Ε ι σ α γ ω γ ή στo Εργαστήριο

Πυρηνικής Φυσικής

Θεόδωρος Μερτζιμέκης tmertzi@phys.uoa.gr

@tmertziΓενικέςΠληροφορίες-I

ιστοσελίδαμαθήματος

http://eclass.uoa.gr/courses/PHYS211

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

ΓενικέςΠληροφορίες-II

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

χώροςάσκησης

ΕργαστήριοΠυρηνικήςΦυσικής

ΚτήριοV

ισόγειο

ΕργαστήριοΚορμούΙΙ

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

ΕργαστήριοΚορμούΙΙ

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i © 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

ΒασικοίκανόνεςτουΕΠΦ

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Δεντρώμε,δενπίνουμε,δενκαπνίζουμε

Τακινητάτηλέφωναείναιαπενεργοποιημένα

Εχουμεμαζίμαςτετράδιοεργαστηρίουκαι

αριθμητικόυπολογιστή(όχικινητό!)

ΟιεργασίεςείναιΑΤΟΜΙΚΕΣκαιπαραδίδονταιστο

διδάσκονταΜΙΑβδομάδαμετάτηνεκτέλεσητης

άσκησης.Δεγίνονταιδεκτέςηλεκτρονικέςαποστολές.

ΒασικοίκανόνεςτουΕΠΦ

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Δενπαραβιάζουμετιςσυσκευασίεςτωνπηγών,δεντις

παίρνουμεστοσπίτιμας,δεντιςβγάζουμεεκτός

εργαστηρίου

Δεναποσυνδέουμεκαλώδιαήσυσκευέςγιατίυπάρχει

σοβαρόςκίνδυνοςηλεκτροπληξίαςλόγωυψηλής

τάσηςσταδιάφοραόργανα

Ακολουθούμεπιστάτιςοδηγίεςτουεπιβλέποντα

Σύνοψηασκήσεων

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Μετρήσεις Ακτινοβολίας γ με Ανιχνευτή Σπινθηρισμών

Μελέτη Χαρακτηριστικών του Ανιχνευτή Geiger-Müller

Φασματοσκοπία γ

Χρήση ανιχνευτή Geiger-Müller για τη στατιστική ανάλυση δεδομένων

Θεωρητικό υπόβαθρο

Θεματικέςενότητες

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Ακτινοβολίες(α,β,γ)

Ραδιενεργέςδιασπάσεις(χρόνοςημιζωής)

Στατιστικήανάλυση(χ2)

Αλληλεπίδρασηακτινοβολίας–ύλης

Ανίχνευσηπυρηνικήςακτινοβολίας

Ισότοπα

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Οιπυρήνεςπουέχουντονίδιοαριθμόπρωτονίων,

αλλάδιαφορετικόαριθμόνετρονίων

Ιδιεςχημικέςιδιότητες,αλλάδιαφορετικέςπυρηνικές

ιδιότητες

Z:αριθμόςπρωτονίων(ατομικόςαριθμός)

Ν:αριθμόςνετρονίων

Α:αριθμόςνουκλεονίων(μαζικόςαριθμός)

Ισοτοπικόςχάρτης-ΔιάγραμμαSegré

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

ΑΖΧΝ

Σταθερά&ασταθήισότοπα

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

118στοιχεία

3340ισότοπα

254σταθεράισότοπα

35ισότοπαμεμεγάλουςχρόνουςζωής(>80Ma)

Τοβαρύτεροσταθερόισότοποείναιτο219Bi

Τοελαφρύτεροασταθέςείναιτο3Η

Μέσοςχρόνοςζωής,τ

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Είναιομέσοςχρόνοςζωήςενόςπυρήναπριν

αποδιεγερθεί/μετασχηματισθεί

Χρόνοςημιζωής,t1/2

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Ηαστάθεια

χαρακτηρίζεταιαπότο

χρόνοημίσειαςζωής:t1/2

Είναιοχρόνοςστονοποίομιααρχικήποσότητα

ασταθούςισοτόπουυποδιπλασιάζεται

Χρόνοςημιζωής-μέσοςχρόνοςζωής

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Οχρόνοςημιζωήςείναιμικρότερος

απότομέσοχρόνοζωής

Ησταθεράχρόνουέχειμονάδες

αντίστροφουχρόνου(συχνότητα

διάσπασης)

Πρακτικά,μιααρχικήποσότηταασταθώνισοτόπων

παύειναείναισημαντικήμετάαπόπερίπου4-5

μέσουςχρόνουςζωής

Ενεργότητα

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Οαριθμόςγεγονότωνακτινοβολίαςαπόμιαπηγή

ορίζεταιωςηενεργότητατηςπηγής

ΜονάδεςενεργότηταςστοSIείναιτοBecquerel

(Bq).ΧρησιμοποιείταικαιτοCurie(Ci)

