жануарлар организміне түседі. Жануар тірі кезінде радиоактивті көміртегінің организміндегі мөлшері тұрақты болады, себебі жануар өсімдік пен оның мөлшерін толтырады. Ал организм өлген кезден бастап организмде радиоактивті ыдырай бастайды.

Көне ағаштан жасалған ыдыстардың жасын табу керек болады делік. Табылған ыдыстың 1 г – мы 40 минутта 350 импульс берсін (зарядталған бөлшектер санауыштарын қолданамыз). Осы мезгілдегі активтігі 350/40 = 8,75 (бір минуттағы ыдырау саны). Сонда ағаштың жасын табу үшін алдыңғы формуланы қолдансақ, t=1,44 *T ln 2=1,44*5570*ln 2=5570 жыл екенін білеміз. Әрине дәл есептеулер бұдан анғұрлым күрделі.

б) “Таңбаланған” атомдарды қолдану. Таңбаланған атодарды, яғни радиоактивті изотроптарды металлофизикада диффузия, коррозия құбылыстарын зерттеу үшін, металлургияда кен балқытатын пештерде газдың жүрісін бақылау үшін, т.б. процестерде қолданады. Мысалы, металдардағы диффузия құбылысын зерттеу үшін металл пластинаға диффузия құбылысына ұшырайтын заттың радиоактивті изотопын жағады. Пластинаны қыздырған мезгілде таңбаланған атомдар металл ішіне енеді. Пластинаны суытып оның белгілі бір беткі қабатын ысқылап тазартады да , осы қабаттан шығатын радиоактивті сәулелердің интенсивтігін санауыш арқылы есптейді. Келесі қабатты тазартып тағы да радиоактивті интенсивтікті өлшейді. Солай тереңдік бойынша диффузия құбылысын зерттейді.

Ауыл шаруашылығында топырақтағы әр түрлі элементтерді өсімдік қалай жұтатынын таңбаланған атомдар арқылы біліп отырады.

10-ші лекция. Ядролық физиканың эксперименталдық әдістері

1. Ядролық сәулелерді тіркеу әдістері.

2. Гейгер – Мюллер санауышы.

3 Сцинтилляциялық әдіс, пропорционалдық санауыш.

4 Көбікшелі камера, Вилсон камерасы.

5. Фотоэмульсия әдісі.

6. Зарядталған бөлшектердің үдеткіштері

1. Ядролық сәулелерді тіркеу әдістері.

Қарастырылған тақырыптардан біз атом күрделі система екенін білеміз. Атомда ядро және оны айналып қозғалатын электрондар болатын, ал ядроның өзі протондар мен нейтрондардан тұратыны айтылады. Сонда бізді қоршаған табиғаттағы заттар элементар бөлшектерден тұрады екен. Олардың қатарына электрон, протон, нейтрон, мезондар -квант және тағы да басқа бөлшектер жатады. Әрбір осындай бөлшекті сипаттайтын физикалық шамалар: массасы, заряды, өзіндік меканикалық моменті-спині. Олардың атом және молекула ішінде орналасу реті кванттық сандармен сипатталады. Міне,элементар бөлшектерді сипаттау және тіркеу үшін осы аталған физикалық шамаларды өлшеу қажет. Сондықтан ,төменде, элементар бөлшектерді тіркеп олардың физикалық қасиеттерін анықтайтын құралдарға қысқаша тоқталамыз. Өлшеуіш құралдарда қалдырған іздеріне қарап (Вильсон және иондау камераларында, фотоэмульсиялық пластинкада) бөлшектердің траекториясын зерттей отырып, олардың энергиясын біледі, зарядтардан және қандай бөлшек екенін анықтайды (7,1-сурет )

