חקירת הבליעה של קרינה רדיואקטיבית דרך גופים מוצקים

Transcription

חקירת הבליעה של קרינה רדיואקטיבית דרך גופים מוצקים
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫חקירת הבליעה של קרינה רדיואקטיבית‬
‫דרך גופים מוצקים‬
‫רמה ‪ -‬בסיסית‬
‫‪Data Studio‬‬
‫שם קובץ הפעלה‪:‬‬
‫‪Absorption_b.ds‬‬
‫חוברת מס' ‪9‬‬
‫כרך ‪ :‬אופטיקה פיזיקלית ופיזיקה מודרנית‬
‫מאת‪ :‬משה גלבמן‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫חקירת הבליעה של קרינה רדיואקטיבית‬
‫דרך גופים מוצקים ‪ -‬רמה בסיסית‬
‫‪Data Studio‬‬
‫מטרה‬
‫בתרגיל זה נחקור את תהליכי הבליעה במוצקים של קרינות רדיואקטיביות מסוגים שונים )חלק‬
‫מהקרינה נבלע‪ ,‬וחלקו האחר חודר דרך המוצק(‪.‬‬
‫הערה‪ :‬חלק א' של הרקע התיאורטי משותף לתרגילים‪, Invers_Square.ds , Histogram.ds :‬‬
‫‪ Absorption_b.ds , Absorption_a.ds‬ו ‪. Half_Life.ds -‬‬
‫חלק ב' של הרקע התיאורטי דן בנושאים ספציפיים לכל תרגיל‪.‬‬
‫תיאור יותר מפורט תמצא בנספח תיאוריה " גרעין האטום וקרינה רדיואקטיבית "‪.‬‬
‫רקע תאורטי – חלק א‪,‬‬
‫גרעין האטום מורכב מנוקלאונים‪ :‬פרוטונים ונויטרונים‪.‬‬
‫הפרוטון הוא נוקלאון עם מטען חשמלי חיובי‪ ,‬הנויטרון חסר מטען חשמלי ‪ -‬ניטרלי )מכאן שמו(‪.‬‬
‫מספר הפרוטונים בגרעין קובע את התכונות הכימיות של היסוד‪ .‬הנויטרונים מיצבים את הגרעין‪.‬‬
‫בין הנוקלאונים פועלים כוחות משיכה גרעיניים חזקים מאוד‪ .‬כוחות אלה‪ ,‬הפועלים לטווח קצר‬
‫מאוד‪ ,‬מאזנים את כוחות הדחייה החשמליים שבין הפרוטונים וכך קושרים את הגרעין‪.‬‬
‫התיאוריה הנוכחית גורסת שהכוחות הגרעיניים שפועלים בין הנוקלאונים מועברים בדרך של‬
‫שיחלוף )החלפת( חלקיקים אלמנטריים המכונים " ‪ π‬מזונים"‪.‬‬
‫הערה‪ :‬בחקירה בסיסית המתוארת בתרגילים הנ"ל‪ ,‬לא נתייחס לחלקיקים האלמנטריים‬
‫המלווים את התהליכים הגרעיניים‪.‬‬
‫יסודות עם מספר שווה של פרוטונים ומספר שונה של נויטרונים הם "איזוטופים" של אותו יסוד‬
‫כימי‪.‬‬
‫איזוטופים שאינם יציבים פולטים קרינה רדיואקטיבית‪ .‬לא כל האיזוטופים הם רדיואקטיביים‪.‬‬
‫גרעין יציב מתקיים במשך זמן ארוך )באופן פרקטי – אינסופי(‪ .‬לעומתם‪ ,‬גרעין לא יציב יעבור‬
‫שורה של תהליכי פירוק עד שיווצר איזוטופ יציב‪.‬‬
‫תהליכים אלה המתרחשים בגרעין מלווים קרינות רדיואקטיביות‪.‬‬
‫נבחן אחדים מסוגי הקרינה הרדיואקטיבית‪:‬‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪183‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫‪ .1‬קרינת ‪β −‬‬
‫כאשר אי היציבות של הגרעין נובעת ממספר נויטרונים גדול מדי תתרחש התפרקות של נויטרון‪:‬‬
‫‪n0 ⇒ p+ + e−‬‬
