Χ. ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΔΗΣ, Μ. ΖΑΜΑΝΗ, Α. ΛΙΟΛΙΟΣ, Μ. ΜΑΝΩΛΟΠΟΥΛΟΥ, Η. ΣΑΒΒΙΔΗΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

Χ. ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΔΗΣ, Μ. ΖΑΜΑΝΗ, Α. ΛΙΟΛΙΟΣ, Μ. ΜΑΝΩΛΟΠΟΥΛΟΥ, Η. ΣΑΒΒΙΔΗΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 1

Χ. ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΔΗΣ, Μ. ΖΑΜΑΝΗ, Α. ΛΙΟΛΙΟΣ, Μ. ΜΑΝΩΛΟΠΟΥΛΟΥ, Η. ΣΑΒΒΙΔΗΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2012 ISBN: 978-960-9551-05-2 Εκδόσεις: Κ.Ν. Επισκόπου 7 Θεσσαλονίκη Τ. 2310 203 566 www.copycity.gr Το βιβλίο ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ τυπώθηκε και βιβλιοδετήθηκε από την COPY CITY ΕΠΕ με τεχνολογία φιλική προς το περιβάλλον, σε «πράσινες» ψηφιακές μηχανές, χωρίς χημικά απόβλητα, με μη τοξικά μελάνια, χαμηλής όχλησης και ενεργειακής κατανάλωσης. Απαγορεύεται η αναδημοσίευση ή αναπαραγωγή του παρόντος έργου στο σύνολό του ή τμημάτων του με οποιονδήποτε τρόπο, καθώς και η μετάφραση ή διασκευή του ή εκμετάλλευσή του με οποιονδήποτε τρόπο αναπαραγωγής έργου λόγου ή τέχνης, σύμφωνα με τις διατάξεις του ν.2121/1993 και της Διεθνούς Σύμβασης Βέρνης Παρισιού, που κυρώθηκε με το ν. 100/1975. Επίσης απαγορεύεται η αναπαραγωγή της στοιχειοθεσίας, σελιδοποίησης, εξωφύλλου και γενικότερα της όλης αισθητικής εμφάνισης του βιβλίου, με φωτοτυπικές, ηλεκτρονικές ή οποιεσδήποτε άλλες μεθόδους, σύμφωνα με το άρθρο 51 του ν. 2121/1993. 2

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το βιβλίο αυτό είναι προϊόν συνεργασίας διδασκόντων στο Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής του Τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και γράφτηκε με σκοπό να αποτελέσει βοήθημα των φοιτητών και φοιτητριών που α- σκούνται στα σχετικά εργαστήρια. Η ύλη του βιβλίου είναι χωρισμένη σε δύο τμήματα. Στο πρώτο τμήμα υπάρχει μία θεωρητική εισαγωγή που αφορά την αλληλεπίδραση των πυρηνικών ακτινοβολιών με την ύλη και περιέχει τις απαραίτητες έννοιες για την κατανόηση της λειτουργίας των ανιχνευτών πυρηνικών ακτινοβολιών. Στο δεύτερο τμήμα παρουσιάζονται οι εργαστηριακές ασκήσεις. Αυτές είναι χωρισμένες σε δύο μέρη από τα οποία το πρώτο αφορά τις ασκήσεις που πραγματοποιούνται με τους ανιχνευτές αερίου γεμίσματος και το δεύτερο τις ασκήσεις που πραγματοποιούνται αντίστοιχα με τους ανιχνευτές σπινθηρισμών. Έμφαση δίνεται στους ανιχνευτές των ακτινοβολιών και την τεχνολογία των ηλεκτρονικών μονάδων, που σαν σύνολο αποκαλούνται «Πυρηνικά Ηλεκτρονικά» δηλώνοντας ότι είναι ιδιαίτερα γρήγορα ηλεκτρονικά, ώστε να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις των μετρήσεων της Πυρηνικής Φυσικής. Στο βιβλίο έγινε προσπάθεια ώστε να περιληφθεί η απαραίτητη ύλη για την κατανόηση της φυσικής των πειραμάτων και των οργάνων που χρησιμοποιούνται, όπως και οι απαραίτητες οδηγίες για την εκτέλεση των ασκήσεων και την επεξεργασία των αποτελεσμάτων. Δεν πρέπει όμως να θεωρηθεί ότι το βιβλίο αυτό μπορεί από μόνο του να δώσει την πλήρη κατανόηση της φυσικής του κάθε πειράματος. Για μεγαλύτερη εμβάθυνση οι ενδιαφερόμενοι μπορούν να ανατρέξουν στη βιβλιογραφία. Οι συγγραφείς Θεσσαλονίκη 2012 3

