Γενικές Πληροφορίες - I. Εισαγωγή στo Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής. Γενικές Πληροφορίες - II. Εργαστήριο Κορμού ΙΙ. ιστοσελίδα μαθήματος

Transcript

1 Θεόδωρος Εισαγωγή στo Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής Γενικές Πληροφορίες - I ιστοσελίδα μαθήματος Γενικές Πληροφορίες - II Εργαστήριο Κορμού ΙΙ χώρος άσκησης Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής Κτήριο V ισόγειο

2 Εργαστήριο Κορμού ΙΙ Βασικοί κανόνες του ΕΠΦ Βασικοί κανόνες του ΕΠΦ Δεν τρώμε, δεν πίνουμε, δεν καπνίζουμε Δεν παραβιάζουμε τις συσκευασίες των πηγών, δεν τις Τα κινητά τηλέφωνα είναι απενεργοποιημένα παίρνουμε στο σπίτι μας, δεν τις βγάζουμε εκτός Εχουμε μαζί μας τετράδιο εργαστηρίου και εργαστηρίου αριθμητικό υπολογιστή (όχι κινητό!) Δεν αποσυνδέουμε καλώδια ή συσκευές γιατί υπάρχει Οι εργασίες είναι ΑΤΟΜΙΚΕΣ και παραδίδονται στο σοβαρός κίνδυνος ηλεκτροπληξίας λόγω υψηλής διδάσκοντα ΜΙΑ βδομάδα μετά την εκτέλεση της τάσης στα διάφορα όργανα άσκησης. Δε γίνονται δεκτές ηλεκτρονικές αποστολές. Ακολουθούμε πιστά τις οδηγίες του επιβλέποντα

3 Σύνοψη ασκήσεων Μελέτη Χαρακτηριστικών του Ανιχνευτή Geiger-Müller Μετρήσεις Ακτινοβολίας γ με Ανιχνευτή Σπινθηρισμών Φασματοσκοπία γ Θεωρητικό υπόβαθρο Χρήση ανιχνευτή Geiger-Müller για τη στατιστική ανάλυση δεδομένων Θεματικές ενότητες Ισότοπα Ακτινοβολίες (α, β, γ) Οι πυρήνες που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, Ραδιενεργές διασπάσεις (χρόνος ημιζωής) αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων Στατιστική ανάλυση (χ2) Ιδιες χημικές ιδιότητες, αλλά διαφορετικές πυρηνικές Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας ύλης ιδιότητες Ανίχνευση πυρηνικής ακτινοβολίας Z: αριθμός πρωτονίων (ατομικός αριθμός) Ν: αριθμός νετρονίων Α: αριθμός νουκλεονίων (μαζικός αριθμός)

4 Ισοτοπικός χάρτης - Διάγραμμα Segré Α Ζ ΧΝ Σταθερά & ασταθή ισότοπα 118 στοιχεία 3340 ισότοπα 254 σταθερά ισότοπα 35 ισότοπα με μεγάλους χρόνους ζωής (>80 Ma) Το βαρύτερο σταθερό ισότοπο είναι το 219Bi Το ελαφρύτερο ασταθές είναι το 3Η Μέσος χρόνος ζωής, τ Χρόνος ημιζωής, t1/2 Είναι ο μέσος χρόνος ζωής ενός πυρήνα πριν αποδιεγερθεί/μετασχηματισθεί Η αστάθεια χαρακτηρίζεται από το χρόνο ημίσειας ζωής: t1/2 Είναι ο χρόνος στον οποίο μια αρχική ποσότητα ασταθούς ισοτόπου υποδιπλασιάζεται