‫מסיבות היסטוריות האלקטרון שנפלט מהגרעין מכונה חלקיק ‪) β −‬קרא‪ :‬ביטא מינוס(‪.‬‬
‫הקרינה הרדיואקטיבית‪ ,‬המלווה התפרקות כזאת מכונה קרינת ‪ . β −‬בתהליך זה מספר‬
‫הנוקלאונים אינו משתנה ‪ :‬מספר הפרוטונים גדל ביחידה על חשבון מספר הנויטרונים‪.‬‬
‫היסוד הכימי משתנה )עובר למקום גבוה יותר(‪.‬‬
‫פליטת ‪ β −‬משאירה את הגרעין במצב בלתי יציב בגין עודף אנרגיה‪ .‬הגרעין משתחרר מעודף‬
‫האנרגיה ע"י פליטת ‪) γ‬קרינת ‪ γ‬היא קרינה אלקטרומגנטית – פוטונים וכזכור לפוטונים קיים‬
‫קשר בין האנרגיה ‪ E‬והתדר ‪. ( E = h ⋅ ν :ν‬‬
‫‪ .2‬קרינת ‪β +‬‬
‫כאשר אי היציבות נובעת ממספר נויטרונים קטן מדי תתרחש התפרקות של פרוטון‪:‬‬
‫‪p+ ⇒ n0 + e+‬‬
‫האלקטרון החיובי( שנפלט מהגרעין נקרא חלקיק ‪ β +‬או פוזיטרון‪ .‬הקרינה הרדיואקטיבית‬
‫מסוג זה היא קרינת ‪ . β +‬גם בתהליך זה מספר הנוקלאונים לא משתנה‪ .‬מספר הפרוטונים קטן‬
‫ביחידה ואילו מספר הנויטרונים גדל ביחידה‪ .‬היסוד הכימי משתנה‪) .‬עובר למקום נמוך יותר(‪ .‬גם‬
‫קרינת ‪ β +‬מלווה בשחרור עודף אנרגיה ע"י פליטת ‪ γ‬עם אנרגיה מתאימה‪.‬‬
‫‪ .3‬פליטת חלקיקי ‪. α‬‬
‫חלקיק ‪ α‬הוא גרעין של יסוד ההליום ‪. 42 He‬‬
‫בקרינת ‪ α‬מספר הנוקלאונים קטן לכן ב – ‪ 4‬ומספר הפרוטונים קטן ב ‪.2 -‬‬
‫היסוד הכימי משתנה )עובר שני מקומות נמוך יותר(‬
‫‪ .4‬פליטת נויטרונים ‪ 10 n‬וביקוע גרעיני‪.‬‬
‫תהליכים גרעיניים מסוימים מלווים בפליטת נויטרונים‪.‬‬
‫נויטרון שפוגע בגרעין כבד‪ ,‬למשל ‪U‬‬
‫‪235‬‬
‫‪92‬‬
‫עשוי לגרום לביקוע גרעין של אורניום‪ .‬הבקעים שהם‬
‫יסודות יותר קלים יפלטו אף הם נויטרונים‪ .‬כך עשויה להיווצר תגובת שרשרת‪:‬‬
‫‪236‬‬
‫‪94‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪+ 10 n → 92‬‬
‫‪U →140‬‬
‫‪54 Xe + 38 Sr + 0 n + 0 n + γ + 200 Mev‬‬
‫‪235‬‬
‫‪92 U‬‬
‫בתהליך הביקוע‪ ,‬בנוסף לקרינה‪ ,‬משתחררת כמות גדולה של אנרגייה )בסופו של דבר אנרגיה‬
‫תרמית‪ .‬הנויטרונים שנפלטים בתהליך יכולים להמשיך אותו עוד ועוד )תגובת שרשרת(‪ .‬ניתן‬
‫לשלוט בתהליך ולנצל את אנרגיית החום המשתחררת ליצור חשמל )כורים גרעיניים ליצור‬
‫חשמל(‪ .‬אובדן שליטה עשוי לגרום לאסון כבד )התאונה בכורים גרעיניים(‪.‬‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪184‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫הדילמה התמידית של אנשי המדע היא‪ ,‬מה יעשו בני האדם בעוצמה כל כך אדירה?! זאת‪ ,‬כמובן‪,‬‬
‫שאלה פילוסופית‪ ,‬שאי אפשר להתעלם ממנה‪ ,‬אך אין זה המקום לדון בה‪.‬‬
‫בחקר הקרינה הרדיואקטיבית אנו מעונינים לבחון‪:‬‬
‫‪ .1‬את סוג הקרינה ) ‪.( α, β − , β + , γ,10 n‬‬