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΤΜΗΜΑ 1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ... 11 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 11 1.2 ΝΟΜΟΣ ΤΩΝ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ... 12 1.3 ΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑ... 14 1.3.1 ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑΣ.. 14 1.4 ΔΙΑΔΟΧΙΚΕΣ ΔΙΑΣΠΑΣΕΙΣ.. 15 1.5 ΤΥΠΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ... 16 1.5.1 ΆΛΦΑ ΔΙΑΣΠΑΣΗ. 16 1.5.2 ΒΗΤΑ ΔΙΑΣΠΑΣΗ. 19 1.5.3 ΓΑΜΜΑ ΔΙΑΣΠΑΣΗ. 22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ.. 25 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ.. 25 2.2 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ. 25 2.2.1 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΒΑΡΕΩΝ ΙΟΝΤΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ. 26 2.2.2 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ. 31 2.3 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΓΑΜΜΑ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ.. 35 2.4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ.. 44 2.4.1 ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΟΥΣΑ ΑΡΠΑΓΗ ΤΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ. 44 2.4.2 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΠΡΩΤΟΝΙΟΥ (N,p).. 45 2.4.3 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ (N,a). 45 2.4.4 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΧΑΣΗΣ (N,f). 45 2.4.5 ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΔΥΟ Η ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΩΝ ΝΟΥΚΛΕΟΝΙΩΝ 46 2.4.6 ΑΝΕΛΑΣΤΙΚΗ ΣΚΕΔΑΣΗ ΤΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ.. 46 2.4.7 ΕΛΑΣΤΙΚΗ ΣΚΕΔΑΣΗ ΤΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ 46 2.5 ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ 49 2.5.1 ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ. 53 2.6 ΜΕΣΗ ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΔΙΑΔΡΟΜΗ.. 56 ΤΜΗΜΑ 2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΜΕΡΟΣ 1 - ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΜΕ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΑΕΡΙΟΥ ΓΕΜΙΣΜΑΤΟΣ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 63 5

2. ΒΑΣΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΠΟΥ ΣΥΜΜΕΤΕΧΟΥΝ ΣΤΗΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΑΝΙΧΝΕΥΤΩΝ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ... 61 2.1 ΑΠΩΛΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΑΕΡΙΑ... 64 2.1.1 ΑΠΩΛΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΕΛΑΦΡΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ... 64 2.1.2 ΑΠΩΛΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΒΑΡΕΩΝ ΙΟΝΤΩΝ... 65 2.1.3 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΦΩΤΟΝΙΩΝ... 66 2.2 ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΟΥ ΑΠΟΤΙΘΕΤΑΙ ΣΤΑ ΑΕΡΙΑ ΚΑΙ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ... 66 2.2.1 ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΜΕΝΩΝ ΖΕΥΓΩΝ ΙΟΝΤΩΝ-ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ... 66 2.2.2 ΟΛΙΣΘΗΣΗ ΤΩΝ ΙΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ... 67 2.2.3 ΕΠΑΝΑΣΥΝΔΕΣΗ... 69 2.2.4 ΤΟ ΦΙΑΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ... 69 3. ΕΙΔΗ ΑΠΑΡΙΘΜΗ ΤΩΝ ΜΕ ΑΕΡΙΟ ΓΕΜΙΣΜΑ... 