1 Ci = 3.7 x 1010 Bq

Αλυσίδεςδιάσπασης

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Ονόμοςτωνραδιενεργώνδιασπάσεων

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Αρχικέςυποθέσεις

Στατιστικάανεξάρτητοιπυρήνες(τυχαία

διάσπαση)

Ορυθμόςδιάσπασηςεξαρτάταιαπότοείδος

τουπυρήνα

Σεμικρόδείγμα,ηπιθανότηταδιάσπασηςp

εντόςχρόνουδtείναιp~δt–»p=λδt

Ονόμοςτωνραδιενεργώνδιασπάσεων

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Hπιθανότηταναμηδιασπασθεί:

q=1-p=1-λδt

Σεσυνολικόχρόνοt=nδt(1-λδt)n=(1-λt/n)n≈e-λt

Τοπαραπάνωισχύειγιαn–>∞,δt–>0

Σεπραγματικήμέτρηση

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Εστωότικαταγράφεταιορυθμόςδιάσπασηςσεκάποιον

ανιχνευτή,π.χ.Geiger-Muller

ΑνΝει�ναιοαριθμο�ςτωναρχικω�νπυρη�νων,το�τεη

πιθανο�τηταναδιασπασθου�νkσεχρο�νοtθαει�ναι:

Μέσοςαριθμόςδιασπάσεων:

ΚατανομήPoissonκαιχ2

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Στοκατάλληλοόριο,ηδιωνυμικήκατανομήπροσεγγίζει

τηνκατανομήPoisson.

Γιατιςραδιενεργέςδιασπάσειςαπαιτείται:λτ«1

καιΝ~NAvogadro

ΚατανομήPoisson

Σεπειραματικόεπίπεδο,ηεξακρίβωσητωνυποθέσεών

μαςπραγματοποιείταιμέσωτουέλεγχουμιαςστατιστικής

υπόθεσηςμεεφαρμογήτουκριτηρίουχ2

ΤεχνικήMonteCarlo

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Τυχαι�εςδιαδικασι�εςο�πωςηδια�σπασηπυρη�νωνμπορου�ννα

περιγραφου�ναξιο�πισταστονυπολογιστη�χρησιμοποιω�ντας

τηντεχνικη�τηςπροσομοι�ωσηςMonte-Carlo.

Χρησιμοποιείταιγεννήτριαψευδοτυχαίωναριθμώνγιατην

υλοποίησητωνυποθέσεων

υψηλή στατιστική επανάληψη

“αριθμητικού” πειράματος

Απαιτούνται θεωρητικές υποθέσεις για την υλοποίηση του αλγορίθμου

ΠροσομοίωσηMonteCarlo

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

ακτινοβολίες

Ακτινοβολίες

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Ηαστάθειασυνήθωςσυνοδεύεταιαπόεκπομπή

ακτινοβολίας

Ακτινοβολίαα

Ακτινοβολίαβ

Ακτινοβολίαγ

Μετασχηματισμόςτουισοτόπουμεταυτόχρονη

εκπομπήενόςπυρήναηλίου(2p+2n)

Ακτινοβολίαα

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

AZXN

A�4Z�2YN�2

42He

Ηδιάσπασηαμπορείνασυμβείμόνοκάτωαπό

συγκεκριμένεςενεργειακέςπροϋποθέσεις:

Ακτινοβολίαα

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

m(A, Z) > m(A� 2, Z� 2) +m(4, 2)

ήωςσυνάρτησητηςενέργειαςσύνδεσης:

Β(A, Z) < Β(A � 2, Z � 2) + Β(4, 2)

Β(A, Z) < Β(A� 2, Z� 2) + 28.3MeV

Ακτινοβολίαα

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Επιτρεπτήμόνογια:

Q>0

Παραδείγματα

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

23892U ��� 234

90Th + α285112Cn ��� 281

110Ds + α

22688Ra ��� 222

86Rn + α

Φάσμαακτινοβολίαςα

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Πηγή 241Am

Δείγμα νερού από υπέδαφος

Τοφάσμαείναιγραμμικό

Ακτινοβολίαβ

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Ηδιάσπασηβείναι

είτε:

