background image

ZADANIE  122 

 
 

WYZNACZANIE ZAWARTOŚCI IZOTOPU  

40

K W NATURALNYM POTASIE 

 
 

Wstęp  

 

Pierwiastki chemiczne, z których zbudowany jest Wszechświat powstały w procesach 

nukleosyntezy – reakcjach jądrowych zachodzących we wnętrzach gwiazd. Znaczna część 
produktów nukleosyntezy to nuklidy nietrwałe, które ulegają przemianom 
promieniotwórczym. Procesom tym towarzyszy emisja promieniowania 

α,  β,  γ. Słońce,  

Ziemia  i inne planety Układu Słonecznego powstały z tej samej materii bogatej w nuklidy 
promieniotwórcze. Od momentu powstania Ziemi, około 4.5 mld lat temu, trwa nieprzerwanie 
proces przemian promieniotwórczych nietrwałych nuklidów obecnych w minerałach 
i skałach. Do chwili obecnej przetrwały tylko te izotopy, których czasach życia jest 
porównywalny z wiekiem Ziemi. Najważniejsze z nich to 

238

U, 

235

U i 

232

Th  - izotopy, których 

rozpady dają początek naturalny szeregom promieniotwórczym. Wnoszą one około 70% 
wkład do całkowitej dawki naturalnie występującego promieniowania jonizującego. 

Innym nietrwałym nuklidem, który występuje w naturalnych próbkach minerałów jest 

40

K. Czas połowicznego rozpadu 

40

K wynosi 1.3

⋅10

9

 lat a jego udział w całkowitej dawce 

naturalnie występującego promieniowania 

β i γ wynosi około 14%. 

Rysunek 1 przedstawia schemat rozpadu 

40

K. W 89% przypadków jądra 

40

K rozpadają się na 

drodze przemiany 

β

-

 do stanu podstawowego 

40

Ca. Procesowi temu towarzyszy emisja 

cząstek 

β

 i antyneutrin elektronowych. W pozostałych 11% przypadków jądra 

40

K  rozpadają 

się poprzez wychwyt jednego z orbitalnych elektronów atomu 

40

K. W wyniku tej przemiany 

emitowane jest neutrino elektronowe i powstaje wzbudzone jądro 

40

Ar.  Jądro 

to

 przechodzi do 

stanu podstawowego emitując kwant promieniowania gamma o energii 1460.8 keV. 
 
 

E

γ

=1461 keV 

Q

β−

=1.31 MeV

1.26

×10

9

lat

89%

β

− 

WE 11% 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rys. 1. Schemat rozpadu 

40

K. 

 

W naturalnych próbkach promieniotwórczy 

40

K występuje razem z dwoma trwałymi 

izotopami potasu: 

39

K  i  

41

K. 

 

1

background image

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie zawartości  promieniotwórczego 

40

K w potasie naturalnym  

poprzez pomiar intensywności promieniowania gamma emitowanego z próbki K

2

CO

3

.    

 

Oddziaływanie promieniowania gamma z materią 

 

Warunkiem zarejestrowania promieniowanie gamma jest jego oddziaływanie 

z materiałem detektora. Promieniowanie gamma może oddziaływać zarówno z elektronami 
jak i z jądrami i  polami elektrycznymi elektronów i jąder atomowych. Oddziaływania te 
mogą prowadzić do całkowitej absorpcji lub też elastycznego bądź nieelastycznego 
rozpraszania kwantów promieniowania gamma. W praktyce znaczenie mają trzy zjawiska:   
   
Zjawisko fotoelektryczne – w procesie tym kwant gamma oddziałuje z elektronem 
związanym w atomie ośrodka i przekazuje mu całą swoją energię. Kwant gamm zostaje 
całkowicie zaabsobowany natomiast elektron uzyskuje energię równą: 
 