70 3.1 ΘΑΛΑΜΟΙ ΙΟΝΙΣΜΟΥ... 71 3.2 ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ... 76 3.3 Η ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΠΑΛΜΟΥ ΣΤΟΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ... 79 3.4 ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ GEIGER-MÜLLER... 81 3.5 ΑΠΟΣΒΕΣΗ ΚΑΙ ΑΥΤΟΑΠΟΣΒΕΣΗ ΤΩΝ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΩΝ... 82 3.6 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΠΟΣΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΩΝ... 86 3.6.1 ΑΠΟΔΟΣΗ... 86 3.7 ΙΔΙΑΙΤΕΡΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ GEIGER-MÜLLER... 87 ΑΣΚΗΣΗ 1 - ΕΥΡΕΣΗ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΟΥ AΠΑΡΙΘΜΗΤΗ GEIGER-ΜÜLLER... 91 1.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ... 91 1.1.1 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 91 ΑΣΚΗΣΗ 2 - ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΟΥ NΕΚΡΟΥ XΡΟΝΟΥ ΚΑΙ ΤΗΣ AΠΟΔΟΣΗΣ ΤΟΥ AΠΑΡΙΘΜΗΤΗ ΤΟΥ AΠΑΡΙΘΜΗΤΗ GEIGER-ΜÜLLER... 95 2.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ... 95 2.1.1 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 95 ΑΣΚΗΣΗ 3 - ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΝΟΜΟΥ ΤΩΝ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ... 99 3.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 99 3.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ... 102 3.2.1 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟ ΙΣΟΤΟΠΟ... 103 3.2.2 ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΕ ΤΟΝ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ GEIGER MÜLLER... 104 3.2.3 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 105 ΑΣΚΗΣΗ 4 - ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΜΕ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗΣ... 107 4.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 104 4.1.1 ΓΕΝΙΚΑ... 107 4.1.2 ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗΣ... 108 4.1.3 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΡΟΗΣ Φ ΜΕ ΤΗΝ ΜΕΘΟΔΟ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗΣ... 114 4.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ... 116 4.2.1 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 116 ΑΣΚΗΣΗ 5 - ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΚΑΙ ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΡΟΗΣ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΣΕ ΥΠΟΚΡΙΣΙΜΟ ΠΥΡΗΝΙΚΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ... 119 6

5.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 119 5.1.1 Η ΣΧΑΣΗ... 119 5.1.2 ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΘΕΡΜΙΚΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ... 120 5.1.3 Η ΑΛΥΣΙΔΩΤΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ... 122 5.1.4 ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΣΤΟΝ ΥΠΟΚΡΙΣΙΜΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ... 123 5.1.5 ΠΥΡΗΝΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ... 124 5.1.5 ΘΕΩΡΙΑ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΤΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ... 126 5.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ... 