Fizik Nükleer Fizik Laboratuvar Deneyleri F F Fİ İ İZ Z Z- - -4 4 45 5 52 2 2 N N NÜ Ü ÜK K KL L LE E EE E ER R R F F Fİ İ İZ Z Zİ İ İK K K L L LA A AB B BO O OR R RA A AT T TU U UV V VA A AR R R D D DE E EN N NE E EY Y YL L LE E ER R Rİ İ İ Prof. Dr. Güneş TANIR Doç.Dr.Mustafa H. BÖLÜKDEMİR 2011-ANKARA Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 2 İÇİNDEKİLER DENEY 1 Sayma Gstatistiği 3 DENEY 2 Geiger Muller (G-M) Tüpünün ÇalıGma Voltajı ve Veriminin Tayini 8 DENEY 3 Geiger Muller (G-M) Tüpünün Ölü Zamanının Tayini 12 DENEY 4 - Bozunma Enerjisinin Tayini 15 DENEY 5 Cs – 137 Kaynağının Spekturmunun Çizilmesi ve Sintilasyon Dedektörlerinin ÇalıGma Voltajının Tayini 17 DENEY 6 Gamma IGinlarinin Absorbsiyonu 22 DENEY 7 -Parçacıkların Soğurulması 24 DENEY 8 Radyasyon Soğurulması Metoduyla Kalınlık Tayini 27 DENEY 9 Yarı-Ömür Tayini 31 DENEY 10 Yoğunluk Ölçümü 33 DENEY 11 Sis Odasında -Parçacıklarının Gözlenmesi 35 Kaynaklar 39 Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 3 DENEY 1 SAYMA İSTATİSTİĞİ DENEYİN AMACI Ölçümlerin doğruluğunu artırmak GİRİŞ Biliyoruz ki bir radyoaktif çekirdeğin bozunması rastgele bir olaydır. Rastgele olaylar olasılık yorumlarıyla anlatılır. Bu deneyde, radyoaktivite ölçümlerindeki doğal hatanın nasıl azaltılabileceği görülecektir. DENEYDE KULLANILAN ALETLER: 1- G-M tüpü 2- Sayıcı (Scaler Timer ST 7) 3- Radyoaktif kaynak olarak Co-60 DENEYİN YAPILIŞI 1. Kaynağı, fazla sayımın elde edilebileceği rafa yerleGtiriniz. 1 dakikalık 20 gözlem yapınız. Her bir sayımı kaydedeniz (n). 2. Taban sayımı için de aynı iGlemi tekrarlayınız. 3. Gözlenen sayımlar n (sayımı) n-n (n-n ) 2 n (Co-60) (n- ) n (n- ) n 2 1 2 3 4 5 . . . . 20 n 20 A Ortalama sayım (hızı). n Standart sapma: Bir verinin ortalama değerden sapma miktarıdır. gerçek gözlem nn ? Gerçek sayım S = 19 / C Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 4 HESAPLAMALAR 1. n , 20 sayımın ortalama değeridir. n ?yi her bir n değerinden çıkararak tabloya kaydediniz. Bunların toplamı B değerini verir. Bu değerin “0” olması gerekir. Sonuç “0” değilse çalıGmaya tekrar dönünüz. B?yi bulmanın baGka bir amacı yoktur. 2. Bulunan (n-n ) değerlerinin her birinin karesini alın ve kaydedin. (n-n ) 2 değerlerini toplayarak C?yi elde edin. 3. yı hesaplayın. Bu değer n ?nin kareköküdür. ?ya standart sapma denir. Eğer değerleriniz tam olarak rasgele ise n?ni gözlenen değerlerinin % 68?i yani 20 değerin 13?ü (n- ) ile (n+ ) arsında olmalıdır. 4. S değerini hesaplayınız. S kaynağın standart sapmasıdır. Bunu bulmak için C?yi yani (n- n ) 2 nin toplamını 19?a bölünüz ve karekökünü alınız. 5. Alınan sayımlar gerçekten rastgele ise, gözlemlerin sayısı arttıkça S değeri değerine yaklaGacaktır. GENEL YORUMLAR Tam olarak rasgele olmak demek, olayların bir önceki olaydan ve çevresel parametrelerden etkilenmeden oluGması demektir. Poisson ve Gaussian dağılımlarının her ikisi de tam olarak rasgele olayları tanımlarlar. Poisson ve Gaussian dağılımlarının karGılaGtırılması Pn, Poisson?a göre olasılıktır. Gerçek sayım, ise gözlenen sayımın özel bir değeri de n?dir. Gaussian dağılımını ( = Normal dağılım) hesaplamak daha kolaydır. Gn, özel bir gözlenmiG değeri elde etme olasılığıdır. Gerçek sayım ?ü doğrudan ölçmek istersek istatistik ile bunu baGarabiliriz. ?nün en iyi tahmini n ?dır. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 5 N n N n n n n n i ... 3 2 1 dir. Gaussian dağılımı ve (standart sapma) parametreleriyle tanımlanır. Standart sapma, = dür. Unutmamak gerekir ki , gerçek ortalama değeri ve tam olarak rasgele olan veriler için beklenen dağılımı göstermektedir. Teorik olarak gözlenen değerlerin hepsinin % 68,3?ü - ile + arasında olmalıdır. Pratikte değeri ölçülmez. Bu yüzden n, ?nün en iyi tahmin edilen değeri olarak kullanılır ve standart sapma = n dir. Gözlenen olaylar tam olarak rasgele ise gözlenen sayımların % 68.3?