Постановка исследовательских работ по ядерной физике в лабораторном практикуме

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Марийский государственный педагогический институт им. Н.К. Крупской

Кафедра физики

Постановка исследовательских работ по ядерной физике в лабораторном практикуме

В.А. Белянин, к.ф.-м.н., доцент

Аннотация

Разработано оборудование и методическое обеспечение 12 исследовательских лабораторных работ по ядерной физике. Работы предназначены для студентов, изучающих общий курс физики. Источниками радиоактивности являются соли калия, космическое излучение и естественная радиоактивность воздуха.

Ключевые слова: лабораторные работы, ядерная физика, студенты, соли калия.

Belyanin V.A. The organization of research work on nuclear physics under condition of student practical work

The equipment and methodical advices for 12 research student laboratory works on nuclear physics were worked out. The work is intended for students studying basic course of physics. As radiation sources are used potassium-salt, cosmic rays and the natural radioactivity of the air.

Keywords: practical works, nuclear physics, students, potassium salts.

Постановка любой лабораторной работы по курсу общей физики является достаточно сложной технической и научно-методической задачей. Лабораторная установка должна качественно воспроизводить физическое явление и наглядно показывать, как оно возникает и протекает. Установка должна обеспечивать высокую точность получаемых экспериментальных и определяемых физических величин и не должна быть "закрытой" для студента. Приборы и методическое обеспечение должны давать возможность проводить самостоятельные, законченные исследования физических процессов, получать комплекс экспериментальных данных, обеспечивающих достаточную физическую интерпретацию исследуемого явления.

Возможность выполнения студентами учебно-исследовательских работ - это требование было положено нами в основу разработки лабораторного практикума и соответствующего оборудования по ядерной физике для педагогических вузов.

Основой лабораторного практикума стал созданный нами комплект приборов, который получил название "Арион". Совместно с методическим обеспечением он представляет собой полную учебную лабораторию ядерной физики педагогического вуза. В рамках своих возможностей данная лаборатория уникальна тем, что не требует для работы искусственных изотопов в качестве радиоактивных источников. Мы используем только космическое излучение, изотопы, содержащиеся в атмосферном воздухе и соли калия. Химически чистая соль KCl (ГОСТ 4324-48) обладает слабой естественной радиоактивностью изотопа K⁴⁰. Его удельная активность составляет 3,87 10^-7 Ки/кг, что абсолютно безопасно для человека и не требует специальной защиты. Слабая активность радиоактивного источника компенсируется в лабораторных установках достаточно большой площадью счетчиков и достаточно большим объемом радиоактивного препарата. Достоверные результаты получаются при времени экспозиции от одной до пяти минут.

Измерение и регистрация ядерных излучений осуществляется счетчиками Гейгера-Мюллера. Лабораторные работы рассчитаны на студентов высших и средних учебных заведений, в частности педагогических вузов, изучающих общий курс физики, но не специализирующихся в области ядерной физики.

Комплект приборов «Арион» состоит из базового измерительного блока и соответствующего оборудования, позволяющего фронтально выполнять до 12 лабораторных работ. Большая часть этих работ являются оригинальными. Электронный измерительный блок, выполненный в виде отдельного прибора, содержит источник стабилизированного напряжения для подключения двух групп счетчиков Гейгера, секундомер и счетчик импульсов с цифровой индикацией. Максимальная частота счета составляет до 10⁴ импульсов за секунду, выходное стабилизированное напряжение счетчика можно изменять в пределах от 250 до 1000В. Блок измерительный является законченным прибором, который обеспечивает питание счетчиков типа СТС-6, измерение числа импульсов, поступающих от счетчиков, а также времени, в течение которого происходит это измерение.

Блок-схема прибора приведена на рис. 1. В режиме ручного управления счетчик импульсов и секундомер работают независимо друг от друга.

Рис. 1. Блок измерительный. ФИ - формирователь импульсов, БСИ - блок совпадения импульсов, БКР - блок коммутации режимов, СИ - счетчик импульсов, БИ - блок индикации, БП - блок питания, БУ - блок управления, ЗГ - задающий генератор, БД - блок делителей

Электронный блок предоставляет студенту широкие возможности для творческой учебно-исследовательской работы. Он позволяет, например, подключать различное количество счетчиков по одному или двум каналам, устанавливать нужное рабочее напряжение на счетчиках, свободно выбирать время измерения, останавливать счет, одной кнопкой запускать часы и счетчик импульсов.