129 5.2.1 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 129 ΤΜΗΜΑ 2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΜΕΡΟΣ 2 - ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΜΕ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΜΩΝ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 133 2. ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΗΣ...... 133 2.1 ΑΝΟΡΓΑΝΟΙ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΕΣ... 134 3. ΦΩΤΟΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗΣ... 138 3.1 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΦΩΤΟΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗ... 140 3.2 ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑ ΦΩΤΟΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗ... 141 3.3 ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΩΡΑΚΙΣΗ ΦΩΤΟΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗ... 142 ΑΣΚΗΣΗ 6 - ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΑΚΤΙΝΩΝ-ΓAMMA... 143 6.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 143 6.1.1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΑΚΤΙΝΩΝ ΓAMMA...143 6.1.2 ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΗΣ... 145 6.1.3 ΑΠΟΘΕΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟΝ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟ... 145 6.1.4 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΜΩΝ... 147 6.1.5 ΦΩΤΟΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗΣ... 153 6.1.6 ΑΝΑΛΥΤΕΣ ΥΨΟΥΣ ΠΑΛΜΩΝ... 154 6.1.7 ΑΝΑΛΥΣΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣ... 156 6.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ... 161 6.2.1 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 163 ΑΣΚΗΣΗ 7 - ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΒΑΘΜΟΛΟΓΙΑ & ΔΙΑΚΡΙΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΜΩΝ... 165 7.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 165 7.1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 165 7.1.2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΒΑΘΜΟΛΟΓΙΑ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΜΩΝ... 165 7.1.3 ΔΙΑΚΡΙΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ... 166 7.1.4 ΑΝΑΛΥΤΗΣ ΎΨΟΥΣ ΠΑΛΜΩΝ ΠΟΛΛΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ... 170 7.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ... 170 7.2.1 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 171 ΑΣΚΗΣΗ 8 - ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΓΑΜΜΑ... 173 8.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 173 7

8.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ... 179 8.2.1 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 179 ΑΣΚΗΣΗ 9 - ΠΟΙΟΤΙΚΟΣ ΚΑΙ ΠΟΣΟΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΡΑΔΙΟΪΣΟΤΟΠΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΜΕΘΟΔΟ ΤΗΣ ΓAMMA ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ... 183 9.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 183 9.1.1 ΠΟΙΟΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΡΑΔΙΟΪΣΟΤΟΠΟΥ... 184 9.1.2 ΠΟΣΟΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΡΑΔΙΟΪΣΟΤΟΠΟΥ... 189 9.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ... 197 9.2.1 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 197 ΑΣΚΗΣΗ 10 - ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΤΟΥ ΔΕΥΤΕΡΟΝΙΟΥ... 