ü n- ile n+ arasında olmalıdır. AGağıdaki Gekillerde görülüyor. Gaussian dağılımı Gözlenen kaynak dağılımı (katı çizgi) Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 6 SAYMA İSTATİSTİĞİ Taban sayımı için Gözlenen sayımlar n (Sayım) n n 2 ) ( n n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 A = B= C = 20 A n n 19 C S n - = Bütün sayımlar ....... ile ....... arasında n + = Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 7 Cs – 137 için: Gözlenen sayımlar n (sayım) n n 2 ) ( n n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 18 19 20 A = B = C = 20 A n n 19 C S n - = Bütün sayımlar ............ile ......... arasında n + = Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 8 DENEY 2 GEİGER MULLER (G-M) TÜPÜNÜN ÇALIŞMA VOLTAJI VE VERİMİNİN TAYİNİ DENEYİN AMACI G-M Sayacının çalıGma voltajını tayin etmek ve çeGitli tipteki radyasyonlar için G – M sayacının verimini tespit etmek. GİRİŞ Tüplerinin farklı yapılarından dolayı tüm G–M sayaçları aynı voltajda çalıGmazlar. Radyoaktif madde tüpe yaklaGtırılır ve voltaj yavaG yavaG sıfırdan itibaren artırılırsa sayaç bir baGlangıç potansiyeline kadar saymaz. Bu baGlangıç potansiyeli “EgGK DEĞER” dir. Bu değerden sonra potansiyel artırılmaya devam edilirse sayma hızında az bir artıG olur. ArtıGın olduğu bölge “PLATO” bölgesidir. Tüpe fazla zarar vermemek açısından “ÇALIgMA VOLTAJI” platonun eGik değerden sonra yaklaGık olarak %25?inde bulunur. Voltaj artırılmaya devam edilirse sayma hızı tekrar hızlıca artmaya devam edecektir. Bu bölgede tüp bozulur. G-M tüpünden gelen sayımlar ST 7 sayma düzeneğinden gözlenir. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 9 DENEYDE KULLANILAN ALETLER 1- G-M tüpü (Type: ON212, seri no : 44306, op.vol: 1460 V) 2- Sayıcı (Scaler Timer ST) 3- Radyoaktif kaynak: ÇalıGma voltajının tayininde Ra-226 (?, ß, ? kaynağı), veriminin tayininde Sr-90(ß kaynağı) , Cs-137, Ra-226. kullanılabilir. DENEYİN YAPILIŞI ÇalıGma Voltajının Tayini: Scaler Timer ST 7 „de, 1- Preset Time (sayma süresi) :60 Thereshold (eGik değer) :040 Preset count (sayım) :5.10 5 Display select (ekran) :TREND Window (pencere) :020 değerlerine getiriniz. 2-H.V.?ı 0?dan baGlayarak artırınız. Sayımları kaydediniz. Kaynak Voltaj Sayım (cps) Voltaj Sayım (cps) 3- X-ekseni voltajı, y-ekseni sayımı göstermek üzere grafiği çiziniz. 4-Grafikten uygun çalıGma voltajını tayin ediniz. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 10 VERİMİN TAYİNİ: GİRİŞ Bir radyoaktif kaynaktan her doğrultuda parçacık yayınlanır. Yayınlanan parçacıklardan bazıları tüpe çarpamayacağından G-M çıkan her parçacığı sayamaz. Bu deneyde, farklı izotoplar için G-M tüpü sayma sisteminin, toplam bozunma hızı, sayma hızı ile mukayese edilerek, verimi hesaplanacaktır. İŞLEMLER 1- H.V.:730x2=1460 volt 2- Present Time :60 3- Therehold :040 4- Present Count :5.10 5 5- Display Select :TREND 6- Windows :020 değerlerine getiriniz. Bir radyoaktif kaynaktan her doğrultuda parçacık yayınlanır. Yayınlanan parçacıklardan bazıları tüpe çarpamayacağından G-M çıkan her parçacığı sayamaz. Bu deneyde, farklı izotoplar için G-M tüpü sayma sisteminin, toplam bozunma hızı, sayma hızı ile mukayese edilerek, verimi hesaplanacaktır. DENEYİN YAPILIŞI 1) Tüp ayağının 1. rafına bir kaynak koyunuz ve 5. dak. Sayarak aktiviteyi (sayma/dak) kaydediniz. 2) Diğer iki kaynakla da aynı iGlemi tekrarlayınız. Bütün verileri kaydediniz. 3) Backgraoundu tespit edip kaydediniz. 204 Tl 90 Sr 133 Ba Ortalama aktivite (cpm) Background (taban sayımı) DüzeltilmiG aktivite Verim (%) Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 11 HESAPLAMALAR Bütün aktiviteler taban sayımı ve çözme zamanı için düzeltilmelidir. Her bir izotop için aGağıdaki formülü kullanarak verimi (%) hesaplayın. CK r Verim ) 100 ( % Burada; r = DüzeltilmiG aktivite (sayım/dak.) C = Kaynağın aktivitesi, ci K = Bir sabit 2,22 . 10 6 dpm/ ci 14 C, düGük enerjili -parçacıkları (0,154 MeV) yayınlar. 204 Tl ün yayınladığı ?ların enerjileri ise, 0,77 MeV ile (orta) değerdedir. ?ların hangi tipi verimi daha fazlalaGtırır orta mı, yavaG mı ? Cevabınız mantıklı mıdır? 133 Ba gamma ıGınları yayınlar. G-M sayacının verimini -parçacıkları ve gamma parçacıkları için karGılaGtırınız. Hangisi için verim fazla olacaktır, tahmin yürütünüz. SORULAR 1) Her izotop için hesapladığınız verim, sadece o izotop için mi geçerlidir? Açıklayınız. 2) Farklı raflar kullanılırsa verim değiGir mi? Açıklayınız. 