I Wiadomości wstępne.

1. Zjawisko fotoelektryczne.

Zjawisko fotoelektryczne polega na wybijaniu z powierzchni metalu elektronów przez promieniowanie krótkofalowe. Światło ultrafioletowe padając na ujemnie naładowaną płytkę cynkową powoduje jej rozładowanie. Obojętna powierzchnia metalowa pod wpływem naświetlenia zostaje naładowana dodatnio, a powierzchnie naładowane dodatnio nie tracą ładunku pod wpływem naświetlenia. Pod wpływem naświetlenia światłem ultrafioletowym powierzchnie metalowe emitują ładunki ujemne(elektrony). Zjawisko fotoelektryczne zachodzi nie tylko w metalach, lecz również w innych ciałach stałych, gazach i cieczach. Dla danego materiału zjawisko fotoelektryczne może być wywołane promieniowaniem o częstotliwości
ν większej lub równej częstotliwości minimalnej ν_o, zwanej częstotliwością progową. Dla światła o częstotliwości mniejszej od progowej zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi.

Zależność natężenia prądu fotoelektronów od napięcia.

I

I₂

I₁

U

-Uo

-Uo -napięcie odcięcia

W miarę wzrostu napięcia od - Uo do 0 prąd wzrasta, a przy napięciu bliskim zeru osiąga nasycenie (prąd nie zmienia się przy wzroście napięcia). Natężenie prądu fotoelektrycznego jest proporcjonalne do natężenia światła padającego dla wszystkich możliwych wartości napięcia. Wynika stąd, że liczba fotoelektronów jest również proporcjonalna do natężenia światła. Napięcie odcięcia nie zależy od natężenia światła padającego na fotokatodę(zależy natomiast od częstotliwości użytego światła).

Rozkład energetyczny fotoelektronów

Liczba fotoelektronów

Uoe

Energia

Prędkość emitowanych przez daną powierzchnię fotoelektronów nie przekracza pewnej wartości maksymalnej υ_max.

Równanie Einsteina

hν - energia fotonu

W_w - praca wyjściowa - minimalna energia jaką musi mieć elektron, aby mógł opuścić powierzchnię danego metalu.

W zjawisku fotoelektrycznym cała energia fotonu zostaje przekazana elektronowi, przy czym część tej energii idzie na uwolnienie elektronu z danego materiału, reszta zaś stanowi jego energię kinetyczną. Mniejsza energia jest potrzebna by uwolnić elektrony z zewnętrznej powierzchni materiału, z głębszej-większa. Elektrony wybite z głębszej warstwy mają mniejszą energię kinetyczną. Z równania

wynika że przy częstotliwości padającego światła mniejszej niż ν_o zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi, ponieważ padające fotony mają mniejszą energię niż praca wyjścia elektronów dla danego materiału. Wg Einsteina energia świetlna nie jest rozłożona równomiernie i w sposób ciągły wzdłuż całej fali, lecz jest niesiona z prędkością światła w postaci porcji energii tzw. kwantów lub fotonów. Każdy foton ma określoną energię, która nie zależy od natężenia światła, a jedynie od jego częstotliwości.

2. Zjawisko Comptona.

Przy oddziaływaniu promieni X z materią stwierdzono, że oprócz zjawiska rozproszenia, któremu nie towarzyszy zmiana długości fali, zachodzi zjawisko rozproszenia promieni
x połączone ze zmianą długości fali, przy czym długość fali promieniowania rozproszonego jest większa niż promieniowania padającego. Compton wytłumaczył to zjawisko stosując zasadę zachowania energii i pędu do zderzenia elektronu z fotonem promieni X. Zjawisko rozproszenia promieni X czy γ, któremu towarzyszy zmiana długości fali zostało nazwane zjawiskiem Comptona. Wg Comptona kwant o energii hν i pędzie hν/c zderzając się ze swobodnym elektronem znajdującym się w spoczynku doznaje odchylenia o kąt ϕ. Energia rozproszonego kwantu wynosi hν'< hν, zaś jego pęd hν'/c. Elektron, który zderzył się z fotonem uzyskuje prędkość υ i porusza się w kierunku tworzącym kąt θ z pierwotnym kierunkiem fotonu.

Wzór Comptona:

gdzie
-komptonowska długość fali Λ=2,426*10^-12 m

3. Zjawisko tworzenia par.

Oddziaływanie fotonu z polem elektryczny jądra prowadzi do powstania elektronu
i pozytonu przy równoczesnym zniknięciu fotonu. Zjawisko to nosi nazwę zjawiska tworzenia par. zjawisko tworzenia par zachodzi dla fotonów o energii hν>2mc²=1,02MeV. W procesie tworzenia się pary część energii 2mc²=1,02MeV absorbowanego kwantu jest zużywana na utworzenie masy pary pozyton-elektron, a resztę energii hν-2mc² zatrzymuje para jako energię kinetyczną. Udział zjawiska fotoelektrycznego, zjawiska Comptona i zjawiska tworzenia par
w absorpcji zależy od energii fotonów oraz od liczby atomowej Z absorbenta.

