Страница 330 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

№ 7 Измерение естественного радиационного фона дозиметром (выполняется коллективно под руководством учителя)

Цель работы Измерить мощность дозы радиоактивного фона бытовым дозиметром.

Приборы и материалы Дозиметр «Сосна» (рис. 216).

Примечание В зависимости от высоты над уровнем моря и содержания естественных радионуклидов в окружающей среде радиационный фон колеблется в значительных пределах. Для его измерения используют счётчики Гейгера—Мюллера. В бытовых дозиметрах используется счётчик жёсткого (т. е. высокоэнергетического) β- и γ-излучения, способный регистрировать мощность дозы в диапазоне 0,004— 40 мкР/с (микрорентген в секунду).

Указания к работе

1. Положите дозиметр на стол и включите его.

2. Запустите отсчёт импульсов нажатием кнопки «Пуск».

3. Через 40 с подсчёт импульсов будет прекращён (перестанут мерцать точки), на экране высветится значение мощности дозы фонового излучения (в мкР/ч).

Дано:

Время измерения, $t = 40 \text{ с}$.

Диапазон измерения мощности дозы прибора: $0,004 - 40 \text{ мкР/с}$.

Переведем диапазон измерения в единицы мкР/ч, используемые для отображения результата, учитывая, что $1 \text{ час} = 3600 \text{ с}$:

Нижний предел: $0,004 \frac{\text{мкР}}{\text{с}} \times 3600 \frac{\text{с}}{\text{ч}} = 14,4 \frac{\text{мкР}}{\text{ч}}$.

Верхний предел: $40 \frac{\text{мкР}}{\text{с}} \times 3600 \frac{\text{с}}{\text{ч}} = 144000 \frac{\text{мкР}}{\text{ч}} = 144 \frac{\text{мР}}{\text{ч}}$.

Найти:

Мощность дозы естественного радиационного фона, $P$.

Решение:

Задача заключается в выполнении лабораторной работы по измерению мощности дозы естественного радиационного фона с помощью бытового дозиметра «Сосна» и анализе полученных результатов.

Цель работы

Измерить мощность дозы естественного радиоактивного фона в помещении с использованием бытового дозиметра.

Приборы и материалы

Бытовой дозиметр «Сосна» (модель АНРИ-01-02).

Ход работы

Согласно инструкции, приведенной на изображении, порядок действий следующий:

1. Дозиметр необходимо положить на стол и включить.

2. Нажатием кнопки «Пуск» запускается отсчет импульсов. Встроенный в прибор счетчик Гейгера-Мюллера начинает регистрировать ионизирующие частицы (высокоэнергетические β-частицы и γ-кванты).

3. Подсчет импульсов продолжается в течение $t=40$ секунд. В это время на дисплее мигают точки, что сигнализирует о процессе измерения.

4. Спустя 40 секунд подсчет прекращается, и на экране отображается итоговое значение мощности дозы фонового излучения $P$ в микрорентгенах в час (мкР/ч).

Анализ и обработка результатов

Прибор «Сосна» автоматически обрабатывает данные. За 40 секунд он регистрирует определенное количество импульсов $N$ от ионизирующих частиц. Затем это число пересчитывается в мощность дозы $P$ по заложенной в него калибровочной формуле, которая учитывает как чувствительность детектора, так и преобразование единиц времени (измерение за 40 секунд переводится в значение за час). Коэффициент пересчета по времени равен $3600 / 40 = 90$.

Предположим, что в результате измерения на экране дозиметра было получено значение:

$P_{изм} = 15 \text{ мкР/ч}$

Для оценки этого результата сравним его с общепринятыми нормами. Естественный радиационный фон обычно находится в пределах 5-20 мкР/ч. Уровень до 30 мкР/ч считается нормальным и не представляет опасности. Безопасным для длительного пребывания людей считается уровень до 60 мкР/ч.

Полученное гипотетическое значение $15 \text{ мкР/ч}$ находится в пределах нормы для естественного фона и свидетельствует о безопасной радиационной обстановке в месте измерения.

Вывод

В ходе работы была освоена методика измерения мощности дозы радиационного фона с помощью дозиметра «Сосна». Измеренное гипотетическое значение ($15 \text{ мкР/ч}$) показывает, что радиационный фон в месте проведения эксперимента находится на безопасном, нормальном уровне.

Ответ:

Мощность дозы естественного радиационного фона измеряется согласно инструкции к дозиметру «Сосна»: прибор включается, запускается 40-секундный цикл измерения, после чего на экране отображается результат в мкР/ч. Гипотетическое измеренное значение $P = 15 \text{ мкР/ч}$ соответствует нормальному безопасному радиационному фону.

№ 8 Изучение деления ядра атома урана по фотографии треков

Цель работы Применить закон сохранения импульса для объяснения движения двух ядер, образовавшихся при делении ядра атома урана.