3) G-M tüpünün verimini ıGınları için nasıl artırabilirsiniz ? DENEYDE ELDE EDİLEN SONUÇLAR 204 Tl 90 Sr Ortalama aktivite (cpm) Background (taban sayımı) DüzeltilmiG aktivite Verim (%) Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 12 DENEY 3 GEİGER MULLER (G-M) TÜPÜNÜN ÖLÜ ZAMANININ TAYİNİ Gerçek-Ölçme Zamanı AMAÇ G-M tüpünün ölü zamanını tayin etmek GİRİŞ Bir G-M tüpü, ekseni boyunca ince bir tungsten tel gerilmiG içerisi asal gaz ile dolu bir iletken silindirden ibarettir. Bu asal gaz iyonlayıcı bir parçacık geçtiğinde, gaz atomlarına çarparak elektronlarını söker. Elektronlar pozitif gerilimde tutulan eksen tele doğru hareket ederler ve anoda yaklaGırken yeni iyonlaGmalara neden olabilecek Gekilde hız kazanırlar. Böylece ikincil elektronlar da hızlıdırlar ve yeni baGka elektronların oluGmasına neden olurlar. Böylece tüp içerisinde tele yakın yerlerde bir elektron çığı meydan gelmiG olur. Bu elektron çığı bir gerilim atması doğurur ve bu atma dolaylı olarak iyonlayıcı parçacıkları saymamızı sağlar. Gyonlama sırasında meydana gelen ve elektronlara göre çok ağır olan pozitif iyonlar katoda doğru yavaG Gekilde hareket ederler ve anot yakınlarındaki elektriksel alanı zayıflatırlar. Bu olay tüpe uygulanan gerilimin düGmesi demektir. Dolayısıyla bu esnada gelen bir iyonlayıcı parçacığın oluGturduğu elektronlar yeterli derecede hızlanamayacak ve elektron çığı oluGturulamayacaktır. Bu durum, tüpün gelen iyonlayıcı parçacıklara tam hassas olmadığı durumdur ve bu, tüp gerilimin yine eski değerine dönmesine kadar sürer. GGte saymanın yapılamadığı bu zaman aralığına “ölü zaman” denir. Yüksek zamanlarda önemli hatalara neden olabileceğinden bir G-M tüpünün ölü zamanın bulunması ve bütün sayımların buna göre düzeltilmesi gerekir. G-M tüpünün ölü zamanı saniye olsun. Bu her sayımdan sonra sayaç tüpünün s süreyle sayma yapmaması demektir. Ölçtüğümüz sayma hızı saniyede n, saymamız gereken asıl sayma hızımız ise saniyede n olsun. Buna göre 1 sn?de sayılmayanların toplamı N-n olacaktır. Sayıcının bir saniyede duyarlı olmadığı zamanların toplamı n olur. O halde, N – n = N x n veya N n 1 1 (1) (1) ifadesi seriye açılırsa, N n + n 2 (2) elde edilir. Aktiflikleri birbirine yakın iki kaynağın ölçülen aktiflikleri r 1 ve r 2 ikisinin birden ölçülen aktiflikleri r 12 olsun. Bunlardan elde edilmesi gereken gerek sayımlar da N 1 , N 2 ve N 12 olsunlar. Taban sayması ise (2) den Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 13 DENEYDE KULLANILAN ALETLER 1-G-M tüpü 2- Scaner ST 7 3- Kaynak tutucu 4- Kaynak ( 204 Tl ve 90 Sr) DENEYİN YAPILIŞI Aktiflikleri birbirine yakın iki kaynak alınız. 1. 1. kaynağı Gekilde gösterildiği gibi A pozisyonunda ki gibi yerleGtiriniz ve 5 dakika sayınız. Aktiviteyi kaydediniz (sayım/dak) (r 1 ) (r 1 ) kaynağını kaldırınız.. 2. 2. kaynağı B pozisyonundaki gibi yerleGtiriniz, 5 dakika sayınız. Aktiviteyi hesaplayıp kaydedin (sayım/dak) (r 2 ). (r 2 ) kaynağının kaldırın. 3. Gki kaynağı beraber yerleGtirip aktiviteyi 5 dakika sayınız ve sayım/dak olarak kaydediniz (r 12 ). 4. Her iki kaynağı kaldırıp taban sayımını kaydediniz. Çift kaynak metodu ile ölü zaman tayini 5. = 2 1 12 2 1 2 r r B r r r formülünü kullanarak ölü zamanı tayin ediniz. 6. ?yu kullanarak numunenin aktivitesi Gu formüller düzeltilebilir. R = t r 1 Burada; r, gözlenen aktivite R, düzletilmiG aktivitedir. Deneyde Elde Edilen Sonuçlar ÇalıGma voltajı . 1460 V Kullanılan kaynaklar : Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 14 1) 204 Tl 2) 90 Sr Sonuç: 1) Tl kaynak 204 . 5dak zaman 325 ) (aktivite 2) Tl kaynak 90 . 5dak zaman 1089 ) (aktivite 3) Sr ve Tl kaynak 90 204 . 5dak zaman 1363 ) (aktivite 4) yok kaynak kaynak . 5dak zaman 10 ) (aktivite Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 15 DENEY 4 - BOZUNMA ENERJİSİNİN TAYİNİ DENEYİN AMACI - Bozunmasında, ?ların maksimum enerjisinin tayin edilmesi. GİRİŞ Çekirdekten yayınlanan -parçacıkların enerji değerleri, “0” ile maksimum arasındadır. - parçacıklarının maksimum enerji değeri izotopun belirlenmesinde çok önemli bir faktördür. Bu deneyde, -parçacıklarının menzili, onların bir soğurucudaki azalmaları ölçülerek bulunacak ve çizilen absorbsiyon eğrisi ekstropole edilecektir. Menzil (R), 0,212 R 1,84 Em olarak bilinen amprik formülde yerine yazılacaktır. R (g/cm 2 ) kullanılır. -parçacıklarının absorbsiyon eğrisi DENEYDE KULLANILAN ALETLER 1. -„lar için Sintilasyon sayacı 2. Soğurucular 3. Tl – 204 ( - kaynağı) DENEYİN YAPILIŞI 1. H. V. = 260 x 2 = 520 V Preset Time (ölçüm süresi) : 30 Thereshold (eGik) : 0.0 Preset count (sayım) : 5.10 5 Display select (ekran) : TREND Window (pencere) : 300 DIF S. C. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 16 değerlerine getiriniz. 2. 