Обработка результатов измерений

1. Построить для второго светофильтра вольтамперную характери-

стику фотоэлемента.

2. Из таблицы 2 найти задерживающую разность потенциалов для  

каждого светофильтра.

3. Зная длину волны, рассчитать для всех светофильтров частоту

падающего света.

4. Результаты вычислений занести в таблицу 3.

5. Построить график зависимости U_з  (n).

6. Найти тангенс угла наклона графика к оси n  и вычислить постоян-

ную Планка.

7. Пользуясь графиком, найти работу выхода электронов и красную

границу фотоэффекта для катода фотоэлемента.

                                                                                               Таблица 3

№ светофильтра	Длина волны, нм	Частота, Гц	Uз, В
1	462
2	476
3	546
4	567

 

8. Найти ошибку определения постоянной Планка, пользуясь графическим методом.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1. Какова цель работы?

2. Описать лабораторную установку:

 

– показать объект исследования и измерительное устройство,

– показать блок интерференционных светофильтров, как устанавливается светофильтр?

– показать, где находится фотоэлемент,

– показать устройство регулировки освещенности.

3. Как снимается вольтамперная характеристика в прямом и обратном направлениях?

4. Как убедиться, что величина задерживающей разности потенциалов (запирающего напряжения) не зависит от освещенности фотоэлемента?

5. Как определить задерживающую разность потенциалов? 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ СДАЧИ РАБОТЫ

1. Что называется внешним фотоэффектом?

2. Электрическая схема для наблюдения фотоэффекта.

3. Законы фотоэффекта.

4. Квантовая теория фотоэффекта.

5. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

6. Объяснить вольтамперную характеристику и законы фотоэффекта, 

используя теорию Эйнштейна для фотоэффекта.

7. Что такое задерживающее напряжение?

8. Чем объясняется наличие тока насыщения?

10. Что такое работа выхода электронов из металла и от чего она зависит?

11. Что такое красная граница фотоэффекта и от чего она зависит?

12. Почему при разности потенциалов, равной нулю, фототок не равен нулю?

13. Почему задерживающее напряжение не зависит от освещенности 

фотоэлемента?

14. Если взять фотоэлемент с большей работой выхода электронов, то что изменится в графике зависимости U_з (n)?

15. Почему в уравнении Эйнштейна для фотоэффекта значение кинетической энергии фотоэлектронов максимально?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-16

 

ИЗМЕРЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ ВОЗДУХА

Цель работы: знакомство с дозиметрическими приборами, измерение мощности дозы излучения радиационного фона.

ВВЕДЕНИЕ

 

В естественных условиях радиоактивные изотопы встречаются в настолько малых концентрациях, что уровень облучения от них не представляет сколько-нибудь заметную опасность для здоровья человека. Поскольку органы чувств человека не способны предупредить его об опасности, связанной с облучением, в любом учреждении является организация регулярного дозиметрического контроля.

Ионизирующим называют любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков.

Степень, глубина и форма лучевых поражений, развивающихся среди биологических объектов при воздействии на них ионизирующего излучения, в первую очередь зависят от величины поглощенной энергии излучения. Для характеристики этого показателя используется понятие поглощенной дозы D, т.е. энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества. За единицу поглощенной дозы принимается грей: 1 Гр = 1 Дж/кг.Внесистемная единица поглощенной дозы – рад (1 рад = 10^-2 Гр).

    Для характеристики дозы по эффекту ионизации, вызванному в воздухе, используется так называемая экспозиционная доза X рентгеновского и гамма-излучений, основанная на их ионизирующем действии. Экспозиционная доза – это отношение полного заряда ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении всех вторичных электронов, к массе ионизированного воздуха. В системе СИ единицей экспозиционной дозы является Кл/кг. Внесистемной дозой рентгеновского и гамма-излучений является рентген (1 Р = 2,57976·10^-4 Кл/кг). Поглощенной дозе 1 рад соответствует экспозиционная доза, примерно равная 1 Р.

Эквивалентная доза Н - основная дозиметрическая величина в области радиационной безопасности, введенная для оценки возмож­ного ущерба здоровью человека от хронического воздействия ионизирующего излучения произвольного состава. Введение понятия экви­валентной дозы обусловлено тем, что величина биологических эф­фектов при одной и той же поглощенной дозе различна для различ­ных видов излучения.