201 10.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 201 10.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ... 205 10.3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ... 207 10.3.1 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 207 ΑΣΚΗΣΗ 11 - ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΩΝΙΑΚΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΤΗΣ ΚΟΣΜΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ... 209 11.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 209 11.1.1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΜΕΤΡΟΥΜΕΝΩΝ ΡΟΩΝ... 212 11.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΛΕΠΤΟ ΠΛΑΣΤΙΚΟ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΗ... 213 11.2.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ... 214 11.2.2 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 214 11.3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΠΛΑΣΤΙΚΟ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΗ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ 16X11X2 CM 3... 215 11.3.1 ΜΕΛΕΤΗ-BΑΘΜΟΛΟΓΗΣΗ ΤΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ ΜΕ ΠΛΑΣΤΙΚΟ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΗ... 215 11.3.2 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 218 11.4 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΤΗΛΕΣΚΟΠΙΟ ΠΛΑΣΤΙΚΩΝ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΩΝ... 221 11.4.1 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΟΠΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ (ΣΤΕΡΕΑΣ ΓΩΝΙΑΣ) ΤΟΥ ΤΗΛΕΣΚΟΠΙΟΥ... 222 11.4.2 ΣΕΙΡΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ... 222 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 1 - ΟΔΗΓΙΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΑΝΑΛΥΤΗ ΠΟΛΛΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ... 225 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 225 2. ΕΙΣΟΔΟΣ ΣΤΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ... 226 3. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΗΣ ΟΘΟΝΗΣ ΤΟΥ MCA... 227 4. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΩΝ ΠΛΗΚΤΡΩΝ <F1> - <F10>... 233 5. ΠΡΟΡΥΘΜΙΣΕΙΣ ΤΟΥ ΑΝΑΛΥΤΗ... 248 6. ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ... 255 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2 - ΠΙΝΑΚΑΣ ΡΑΔΙΟΪΣΟΤΟΠΩΝ ΠΟΥ ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥΣ ΕΚΠΕΜΠΟΥΝ ΑΚΤΙΝΕΣ-ΓAMMA ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ >200 KEV ΜΕ ΠΟΣΟΣΤΟ ΕΚΠΟΜΠΗΣ >80%. 257 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 3 - ΚΑΝΟΝΙΣΜΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΕΡΓΑ-ΣΤΗΡΙΟΥ... 259 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 263 8

ΤΜΗΜΑ 1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 9

