Ε ι σ α γ ω γ ή στo Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής

Transcript

1 Ε ι σ α γ ω γ ή στo Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής

2 Γενικές Πληροφορίες - I ιστοσελίδα μαθήματος Κωδικός μαθήματος στο eclass PHYS211

3 Γενικές Πληροφορίες - II χώρος άσκησης Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής Κτήριο V ισόγειο

4 Εργαστήριο Κορμού ΙΙ

5 Εργαστήριο Κορμού ΙΙ

6

7 Σύνοψη ασκήσεων Μελε^τη Χαρακτηριστικω^ν του Ανιχνευτη^ Geiger- Müller Μετρη^σεις Ακτινοβολι^ας γ με Ανιχνευτη^ Σπινθηρισμω^ν Φασματοσκοπι^α γ Χρη^ση ανιχνευτη^ Geiger- Müller για τη στατιστικη^ ανα^λυση δεδομε^νων

8 Θεωρητικό υπόβαθρο

9 Θεματικές ενότητες Ακτινοβολίες (α, β, γ) Ραδιενεργές διασπάσεις (χρόνος ημιζωής) Στατιστική ανάλυση (χ 2 ) Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας ύλης Ανίχνευση πυρηνικής ακτινοβολίας

10 Ισότοπα Οι πυρήνες που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων Ιδιες χημικές ιδιότητες, αλλά διαφορετικές πυρηνικές ιδιότητες Z: αριθμός πρωτονίων (ατομικός αριθμός) Ν: αριθμός νετρονίων Α: αριθμός νουκλεονίων (μαζικός αριθμός)

11 Ισοτοπικός χάρτης - Διάγραμμα Segré Α ΖΧ Ν

12 Σταθερά & ασταθή ισότοπα 118 στοιχεία 3339 ισότοπα 254 σταθερά ισότοπα 35 ισότοπα με μεγάλους χρόνους ζωής (>80 Ma) Το βαρύτερο σταθερό ισότοπο είναι το 219 Bi Το ελαφρύτερο ασταθές είναι το 3 Η

13 Μέσος χρόνος ζωής, τ Είναι ο μέσος χρόνος ζωής ενός πυρήνα πριν αποδιεγερθεί/μετασχηματισθεί

14 Χρόνος ημιζωής, t 1/2 Η αστάθεια χαρακτηρίζεται από το χρόνο ημίσειας ζωής: t 1/2 Είναι ο χρόνος στον οποίο μια αρχική ποσότητα ασταθούς ισοτόπου υποδιπλασιάζεται

15 Χρόνος ημιζωής - μέσος χρόνος ζωής Ο χρόνος ημιζωής είναι μικρότερος από το μέσο χρόνο ζωής Η σταθερά χρόνου έχει μονάδες αντίστροφου χρόνου (συχνότητα διάσπασης) Πρακτικά, μια αρχική ποσότητα ασταθών ισοτόπων παύει να είναι σημαντική μετά από περίπου 4-5 μέσους χρόνους ζωής

16 Ενεργότητα Ο αριθμός γεγονότων ακτινοβολίας από μια πηγή ορίζεται ως η ενεργότητα της πηγής Μονάδες ενεργότητας στο SI είναι το Becquerel (Bq). Χρησιμοποιείται και το Curie (Ci)

17 Αλυσίδες διάσπασης

18 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

19 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 Το παραπάνω ισχύει για n >, δt > 0

20 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: Μέσος αριθμός διασπάσεων:

21 Κατανομή Poisson και χ2 Στο κατάλληλο όριο, η διωνυμική κατανομή προσεγγίζει την κατανομή Poisson. Για τις ραδιενεργές διασπάσεις απαιτείται: λτ «1 και Ν ~ N Avogadro Κατανομή Poisson Σε πειραματικό επίπεδο, η εξακρίβωση των υποθέσεών μας πραγματοποιείται μέσω του έλεγχου μιας στατιστικής υπόθεσης με εφαρμογή του κριτηρίου χ 2

22 Τεχνική Monte Carlo Τυχαι^ες διαδικασι^ες ο^πως η δια^σπαση πυρη^νων μπορου^ν να περιγραφου^ν αξιο^πιστα στον υπολογιστη^ χρησιμοποιω^ντας την τεχνικη^ της προσομοι^ωσης Monte- Carlo. Χρησιμοποιείται γεννήτρια ψευδοτυχαίων αριθμών για την υλοποίηση των υποθέσεων υψηλή στατιστική επανάληψη αριθμητικού πειράματος Απαιτούνται θεωρητικές υποθέσεις για την υλοποίηση του αλγορίθμου