Приборы и материалы Фотография треков заряженных частиц (рис. 217), образовавшихся при делении ядра атома урана.

Примечание На данной фотографии вы видите треки двух осколков, образовавшихся при делении ядра атома урана, захватившего нейтрон. Ядро урана находилось в точке g, указанной стрелкой.

По трекам видно, что осколки ядра урана разлетелись в противоположных направлениях (излом левого трека объясняется столкновением осколка с ядром одного из атомов фотоэмульсии, в которой он двигался).

Задание 1 Пользуясь законом сохранения импульса, объясните, почему осколки, образовавшиеся при делении ядра атома урана, разлетелись в противоположных направлениях.

Задание 2 Известно, что осколки ядра атома урана представляют собой ядра атомов двух разных химических элементов (например, бария, ксенона и др.) из середины таблицы Д. И. Менделеева.

Одна из возможных реакций деления ядра атома урана может быть записана следующим образом:

₉₂U + ₀n → ₅₆Ba + _ZХ + 2 ∙ ₀n.

Пользуясь законом сохранения электрического заряда и таблицей Д. И. Менделеева, определите, ядро атома какого элемента обозначено символом _ZХ.

Задание 1

Данное явление объясняется законом сохранения импульса. Рассмотрим систему, состоящую из ядра урана непосредственно перед делением. Будем считать, что ядро урана, захватившее нейтрон, покоилось. Следовательно, его начальный импульс равен нулю.

Пусть $\vec{p}_i$ — это начальный импульс системы (ядро урана до деления). Так как ядро покоится, $\vec{p}_i = 0$.

В процессе деления ядро распадается на два осколка (для простоты не учитываем испускаемые нейтроны, так как их масса и импульс значительно меньше масс и импульсов осколков). Пусть массы осколков равны $m_1$ и $m_2$, а их скорости — $\vec{v}_1$ и $\vec{v}_2$. Суммарный импульс системы после деления, $\vec{p}_f$, будет равен векторной сумме импульсов осколков:

$\vec{p}_f = m_1\vec{v}_1 + m_2\vec{v}_2$

Согласно закону сохранения импульса, полный импульс замкнутой системы тел остается постоянным. В нашем случае это означает, что импульс системы до деления равен импульсу системы после деления:

$\vec{p}_i = \vec{p}_f$

$0 = m_1\vec{v}_1 + m_2\vec{v}_2$

Из этого векторного уравнения следует, что:

$m_1\vec{v}_1 = -m_2\vec{v}_2$

Это равенство означает, что векторы импульсов осколков $\vec{p}_1 = m_1\vec{v}_1$ и $\vec{p}_2 = m_2\vec{v}_2$ равны по модулю, но направлены в строго противоположные стороны. Поскольку массы $m_1$ и $m_2$ являются положительными скалярными величинами, векторы скоростей $\vec{v}_1$ и $\vec{v}_2$ также должны быть направлены в противоположные стороны. Именно поэтому осколки деления разлетаются в противоположных направлениях.

Ответ: Согласно закону сохранения импульса, если начальный импульс ядра урана был равен нулю, то суммарный импульс образовавшихся осколков также должен быть равен нулю. Это возможно только в том случае, если осколки движутся в противоположных направлениях, чтобы их импульсы взаимно компенсировали друг друга.

Задание 2

Дано:

Реакция деления ядра урана:

${}_{92}U + {}_{0}n \rightarrow {}_{56}Ba + {}_{Z}X + 2 \cdot {}_{0}n$

Найти:

Ядро атома какого элемента обозначено символом ${}_{Z}X$.

Решение:

Для определения неизвестного элемента X воспользуемся законом сохранения электрического заряда в ядерных реакциях. Этот закон гласит, что сумма зарядовых чисел (нижних индексов, обозначающих число протонов) частиц, вступающих в реакцию, равна сумме зарядовых чисел частиц, образующихся в результате реакции.

Сумма зарядовых чисел до реакции (в левой части уравнения):

$Z_{начальное} = 92 + 0 = 92$

Сумма зарядовых чисел после реакции (в правой части уравнения):

$Z_{конечное} = 56 + Z + 2 \cdot 0 = 56 + Z$

Приравниваем начальное и конечное зарядовые числа:

$Z_{начальное} = Z_{конечное}$

$92 = 56 + Z$

Теперь найдем неизвестное зарядовое число Z:

$Z = 92 - 56$

$Z = 36$

Зная зарядовое число (атомный номер), мы можем определить химический элемент по периодической таблице Д. И. Менделеева. Элемент с атомным номером 36 — это криптон (Kr).

Ответ: Символом ${}_{Z}X$ обозначено ядро атома криптона (${}_{36}Kr$), так как его зарядовое число Z = 36.