Принято сравнивать биологические эффекты, вызываемые различ­ными видами излучения  (α-, β-излучение и др.),  с  эффектами от

 

 

рент­геновского и γ-излучения. Эквивалентная доза равна произведению поглощенной дозы D насреднийкоэффициент качества ионизаци­онного излучения К в данном элементе объема биологической ткани:

Н = К·D.

Коэффициент К показывает, во сколько раз радиационная опас­ность при облучении человека для данного вида излучения выше, чем в случае рентгеновского или гамма-излучения при одинаковой по­глощенной дозе. В таблице 1 приведены коэффициенты качества раз­личных видов ионизирующих излучений при хроническом облучении всего тела.

       Таблица 1.

Коэффициенты качества различных видов излучений

Вид излучения	Коэффициент
Гамма-излучение	1
Рентгеновское излучение	1
Электроны и позитроны	1
Бета-излучение	1
Альфа-излучение (Е < 10 МэВ)	10
Протоны (Е < 10 МэВ)	10
Тяжелые ядра отдачи	20
Нейтроны тепловые	3
Нейтроны с энергией:
5 кэВ	2,5
20 кэВ	5
500 кэВ	10
1 МэВ	10,5
10 МэВ	6,5

 

В системе СИ за единицу эквивалентной дозы принятзиверт (Зв).Существует внесистемная единица эквивалентной дозы ионизирую­щего излучения -бэр (биологический эквивалент рентгена):

 1 рад × К = 1 бэр, 1 Гр× К = 1 Зв.

При прочих равных условиях доза ионизирующего излучения тем больше, чем больше время облучения, т.е. доза накапливается со вре­менем. Поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы излучений,  отнесенные к единице времени, называются мощностью по-

глощен­ной, экспозиционной и эквивалентной доз. Они выражаются соот­ветственно в единицах Гр/с, Р/с и Зв/с. Так, если мы говорим, что мощ­ность экспозиционной дозы γ-излучения составляет 1 Р/ч, то это зна­чит, что за 1 час облучения человек получит дозу, равную 1 рентгену.

Дозы облучения

В настоящее время хорошо известно, что в среднем доза облуче­ния от всех естественных источников ионизирующего излучения со­ставляет в год около 200 мР, хотя это значение может колебаться в разных регионах земного шара от 50 до 1000 мР/год и более (см. таб­лицу 2).

Таблица 2

Природные источники ионизирующего излучения

 

Источник	Средняя годовая доза		Вклад в дозу, %
	мбэр	мЗв
Космос (излучение на уровне моря)	30	0,3	15,1
Земля (грунт, вода, стройматериалы)	50-130	0,5-13	68,8
Радиоактивные элементы, содержа­- щиеся в тканях человека (^40К, ^14С и др.)	30	0,3	15,1
Другие источники	2	0,02	1,0
Средняя суммарная годовая доза	200	2	-

 

Наши дома построены из камня, кирпича, бетона или дерева, в ко­торых содержатся различные по виду и количеству природные радио­активные элементы. Плохая вентиляция, особенно в домах с плотно закрывающимися окнами, может увеличить дозу облучения, обуслов­ленную вдыханием радиоактивного газа радона, который образуется при естественном распаде радия, содержащегося во многих горных породах и строительных материалах, а также в почве.

Доза, получаемая человеком в результате воздействия космиче­ского излучения, зависит от высоты над уровнем моря: чем выше, тем больше доза.

Люди, часто летающие самолетом, дополнительно подвергаются незначительному облучению. Оценка средних годовых доз, получае­мых человеком от искусственных источников излучения, приведена в таблице 3.

Нормативными документами установлены, например, для АЭС, пределы облучения персонала и населения, которые составляют соот­ветственно 5 и 0,5 рад за год. Эти уровни доз являются потенциально неопасными. При выполнении аварийных работ максимально накоп­ленная доза не должна превышать 25 рад.

Доза, получаемая за счет существующего фона излучения и от других источников излучения за 70 лет жизни, составит около 14-15 бэр. Неблагоприятного действия от этого уровня излучения на здоро­вье детей и взрослых не установлено.

Известно, что при дозах облучения примерно 10 рад не наблюда­ется каких-либо изменений в органах и тканях организма человека. Клинически определяются кратковременные незначительные измене­ния состава крови лишь при однократном облучении дозой 25-75 рад. Развитие лучевой болезни наблюдается при облучении дозой более 100 рад.