II Tabele wyników.

I miedź				II ołów
Ilość płytek	dn	Zn	Zt	Ilość płytek	dn	Zn	Zt
0	0	1077	22	0	0	1077	22
1	1,04	1018			1	3,11		962
2	2,1	918			2	6		718
3	3,56	915			3	9,21		688
4	5,5	846			4	12,58		618
5	7,46	849			5	15,77		517
6	8,9	805			6	19,1		456
7	10,86	763
8	12,85	681
9	14,78	665
10	19,53	559
11	24,4	519
12	29,24	440

I miedź		II ołów
Nn=Z/t	Nt=Zt/t	Nn=Z/t	Nt=Zt/t
10,77	0,22	10,77	0,22
10,18				9,62
9,18				7,18
9,15				6,88
8,46				6,18
8,49				5,17
8,05				4,56
7,63
6,81
6,65
5,59
5,19
4,40

4. Liniowy i masowy współczynnik pochłaniania.

Przy przejściu promieni X lub γ przez materiał zachodzi charakterystyczna dla promieniowania elektromagnetycznego absorpcja wykładnicza, w odróżnieniu od absorpcji cząstek naładowanych, dla których istnieje określony związek między energią i zasięgiem. Dla danej długości fali zależność natężenia wiązki przepuszczonej przez absorbent od grubości
x absorbenta ma postać:

gdzie I jest natężeniem wiązki, która przeszła absorbent o grubości x, Io natężeniem wiązki padającej na absorbent, μ stałą dla danej długości fali, zwaną liniowym całkowitym współczynnikiem atenuacji absorbenta. Przez zróżniczkowanie powyższego związku otrzymujemy:

Współczynnik atenuacji określa względne osłabienie wiązki w warstwie o grubości jednostkowej. Wymiar współczynnika atenuacji wynosi 1/cm. Czasem używa się wielkości:

którą nazywamy masowym współczynnikiem atenuacji. Jego wymiar to cm²/g.

5. Detektory.

Są to przyrządy służące do detekcji promieniowania jądrowego i jonizującego. Można je podzielić na trzy grupy. Do pierwszej zaliczymy przyrządy, w których dokonuje się fotografowania torów cząstek jonizujących. Należą do nich:

• fotograficzne emulsje jądrowe,

• komory Wilsona,

• komory dyfuzyjne,

• komory pęcherzykowe,

• komory iskrowe.

Liczniki scyntylacyjne w połączeniu z fotopowielaczami i liczniki Czerenkowa stanowią drugą grupę przyrządów. Trzecia grupa to przyrządy, w których przy przejściu promieniowania powstaje i zostaje zarejestrowany impuls prądowy lub impuls napięcia elektrycznego. Należą do nich:

• liczniki Geigera-Mullera,

• prądowe komory jonizacyjne,

• impulsowe komory jonizacyjne,

• liczniki proporcjonalne,

• detektory półprzewodnikowe.

Najczęściej stosowanym obecnie przyrządem do rejestracji promieniowania jądrowego jest licznik Geigera-Mullera. Licznik składa się z metalowego cylindra o średnicy kilku centymetrów, wypełnionego gazem szlachetnym. W środku cylindra biegnie cienki, odizolowany drut stanowiący anodę, którego potencjał musi być dodatni. Pomiędzy uziemionym cylindrem a drutem tworzy się silne pole elektryczne. Cząstka przechodząca przez objętość czynną licznika powoduje powstawanie wewnątrz licznika jonów, które przyspieszane silnym polem elektryczny tworzą lawinę jonów dodatnich i elektronów. Te ostanie ze względu na małą masę bardzo szybko osiągają anodę, powodując przepływ prądu i tak duży spadek napięcia na anodzie, że przerywa on dalszy rozwój lawiny. Ten krótkotrwały spadek napięcia nosi nazwę impulsu. Rejestrując poszczególne impulsy możemy ustalić liczbę cząstek przechodzących przez

licznik.

Wyznaczanie współczynnika pochłaniania dla poszczególnych materiałów.

III. Wnioski.

Celem ćwiczenia było wyznaczenie energii promieniowania γ. Wyznaczona energia promieniowania dla źródła użytego w ćwiczeniu wynosi: dla miedzi E = 3 [MeV], dla ołowiu

E = 3 [MeV]. Współczynnik pochłaniania μ obliczyliśmy ze wzoru:

gdzie d_1/2 - grubość połówkowa dla pochłaniacza.

Pomiarów dokonaliśmy dla dwóch absorbentów: miedzi i ołowiu w czasie 100 s dla jednego pomiaru. W wyniku porównania współczynników pochłaniania dla miedzi i ołowiu zaobserwowaliśmy, że ołów ma lepsze własności jeśli chodzi o pochłanianie energii promieniowania (μ_Pb>μ_Cu). Dlatego też jest on często stosowanym materiałem do wytwarzania różnego rodzaju osłon pierwiastków radioaktywnych. Z wykresów można odczytać, że zarówno dla miedzi jak i ołowiu ilość pochłanianej energii promieniowania w znacznym stopniu zależy od grubości absorbenta.

---