5 Χρόνος ημιζωής - μέσος χρόνος ζωής Ο χρόνος ημιζωής είναι μικρότερος από το μέσο χρόνο ζωής Ενεργότητα Ο αριθμός γεγονότων ακτινοβολίας από μια πηγή ορίζεται ως η ενεργότητα της πηγής Η σταθερά χρόνου έχει μονάδες αντίστροφου χρόνου (συχνότητα διάσπασης) Πρακτικά, μια αρχική ποσότητα ασταθών ισοτόπων Μονάδες ενεργότητας στο SI είναι το Becquerel (Bq). Χρησιμοποιείται και το Curie (Ci) παύει να είναι σημαντική μετά από περίπου Ci = 3.7 x 1010 Bq μέσους χρόνους ζωής Αλυσίδες διάσπασης Ο νόμος των ραδιενεργών διασπάσεων Αρχικές υποθέσεις Στατιστικά ανεξάρτητοι πυρήνες (τυχαία διάσπαση) Ο ρυθμός διάσπασης εξαρτάται από το είδος του πυρήνα Σε μικρό δείγμα, η πιθανότητα διάσπασης p εντός χρόνου δt είναι p ~ δt» p = λδt

6 Ο νόμος των ραδιενεργών διασπάσεων H πιθανότητα να μη διασπασθεί: q = 1 - p = 1 - λδt Σε συνολικό χρόνο t=nδt (1 - λδt)n = (1 - λ t/n)n e-λt Σε πραγματική μέτρηση Εστω ότι καταγράφεται ο ρυθμός διάσπασης σε κάποιον ανιχνευτή, π.χ. Geiger-Muller Αν Ν ει ναι ο αριθμο ς των αρχικω ν πυρη νων, το τε η πιθανο τητα να διασπασθου ν k σε χρο νο t θα ει ναι: Το παραπάνω ισχύει για n >, δt > 0 Μέσος αριθμός διασπάσεων: Κατανομή Poisson και χ2 Τεχνική Monte Carlo Στο κατάλληλο όριο, η διωνυμική κατανομή προσεγγίζει Τυχαι ες διαδικασι ες ο πως η δια σπαση πυρη νων μπορου ν να την κατανομή Poisson. περιγραφου ν αξιο πιστα στον υπολογιστη χρησιμοποιω ντας Για τις ραδιενεργές διασπάσεις απαιτείται: λτ «1 την τεχνικη της προσομοι ωσης Monte-Carlo. και Ν ~ NAvogadro Χρησιμοποιείται γεννήτρια ψευδοτυχαίων αριθμών για την υλοποίηση των υποθέσεων Κατανομή Poisson Σε πειραματικό επίπεδο, η εξακρίβωση των υποθέσεών μας πραγματοποιείται μέσω του έλεγχου μιας στατιστικής υπόθεσης με εφαρμογή του κριτηρίου χ2 υψηλή στατιστική επανάληψη αριθμητικού πειράματος Απαιτούνται θεωρητικές υποθέσεις για την υλοποίηση του αλγορίθμου

7 Προσομοίωση Monte Carlo ακτινοβολίες Ακτινοβολίες Ακτινοβολία α Η αστάθεια συνήθως συνοδεύεται από εκπομπή Μετασχηματισμός του ισοτόπου με ταυτόχρονη ακτινοβολίας εκπομπή ενός πυρήνα ηλίου (2p+2n) Ακτινοβολία α Ακτινοβολία β A Z XN Ακτινοβολία γ A 4 Z 2 YN He

8 Ακτινοβολία α Ακτινοβολία α Η διάσπαση α μπορεί να συμβεί μόνο κάτω από συγκεκριμένες ενεργειακές προϋποθέσεις: m(a, Z) > m(a 2, Z 2) + m(4, 2) ή ως συνάρτηση της ενέργειας σύνδεσης: Β(A, Z) < Β(A 2, Z 2) + Β(4, 2) Β(A, Z) < Β(A 2, Z 2) MeV Επιτρεπτή μόνο για: Q>0 Παραδείγματα Φάσμα ακτινοβολίας α Το φάσμα είναι γραμμικό U Th +α Cn Ds +α Ra Rn +α Δείγμα νερού από υπέδαφος Πηγή 241Am