Лучевая болезнь тяжелой степени может развиться после одно­кратного облучения всего тела дозой 400 рад и более.

Таким образом, каждый житель Земли на протяжении всей своей жизни ежегодно облучается дозой в среднем 250-400 мбэр. Это уже обычное состояние среды обитания человека.

Таблица 3

Источник	Годовая доза, мбэр	Доля от природного фона, %
Медицинские приборы (всего):	100-150	50-75
флюорография	370	-
рентгенография зуба	3000	-
рентгеноскопия легких	2000-8000	-
Полеты в самолете (расстояние – 2000 км, высота – 12 км) – 5 раз в год	2,5 – 5,0	1,0 – 2, 5
Телевизор (просмотр программ по 4 часа в день)	1,0	0,5
АЭС	0,1	0,05
ТЭЦ (на угле) на расстоянии 20 км	0,6-6,0	0,3-3,0
Глобальные осадки от испытаний ядерного оружия	2,5	1,0
Другие источники	40	-
Всего	150-200	-

 

    Поскольку органы чувств человека не способны предупредить его об опасности, связанной с облучением ионизирующей радиацией, обязательным условием при использовании радиоактивных изотопов является организация регулярного дозиметрического контроля.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

    Установка состоит из приборов, представленных на рис. 1. Здесь 1 – компьютер, 2 - компьютерный измерительный блок L-микро, 3- датчик ионизирующего излучения, 4 - выпрямитель, 5 - индикатор радиоактивности РАДЭКС РД 1503.

 

а) Блок-схема установки

 

 

б) Внешний вид установки.

 

Рис. 1.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить выпрямитель с помощью тумблера «Сеть».

2. Включить компьютер. Загрузить программу «L-физика».

3. На экране монитора активировать опцию «Датчики», далее выбрать «Датчик ионизирующего излучения».

4. На открывшемся экране выбрать опцию «Проведение измерений» и кнопку «Пуск».

 5. Одновременно включить прибор РАДЭКС РД1503, нажав большую кнопку, после чего на дисплее развернется надпись «экран РД1503».

2. Начать оценку естественного радиационного фона в лаборатории. В течение 40 сек датчик ионизирующего излучения и РАДЕКС РД1503 проводят подсчет импульсов.

Запишите результаты измерений мощности дозы D в таблицу 4. Повторите измерения еще 9 раза.

3. Для выключения прибора РАДЕКС РД1503 нажмите кнопку «ВЫКЛ» и удерживайте ее до исчезновения сообщений с дисплея. На экране компьютера нажмите «Стоп».

 

Таблица 4

 

№	Время, с	Показания РАДЕКСа D1, мкР/ч	Показания датчика ионизирующих излучений D2, мкР/ч
1	40
2	80
3	120
4	160
5	200
6	240
7	280
8	320
9	360
10	400
		<D1> =	<D2> =

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

 

1. По результатам экспериментальных данных найти среднее значения мощности дозы излучения по показаниям РАДЕКСа и датчика ионизирующих излучений и погрешность как ошибку прямых измерений.

2. Рассчитать экспозиционную дозу облучения (в Р), получаемую от естественного радиационного фона за месяц, год и 70 лет жизни, используя формулу

X = D×t,

 

где D – мощность дозы (мкР/ч), определяемая как

 

.

t – время облучения (в часах).

 

3. Сравнить результаты с табличными значениями.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

 

1. Какова цель работы?

2. Описать основные элементы  лабораторной установки.

3. Показать, где находится датчик ионизирующих излучений.

4. Какие виды радиоактивного излучения вы можете назвать?

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ СДАЧИ РАБОТЫ

1. Какое излучение называется ионизирующим?

2. Что такое поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы излучения?

3. Что такое коэффициент качества? Каковы коэффициенты качества различных видов излучений?

4. Каковы природные источники ионизирующего излучения?

5. Какова средняя ежегодная доза облучения человека?

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Савельев Игорь Владимирович. Курс общей физики: учебное пособие для втузов: В 3 т. / И.В. Савельев. 7-е изд., стереотип. – СПб.: Лань, 2007.

2. Детлаф Андрей Антонович. Курс физики: учебное пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – 6-е изд., стереотип, - М.: Академия, 2007. – 719 с.

3. Трофимова Таисия Ивановна. Курс физики: учебное пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – 18-е изд., стереотип. – М.: Академия, 2010. – 557.