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Προς τα τέλη του 19 ου αιώνα με αρχές του 20 ου, ανακαλύφθηκε ότι υπάρχουν στην φύση ορισμένα βαριά στοιχεία τα οποία εκπέμπουν διάφορες μορφές ακτινοβολιών, άγνωστες έως τότε. Η ιδέα της ακτινοβολίας ήταν ήδη γνωστή με την μορφή δέσμης ηλεκτρονίων, από τα πειράματα του J.J.Thomson (1895). Το 1896 ο Röntgen ανέδειξε την ύπαρξη των ακτίνων Χ (ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας) που παραγόταν όταν ταχέα ηλεκτρόνια βομβάρδιζαν την ύλη. Έτσι, όταν ο Becquerel ανακάλυψε μία καινούργια, "ατομική" ακτινοβολία (1896), αρχικά θεωρήθηκε ότι ήταν μία μορφή ακτίνων Χ. Τα πειράματα που πραγματοποίησε χρησιμοποιώντας καλυμμένες φωτογραφικές πλάκες, ώστε να μην υφίστανται την επίδραση του φωτός, απέδειξαν ότι η ακτινοβολία που παραγόταν από ενώσεις του ουρανίου και θόλωνε την φωτογραφική πλάκα, δεν απαιτούσε κανενός είδους εξωτερική διέγερση. Αυτή η διεργασία της αυθόρμητης εκπομπής ακτινοβολίας από το ουράνιο ονομάστηκε, λίγο αργότερα, ραδιενέργεια. Πειράματα που ακολούθησαν από διάφορους ερευνητές έδειξαν ότι υπάρχουν και άλλες ραδιενεργές ουσίες. Επίσης έδειξαν ότι η ραδιενέργεια είναι αποτέλεσμα της διάσπασης ασταθών πυρήνων που με την διάσπαση μετατρέπονται σε άλλους πυρήνες, πιθανώς ασταθείς επίσης, με τελική κατάληξη σε σταθερούς πυρήνες. Στα πειράματα που πραγματοποίησε ο Becquerel, διαπίστωσε ότι η ακτινοβολία που εκπέμπουν οι ενώσεις του ουρανίου, γνωστής σήμερα σαν ακτίνες β, εκτρέπονταν παρουσία μαγνητικού πεδίου, αντίθετα με τις Σχήμα 1.1.1. Η φωτογραφική πλάκα του Becquerel που οδήγησε στην ανακάλυψη της ραδιενέργειας. ακτίνες Χ, δείχνοντας έτσι ότι πρόκειται για φορτισμένα σωματίδια. Περαιτέρω έρευνα των Pierre και Marie Curie και του Rutherford κατά τα έτη 1897-98, αποκάλυψε την ύπαρξη μιας άλλης μορφής ακτινοβολίας που αποτελείτο από 11

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ φορτισμένα σωματίδια, γνωστά σήμερα σαν ακτίνες α, η οποία είχε πολύ μικρότερη διεισδυτική ικανότητα από την ακτινοβολία β. Έτσι, οι ακτίνες α πολύ δύσκολα μπορούν να διεισδύσουν σε μόλυβδο πάχους ~0.1mm, συγκρινόμενες με τις ακτίνες β για τις οποίες το αντίστοιχο μήκος είναι περίπου 1 mm. Τέλος, το 1900, ο Villard ανέδειξε την ύπαρξη μιας πολύ πιο διεισδυτικής μορφής ακτινοβολίας, γνωστής σήμερα σαν ακτινοβολία γ, η οποία δεν επηρεαζόταν από την ύπαρξη μαγνητικού πεδίου. Σήμερα είναι γνωστό ότι πρόκειται για ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, όπως και οι ακτίνες Χ, αλλά πολύ μεγαλύτερης διεισδυτικής ικανότητας (τυπική εμβέλεια 10 cm μολύβδου). 1.2 ΝΟΜΟΣ ΤΩΝ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ Τρία χρόνια μετά την ανακάλυψη της ραδιενέργειας το 1896, παρατηρήθηκε ότι ο ρυθμός διάσπασης μιας καθαρής ραδιενεργού ουσίας μειώνεται εκθετικά με το χρόνο. Χρειάστηκαν μερικά ακόμα χρόνια για να γίνει κατανοητό ότι η διάσπαση είναι στατιστικής φύσεως, ότι δηλαδή είναι αδύνατον να προβλεφθεί πότε ένας συγκεκριμένος πυρήνας πρόκειται να διασπαστεί, αν και η πιθανότητα διάσπασης του είναι συγκεκριμένη και σταθερή. Αυτή η υπόθεση οδηγεί απευθείας στον εκθετικό νόμο. Έτσι, η πιθανότητα διάσπασης ενός πυρήνα σ ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα dt, είναι απλά ανάλογη του dt: dp = λ dt [1.2.1] όπου η σταθερά αναλογίας, λ, είναι γνωστή σαν σταθερά διάσπασης. Η σταθερά διάσπασης λ, που όπως προκύπτει από τον ορισμό της, εκφράζει την πιθανότητα διάσπασης ενός πυρήνα στη μονάδα του χρόνου, χαρακτηρίζει την διαδικασία των ραδιενεργών διασπάσεων. Το γεγονός ότι η πιθανότητα αυτή είναι σταθερή, ανεξάρτητη της ηλικίας των ατόμων, είναι η βασική υπόθεση της στατιστικής θεωρίας των ραδιενεργών διασπάσεων. Για ένα σύνολο Ν ραδιενεργών πυρήνων του ίδιου ισοτόπου η πιθανότητα διάσπασης σε χρόνο dt θα είναι N dp ή χρησιμοποιώντας την εξίσωση [1.2.1] : όπου -dn είναι η μείωση του αριθμού των πυρήνων. dn = λ N dt [1.2.2] Ολοκληρώνοντας την σχέση [1.2.2] προκύπτει ο εκθετικός νόμος των ραδιενεργών διασπάσεων: 12