B

e

E

E

E

=

γ

(1) 

    
gdzie  
            

E

B

 – energia wiązania elektronu na orbicie atomowej, z której został wybity,  

                    zwykle 

E

B

 << 

E

γ

 
Efekt Comptona – w procesie tym kwant gamma ulega nieelastycznemu rozproszeniu na 
swobodnym (słabo związanym elektronie) i przekazuje mu część swojej energii. Energia 
przyspieszonego elektronu określona jest wzorem wynikającym z zasady zachowania energii 
i pędu:  
 
                                                                                                                        

(2) 

(

)

θ

α

γ

cos

=

E

E

(

)

θ

α

cos

1

1

1

+

e

 
gdzie   
            

θ

  -  kąt pod jakim nastąpiło rozproszenie kwantu gamma, 

           

2

/

c

m

E

e

γ

α

=

Jak wynika ze wzoru (2),  energia elektronu zależy od kąta pod jakim nastąpiło rozproszenie 
kwantu gamma i przyjmuje wartości od  0 - dla kątów rozproszenia równych zero do wartości 
maksymalnej - dla kwantów gamma rozproszonych do tyłu (

θ =180º).   

 
Zjawisko kreacji par – w procesie tym kwant gamma zamienia się na parę e+e- (eletkron-
pozyton). Proces ten może zachodzić jedynie dla kwantów gamma o energii większej niż 
2m

e

c

2

  = 1022 keV. Łączna energia kinetyczna wytworzonej pary e

+

e

-

 wynosi: 

 
  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3) 

2

E

E

E

=

+

γ

2

c

m

e

e

e

+

 
Konwersja kwantu gamma na parę  e

+

e

-

 może zachodzić jedynie w polu jądra  atomowego 

(rzadziej elektronu), gdyż tylko wtedy możliwe jest spełnienie zasady zachowania energii 
i pędu.  
 
Prawdopodobieństwo zajścia każdego z wymienionych procesów silnie zależy od energii 
kwantu gamma oraz liczby atomowej materiału ośrodka.   
 
 

 

2

background image

 
 

Detektor scyntylacyjny 

 

Do rejestracji promieniowania gamma towarzyszącego rozpadom 

40

K wykorzystamy 

spektrometr scyntylacyjny.  Rysunek 2 przedstawia schemat budowy detektora, w którym 
jako scyntylator wykorzystano kryształem NaI(Tl)  (jodek sodu aktywowany talem). 
Kryształ  NaI(Tl) jest połączony optycznie z oknem wejściowym tzw. fotopowielacza. 

Promieniowania gamma oddziałuje z kryształem  NaI(Tl)  poprzez proces 

fotoelektrycznego, rozproszenie komptonowskie lub konwersją na parę elektron-pozyton. 
Elektrony przyspieszone w wyniku zajścia któregoś z tych procesów poruszają się w krysztale 
i tracą swoją energię powodując jonizację i wzbudzenia atomów ośrodka. Procesom 
deekscytacji tych wzbudzeń towarzyszy emisja kwantów światła. W scyntylatorach 
używanych do celów spektrometrycznych (tzn. do pomiaru energii promieniowania) 
całkowita liczba wyemitowanych fotonów jest proporcjonalna do energii początkowej 
elektronu. Strumień fotonów scyntylacyjnych jest rejestrowany przez fotopowielacz.  

Fotopowielacz jest to lampa elektronowa, której katoda wykonana jest z materiału 

światłoczułego. Między katodą i anodą fotopowielacza znajduje się układ kilku odpowiednio 
ukształtowanych elektrod zwanych dynodami. Między kolejnymi elektrodami przy pomocy 
odpowiednio skonstruowanego dzielnika napięcia wytwarzane jest pole elektryczne. Fotony 
docierające do fotokatody wybijają elektrony (efekt fotoelektryczny), które są przyspieszane 
w kierunku pierwszej dynody. Elektron uderzający w dynodę powoduje wybicie 3-4 
elektronów wtórnych, które są przyspieszane w kierunku kolejnej dynody itd. Proces ten 
prowadzi do szybkiego powielenia początkowej liczby elektronów i dzięki temu 
w fotopowielaczach osiąga się wzmocnienia rzędu 10

5

-10

8

.  Amplituda sygnału wyjściowego 

fotopowielacza jest proporcjonalna do energii zaabsorbowanej przez kryształ scyntylatora. 
Zwróćmy uwagę,  że energia ta jest absorbowana za pośrednictwem elektronów 
przyspieszanych w wyniku oddziaływania kwantów gamma z materiałem scyntylatora. 
 