23 Προσομοίωση Monte Carlo

24 ακτινοβολίες

25 Ακτινοβολίες Η αστάθεια συνήθως συνοδεύεται από εκπομπή ακτινοβολίας Ακτινοβολία α Ακτινοβολία β Ακτινοβολία γ

26 Ακτινοβολία α Μετασχηματισμός του ισοτόπου με ταυτόχρονη εκπομπή ενός πυρήνα ηλίου (2p+2n) A 4 Z 2Y N 2 A ZX N 4 2He

27 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)+28.3 MeV

28 Ακτινοβολία α Επιτρεπτή μόνο για: Q>0

29 Παραδείγματα U Th + α Cn Ds + α Ra Rn + α

30 Φάσμα ακτινοβολίας α Το φάσμα είναι γραμμικό Δείγμα νερού από υπέδαφος Πηγή 241 Am

31 Ακτινοβολία β Η διάσπαση β είναι είτε: η μετατροπή ενός νετρονίου σε πρωτόνιο διάσπαση β- είτε η μετατροπή ενός πρωτονίου σε νετρόνιο διάσπαση β+

32 Διάσπαση β- Το νετρόνιο στον πυρήνα μετασχηματίζεται σε πρωτόνιο με ταυτόχρονη εκπομπή ηλεκτρονίου και αντινετρίνου e- n p v A ZX N A Υ + e + ν Z+1 N 1 e

33 Διάσπαση β+ Το πρωτόνιο στον πυρήνα μετασχηματίζεται σε νετρόνιο με ταυτόχρονη εκπομπή ποζιτρονίου και νετρίνου e+ p n v A ZX N Z A 1 Υ N+1 + e + + ν e

34 Ηλεκτρονική σύλληψη, EC Η σύλληψη ηλεκτρονίου από πρωτόνιο δημιουργεί νετρόνιο και συνοδεύεται από εκπομπή νετρίνου e- n p v A ZX + e N Z A 1 Υ N+1 + ν e

35 Παραδείγματα διάσπασης β διάσπαση β C 14 7 N + e + ν e διάσπαση β F 18 8 O + e + + ν e Ηλεκτρονική σύλληψη e K Ar + ν e

36 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). Το φάσμα είναι συνεχές

37 Ακτινοβολία γ Διαφέρει από τις α,β στο ότι δεν εμπλέκει 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 χαμηλότερης ενέργειας

38 Ακτινοβολία γ ps stable 78 Kr

39 Ακτινοβολία γ - 137Cs

40 Ακτινοβολία γ - 137Cs

41 Ακτινοβολία γ - 22Na

42 Ακτινοβολία γ - 22Na

43 Ακτινοβολία γ - 60Co

44 Ακτινοβολία γ - 60Co

45 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)

46 αλληλεπίδρασης ακτινοβολίας ύλης

47 Καμπύλη Bragg

48 Bethe- Bloch, DE/dx

49 Bethe- Bloch, DE/dx κατανομή φορτισμένων σωματιδίων Κατανομή πιθανότητας για εμβέλεια >Ro

50 εμβέλεια σωματίων σε πυρίτιο

51 Μηχανισμοί για ακτινοβολία γ Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Φαινόμενο Compton Δίδυμη γένεση

52 Απορρόφηση γ από τον αέρα

53 Εξασθένιση

54 οι ασκήσεις

55 Οργανολογία Ανιχνευτής αερίου Geiger Mueller Κρύσταλλοι σπινθηρισμού Πηγές ραδιενεργών ισοτόπων Ηλεκτρονικές μονάδες

56 Geiger- Mueller I: Περιοχή επανασύνδεσης ΙΙ: Περιοχή ιονισμού ΙΙΙ: Αναλογική περιοχή IV: Περιοχή Geiger- Mueller

57 Geiger- Mueller

58 Σπινθηριστές - NaI(Tl) Βασικές αρχές ανιχνευτών σπινθηρισμού Η ενέργεια των ανιχνευόμενων σωματίων μετατρέπεται σε ανιχνευόμενα φωτόνια Διαφάνεια στο παραγόμενο φως Γραμμικότητα μετατροπής ενέργειας Μικρός χρόνος αποδιέγερσης, γρήγορο σήμα

59 Σπινθηριστές - NaI(Tl)

60 Γεωμετρικός παράγοντας

61 ερωτήσεις;