ΤΜΗΜΑ 1 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 όπου N (0) ο αριθμός των πυρήνων στον χρόνο t = 0. λt N ( t) = N(0) e [1.2.3] O χρόνος που απαιτείται για να διασπαστούν οι μισοί από ένα δεδομένο πλήθος πυρήνων ενός ραδιενεργού ισοτόπου, ονομάζεται χρόνος ημισείας ζωής ή χρόνος υ- ποδιπλασιασμού και συμβολίζεται με t 1/2 ή Τ. Για τον υπολογισμό του θέτουμε N ( t) = N(0) / 2, οπότε από τον νόμο των ραδιενεργών διασπάσεων προκύπτει: ln 2 0.693 T = = [1.2.4] λ λ Όπως προκύπτει από τον ορισμό, αφού περάσει 1 χρόνος ημισείας ζωής απομένουν N (0) / 2 πυρήνες του αρχικού ραδιενεργού ισοτόπου, μετά από 2 χρόνους ημισείας ζωής απομένουν N (0) / 4, μετά από 3 χρόνους ημισείας ζωής απομένουν N (0) / 8, ενώ μετά από n χρόνους ημισείας ζωής απομένουν n N( 0) / 2. Λόγω της στατιστικής φύσης της διάσπασης, είναι χρήσιμο να ορισθεί ο μέσος χρόνος ζωής τ, που είναι ο μέσος χρόνος επιβίωσης ενός πυρήνα πριν την διάσπασή του. Έστω N (t) ο αριθμός των πυρήνων που υπάρχουν την χρονική στιγμή t. O αριθμός αυτών που διασπώνται στο χρονικό διάστημα μεταξύ t και t+dt, θα είναι: dn = N t t dt = N λ λ ( ) λ (0) e dt [1.2.5] Ο μέσος χρόνος ζωής από τον ορισμό του θα είναι: που οδηγεί με την χρήση της [1.2.5] στην : 0 = 1 τ (0) t dn [1.2.6] N N (0) 1 τ = [1.2.7] λ 'Έτσι ο μέσος χρόνος ζωής είναι το αντίστροφο της σταθεράς διάσπασης. Οι μέσοι χρόνοι ζωής που έχουν παρατηρηθεί στα φυσικά ραδιενεργά ισότοπα κυμαίνονται από 10-6 sec μέχρι τα ~10 10 y για τα άλφα ραδιενεργά, από 10-3 sec έως ~10 6 y για τα περισσότερα βήτα ραδιενεργά ενώ για εκπομπή ακτινοβολίας γ έχουν παρατηρηθεί χρόνοι έως ~10-15 sec. 13

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 1.3 ΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑ Ο νόμος των ραδιενεργών διασπάσεων, όπως διατυπώνεται στην εξίσωση [1.2.3] μας επιτρέπει να υπολογίσουμε τον αριθμό των πυρήνων που υπάρχουν κάθε χρονική στιγμή, μέγεθος όμως που δεν είναι εύκολο να μετρηθεί. Αντίθετα, είναι ευκολότερο να καταμετρηθεί ο αριθμός των πυρήνων που διασπώνται σε ορισμένο χρονικό διάστημα, αν μετρηθούν οι εκπεμπόμενες ακτινοβολίες. Έτσι, οδηγούμαστε στον ορισμό της ενεργότητας R που είναι ο ρυθμός διάσπασης του ραδιενεργού ισοτόπου: dn λt R( t) = λ N( t) = λ N(0) e [1.3.1] dt Αν χρησιμοποιηθεί η εξίσωση [1.3.1], προκύπτει μια άλλη έκφραση του νόμου των ραδιενεργών διασπάσεων: λt R( t) = R(0) e [1.3.2] Όπως προκύπτει από τα παραπάνω, η ενεργότητα ενός ραδιενεργού ισοτόπου μειώνεται εκθετικά με το χρόνο. Η γραφική παράσταση της ενεργότητας συναρτήσει του χρόνου σε ημιλογαριθμικό χαρτί είναι ευθεία με κλίση -λ, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.3.1. 1.3.1 ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΟΤΗΤΑΣ Η μονάδα μέτρησης της ενεργότητας που επιλέχθηκε αρχικά και τείνει να εγκαταλειφθεί σήμερα, είναι το Curie (Ci) που ορίσθηκε το 1950: 1 Ci 3.70. 