9 Ακτινοβολία β Διάσπαση βτο νετρόνιο στον πυρήνα μετασχηματίζεται σε πρωτόνιο Η διάσπαση β είναι με ταυτόχρονη εκπομπή ηλεκτρονίου και αντινετρίνου είτε: n η μετατροπή ενός νετρονίου σε πρωτόνιο e- p διάσπαση β- v είτε A Z XN η μετατροπή ενός πρωτονίου σε νετρόνιο διάσπαση β+ Διάσπαση β+ A Z+1 ΥN 1 + e + νe Ηλεκτρονική σύλληψη, EC Το πρωτόνιο στον πυρήνα μετασχηματίζεται σε νετρόνιο Η σύλληψη ηλεκτρονίου από πρωτόνιο δημιουργεί με ταυτόχρονη εκπομπή ποζιτρονίου και νετρίνου νετρόνιο και συνοδεύεται από εκπομπή νετρίνου e p e- n n p v A Z XN A Z 1 ΥN+1 + e+ + ν e v A Z XN +e A Z 1 ΥN+1 + ν e

10 Παραδείγματα διάσπασης β διάσπαση β C 14 7 N + e + νe Φάσμα ακτινοβολίας β Η ύπαρξη ΔΥΟ σωματιδίων στο κανάλι εξόδου της διάσπασης θέτει μια ασάφεια στο ποσό της ενέργειας που διατίθεται για καθένα από τα σωμάτια (ν, e). διάσπαση β F Ηλεκτρονική σύλληψη e K 18 8 O + e+ + ν e Το φάσμα είναι συνεχές Ar + ν e Ακτινοβολία γ Ακτινοβολία γ Διαφέρει από τις α,β στο ότι δεν εμπλέκει ps σωματίδια με μάζα και φορτίο. Πρόκειται για εκπομπή Η/Μ ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας (~MeV) Το (αόρατο) φως είναι το πλεόνασμα ενέργειας, καθώς το ισότοπο αποδιεγείρεται σε στάθμη stable 78Kr χαμηλότερης ενέργειας

11 Ακτινοβολία γ - 137Cs Ακτινοβολία γ - 22Na Ακτινοβολία γ - 137Cs Ακτινοβολία γ - 22Na

12 Ακτινοβολία γ - 60Co Ακτινοβολία γ - 60Co Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας-ύλης Ανάλογα με το είδος της ακτινοβολίας επηρεάζεται και η αλληλεπίδρασή της με την ύλη Βασική διαφορά υπάρχει ανάμεσα σε βαριά φορτισμένα σωμάτια (α, β) και σε φωτόνια (γ, X) αλληλεπίδρασης ακτινοβολίας ύλης

13 Καμπύλη Bragg Bethe-Bloch, de/dx Bethe-Bloch, de/dx κατανομή φορτισμένων σωματιδίων Κατανομή πιθανότητας για εμβέλεια >Ro εμβέλεια σωματίων σε πυρίτιο

14 Μηχανισμοί για ακτινοβολία γ Απορρόφηση γ από τον αέρα Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Φαινόμενο Compton Δίδυμη γένεση Εξασθένιση οι ασκήσεις

15 Οργανολογία Geiger-Müller Ανιχνευτής αερίου Geiger Mueller Κρύσταλλοι σπινθηρισμού I: Περιοχή επανασύνδεσης Πηγές ραδιενεργών ισοτόπων ΙΙ: Περιοχή ιονισμού Ηλεκτρονικές μονάδες ΙΙΙ: Αναλογική περιοχή IV: Περιοχή Geiger-Mueller Geiger-Müller Σπινθηριστές - NaI(Tl) Βασικές αρχές ανιχνευτών σπινθηρισμού Η ενέργεια των ανιχνευόμενων σωματίων μετατρέπεται σε ανιχνευόμενα φωτόνια Διαφάνεια στο παραγόμενο φως Introduction to Nuclear Laboratory 46 Physics Dept, UoA, 2011 Γραμμικότητα μετατροπής ενέργειας Μικρός χρόνος αποδιέγερσης, γρήγορο σήμα

16 Σπινθηριστές - NaI(Tl) ερωτήσεις; Γεωμετρικός παράγοντας