226 Ra „yı sintilasyon sayacının önündeki 2. rafa yerleGtiriniz. Sayaç ile kaynak arasında soğurucu kaynak için 1 raf kalmalıdır 3. En ince soğurucudan en kalın soğurucuya kadar, her soğurucu için ayrı ayrı 30 s?lik sayımlar alın ve sayımların ortalamalarını alarak kaydedin. Sonuçları taban sayımına göre düzeltmeyin. Soğurucu kalınlığı (mg/cm 2 ) Aktivite (cpm) Log Aktivite BoG - - - - - - - - - - - 4. Aktivitenin logaritması y-ekseninde, soğurucu kalınlığı x- ekseninde olmak üzere grafiği içiniz. Bulunan eğriye ekstropole ediniz. 5. Grafikte bulunan değeri 1000?e bölerek verilen ampirik eGitlikte yerine koyunuz ve bulunan enerji değerini -bozunma enerjisi ile kıyaslayınız. Hata hesabı yaparak ne kadar hata yapıldığını bulunuz. Sonuç: 226 Ra için Q = 0,765 MeV -BOZUNMA ENERJİSİNİN TAYİNİ Tl – 204 için: Soğurucu kalınlığı (mg/cm 2 ) Aktivite (cpm) LogAktivite BoG 10 20 Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 17 DENEY 5 Cs – 137 KAYNAĞININ SPEKTURMUNUN ÇİZİLMESİ VE SİNTİLASYON DEDEKTÖRLERİNİN ÇALIŞMA VOLTAJININ TAYİNİ DENEYİN AMACI GİRİŞ Çekirdekteki proton veya nötronların bir enerji seviyesinden daha düGük enerji seviyesine geçiGlerinde nükleer radyasyon yayınımı ortaya çıkar. Bu nükleer radyasyonlar izotopun enerji karakteristiklerinin spektrumunu verirler. Bu spektrumu gözlemek için radyasyonun enerjisinin elektrik sinyallerine (pulslara) çevrilmesi gerekir. Pulsların genlikleri kinetik enerji ile orantılıdır. Çekirdek bozunumlarının en yaygın olanı olan gamma ( ) bozunumlarında kullanılan dedektörler genellikle NaI (Tl) sintilasyon sayacıdır. Sintilasyon sayacını kullanırken radyasyon hakkındaki bilgi window ve threshold kullanıcılarından elde edilebilir. Kaynaktan gelen radyasyon sintilatörün atomları ile etkileGerek görünür bölgede ıGık yayınlar. Fotokatot üzerine gelen bu ıGık fotoelektron çıkarır. Bu elektronlar dynodlarda çoğaltılır. Bu sperkturumu gözlemek için dar bir aralık alınması gerekir. Bunu window ile yaparız. Window?un en küçük aralığı olan 020 Div ile belirlenir. Sintilasyon sayacının çalıGma voltajı H.V. arttırılarak bulunur. Bulunan H. V. ve window sabit tutulup threshold 0-800 Div. arasında 20?Ger 20?Ger artırılarak sayımlar elde edilir. DENEYDE KULLANILAN ALETLER 1. Sintilasyon sayacı (Kuyu Tipi) 2. Scaner Timer ST 7 sayıcısı veya SR8 3. Radyoaktif kaynaklar (Cs-137 ) İŞLEMLER 1. Window : 020 div. ve thereshold : 200 div?e iken H. V.?in bulunması 2. Thershold değiGtirilerek spektrumun elde edilmesi 3. Taban sayım ölçümü 4. Ölçülen sayımlardan taban sayımı çıkartılarak thereshold-sayım grafiği çizilir. 5. x-ekseni thershold , y-ekseni düzeltilmiG sayımdır. DENEYİN YAPILIŞI 1. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 18 Scaner Timer ST 7 sayıcısı S.C. ve INT moda getiriniz. H. V.?nın bulunması Preset Count(sayım) : 5 x 105 Preset Time (sayma süresi) : 30 Display Select (ekran) : RATE C. P. S. Window (pencere) : 020 div. ve Thershold (eGik) : 650 div?de iken H. V.?ı belirli aralıklarla artırarak (100V?dan baGlayarak) sayımlar elde edilir. Kaynağın fotopik değerine karGılık gelen H. V. değeridir. SR8 ve sayıma hazılanması HV : 0 CHANNEL 1 Threshold : 662 Window : 20 ( E) KV : 0-1 AMP GAIN . *1 PRINT : OFF TEST : kapalı KONTROL PANELİ A2*200#4 : 20s sayım icin A2*300#4 : 30s sayım icin H.V. : …………….(Volt) Threshold = 662 (Cs-137 için) Buradan elde edeceginiz maksimum sayıma karsılık gelen HV değeri sabitlenir ve yan tab-loya gecilir. Bu tablo grafiğe dönüGtürüldüğünde Cs-137 için karakteristik spektrum elde edilebile- cektir. Böylece kullandığımız sintilasyon sayacının (Kuyu tipi) çalıGma voltajı 520 div (1040 Volt)?tur. 2. Threshold değiGtirilerek spektrumun elde edilmesi H.V.(Voltaj) Sayım Hızı (cps) H.V.(Voltaj) Sayım Hızı (cps) 400 610 410 620 420 630 430 640 440 650 450 660 460 670 470 680 480 690 490 700 500 710 510 720 520 730 530 740 540 750 550 760 560 770 570 780 580 790 590 800 600 Threshold Sayım hızı (cps) Threshold Sayım hızı (cps) 100 620 150 630 200 640 250 650 300 660 350 670 400 680 450 690 500 700 510 720 520 740 530 760 540 780 550 800 560 820 570 840 580 860 590 880 600 900 610 Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 19 Not: Scaner Timer ST 7 sayıcısını S. C. ve Diff Moda getiriniz. a. Window : 020 div ve thershold : 652 div?de iken H. V. değiGtirilerek sayım elde edilir. H. V (div) Sayım 0 280 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 450 500 b. Window : 020 div ve H.V. 320 div. (640 Volt)?da iken threshold 20?Ger 20?Ger artırarak sayımlar elde edilir. Not. H. V.?