‫‪ .2‬באיזה אנרגיה נפלטים החלקיקים )קיימות שיטות מדידה שונות בהתאם לסוג הקרינה(‪.‬‬
‫‪ .3‬עוצמת הקרינה ‪ -‬מספר החלקיקים הנפלטים בשנייה‪ .‬היחידה שמשתמשים בה עבור עוצמת‬
‫הקרינה היא ‪ 1‬קירי ) ‪ ( 1C‬שהם ‪ 3.7 ⋅ 1010‬התפרקויות לשנייה )הקרינה שמשתחררת מגרם אחד‬
‫‪226‬‬
‫‪ .( 88‬יחידה נוספת למדידת האקטיביות של איזוטופים רדיואקטיביים היא בקרל‬
‫של רדיום ‪Ra‬‬
‫) ‪.( Βq‬‬
‫‪ = 1 Bq‬התפרקות אחת לשנייה‪.‬‬
‫לפיכך ‪. 1C = 3.7 ⋅ 1010 Bq‬‬
‫אלפית של קירי היא ‪ 1mC‬והחלק המיליון של קירי ‪. 1μC -‬‬
‫ספירת החלקיקים הרדיואקטיביים מתבצעת בעזרת גלאי קרינה בשם מונה גייגר‪.‬‬
‫תיאור סכמתי של גלאי הקרינה‬
‫מונה גייגר עשוי צינור מתכת שבמרכזו חוט מוליך‪ .‬מצדה הקדמי של השפופרת נמצא חלון חדיר‬
‫קרינה רדיואקטיבית )תמונה ‪ .(1‬השפופרת ממולאת גז בלחץ נמוך‪ .‬יוצרים מתח חשמלי קרוב‬
‫מאוד למתח היינון של הגז בשפופרת בין גוף השפופרת לבין החוט המוליך‪.‬‬
‫תמונה ‪ :1‬גלאי קרינה – תרשים עקרוני‬
‫חלקיק רדיואקטיבי שחודר לתוך השפופרת גורם ליינון הגז ולפריצת זרם‪ .‬זרמים קצרים אלה‬
‫גורמים למפלי מתח קצרי זמן על הנגד ‪ . R‬מספר פעימות המתח על הנגד‪ ,‬פרופורציונאלי למספר‬
‫‪R‬‬
‫החלקיקים שחדרו דרך חלון השפופרת‪ .‬פעימות המתח על הנגד נספרות ע"י מערכת ספירה‬
‫דיגיטלית‪ .‬הספירה מופעלת לפרקי זמן שנקבעים מראש‪.‬‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪185‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫רקע תיאורטי – חלק ב' )תיאור בסיסי של תהליך הבליעה(‬
‫כאשר קרינה רדיואקטיבית עוברת דרך גוף נתון‪ ,‬כמות האנרגיה היוצאת )דרך הגוף( קטנה‬
‫מכמות האנרגיה הפוגעת‪ .‬ההפרש בין שתי אנרגיות האלה היא אנרגיית הקרינה שהגוף בולע בזמן‬
‫המעבר‪ .‬ככל שפחותה כמות האנרגיה הנבלעת ע"י הגוף‪ ,‬כך הגוף שקוף יותר לקרינה‪ .‬מידת‬
‫השקיפות לקרינה רדיואקטיבית תלויה בסוג הקרינה ) ‪ , ( α , β , γ‬באנרגיה של הקרינה‪ ,‬בצפיפות‬
‫החומר ובעובי השכבה שדרכה היא חודרת‪.‬‬
‫למרות שלחלקיקי ‪ α‬יש אנרגיה גדולה מאוד )בדרך כלל הרבה יותר גדולה מהאנרגיה של ‪ β‬ו ‪γ -‬‬
‫( בגין המסה הגדולה שלהם נבלעים חלקיקי ה ‪ α -‬בשכבה דקה של חומר‪ .‬למעשה כמעט ואין‬
‫חדירה של קרינת ‪ α‬דרך גוף מוצק‪.‬‬
‫לעומת חלקיקי ‪ , α‬החלקיקים ‪ β‬ו ‪ γ -‬כן חודרים דרך גוף מוצק‪.‬‬
‫כללית‪ :‬החדירה של קרינת ‪) β‬חלקיקים( קטנה בהרבה מהחדירה של קרינת ‪) γ‬פוטונים( בגין‬
‫המסה והמטען שלה‪.‬‬
‫למרות שהתהליכים הפיזיקליים שגורמים לבליעת ‪) γ‬פוטונים( בחומר שונים מהתהליכים‬
‫שגורמים לבליעת חלקיקי ‪) β‬אלקטרונים( בחומר‪ ,‬התיאור המתמטי של תלות עוצמת הקרינה‬