R

-

scyntylator 
  NaI(Tl) 

fotokatoda 

anoda

dzielnik 

 napięcia 
 dynod 

impuls wyjściowy 

foton scyntylacyjny 

kwant gamma 

rozproszony 
kwant gamma

 

fotopowielacz 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

+

 

 
 
 
 
Rys.2  Schemat budowy detektora scyntylacyjnego. 
 

Rysunek 3 przedstawia widmo (rozkład)  amplitud sygnałów z detektora scyntylacyjnego 

zarejestrowane podczas pomiaru źródła 

137

Cs emitującego kwanty gamma o energii 662 keV. 

 

3

background image

Pik, którego środek leży w  kanale  

∼300 odpowiada pełnej absorpcji promieniowania gamma 

o energii 662 keV w krysztale NaI(Tl). Jest to możliwe np. wskutek zajścia zjawiska 
fotoelektrycznego w materiale scyntylatora. 

Przedział amplitud rozciągający się od kanału 0 do tzw. krawędzi Comptona odpowiada 

zdarzeniom, w których jedynie część energii kwantu gamma została zaabsorbowana 
w krysztale scyntylatora. Główny wkład do tej części widma daje efekt Comptona, w którym 
kwant gamma przekazuje część swojej energii jednemu z elektronów materiału scyntylatora  
natomiast kwant rozproszony ucieka z kryształu. Energia jaką zyskuje elektron zależy od 
wartości kąta pod jakim nastąpiło rozproszenie. Krawędź Comptona odpowiada przypadkom, 
w których w procesie rozpraszania kwant gamma przekazał elektronowi w krysztale 
scyntylatora maksymalną energię (rozproszenie pod kątem 

θ =180°, zobacz wzór (2) ).  

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

137

Cs

 

 

Li

cz

ba

 z

lic

ze

ń

Numer kanału

próg 

ADC 

 

rozpraszanie 

komptonowskie 

pik absorbcji pełnej 

energii 662 keV 

krawędź

Comptona 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rys. 3 Widmo amplitud sygnałów z detektora NaI(Tl) zarejstrowane podczas pomiaru 
promieniowania gamma emitowanego ze źródła 

137

Cs. 

 

Układ pomiarowy 

Do rejestracji promieniowania gamma towarzyszącego rozpadom 

40

K wykorzystamy 

układ spektrometryczny, którego schemat przedstawia rys. 4. 
 
 

źródło 

Maestro 

PC

EasyMCA 

Wielokanałowy 

analizator 

amplitudy

detektor  
scyntylacyjny 

925 - SCINT 

Wzmacniacz 

Zasilacz 
   WN 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rys. 4 . Schemat układu spektrometrycznego do pomiaru promieniowania gamma. 

 

4

background image

 

Moduł ORTEC 925-SCINT zawiera zasilacz wysokiego napięcia wykorzystywany do 

wytworzenia odpowiednich różnic potencjału pomiędzy elektrodami fotopowielacza detektora 
scyntylacyjnego oraz wzmacniacz liniowy służący do wzmacniania i odpowiedniego 
formowania impulsów fotopowielacza. Sygnały ze wzmacniacza  przesyłane są do 
wielokanałowego analizatora amplitudy.(MCA z ang. Mutli Channel Analyser ). Urządzenie 
to składa się z dwóch funkcjonalnych bloków – przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), 
który dokonuje pomiaru amplitudy sygnałów oraz układu histogramującego, który tworzy 
histogram rejestrowanych amplitud. Poszczególne przedziały histogramu nazywa się 
kanałami (z ang. channels). Wielokanałowy analizator amplitudy obsługiwany jest  przy 
omocy programu Meastro.     
 