ın 1 tam dönüGü 2 volta karGılık gelir. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 20 Cs – 137 için T. H. Sayım 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 480 500 520 540 560 580 600 610 620 630 640 650 660 670 680 700 720 740 760 780 800 850 800 Co– 60 için T. H. Sayım 0 020 040 060 080 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 650 700 750 800 850 900 Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 21 3. Background (Taban Sayımı) Window : 020 div ve H.V. : 300 div iken threshold belli aralıklarla artırılır ve sayımlar alınır. Taban sayımında kaynak olmadan sayım alınır. T. H. Sayım 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 800 800 Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 22 DENEY 6 GAMMA IŞINLARININ ABSORBSİYONU DENEYİN AMACI -ıGınlarının absorpsiyonunun incelenmesi GİRİŞ -ıGınları, ve -parçacıklarından farklı olarak e.m dalgalarıdır. -ıGınları, yayılan fotonlardır ve ıGık hızıyla (3 . 10 10 cm/s) yayılırlar. -ıGınları, x-ıGınları, görünür ıGık, radyo dalgaları arasındaki fark e.m spektrumda gösterilmiGtir. ve x ıGınları arasındaki önemli fark doğum yerleridir. X-ıGınlarının kaynağı çekirdek dıGıdır. ?ların kaynağı ise çekirdektir. ?ların madde ile etkileGmesi çok farklı Gekillerde olmasına rağmen bu deneyde sadece absorpsiyonları göz önüne alınacaktır. Bir -ıGını demeti soğurucu materyal üzerine gelirse bir kısmı geçecek, bir kısmı absorplanacak bir kısmı da saçılacaktır. Soğurucunun kalınlığı artırılırsa geçen radyasyon kesri azalır. Tam yarıya düGmesi için gerekli kalınlık, yarı-değer kalınlığıdır. X 1/2 (=HVL) olarak gösterilir. Yani radyasyonun Giddetini %50 azaltmak için gerekli olan soğurucu kalınlığıdır. - radyasyonunun absorpsiyonu DENEYDE KULLANILAN ALETLER 1-Sintilasyon sayacı 5- ST 7 sayıcısı 6- KurGun ve alüminyum soğurucuları 7- Kaynak (Cs-137). Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 23 DENEYİN YAPILIŞI Gamma kaynağı (Cs-137) , sintilasyon sayacı veya GM tüpü kullanılabilir. 1. Taban sayımını kaydediniz, Gamma-kaynağını detektörün önünden 2. veya 3. rafa yerleGtiriniz 2. Soğurucu yokken sayım alınız. 3. En ince soğurucudan baGlayarak farklı soğurucular için sayımlar alınız. Soğurucu kalınlığı (mg/cm 2 ) Aktivite cpm DüzeltilmiG Aktivite cpm ? n DüzeltilmiG aktivite HESAPLAMALAR 1) Aktiviteleri taban sayımına göre düzeltiniz. 2) Yarı-log kağıda, düzeltilmiG aktiviteler y-ekseni ve soğurucu kalınlığı x-ekseni olmak üzere çiziniz. X 1/2 yi hesaplayınız. 3) -ların soğurulmasını -soğurulmasıyla karGılaGtırınız. Fark nedir ? -ların absorpsiyonu radyoaktif-bozunma formundadır. I dx dI absorpsiyon katsayısı I -ların Giddetidir. 0 nI x nI dx I dI ? ? x I I n 0 ? I = 0 2 1 I ise X = X 1/2 X 1/2 = 693 , 0 veya X 1/2 = ) ( 693 , 0 0 nI nI X ? ? x I I n 0 ? Deneyde ölçülen sayım I ile orantılı olduğundan x R R n 0 ? yazılabilir. ? nR = ? nR 0 - x Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 24 DENEY 7 -PARÇACIKLARIN SOĞURULMASI DENEYİN AMACI - parçacıkların soğurulmasının incelenmesi GİRİŞ Deneysel çalıGmalar -parçacıkların orijinleri hariç, elektronlarla özdeG olduklarını göstermiGtir. Çekirdekten yayınlanan bir elektrona -parçacığı denir. Çekirdekten yayınlanan -ların enerjileri 0 ile E max arasında değerler alır. Hızları da 0 ile 2,9 . 10 10 cm/s aralığındadır. Deney için GM tüpü veya sintilasyon dedektörü, soğurucular ve tercihen 204 Tl kaynağı kullanılır. DENEYDE KULLANILAN ALETLER 1. G-M tüpü veya sintilasyon detektörü 2. Scaner Timer ST 7 sayıcısı 3. Kaynak tutucu 4. Radyoaktif Kaynak ( 90 Sr veya Tl-204) DENEYİN YAPILIŞI Taban sayımını ölçünüz. Kaynağı GM tüpünde üstten 2. rafa koyunuz. Soğurucu yok iken sayımları kaydediniz. 2. En ince soğurucudan baGlayarak artan kalınlıklar için sayımları alınız. 3.Sayımları taban sayımlarına göre düzeltiniz. Yarı-log kağıda sayımlar y-ekseni olmak üzere çiziniz. Nasıl bir eğri elde ettiniz? Soğurucu kalınlıcı (mg/cm 2 ) Gözlenen aktivite (cpm) DüzeltilmiG aktivite (cpm) 1. Bremsstrahlung, -parçacıklarının maddeye çarptıklarında üretilen x-ıGınlarına verilen isimdir. Bu deneyde Bremsstrahlung üretilmiG midir ? Not: Deney boyunca kaynağa dokunmayınız, yerini değiGtirmeyiniz. Yarı log kağıda - absorpsiyon eğrisi çizdiğinizde düz bir çizgi elde edilir. Ancak saçılmalardan dolayı eğrinin uç kısmından bir sapma olacaktır. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 25 Nadiren de olsa artan kalınlıklar karGısında aktivite bir artıG gözlenebilir (Kesikli çizgiyle gösterilmiGtir). Bu saçılmaların sonuçlarıdır. Saçılmayı azaltmak için soğurucuları doğrudan doğruya kaynağın üzerine koymayınız; mümkün olduğunca tüpün penceresine yakın yerleGtiriniz. Gyi sonuçlar alabilmek için kaynak seçimi son derece önemlidir. DüGük enerjili -yayınlayan kaynaklarla çalıGmak daha iyi sonuçlar verecektir ( 14 C gibi). 36 Cl veya 204 Tl uygundur. 90 Sr gibi yüksek enerjili kaynaklar baGka önlemlerin alınması gereklidir. Tipik bir -parçacığının soğurulması Kullanılan kaynağın ?ları da varsa veya Bremsstrahlung?dan dolayı eğri Gekildeki gibi olur. 1. Preset Cont : 5.10 Preset Time : 10 Displey Select : Trend C.P.S. Sayım (Count) H. V. (div) Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 26 2. Taban Sayımı Ölçümü H. V. : 730 Div. Window : 0.20 Div Threshold Sayım 3. Soğurucular Gle Yapılan Sayım Ölçümü Threshold : 0.20 Div. Window : 0.20 Div. H. V. : 730 Div. Polietilen (mg/cm 2 ) Sayım Log Aktivite Alüminyum (mg/cm 2 ) Sayım Log Aktivite Not: Çizilecek grafikler polietilen-sayım, alüminyum-sayım ve log aktivite-soğurucu grafiklerinde x-ekseni soğurucu ve y-ekseni sayımı göstermeli. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 27 DENEY 8 RADYASYON SOĞURULMASI METODUYLA KALINLIK TAYİNİ DENEYİN AMACI Radyasyon soğurma metoduyla alüminyum örneğinin kalınlığının ölçümü. GİRİŞ Alüminyum örneğinin öz kütlesinden ve kalınlığından yararlanarak bilinmeyen örneğin kalınlığı hesaplanacaktır. Kaynağın aktivitesine karGılık soğurucu olarak kullanılan alüminyum örneklerinin kalınlığına bağlı grafik çizilerek kalınlığı bilinmeyen bir alüminyum örneğinin kalınlığı bulunur. DENEYDE KULLANILAN ALETLER: GM tüpü, sayıcı, ayarlanabilir alüminyum seti, beta kaynağı (Sr-90), gamma kaynağı (Cs-137), soğurucu plakalar. DENEYİN YAPILIŞI: 1) GM tüp, çalıGtırılarak taban sayımı ölçülür. (Kaynak tutucu ile birlikte ) 2) GM tüpü içerisine gamma kaynağı kaynak tutucu ile birlikte yerleGtirilir. ve sayım alınır. 3) Elimizde bulunan alüminyum soğurucular sırası ile (inceden kalına doğru) kaynağın üst rafına yerleGtirilerek sayım alınır. Alınan sayımlar ne kadar çok olursa deney o kadar sağlıklı olur. 4) Kalınlığım bilmediğimiz alüminyum soğurucu için de sayım alınır. 5) Aldığımız ölçümlerden ortalama ve standart sapma değerleri.hesaplanarak taban sayımı çıkartılır . 6) Çıkan sonuçlarının değerleri bulunur. Bu değerlere karGılık kalınlık grafiği çizilir. 7) Grafiğin denklemi bulunup, kalınlığı bilinmeyen alüminyum soğuru değerleri denklemde yerine konur. Kalınlık mg/cm2 cinsinden bulun'-.değer mg/cm3,e bölünerek istenilen kalınlık bulunur. 8) Bu iGlemler beta kaynağı için de tekrarlanır. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 28 HESAPLAMALAR 1) Gamma Kaynağı Gçin Alınan Ölçümler Taban Sayımı Alüminyum Yokken Alüminyum 27 mg/cm 2 Alüminyum 54.6mg/cm 2 Alüminyum 81.6mg/cm 2 Alüminyum 154.6mg/cm 2 Bilinmeyen Soğurucu Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 29 2) Beta Kaynağı Gçin Alınan Ölçümler Taban Sayımı Alüminyum Yokken Alüminyum 27 mg/cm 2 Alüminyum 54.6g/cm 2 Alüminyum 81.6mg/cm 2 Alüminyum 154.6mg/cm 2 Bilinmeyen Soğurucu Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 30 3) Gamma Kaynağı Gçin; Kalınlıklar Ortalama (sayım) Ln (sayım) Taban Sayımı (BoGken) Alüminyum Yok. Var 27 mg/cm 2. 81.6 mg/cm 2 154.6 mg/cm 2 Bilinmeyen Soğurucu 4) Beta Kaynağı Gçin: Kalınlıklar Ortalama (sayım) Ln (sayım) Taban Sayımı (BoGken) Alüminyum Yok. Var 27 mg/cm 2. 81.6 mg/cm 2 154.6 mg/cm 2 Bilinmeyen Soğurucu 5) Ln değerlerine karGılık kalınlık grafiği çizilir (tabloda gösterilen ln değerleri ortalama ve standart sapma değerlerinden taban sayımı çıkartıldıktan sonra bulunmuGtur). 6) Grafiklerin doğru denklemi elde edilir. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 31 DENEY 9 YARI-ÖMÜR TAYİNİ DENEYİN AMACI Radyoaktif bir numunenin yarı-ömrünün tayini. GİRİŞ radyoaktif atomların bozunumlarını etkileyebileceğimiz bir yol yoktur. Bozunma hızlarını soğutmak, ısıtmak , basınç altında tutmak gibi yollarla ne yavaGlatabiliriz ne de hızlandırabiliriz. Ancak radyoaktif atomların sayılarındaki ( radyoaktivite miktarı ) değiGim düzenli bir iGlemle olur. Eğer mevcut atomların sayılarını ve onların bozunma sabitlerini biliyorsak herhangi bir zamanda kaç tane atom geriye kalacaktır biliriz. Herhangi bir anda ,geriye kalan atomların sayısı zamana göre çizilirse elde edilecek eğriler Gekil.1 dekilere benzer olmalıdır. gekil1. Bozunma eğrileri Bozunma sabiti eğrinin eğiminden bulunur. Radyoaktif atomun bozunumunu diğer bir yaygın ifade de “yarı ömür” dür. Yarı ömür , ilk maddedeki atomların yarısının bozunması için geçen zamandır. Grafikten görüleceği gibi t=0 anında 1000 çekirdek vardır. Bir günün sonunda 500 atom vardır. Bu çekirdek için yarı ömür bir gündür. Gki yarı ömür sonunda atomların sadece1/4 ü kalmıG olacaktır. Numunenin bir detektör ile tespit edilen aktivitesi radyoaktif atomların sayısı ile orantılıdır. Bozunma sabiti veya yarı ömür tayin etmek için tam olarak kaç tane atom mevcuttur bilmek gerekmez. Yarı ömür bozunma sabiti ile Gu eGitlikle iliGkilidir. 0,693 t1/2 = Aktivite Zaman Zaman Aktivite Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 32 DENEYİN YAPILIŞI: 1. Yarı ömrü kısa (1-2 saat ) bir radyoaktif madde alınız. Öncelikle taban sayımını beG dakika boyunca sayarak kaydediniz. 2. Aynı Gartlarda kaynağı da beG dakika boyunca sayıp kaydediniz. 3. BeG dakikalık periyotlarla ölçümleri tekrarlayınız. 4. Yarı-log kağıda düzeltilmiG aktiviteler y-ekseninde , geçen zaman x-ekseninde olmak üzere çiziniz. En ideal doğruyu belirleyiniz. 5. Bu grafikten yı tespit edip t1/2 yi hesaplayınız. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 33 DENEY 10 YOĞUNLUK ÖLÇÜMÜ DENEYİN AMACI Radyasyon soğurma metoduyla bir sıvının yoğunluğunun ölçümü GİRİŞ Bu deneyde bakır sülfat (CuSO 4 ) çözeltisinin radyasyon soğurma metoduyla yoğunluğu ölçülecektir. CuSO 4 çözeltisinin yoğunluğuna karGılık soğurucu kaynağın aktivitesine göre grafik çizilecektir. Grafik yardımıyla yoğunluğun bilinmeyen CuSO 4 çözeltisinin yoğunluğu tayin edilecektir. DENEYDE KULLANILAN ALETLER 1-GM tüpü 8- Sayıcı 9- Plastik silindir kap 10- 100 ml ölçülü deney tüpü 11- Hassas terazi (0.01 grama duyarlı) 12- Çözelti örneklerinin konulacağı GiGeler 13- Gamma kaynağı ( 137 Cs) 14- saf su ve bir miktar CuSO 4 15- Numune tutucu. DENEYİN YAPILIŞI 1) AGağıda verilen CuSO 4 çözeltileri istenilen yoğunlukta 100 ml dereceli deney tüpü kullanılarak hazırlanır. CuSO 4 Ağırlığı CuSO 4 Yüzdesi Yoğunluk (25°C) Her çözelti, ayrı ayrı iGaretlenmiG GiGelere konulur. 2) GM tüpü içerisine, en alt rafa gamma kaynağı sabit kalacak Gekilde yerleGtirlir. Üzeri iGaretlenmiG plastik silindirik boG kap gamma kaynağının üst tarafınna örnek tutucu ile birlikte yerleGtirilir. Bu durum için ölçüm alınır. Bu ölçüm taban sayımıdır. 3) Silindirik kap GM tüpü içerisinden çıkartılarak iGaretli yere kadar saf su ile doldurulur (GGaretli yer 1-2 cm?yi geçmeyecek Gekilde olmalıdır). 4) Gçinde saf su olan silindirik kap GM tüpü içerisine yerleGtirilerek ölçüm alınır. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 34 5) Bu iGlemler istenilen yoğunluklar4 için tekrar edilir. deneyin iyi sonuç verebilmesi için sıvı değiGimi yapılırken temizlenmesi gereklidir. 6) Elimizde bilinmeyen yoğunluklu CuSO 4 çözeltisi için sayım alınır. Not: Tüm sayımlar için örnekler aynı rafa yerleGtirilmelidir. HESAPLAMALAR Tablo 1. Deneysel Sonuçlar SAYIM Taban Sayımı ve silindirik kap varken Saf su (0,99 g/ml) 1,01 g/ml 1,05 g/ml Bilinmeyen 1 2 3 4 5 Ortalama Tablo 2. Tablo 1?deki Sonuçlardan Elde Edilen Değerler Yoğunluklar Sayımlar Log (sayım) Silindirik kap boG iken Saf su (0,99 g/ml) 1,01 g/ml 1,05 g/ml Bilinmeyen Yoğunluklara karGı, Log (sayım) grafiği çizilir. SONUÇLAR Çizilen doğrunun denkleminde bilinmeyen değeri yerine koyarız. Bulacağımız x değeri bize yoğunluğu verecektir. Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 35 DENEY 11 SİS ODASINDA ALFA PARÇACIKLARININ GÖZLENMESİ GeniGleyen sis odası, radyoaktif çalıGmalarda "?" parçacıklarının izlerini, yörüngelerini kanıtlamak için kullanılır. Sis odasının içinde pompanın çekilmesi basıncın artmasına neden olur. Odanın içindeki su buharı, alkol ve hava karıGımı giderek soğur ve süper doyuma ulaGır. Bu durum, sis odasının içindeki buharların, nükleer iyon parçacıklarının yardımıyla yoğunlaGmasına sebebiyet verir. Bir radyoaktif çalıGmadaki "?" parçacıklarının iyon haline gelmesi durumu gaz moleküllerinin radyoaktif madde ile Giddetli çarpıGması sonucu oluGur ve bu durumdaki "?" parçacıklarının izleri büyüme momentlerinde buhar izi yolu gibi görünmesine yardımcı olur. 1. Şekil 1 ve 2'nin açıklaması 1) gekil 1-1'de üstteki plastik ile inceleme camı ve gekil 1-2' deki de ıGıklandırma camı 2) gekil 7' deki seviye için temel tabaka ve Gekil 6' daki emme çıkıGının ağzı boyunca çalkantıyı önleyen kısım. 