Paweł Szołdruk

13.X.2008

1B

Identyfikacja pierwiastków na podstawie widma promieniowania gamma.

Wstęp

Promieniowanie γ jest to wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne (strumień fotonów). Jest to promieniowanie jonizujące i przenikliwe. Zakres tego promieniowania znajduje się za promieniowaniem X. Cząstka gamma charakteryzuje się tym, że nie ma ładunku ani masy, porusza się z prędkością światła. Źródłami promieniowania gamma mogą być:

• przemiany jądrowe - rozpadowi jąder atomowych izotopów promieniotwórczych towarzyszy emisja kwantu γ

• reakcja syntezy - w wyniku zderzeń cząstek w reaktorze powstaje kwant γ

• anihilacja: w wyniku zderzenia cząstki i antycząstki powstają kwanty γ

Oddziaływanie promieniowania γ z materią

• Efekt fotoelektryczny: powstaje gdy kwant γ ulega zderzeniu z elektronami. Elektron przejmuje całą energię dostarczoną przez kwant γ. Efekt fotoelektryczny zachodzi dla niskich energii promieniowania γ, bardzo szybko maleje on wraz ze wzrostem energii promieniowania.

Zjawisko występuje dla silnie związanych elektronów, oraz dla atomów o dużych Z.

Prawdopodobieństwo zajścia efektu elektrycznego wynosi:

• Efekt Comptona: zjawisko rozproszenia promieniowania γ na elektronach. W wyniku zderzenia foton oddaje część swojej energii cząstce, a sam zmienia kierunek rozchodzenia się. Foton porusza się dalej z prędkością światła, ale w innym kierunku i z inną (mniejszą) energią. Prawdopodobieństwo zajścia tego zjawiska maleje wraz z energią promieniowania. Stratę energii można określić wzorem:

Efekt Comptona dominuje przy pośrednich energiach (500 keV - 5MeV), dla lekkich pierwiastków.

• Tworzenie par elektron - pozyton: zjawisko zachodzi dla energii kwantu γ większej od 1,2 MeV (2m_e-*c²), wtedy gdy energia kwantu gamma przekracza dwukrotnie masę spoczynkową elektronu. Prawdopodobieństwo tworzenia par rośnie dla dużych energii oraz z liczbą atomową Z absorbera.

• Wychwyt K: Oddziaływanie promieniowania γ z jądrem atomowym. Występuje przy bardzo wysokich energiach promieniowania powyżej 18 MeV.

Pomiar energii promieniowania γ:

• Detektor półprzewodnikowy - bardzo dobry przyrząd do pomiaru promieniowania γ, ma dużą zdolność rozdzielczą (o rząd większa od liczników scyntylacyjnych) Najczęściej wykorzystywany jest licznik germanowo litowy. Cząsteczki litu wprowadza się w strukturę germanu tak aby zneutralizowały zanieczyszczenia - tzw. dryft pod wpływem przyłożonego napięcia (które mogłyby powodować, że po przyłożeniu napięcia zaporowego płynie prąd). Gdy kwant promieniowania pada na licznik, tworzy pary elektron - dziura, co powoduje, że przez układ płynie prąd. Prąd ten jest proporcjonalny do energii promieniowania padającego.

• Licznik scyntylacyjny - pomiar rozbłysków światła. Padające promieniowanie na kryształ np. NaI, atomy kryształu w wyniku wzbudzenia promieniowaniem emitują promieniowanie świetlne (błysk światła). Rozbłyski te zostają wzmocnione za pomocą fotopowielacza i następnie zamienione na impuls elektryczny i zarejestrowane przez urządzenia pomiarowe.

Wyniki pomiarów

Skalibrowano urządzenie promieniowania za pomocą izotopu ¹³³Ba, który emituje promieniowanie o następujących energiach: 81,0; 276,0; 302,0; 355,0; 383,0 keV. Program komputerowy dopasował równanie prostej:

E = 0,911599 · nr kanału + 0,95 [keV]

2. Zmierzono energie pików nieznanego pierwiastka:

l.p.	E [keV]
1	51,06
2	59,34
3	78,92
4	101,18
5	172,82
6	179,70
7	223,20
8	232,99
9	271,86
10	285,12
11	333,83
12	350,54
13	456,00
14	556,43
15	635,10
16	834,28

Pomiary nr 1, 2 to zarejestrowane energie emitowanego promieniowania X. Na podstawie tych wartości wyznaczono szukany pierwiastek, którym był Lutet.

Na podstawie spisu izotopów z czasem ich żywotności w środowisku odnaleziono dwa długożyciowe, radioaktywne izotopy Lutetu, którymi są: ¹⁷³Lu i ¹⁷⁴Lu.

3. Porównano zmierzone wartości energii promieniowania γ badanego pierwiastka z wartościami tablicowymi dla wyznaczonych izotopów:

l.p.	E [keV] ^xxxLu	E [keV] ^173Lu
1	51,06
2	59,34	62,2
3	78,92	78,6
4	101,18	100,7
5	172,82	171,4
6	179,70	179,3
7	223,20	223,5
8	232,99	233,5
9	271,86	272,0
10	285,12	285,3
11	333,83	334,2
12	350,54	350,7
13	456,00	456,6
14	556,43	557,3
15	635,10	635,9
16	834,28

Otrzymane energie nr 1 i 2 pochodzą od widma promieniowania X, energie pików 3 - 15 pochodzą od promieniowania γ emitowanego przez lutet - 173 a energia dla piku nr 16 pochodzi od zanieczyszczającego próbkę ⁵⁴Mn

Po przeprowadzonym pomiarze zidentyfikowano nieznany pierwiastek, którym był ¹⁷³Lu oraz wykryto zanieczyszczenia znajdujące się w próbce. Zanieczyszczenia te to ⁵⁴Mn.

3