Podstawowe wielkości określające własności układu spektrometrycznego to:  

 

  - energetyczna zdolność rozdzielcza określając zdolność układu detekcyjnego do obserwacji   

przejść gamma o bardzo bliskich energiach. W przypadku detektorów z kryształem NaI(Tl)  
energetyczną zdolność rozdzielczą przyjęto określać mierząc w połowie wysokości 
całkowitą szerokość piku odpowiadającego rejestracji promieniowania gamma o energii 
662 keV, emitowanego ze źródła 

137

Cs.  Dla typowych spektrometrów NaI(Tl)  

energetyczna zdolność rozdzielcza określona jako stosunek szerokości połówkowej piku 
do jego położenia wynosi około 10 %.  

 

  -  wydajność rejestracji promieniowania gamma. Z praktycznego punktu widzenia 

interesująca jest wydajność rejestracji pełnej energii emitowanych kwantów gamma. 
Wielkość  tę definiuje się jako stosunek liczby zliczeń zarejestrowanych w piku 
odpowiadającym rejestracji pełnej energii   kwantu gamma do całkowitej liczby  kwantów 
gamma wyemitowanych ze źródła w czasie trwania pomiaru.  Wydajność spektrometru 
silnie zależy od energii rejestrowanych kwantów oraz od geometrii pomiaru (kształtu 
i położenia źródła względem  kryształu detektora). 

 

- kalibracja energetyczna określa związek pomiędzy energią kwantów gamma a amplitudą   
   rejestrowanych sygnałów. W przypadku kalibracji liniowej zależność tę opisuje się jako   
  

, gdzie 

k – numer kanału, a, b – współczynniki kalibracyjne,. 

bk

a

E

+

=

γ

 

Kalibrację energetyczną oraz kalibrację wydajnościową spektrometru wykonuje się w oparciu 
o pomiary ze standardowymi źródłami o bardzo dobrze znanych energiach kwantów gamma 
i aktywnościach. 
 

Przebieg pomiarów 

 
1)  Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia należy zapoznać się z instrukcją obsługi  
      modułu 925-SCINT i programu Maestro obsługującego analizator wielokanałowy.  
2)  Na krysztale NaI(Tl) umieszczamy źródło 

137

Cs. 

3) Na zasilaczu wysokiego napięcia  zwiększamy napięcie do 900 V, na oscyloskopie  
     obserwujemy  zamianę amplitudy sygnałów związaną z zależnością wzmocnienie 
     fotopowielacz od  przyłożonego napięcia. 
4) Uruchamiamy pomiar widma impulsów z detektora i obserwujemy położenia piku 
     odpowiadającego rejestracji pełnej energii kwantów gamma emitowanych ze źródła 

137

Cs. 

5) Zmieniając wzmocnienie wzmacniacza liniowego ustalamy wstępną kalibrację 
     energetyczną  na ~2 keV/ kanał (tzn. środek piku odpowiadającego rejestracji energii  
     662 keV  powinien się znaleźć w kanale ~330). 

 

5

background image

6)  Wykonujemy kilkuminutowy pomiar widma  dla 

137

Cs  i zapisujemy je na dysku. 

7) Na krysztale NaI(Tl)  umieszczamy źródło 

22

Na i wykonujemy kilkuminutowy pomiar 

     widma  emitowanego  promieniowania  gamma.  W  oparciu  o  wstępną kalibrację 
     energetyczną oraz znany schemat rozpadu 

22

Na  należy zidentyfikować obserwowane 

     w widmie piki. 
8) Na krysztale NaI(Tl) umieszczamy próbkę  K

2

CO

3

  i przeprowadzamy  ~20 minutowy  

    pomiar promieniowania gamma emitowanego z tego źródła. Zapisujemy zmierzone 
    widmo. Określamy przybliżoną energię obserwowanego piku i porównujemy ją z energią   
    kwantu gamma emitowanego w rozpadzie 

40

K.  

9) Przeprowadzamy  pomiar promieniowania tła (tzn. promieniowania rejestrowanego przez 
    licznik bez udziału źródeł kalibracyjnych i badanej próbki K

2

CO

3

). Zapisujemy 

    zmierzone widmo. 
 