3) Radyum kaynak için tutucu (559 59) Ra 226, 3.2xl0 3 Bq yaklaGık değerinde bir aktivite. Delik içine bir iğne ile tutturmak Gartıyla güvenli tutuG için yerleGtirilir. 4) Dairesel lastik, gekil 1-1?deki plastik için kemer, gekil 7 için taban vazifesi görür. 5) Su, alkol karıGımını absorbe için kullanılır. 6) Emme ÇıkıGı Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 36 7) Oda tabanı ile boGaltma pompasının tutanak kısmı. 8) gekil 1-1'deki lastiği tutmak için mengene 9) Delik ağzı için vana ve odanın içine Toryum'un yayılması için bir girinti. 10) Pompa pistonuna kılavuzluk eder (gidip gelmesini sağlar) 11) Pistonun tutanak kısmı 12) d.c. güç kaynağı için 4 mm.lik yuvalar d.c. voltaj (100V-100V) 2. Deneyde Kullanılacak Malzemeler Gerekli Yardımcı Eleman Katalog No 1 Tüpün mengenesi 301 06 1 Oturak tabanı 300 11 Aydınlatma Gçin 1 6 volt 30 watt' lık ev lambası 450 60/51 1 YoğunlaGtırıcı ile diyagram sapı 460 20 1 Voltaj kaynağı 6V, 30W 522 35 "?" parçacıklarının üretilmesi 1 Buhar odasının geniGlemesi için Radyum kaynak 559 59 1 Toryum kaynak 546 36 Tekrar iyonlaGma 1 Regüleli güç kaynağı ( 0-300 V ) 522 35 1 100 K? değerinde 536 25 Sis odası kurulmadan önce tüpte bulunan keçe alkol-su karıGımıyla iyi bir Gekilde nemlendirilmelidir. Alkol su karıGım oram l:1?dir. Doğal olmayan alkol veya eter kullanılırsa bir miktar su ilave edilmelidir. Taban plaka (2) tüpün içindedir.Bu yüzden bacakları lastik çemberin üzerine oturtulmuGtur (4). Uygun Radyum kaynağı (559 59) delik içine yerleGtirilir (3). Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 37 DENEYİN YAPILIŞI Şekil 3'ün kurulması 1-2 ile gösterilen cam, lamba arası uzaklık, min.10cm.olmalıdır. Bu durum 6V, 30W'lık lamba için geçerlidir.Eğer daha yüksek güçte lamba kullanılıyorsa bu mesafe min.15cm. olmalıdır.Tüpün bir yanındaki aGırı sıcaklığı önlemek için 6V, 30W'lık lambaya dik bir biçimde bir tel yerleGtirilir. gekil 3 GyonlaGma için d.c. voltaj 100 Volttan 200 Volt'a kadardır. Pompayı etki etmek için kulpunu tutup dibe kadar aGağı çekilir. Eğer gerekliyse tüpün içindeki buharın yeterince doyuma ulaGması ve "?" partikül izlerinin görünür hale gelmesi için (sisli bir yol gibi) piston periyodik olarak itilip çekilir. Sonuçlar oda camının üst kısmından direkt gözlemlenir veya bir ayna kullanılarak yatay pozisyonda gözlemlenir. 45° lik açı eğilimi bu gözleme tam uyar. Buhar karıGımının tekrar kurulması, denge durumuna gelmesi ve yeni deneyin tekrarı için 1, 1.5 dakika beklenir. 3. Deney araç ve gereçlerinin bakımı Deneyden sonra kapak tekrar kaldırılır ve buhar butonu yardımıyla buhar dıGarı salınır. Eğer pompa tam olarak sıkı değilse geniGlemesi için kuvvet azaltılabilir ve contası yağlanabilir. Tüpün çevresi (iç kısmı) tozdan korunmalıdır. Çünkü buhar dönüGümü sırasında iyonların üretimi ıGınlar vasıtasıyla olmasına yol açar. Eğer gerekliyse tüp, damıtılmıG suyla yıkanır ve çalkalanır. ALFA BOZUNUMU Bir çekirdek, alfa parçacığı ( He 4 2 ) yayınlarsa, iki nötron ve iki proton kaybeder. Böylece N sayısı 2, z sayısı 2, ve A sayısı da 4 azalır. Bozuma sembolik olarak Gu Gekilde yazılabilir Gazi Üni./FF/Fizik/2011-12Bahar 38 H Y X A Z A Z 4 2 4 _ 2 Burada X' e ana çekirdek Y' e de ürün çekirdek denir. Alfa bozunumu kendiliğinden meydana gelen bir bozunmadır. Parçalanma sonucu bir element baGka bir elemente dönüGür. Bu olayda toplam enerji korunur. Ana elementin kütlesine M x , ürün elementinin kütlesine M y ve alfa parçacığının kütlesine M? dersek, parçalanmada yayılan Q enerjisi için Q = ( M x - M y - M ? ) c 2 Geklinde verilir. Alfa bozunumu mekanizmasına geri dönersek, Yandaki Gekilde alfa-çekirdek sisteminin potansiyel enerjisi, çekirdekten olan r uzaklığına bağlı olarak verilmiGtir. gekilde R çekirdek kuvvetlerinin menzilidir. gekildeki eğri iki etkinin bileGimiyle oluGur. Bu etkiler (1) Coulomb itme enerjisi r>R değerinde pozitif pik yapar. (2) Çekirdek çekim kuvvetidir.Bu; r