Специализированное оборудование комплекта составляют свинцовые камеры для размещения измерительной ячейки со счетчиком, а также приборы «Телескоп» и «Фильтр», предназначенные для изучения состава и свойств космического излучения.

Рис. 2. Свинцовая камера в разрезе. 1 - корпус, 2 - счетчики СТС-6, 3 - плата счетчиков, 4 - поглотитель в - излучения, 5 - коллиматор, 6 - кювета с радиоактивным источником

Счетчик в свинцовой камере, предназначенной для изучения радиоактивности атмосферного воздуха, располагается по оси камеры и закрыт чехлом из фильтровальной ткани, через которую прокачивается воздух.

Рис. 3. Прибор «Телескоп». 1 - подставка, 2 - счетчики, 3 - поворотная рама, 4 -шкала, 5 - стойка

Рис. 4. Прибор «Фильтр». 1 - подставка, 2 - стойки, 3 - свинцовые пластины, 4 -счетчики

Прибор «Телескоп» (рис. 3) предназначен для измерения интенсивности вторичного космического излучения, распространяющегося под углами к вертикали в пределах от нуля до 90⁰. Основу конструкции прибора составляют две группы счетчиков СТС-6, закрепленных на поворотной раме и включенных по схеме совпадений. При необходимости для исключения мягкой компоненты космического излучения между счетчиками располагается свинцовый фильтр необходимой толщины.

Прибор «Фильтр» (рис. 4) предназначен для определения интенсивностей жесткой и мягкой компоненты космического излучения, идущего в вертикальном направлении. Основу конструкции составляют две неподвижные группы счетчиков, включенных по схеме совпадения, и свинцовые пластины между ними. Пластины из свинца закреплены подвижно. Нужная толщина свинцового фильтра (до 20 см) достигается подбором пластин.

К настоящему времени разработаны и поставлены следующие лабораторные работы: экспериментальное исследование распределения числа регистрируемых частиц в серии измерений с фиксируемым временем регистрации; изучение счетчика Гейгера-Мюллера; определение периода полураспада радиоактивных изотопов, содержащихся в атмосферном воздухе; определение процентного содержания калия в смеси солей; определение коэффициента поглощения в-излучения в различных средах; исследование поля излучения радиоактивных источников простой геометрической формы; изучение состава космического излучения; изучение углового распределения жесткой компоненты космического излучения.

В качестве примеров выполняемых исследований рассмотрим результаты лабораторных работ по изучению поглощения электронов в алюминии (рис. 5, стандартная работа) и исследованию радиоактивности атмосферного воздуха (рис. 6).

Рис. 5. Кривая поглощения в-частиц в алюминии (радиоактивный источник - соль KCl, поглотитель - алюминиевая фольга)

Рис. 6. Активность атмосферного воздуха (начало отсчета времени совпадает с началом продувания воздуха через фильтр)

График дает информацию о нарастании активности радиоактивных изотопов в период продувания воздуха через прибор в течение 20 минут. Однозначно фиксируется тот факт, что это нарастание продолжается в течение почти еще почти 10 минут после окончания продувания воздуха. Кривая распада позволяет оценить период полураспада изотопов и получить его значение, близкое к периоду полураспада радиоактивных изотопов, содержащихся в атмосферном воздухе.

Обработка полученных экспериментальных зависимостей осуществляется с помощью программного пакета “Microcal Origin”, позволяющего производить математическую обработку результатов лабораторных работ и представлять их в виде таблиц и графиков.

Лабораторные установки абсолютно безопасны как для студентов, так и для преподавателей, просты и надежны в эксплуатации, в то же время - физически наглядны, обеспечивают возможность непосредственной работы с ними. Обучающийся осознанно выполняет физический эксперимент, может понять суть производимых операций и роль каждого узла экспериментальной установки. Инструкции и описания составлены так, что каждая лабораторная работа является для студентов исследовательской. Лабораторные установки позволяют проводить не только учебные работы лабораторного практикума курса общей физики, но и исследования в рамках выполнения курсовых и дипломных работ.

Литература

1. Белянин В.А. Современная лаборатория ядерной физики в педагогическом институте // Вестник Марийского гос. пединститута им. Н.К. Крупской. - 2004. - № 1.

2. Жуковский Ю.Г. и др. Практикум по ядерной физике. Учебное пособие / Под ред. В.О. Сергеева. - Высшая школа, 1975.

Размещено на Allbest.ru