‫בעובי החומר הבולע דומה‪.‬‬
‫הבליעה של אלומת קרן אלקטרונים )קרינת ‪ ( β‬במעבר בחומר נגרמת בגין פיזור וקליטה וניתן‬
‫למדוד זאת באמצעות שפופרת ספירה )גלאי קרינה(‪.‬‬
‫הבליעה של קרינת ‪ γ‬מתרחשת באמצעות שלושה תהליכים בלתי תלויים‪ :‬האפקט של קומפטון‬
‫) ‪ ,( Compton‬האפקט הפוטואלקטרי ויצירת זוגות‪.‬‬
‫תהליך המדידה‬
‫עוצמת הקרינה נמדדת ע"י גלאי קרינה )מונה גייגר(‪ .‬המדידה מתבצעת במרווחי זמן של ‪15‬‬
‫שניות‪ .‬תוצאות המדידה נרשמות אוטומטית בטבלה )טבלה ‪ .(1‬המדידה נעצרת לאחר ‪ 150‬שניות‬
‫)‪ 10‬מדידות(‪ .‬הטבלה מציגה את הספירה הממוצעת ואת סטיית התקן‪.‬‬
‫הערה‪ :‬בדוגמאות המוצגות בהמשך‪ ,‬משך זמן הדגימה הוא ‪ 30‬שניות לאורך זמן של ‪ 300‬שניות‪.‬‬
‫הרכבת מערכת המדידה‬
‫‪.1‬‬
‫התקן את המערכת לפי התרשים )תמונה‪.(1‬‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪186‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫‪ .2‬כוון את המרחק בין גלאי הקרינה לבין המשטח שמתחת לגלאי הקרינה לגובה המכסה של‬
‫הגלאי‪.‬‬
‫תמונה ‪ :1‬העמדת מערכת הניסוי‬
‫‪ .3‬חבר את הגלאי לכניסה דיגיטלית מס' ‪ 1‬של הממשק )תמונה ‪.(2‬‬
‫תמונה ‪ :2‬חיבור גלאי הקרינה‬
‫קליטת הנתונים ועיבוד התוצאות‬
‫א‪.‬‬
‫מדידת קרינת הרקע‬
‫הרחק מהגלאי את החומרים הרדיואקטיביים )לפחות מטר אחד(‪ .‬הפעל את המדידה על ידי‬
‫הקשה על הכפתור ‪) Start‬תמונה ‪.(3‬‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪187‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫תמונה ‪ :3‬שורת בקרה ראשי‬
‫חלון תצוגת הזמן )תמונה ‪ (3‬מראה הזמן שנותר עד גמר הספירה‪.‬‬
‫תמונה ‪ :4‬מספר ההרצה עם כותרת המדידה‬
‫כאשר המדידה מסתיימת‪ ,‬יש לעדכן בחלון ‪ Data‬את הכותרת ליד סימון ההרצה )תמונה ‪.(4‬‬
‫טבלה ‪ :1‬ספירה של קרינת רקע‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪188‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫הדפס את טבלת התוצאות )טבלה ‪.(1‬‬
‫הערה‪ :‬בכל מדידה חדשה יש לבצע את הפעולות שתוארו בסעיף זה‪.‬‬
‫שאלה‪ :‬מהו מקור קרינת רקע ) ‪ – ( Background‬הסבר את המושג‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬מקור קרינת הרקע הוא בעיקר מקרינה קוסמית )אירועים גרעיניים ביקום( ‪ .‬במעבדה‬
‫שמצויים בה חומרים רדיואקטיביים‪ ,‬קרינת הרקע גדלה מעט‪.‬‬
‫שאלה‪ :‬מהי החשיבות במדידת קרינת הרקע?‬
‫תשובה‪ :‬כאשור מודדים קרינה )במיוחד קרינה חלשה( יש לחסר מהקרינה הנמדדת את קרינת‬
‫הרקע‪.‬‬
‫שאלה‪ :‬לאור תוצאות המדידה )טבלה ‪ , (1‬אם נבצע ‪ 100‬פעם את מדידת קרינת הרקע; בכמה‬