Иондау камерасы зарятталған бөлшектерді тіркеу үшін қолданылады. Қарапайым иондау камерасының схемасы 7,2-суретте берілген . Метал А қорбының металл фольгадан істеген В терезесі арқылы камераға тіркелетін бөлшек енеді .Электрод –коллектор К және электрод С- қорғаушы сақина жермен қосылған . КамераА инерттік газбен толтырылған . Иондаушы бөлшек камераға еніп , энергиясына байланысты комера ішінде мыңдаған қос иондарды туғызады. Мысалы, жылдам электрон ауада қалыпты қысымда бірнеше жүздеген қос ион, ал альфа-бөлшек жүз мыңдаған қос ион тудырады. Иондау камерасы тек ауыр бөлшектерді ғана тіркейді. Тіркелуші бөлшектердің әсерінен пайда болған ион импульстері колектор мен сақинаның электор өрісіне жетеді де, әрі қарай электор күшейткішіне беріліп тіркеледі.

2. Гейгер –Мюллер санаушы.Зарядталған бөлшектерді тіреку үшін қолданылатын құралдардың бірі –Гейгер –Мюллер санаушы. Схемасы 7,3-суретте берілген . Жұқа ,цилидр формалы алюминий баллон А( диаметірі -20мм),екі ұшы изолятолрмен бекітілген және осы изоляторларға жіңішке металл сым В орнатылған. Баллон ішінен ауасы сорылып, орнына сутегі инемесе инертті газдар енгізеді, қысымы -100мм сын. Бағ. Цилиндрмен металл қыл сым жоғарғы кернеу Б ток көзіне қосылады. Егер металл сым мен цилиндр қабырғаларының арасына зарядталған бөлшек енетін болса , ол газдың иондайды. Пайда болған газ иондары қыл мен цилиндр арасындағы күшті электор өрісінің әсерінен үлкен жылдамдықпен қозғала отырып жолында кездескен газдың бөлшектерін иондайды. Сөйтіп екінші реттегі иондар пайда болып , санауыш арқылы токтың үлкен импульсі өтеді. Ток импульсі кедергі R-да кернеу туғызып . ол кернеу К күшейткішіне және Е есептегішке беріледі. Цилиндр мен қыл арасына электор өрісін пайда болған импульсті күшейтуге жететіндей етіп бірақ разряд сөндіру керек.Ол үшін санауыш ішіне этил спиртті, ацетон сияқты сөндіргіштер енгізеді.

Бұлардың молекулалары зарятталған бөлшектердің әсерінен диссоциация құбылысына ұшырап, разряд аймағындағы зарятталған бөлшектерді жұтады. Нейтрондарды тіркеу, алдында айтып кеткендей, олардың екінші реттегі зарятталған бөлшектерді туғызуы арқылы жүргізіледі.Бор санаушы Гейгер санауышына ұқсас, тек қана баллон ішіне енгізілетін затта бор қосындысы болады.Бор ядросына тиген нейтрон жаңадан ядросы және -бөлшек пайда болатын реакцияға әкеледі. Міне осы бөлшекті тіркеу арқылы нейтрон санын біліп отырады. 3.Қалың қабатты фотопластинкалар.Зарятталған үлкен энергияны бөлшектерді тіркеу үшін жоғарыда айтылған құралдармен қатар қалың қабатты фотопластинкалар қолданылады. Фотопластинкалар өте кішкене мөлшерлі жақын орналасқан бромды күміс эмульсия дәндерінен тұрады. Ұшып келе жатқан бөлшек қалың қабатты фотопластинкаға енеді де эмульсия құрамындағы бромды күмісті иондап, фотопластинка қабаттында белгілі бір із қалдырады 7,4 а-сурет.Қалдырған іздің қалыңдығын ,траекторияның тығыздығын микроскоп арқылы өлшей отырып бөлшектің энергиясын, импульсін, зарядын есептейді.Мысалы 55МэВ энергиясы бар -бөлшектің қалдыратын ізінің ұзындығы 1 мм-ге жуық7,4б-сурет бірнеше жүздеген есе үлкейтілген . Егер пактикада ,күнделікті қолданып жүрген фотопластинкалардағы эмульсия қалыңдығы – 20 микрон болса , ядролық зерттеулердегі қалың қабатты фотопластинкалардың эмульсия қалыңдығы600-1000 микронға жуық және түйірлері өте кішенне болады.