ημετατροπήενόςνετρονίουσεπρωτόνιο

διάσπασηβ-

είτε

ημετατροπήενόςπρωτονίουσενετρόνιο

διάσπασηβ+

Τονετρόνιοστονπυρήναμετασχηματίζεταισεπρωτόνιο

μεταυτόχρονηεκπομπήηλεκτρονίουκαιαντινετρίνου

Διάσπασηβ-

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

n pe-

v

AZXN � A

Z+1 ΥN�1 + e� + νe

Τοπρωτόνιοστονπυρήναμετασχηματίζεταισενετρόνιο

μεταυτόχρονηεκπομπήποζιτρονίουκαινετρίνου

Διάσπασηβ+

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

vp n

AZXN � A

Z�1 ΥN+1 + e+ + νe

e

Ησύλληψηηλεκτρονίουαπόπρωτόνιοδημιουργεί

νετρόνιοκαισυνοδεύεταιαπόεκπομπήνετρίνου

Ηλεκτρονικήσύλληψη,EC

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

n pe-

v

AZXN + e� � A

Z�1 ΥN+1 + νe

Παραδείγματαδιάσπασηςβ

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

διάσπαση β-

διάσπαση β+

Ηλεκτρονική σύλληψη

146 C �14

7 N + e� + νe

189 F �18

8 O + e+ + νe

e� +4019 K �40

18 Ar + νe

Φάσμαακτινοβολίαςβ

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

ΗύπαρξηΔΥΟσωματιδίωνστοκανάλιεξόδουτης

διάσπασηςθέτειμιαασάφειαστοποσότηςενέργειας

πουδιατίθεταιγιακαθένααπότασωμάτια(ν,e).

Τοφάσμαείναισυνεχές

Ακτινοβολίαγ

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

๏Διαφέρειαπότιςα,βστοότιδενεμπλέκει

σωματίδιαμεμάζακαιφορτίο.

๏ΠρόκειταιγιαεκπομπήΗ/Μακτινοβολίαςυψηλής

ενέργειας(~MeV)

๏Το(αόρατο)φωςείναιτοπλεόνασμαενέργειας,

καθώςτοισότοποαποδιεγείρεταισεστάθμη

χαμηλότερηςενέργειας

Ακτινοβολίαγ

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

2+

0+ 0

455.15 21.6 ps

stable78Kr

Ακτινοβολίαγ-137Cs

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i © 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Ακτινοβολίαγ-137Cs

Ακτινοβολίαγ-22Na

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i © 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Ακτινοβολίαγ-22Na

Ακτινοβολίαγ-60Co

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Ακτινοβολίαγ-60Co

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Αλληλεπίδρασηακτινοβολίας-ύλης

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Ανάλογαμετοείδοςτηςακτινοβολίαςεπηρεάζεται

καιηαλληλεπίδρασήτηςμετηνύλη

Βασικήδιαφοράυπάρχειανάμεσασεβαριά

φορτισμένασωμάτια(α,β)καισεφωτόνια(γ,X)

αλληλεπίδρασης ακτινοβολίας – ύλης

ΚαμπύληBragg

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Bethe-Bloch,dE/dx

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Bethe-Bloch,dE/dx

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

κατανομή φορτισμένων σωματιδίων

Κατανομή πιθανότητας για εμβέλεια >Ro

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

εμβέλεια σωματίων σε πυρίτιο

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Μηχανισμοίγιαακτινοβολίαγ

Φωτοηλεκτρικόφαινόμενο

ΦαινόμενοCompton

Δίδυμηγένεση

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Απορρόφησηγαπότοναέρα

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Εξασθένιση

οι ασκήσεις

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

ΟργανολογίαΑνιχνευτήςαερίουGeigerMueller

Κρύσταλλοισπινθηρισμού

Πηγέςραδιενεργώνισοτόπων

Ηλεκτρονικέςμονάδες

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Geiger-Müller

I:Περιοχήεπανασύνδεσης

ΙΙ:Περιοχήιονισμού

ΙΙΙ:Αναλογικήπεριοχή

IV:ΠεριοχήGeiger-Mueller

ȜɋɜɖɋɂɓɐɄȜɋɜɖɋɂɓɐɄ ɔɍɏɒɇɐɊɚɋɄɑ�ȽɈɒɇɋɍȾɍɉɜȽɑɔɍɏɒɇɐɊɚɋɄɑ�ȽɈɒɇɋɍȾɍɉɜȽɑ

ȮɓɎɇɈɛȮɓɎɇɈɛ ɐɓɋɁɂɐɊɍɉɍɀɜȽ�ɐɓɋɁɂɐɊɍɉɍɀɜȽ�ȋ�����ȋ�����ǦǦ�������Ȍ��������Ȍ�Ƚɋɇɖɋɂɓɒɛ�Ƚɋɇɖɋɂɓɒɛ�����������ǦǦ��������������

Introduction to Nuclear Laboratory 46 Physics Dept, UoA, 2011

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Geiger-Müller

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Σπινθηριστές-NaI(Tl)

Βασικέςαρχέςανιχνευτώνσπινθηρισμού

Ηενέργειατωνανιχνευόμενωνσωματίων

μετατρέπεταισεανιχνευόμεναφωτόνια

Διαφάνειαστοπαραγόμενοφως

Γραμμικότηταμετατροπήςενέργειας

Μικρόςχρόνοςαποδιέγερσης,γρήγοροσήμα

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Σπινθηριστές-NaI(Tl)

© 2 0 1 4 | Θ . Μ ε ρ τ ζ ι μ έ κ η ς | h t t p : / / mertzimekis.gr | @ t m e r t z i

Γεωμετρικόςπαράγοντας

ερωτήσεις;