‫מדידות נקבל תוצאה שהיא נופלת לתחום הממוצע ‪ ±‬סטיית התקן? הסבר שיקוליך?‬
‫תשובה‪ :‬כ ‪ 68%‬של תוצאות המדידה‪.‬‬
‫ב‪.‬‬
‫מדידות באיזוטופ פולוניום ‪ : Po-210‬פולט קרינת ‪α‬‬
‫הצב את האיזוטופ ‪ Po-210‬מתחת לגלאי הקרינה ובצע את המדידה‪ .‬הדפס את טבלת התוצאות‬
‫)טבלה ‪.(2‬‬
‫טבלה ‪ :2‬ספירת קרינת ‪ α‬של ‪ Po-210‬באויר‬
‫כסה את האיזוטופ בלוחית מחומר פלסטי ) ‪ ( Polyethylene‬בעובי של כ – ‪ 1.5‬מ"מ )מדוד את עובי‬
‫הלוחית בעזרת מיקרומטר( וחזור על המדידה‪ .‬הדפס את טבלת התוצאות )טבלה ‪.(3‬‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪189‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫שאלה‪ :‬האם לאור תוצאות המדידה אפשר לטעון שלוחית פוליאתילן בעובי של כ – ‪ 1.5‬מ"מ בלעה‬
‫את כל קרינת ה ‪ ? α -‬הסבר שיקוליך‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬תוצאות המדידה מראות כי לאחר הכיסוי של האיזוטופ בלוחית פוליאתילן‪ ,‬הקרינה‬
‫ירדה לקרינת הרקע‪ .‬מכך ניתן להסיק כי הפוליאתילן בעובי של כ – ‪ 1.5‬מ"מ בולע את כל חלקיקי‬
‫ה‪.α-‬‬
‫שאלה‪ :‬מהי מידת השקיפות של הפוליאתילן לקרינת ‪? α‬‬
‫תשובה‪ :‬למעשה אפס‪.‬‬
‫טבלה ‪ :3‬ספירת קרינת ‪ α‬של ‪ Po-210‬דרך פלסטיק‬
‫ג‪.‬‬
‫מדידות באיזוטופ טליום ‪ : Tl-204‬פולט קרינת ‪ β‬באנרגיה קטנה‬
‫טבלה ‪ :4‬ספירת קרינת ‪ β‬של ‪ Tl-204‬באויר‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪190‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫הצב את האיזוטופ ‪ Tl-204‬מתחת לגלאי הקרינה ובצע את המדידה‪ .‬הדפס את טבלת התוצאות‬
‫)טבלה ‪.( 4‬‬
‫כסה את האיזוטופ בלוחית מחומר פלסטי ) ‪ ( Polyethylene‬בעובי של כ – ‪ 1.5‬מ"מ וחזור על‬
‫המדידה )מדוד את עובי הלוחית בעזרת מיקרומטר(‪ .‬הדפס את טבלת התוצאות )טבלה ‪.( 5‬‬
‫שאלה‪ :‬האם לאור תוצאות המדידה אפשר לטעון שלוחית פוליאתילן בעובי של כ – ‪ 1.5‬מ"מ בלעה‬
‫את כל קרינת ה ‪ β -‬שמקורה באיזוטופ ‪ ? Τl-204‬הסבר שיקוליך‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬בהתחשב בקרינת הרקע‪ ,‬רוב הקרינה נבלעה‪.‬‬
‫טבלה ‪ :5‬ספירת קרינת ‪ β‬של ‪ Tl-204‬דרך פלסטיק‬
‫שאלה‪ :‬מהי מידת השקיפות של פוליאתילן לקרינת ‪ β‬שמקורה באיזוטופ ‪? Tl-204‬‬
‫תשובה‪ :‬השקיפות קטנה מאוד‪.‬‬
‫ד ‪ .‬מדידות באיזוטופ סטרונציום ‪ : Sr-90‬פולט קרינת ‪ β‬באנרגיה גדולה‬
‫הצב את האיזוטופ ‪ Sr-90‬מתחת לגלאי הקרינה ובצע את המדידה‪ .‬הדפס את התוצאות בטבלה‬
‫)טבלה ‪.(6‬‬
‫כסה את האיזוטופ בלוחית מחומר פלסטי ) ‪ ( Polyethylene‬בעובי של כ – ‪ 1.5‬מ"מ )מדוד את עובי‬