10 10 διασπάσεις /s (disintegrations per second: dps) οφείλοντας τον ορισμό της στην εκτίμηση που υπήρχε για την ενεργότητα 1 gr καθαρού 226 Ra. Στις ραδιενεργές πηγές εργαστηριακών εφαρμογών είναι πιο κατάλληλα τα υποπολλαπλάσια της μονάδας αυτής: mci (10-3 Ci), μci (10-6 Ci), ή nci (10-9 Ci). Η μονάδα μέτρησης της ενεργότητας που χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα είναι το Becquerel (Bq) του συστήματος SI. Αυτό ορίζεται: 1 Bq 1 διάσπαση/s (1 dps) και η σχέση που ισχύει με την παλιότερη μονάδα είναι: 11 1Bq = 2.703 10 Ci [1.3.3] Συνήθως στις εργαστηριακές εφαρμογές χρησιμοποιούνται πολλαπλάσια της μονάδας αυτής: kbq (10 3 Bq) ή ΜBq (10 6 Bq). 14

ΤΜΗΜΑ 1 - ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Σχήμα 1.3.1. Γραφική παράσταση του νόμου των ραδιενεργών διασπάσεων. Ο άξονας των τετμημένων είναι σε μονάδες χρόνου ημισείας ζωής. 1.4 ΔΙΑΔΟΧΙΚΕΣ ΔΙΑΣΠΑΣΕΙΣ Σε πολλές περιπτώσεις η διάσπαση ενός ραδιενεργού ισοτόπου οδηγεί στην παραγωγή ενός επίσης ραδιενεργού ισοτόπου, όπως π.χ. συμβαίνει στις φυσικές ραδιενεργές σειρές. Στις περιπτώσεις αυτές ο υπολογισμός της ενεργότητας των θυγατρικών μπορεί να γίνει από την εξίσωση: dn i = λi 1 1 Ni dt λi Ni dt [1.4.1] όπου ο όρος λ i 1N i 1 dt εκφράζει την παραγωγή των πυρήνων από την διάσπαση του προηγούμενου ισοτόπου στο χρονικό διάστημα dt, ενώ ο όρος λ i N i dt εκφράζει την μείωση των πυρήνων του ιδίου ισοτόπου λόγω διάσπασής του στο ίδιο χρονικό διάστημα. Αν θεωρήσουμε ότι για t=0 υπήρχαν N 1(0) πυρήνες του ισοτόπου τύπου 1 (το πατρικό ισότοπο της σειράς) και N 0) = N (0) =... 0, όπου N i τα θυγατρικά ισό- 2 ( 3 = 15

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ της ραδιενεργού σειράς, η γενική λύση της εξίσωσης (11) δίνεται από την σχέση (εξισώσεις Bateman): όπου : n λ t R i n t) = N1 (0) cie i= 1 ( [1.4.2a] c m = ( λ λ ) ( λ λ ) ( λ λ ) ( λ λ ) 1 m λ1 λ2 λn [1.4.2b] m 1 m m+ 1 m n m Από τις εξισώσεις αυτές είναι φανερό ότι ο ρυθμός διάσπασης των θυγατρικών ι- σοτόπων εξαρτάται ισχυρά από την σταθερά διάσπασης του πατρικού όπως και από των προηγουμένων ισοτόπων της σειράς. Οι εξισώσεις [1.4.2] για το πατρικό και το πρώτο θυγατρικό ισότοπο δίνουν: λ t R t N e 1 1 ( ) = λ1 1(0) [1.4.3] λ t t ( e 1 λ e ) λ N t 1λ2 1(0) 2 ( ) = [1.4.4] λ2 λ1 R 2 Στο Σχήμα 1.4.1 απεικονίζεται η μεταβολή των ενεργοτήτων του πατρικού και του θυγατρικού ισοτόπου με τον χρόνο, όταν αυτά έχουν περίπου τον ίδιο χρόνο ημιζωής (Τ 2 =0.99Τ 1 ), όταν το θυγατρικό είναι μακροβιότερο του πατρικού (Τ 2 =5Τ 1 ), και όταν το πατρικό είναι μακροβιότερο του θυγατρικού (Τ 2 =0.1Τ 1 ), όταν οι χρόνοι ημιζωής τους βρίσκονται σε διαφορετικούς συσχετισμούς. 1.5 ΤΥΠΟΙ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ Όπως αναφέρθηκε στην εισαγωγή οι ραδιενεργοί πυρήνες διασπώνται αυθόρμητα μέσω τριών διεργασιών: της διάσπασης α, της διάσπασης β και της διάσπασης γ. Στις επόμενες παραγράφους θα αναφερθούν περιληπτικά αυτοί οι τρεις τύποι διασπάσεων που αποτελούν και τις συνηθέστερες πηγές ακτινοβολιών για εργαστηριακές εφαρμογές. 1.5.1 ΆΛΦΑ ΔΙΑΣΠΑΣΗ Οι βαρείς πυρήνες είναι ενεργειακά ασταθείς λόγω των απωστικών δυνάμεων Coulomb που αναπτύσσονται μεταξύ των πρωτονίων, τείνουν δε σε ανακατάταξη των νουκλεονίων τους σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση με την εκπομπή ενός σωματιδίου 16