Rasejanje beta čestica na materijalima različitog rednog broja

Расејање бета честица на материјалима

различитог редног броја

дипломски рад -

Ментор: проф.др Миодраг Крмар

Кандидат: Никола Новаковић

Нови Сад, 2013.

УНИВЕРЗИТЕТ У НОВОМ САДУ

ПРИРОДНО – МАТЕМАТИЧКИ

ФАКУЛТЕТ

ДЕПАРТМАН ЗА ФИЗИКУ

Садржај

Увод..................................................................................................................................3

Интеракција бета честица са материјом.......................................................................6

Теоријско предвиђање расејања бета честица............................................................9

Гајгер-Милеров бројач..................................................................................................11

Експериментална поставка...........................................................................................13

Одређивање дебљине атенуатора..............................................................................20

Зависност детекције бета честица од растојања .......................................................24

Одређивање сатурационе дебљине материјала.......................................................26

Одређивање зависности расејања бета честица од редног броја материјала на којима се

врши расејање...............................................................................................................28

Закључак........................................................................................................................31

Референце.....................................................................................................................32

Биографија кандидата.................................................................................................33

Слика 2. Део неутрон-протонског дијаграма

Дијагонални низови језгара, са опадајућим нагибом представљају

изобаре

, који су

повезани узастопним бета распадима. Управо бета распад представља најјчешћи облик
спонтане трансформације језгра.

До емисије бета честице из језгра, долази када је број неутрона већи од броја протона.

Тада се неутрон трансформише у протон, електрон и антинеутрино. Протон остаје у језгру,
а електрон бива избачен. Eнергијa овако избачених електрона се креће у интервалу од

keV

до 16,6

MeV

Слика 3.

распад

Процеси расејања имају веома значајну улогу у нуклеарној физици, јер се путем њих

долази до информација о карактеристикама језгара на којима се врши расејање, као и

о честицама које се користе као ,,пројектили”.

Основна област примене расејања бета честица јесте у контроли дебљине материјала.
Очигледно, домет и ефекат сатурације ограничавају употребу аутоматских мерача који

раде на овом принципу до одређене дебљине. Избор различитих бета емитера пружа
извесну флексибилност: За веома танке филмове користи се

С, док се

Sr/

Y примењује

код дебљих филмова.

Већи део бета честица доживљава вишеструко расејање на електронима и језгрима.

Како је математичко дефинисање вишеструког расејања прилично компликовано, користе
се емпиријске релације. Такође, радиоактивни извор емитује бета честице континуалне
енергетске дистрибуције, што додатно лимитира аналитичку примену расејања бета
честица.

У новије време се расејање бета честица разматра као пропратни ефекат.

Backscattering

бета честица је озбиљно размотрен у оквиру Монте Карло симулација и

мерења, из два разлога. Први је тај да веома прецизна мерења бета честица морају узети
у обзир расејање бета честица од детектора. Ово има утицај код проучавања бета
распада, где се захтева највећи ниво прецизности мерења који се може реализовати.
Друга област, која захтева детаљно познавање механизма расејања бета честица јесте
радијациона терапија. У радијационој терапији се користе убрзани електрони, али њихово
је понашање једнако као и бета честицама. Они се расејавају на границама области где се
густина нагло мења: на ткивима и површинама органа или тумора. Зато, доза
апсорбованог бета зрачења око тачке унутар тела човека може бити знатно различита од
вредности добијене за хомогено тело или сличну конструкцију.

Циљ овог експерименталног рада јесте утврђивање зависности броја расејаних бета

честица на материјалима различитог редног броја. Да би се поменути циљ реализовао,
било је неопходно конструисати адекватну поставку апаратуре. При овоме је вођено
рачуна о избору врсте и позиције извора зрачења, о геометрији детекције расејаних бета
честица, о карактеристикама бета честица и материјала на којима се врши њихово
расејање, као и о карактеристикама детекторског система.

Рад има и методолошки значај за наставу нуклеарне физике, јер се у оквиру расејања

бета честица јавља неколико појмова: домет, атенуација, закочно зрачење, детекција.
Ови појмови се изучавају на теоријској настави, а извођењем лабораторијске вежбе се
утврђује, продубљује и проверава стечено теоријско знање студената и развија
способност за обављање експерименталног рада. Наставна пракса је показала да су многи
појмови и принципи апстрактни и недовољно јасни студентима, па је значај
лабораторијских вежби велики, јер су то искуства ,,из прве руке“. На овај начин се
избегава формално, рецептивно учење, које је непримењиво и стварају се предуслови за
стицање оперативног, а код посебно мотивисаних студената и креативног знања.

)

Јонизациони губици бета честица

Интеракција бета честице и орбиталног електрона има за последицу ексцитацију и

јонизацију атома. Ова интеракција доводи до губитка енергије бета честице при
савладавању Кулонове електричне силе орбиталног електрона. Електричне силе делују
на великим растојањима. Зато, две честице не морају ступити у директан контакт да би
дошло до јонизације. Бета честице и орбитални електрони имају исту масу, па бивају
скренуте при сударима са њима. Због тога бета честице имају изломљену путању при
пролазу кроз апсорбујући материјал. Специфична јонизација бета честице је мала, услед
релативно високе брзине.

[

]

(1)

Губитак енергије бета честице на јонизацију, по јединици пута је, као што се може

видети из горњег израза, директно пропорционалан броју атома по јединици запремине
материјала

, као и редном броју материјала

, а обрнуто пропорционалан квадрату

брзине

б)

Радијациони губици бета честица

Када дође до убрзања бета честице под дејством Кулоновог поља језгра или

орбиталних електрона, долази до емисије закочног зрачења. Бета честица може да
емитује закочно зрачење само ако поседује енергију вишу од

. Ако је њена енергија

нижа од ове, радијациони губици су незнатни према губицима на јонизацију. Међутим,
они постоје и значајно их је узети у разматрање. Рецимо, код рендгенске цеви се 1%
енергије електрона емитује као X-зрачење, али управо је овај ефекат разлог њихове
примене.

[

]

(2)

Губици енергије бета честице на радијацију су директно пропорционални броју атома

по једини запремине

, енергији бета честице

, као и квадрату редног броја

материјала средине кроз коју се бета честице крећу