‫הלוחית בעזרת מיקרומטר( וחזור על המדידה‪ .‬הדפס את טבלת התוצאות )טבלה ‪.(7‬‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪191‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫החלף את לוחית הפוליאתילן בלוחית עופרת בעובי של כ – ‪ 1.7‬מ"מ )מדוד את עובי הלוחית‬
‫בעזרת מיקרומטר( וחזור על המדידה‪ .‬הדפס את‬
‫טבלת התוצאות )טבלה ‪.(8‬‬
‫שאלה‪ :‬לאור תוצאות המדידה‪ ,‬האם אפשר לטעון שלוחית פוליאתילן בעובי של כ – ‪ 1.5‬מ"מ‬
‫בלעה את כל קרינת ה ‪ β -‬שמקורה באיזוטופ ‪ ? Sr 90‬הסבר שיקוליך‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬התשובה שלילית‪ .‬רק כמחצית מהקרינה נבלעה על‪-‬ידי לוחית הפוליאתילן‪.‬‬
‫שאלה‪ :‬מהי מידת השקיפות לקרינת ‪ β‬שמקורה באיזוטופ ‪ Sr-90‬דרך לוחית פוליאתילן בעובי‬
‫‪ 1.5‬מ"מ? הסבר שיקוליך‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬השקיפות לקרינת ‪ β‬שמקורה באיזוטופ סטרוציום היא די גדולה‪ ,‬ללוח פוליאתילן‬
‫בעובי של כ – ‪ 1.5‬מ"מ‬
‫טבלה ‪ :6‬ספירת קרינת ‪ β‬של ‪ Sr-90‬באויר‬
‫טבלה ‪ :7‬ספירת קרינת ‪ β‬של ‪ Sr-90‬דרך פלסטיק‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪192‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫טבלה ‪ :8‬ספירת קרינת ‪ β‬של ‪ Sr-90‬דרך עופרת‬
‫שאלה‪ :‬לאור תוצאות המדידה האם נכון לטעון שלוחית עופרת בעובי של כ – ‪ 1.7‬מ"מ בלעה את‬
‫כל קרינת ה ‪ β -‬שמקורה באיזוטופ‬
‫‪ ? Sr 90‬הסבר שיקוליך‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬התשובה חיובית‪ .‬כיסוי האיזוטופ בעפרת הוריד את הקרינה החודרת לקרינת הרקע‪.‬‬
‫שאלה‪ :‬האם העופרת שקופה לקרינת ‪ ? β‬הסבר שיקוליך‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬העופרת אטומה לקרינת ‪. β‬‬
‫שאלה‪ :‬לאור השוני של הבליעה באיזוטופ ‪ Τl-204‬מהבליעה באיזוטופ ‪ , Sr-90‬מה ניתן‬
‫לטעון על האנרגיה של האלקטרונים המשתחררים משני איזוטופים אלה בקרינת ‪? β‬‬
‫תשובה‪ :‬תוצאות המדידה מצביעות על כך כי הקרינה שנפלטת מהאיזוטופ סטרונציום היא‬
‫בעלת אנרגיה הרבה יותר גדולה מהקרינה של הטליום‪ .‬למסקנה זו הגענו בגין החדירה היותר‬
‫גדולה של קרינת הסטרונציום‪.‬‬
‫ה‪ .‬מדידות באיזוטופ צסיום ‪ : Cs-137‬פולט קרינת ‪γ‬‬
‫האיזוטופ ‪ Cs-137‬פולט שתי קרינות ‪ .γ‬האחת באנרגיה נמוכה מאוד של ‪ 32 ΚeV‬והשניה‬
‫באנרגיה יותר גדולה של ‪. 662 KeV‬‬
‫הצב את האיזוטופ ‪ Cs-137‬מתחת לגלאי הקרינה ובצע את המדידה‪ .‬הדפם את טבלת התוצאות‬
‫)טבלה ‪.(9‬‬
‫כסה את האיזוטופ בלוחית עופרת בעובי של כ – ‪ 1.7‬מ"מ )מדוד את עובי הלוחית בעזרת‬