Analiza danych 

 
1) W oparciu o zarejestrowane widma  promieniowania emitowanego prze źródła 

137

Cs i 

22

Na   

     należy wykonać kalibrację energetyczną spektrometru. 
2) Określić energetyczną zdolność rozdzielczą spektrometru.  
3) Podać interpretację zmierzonych widm promieniowania gamma emitowanego ze źródeł  
     

137

Cs i  

22

Na oraz próbki K

2

CO

3

4) Znając schemat rozpadu 

40

K oraz wiedząc,  że w geometrii w której wykonano pomiar 

     próbki  K

2

CO

 wydajność rejestracji kwantów gamma o energii 1461 keV wynosi  

    (0.086

±0.005) %  obliczyć: 

      - aktywność 

40

K zawartego w badanej próbce,  

      - masę 

40

K zawartego w próbce 

      - stosunek masy 

40

K do całkowitej masy atomów potasu zawartych w próbce.  

    W  obliczeniach  należy uwzględnić obecność linii 

40

K w widmie promieniowania tła.   

    Masa molowa naturalnego potasu wynosi 39.1 g/mol,  masa molowa 

40

K wynosi 

    40.0 g/mol, masa molowa  K

2

CO

3

 wynosi 138.2 g/mol. 

 

Rachunek błędów 

 
Obliczenia powinny być wykonany z uwzględnieniem niepewności podanych wielkości. 
Wielkości dla których nie podano niepewności należy uznać za znane z błędem, który można 
zaniedbać. 
Niepewność liczby zliczeń zarejestrowanych w danym przedziale energii (kanałów) wynosi 

N

±

, gdzie 

N jest liczbą zliczeń w rozważanym przedziale energii. 

Na niepewność określenia energii danej linii składa się  błąd określenia położenia piku 
w widmie oraz niepewność wyznaczonej kalibracji energetycznej.  
 

Literatura 

 
A. Strzałkowski, Wstęp do fizyki jądra atomowego, PWN 1979 
E. Skrzypczak, Z. Szefliński,  Wstęp do fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych, 
PWN 1995 
 

 

6

background image

Informacje dodatkowe 

 
 
Stała rozpadu 

λ [s

-1

]-  wielkość określająca prawdopodobieństwo rozpadu danego nuklidu na  

                                      jednostkę czasu. 
 
Aktywność źródła promieniotwórczego 

A

 [Bq] – ilość rozpadów na jednostkę czasu   

 
 

)

(

)

(

t

N

t

A

λ

=

 
gdzie  
                 

 - liczba jąder w chwili 

t 

)

(t

N

 
 
Prawo rozpadu promieniotwórczego – opisuje zmianę liczby nietrwałych jąder w czasie  
 

dt

t

N

t

dN

)

(

)

(

λ

=

 
 

t

e

N

t

N

λ

=

0

)

(

 
 
 
Czas połowicznego zaniku
 T

1/2  

[s] – czas po jakim ilość promieniotwórczych jąder danego 

rodzaju zmniejsza się o połowę.   
 

2

/

1

0

0

2

/

1

2

/

)

(

T

e

N

N

T

t

N

λ

=

=

=

 
                          

2

/

1

2

ln
T

=

λ

 
 
 
 
 

 
 

 

7

background image

Schemat  rozpadu 

 137

Cs 

 
 

137

Ba 

T

1/2 

= 30.1 lat 

137

C

55

 

94.4 % 

5.6 % 

Q

β-

=

 

1175 keV

 E

γ

 = 661.7 keV 

3/2

+

 

11/2

 

56

 
 
 
 
 
 
 

2.6 min. 

 
 
 
 
 

stabilny 

 
 
 

 
Schemat  rozpadu 

22

Na 

 
 
 

T

1/2 

= 2.6 lat 

22

Ne 

10

22

N

11 

100 % 

Q

WE

=

 

2842 keV 

 E

γ

 = 1274.5 keV

0

+

 

2

+

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

stabilny 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Z. Janas 

 

8