‫מיקרומטר( וחזור על המדידה‪ .‬הדפס את טבלת התוצאות )טבלה ‪.(10‬‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪193‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫כסה את האיזוטופ ב – ‪ 10‬לוחיות עופרת בעובי של כ – ‪ 1.7‬מ"מ וחזור על המדידה‪ .‬הדפס את‬
‫טבלת התוצאות )טבלה ‪.(11‬‬
‫טבלה ‪ :9‬ספירת קרינת ‪ γ‬של ‪ Cs-137‬באויר‬
‫טבלה ‪ :10‬ספירת קרינת ‪ γ‬של ‪ Cs-137‬דרך עופרת )לוחית אחת(‬
‫שאלה‪ :‬האם העופרת שקופה במידה רבה לקרינת ‪ ? γ‬הסבר שיקוליך‪.‬‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪194‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫תשובה‪ :‬התשובה חיובית‪ .‬קיימת חדירה די גדולה של קרינה גם לאחר שהאיזוטופ מכוסה ב – ‪5‬‬
‫לוחיות עופרת‪ .‬לכן יש צורך במיכל עופרת עם דפנות עבות במיוחד לאיכסון איזוטופים שפולטים‬
‫‪ γ‬בעוצמה גדולה‪.‬‬
‫שאלה‪ :‬האם קיימת בליעה של קרינת ‪ γ‬במעבר דרך עופרת? הסבר שיקוליך‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬כיסוי האיזוטופ בלוחיות עופרת מקטינה את הקרינה‪ .‬מזה ניתן ללמוד כי מתקיימת‬
‫בליעה של ‪ γ‬בעופרת‪.‬‬
‫טבלה ‪ :11‬ספירת קרינת ‪ γ‬של ‪ Cs-137‬דרך עופרת )‪ 5‬לוחיות(‬
‫שאלה‪ :‬כיצד באה לידי ביטוי במדידות שערכת העובדה שלאיזוטופ ‪ Cs-137‬יש קרינת ‪γ‬‬
‫באנרגיה נמוכה‪ ,‬ובאנרגיה הרבה יותר גדולה? הסבר שיקוליך‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬תוספת של לוחית עופרת אחת‪ ,‬הקטינה את רמת הקרינה במידה רבה‪ ,‬גדולה בהרבה‬
‫בהשוואה לתוספת של ‪ 4‬לוחיות‪ .‬הסיבה לכך היא שלוחית עופרת אחת בלעה את כל הקרינה‬
‫החלשה של האיזוטופ צזיום‪ .‬קרינת ‪ γ‬באנרגיה נמוכה של ‪ 32 keV‬אינה חדירה דרך עופרת בעובי‬
‫של כ – ‪ 1.7‬מ"מ‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬הקרינה באנרגיה של ‪ 662 keV‬היא די חדירה גם דרך ‪ 5‬לוחיות‬
‫עופרת‪.‬‬
‫ו‪ .‬מדידות באיזוטופ קובלט ‪ : Co-60‬פולט קרינת ‪γ‬‬
‫הצב את האיזוטופ ‪ Co-60‬מתחת לגלאי הקרינה ובצע את המדידה‪ .‬הדפס את טבלת התוצאות‬
‫)טבלה ‪.(12‬‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪195‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫כסה את האיזוטופ בשתי לוחית עופרת בעובי של כ – ‪ 1.7‬מ"מ )מדוד את עובי הלוחית בעזרת‬
‫מיקרומטר( וחזור על המדידה‪ .‬הדפס את טבלת התוצאות )טבלה ‪.(13‬‬
‫כסה את האיזוטופ ב – ‪ 10‬לוחיות עופרת בעובי של כ – ‪ 1.7‬מ"מ וחזור על המדידה‪ .‬הדפס את‬
‫טבלת התוצאות )טבלה ‪.(14‬‬
‫שאלה‪ :‬השווה את שקיפות העופרת לקרינת ‪ γ‬שמקורה באיזוטופ ‪ Co-60‬לשקיפותה לקרינת‬
‫‪ γ‬שמקורה באיזוטופ ‪ ? Cs-137‬הסבר שיקולך‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬תוצאות המדידה מראות שהבליעה של הקרינה שמקורה בקובלט קטנה בהרבה‬
‫מהבליעה שמקורה בצזיום‪.‬‬
‫טבלה ‪ :12‬ספירת קרינת ‪ γ‬של ‪ Co-60‬באויר‬
‫טבלה ‪ :13‬ספירת קרינת ‪ γ‬של ‪ Co-60‬דרך עופרת )‪ 2‬לוחיות(‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪196‬‬
‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‪-‬ישראל ‪ 10‬ת"ד ‪ 1039‬ת"א ‪61009‬‬
‫טל'‪ 03-5605536 :‬פקס‪www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‬‬
‫____________________________________‬
‫טבלה ‪ :14‬ספירת קרינת ‪ γ‬של ‪ Co-60‬דרך עופרת )‪ 5‬לוחיות(‬
‫שאלה‪ :‬האם תוצאות המדידה תומכות בטענה ל כי ל ‪ γ -‬פוטונים של הקובלט יש אנרגיה גדולה‬
‫יותר מאשר ל ‪ γ -‬פוטונים של הצזיום? הסבר שיקוליך‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬החדירה של קרינת הקובלט גדולה יותר מזו של הצסיום בגין אנרגיה יותר גדולה של‬
‫הפוטונים שנפלטים מהקובלט‪.‬‬
‫♣ חשוב לא לערב בין שני המושגים השונים‪ :‬עוצמת הקרינה ואנרגיה של החלקיקים הנפלטים‬
‫בקרינה‪.‬‬
‫את עוצמת הקרינה מודדים באמצעות מונה גייגר והיא מציינת את מספר החלקיקים שנפלטים‬
‫מהאיזוטופ בתהליך שבו אטומים לא יציבים מתפרקים לאטומים יציבים‪ .‬עוצמת הקרינה תלויה‬
‫לא רק בתכונות של האיזוטופ‪ ,‬אלא גם בכמות החומר‪ .‬אם ניקח כמות גדולה פי ‪ ,10‬תגדל עוצמת‬
‫הקרינה פי ‪.10‬‬
‫האנרגיה של החלקיקים בקרינה הרדיואקטיבית תלויה רק בתכונות הפיזיקליות של הגרעין‬
‫שפולט אותם‪ .‬היא לא תלויה בכמות האיזוטופ ‪ -‬אינה תלויה בעוצמת הקרינה‪.‬‬
‫במהלך התרגיל‪ ,‬בדקנו שני איזוטופים פולטי ‪ - β‬טליום וסטרונציום‪ ,‬ושני איזוטופים פולטי ‪- γ‬‬
‫צזיום וקובלט‪ .‬באופן בלתי תלוי בעוצמת הקרינה שמדדנו‪ ,‬הבחנו בשוני בחדירה של אותו סוג‬
‫קרינה מאיזוטופים שונים‪ :‬קרינת ‪ β‬של הסטרונציום חדירה הרבה יותר מזו של הטליום וקרינת‬
‫‪ γ‬של הקובלט חדירה הרבה יותר מזו של הצזיום‪ .‬את השוני בחדירות של הקרינה דרך חומר‬
‫מוצק ייחסנו לאנרגיה השונה של החלקיקים הנפלטים‪.‬‬
‫מדידת האנרגיה של חלקיקים רדיואקטיביים היא מורכבת ושונה לסוגי הקרינה השונים‪.‬‬
‫‪ – Absorption_b‬חוברת מס' ‪ /9‬פ‪ .‬מודרנית‬
‫‪197‬‬
61009 ‫ ת"א‬1039 ‫ ת"ד‬10 ‫ישראל‬-‫"שולמן" ציוד לימודי רח' מקווה‬
www.shulman-sci.co.il 03-5660340 :‫ פקס‬03-5605536 :'‫טל‬
____________________________________
‫רשימת הציוד הדרוש לביצוע התרגיל‬
1. Science Workshop 750 Interface
CI-7565A (Pasco)
2. Nuclear Sensor
SE - 7997 (Pasco)
3. Radioactive Sources (set of 5)
SN - 7972 (Pasco)
4. Absorbers Set
198
‫ מודרנית‬.‫ פ‬/9 '‫ – חוברת מס‬Absorption_b