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Laboratorio de Física III
Experiencia 8
EXPERIENCIA 8
DETECCIÓN Y CALIBRACIÓN DE UN ESPECTRO DE RAYOS GAMMA OBJETIVOS Registrar espectros de rayos gamma de preparados de muestras radiactivas. Determinar las energías de los rayos gamma del Cs-137 y Na-22 y comparar con los valores conocidos en la teoría. MATERIALES 1 Sensor-CASSY (524 010) 1 Unidad MCA (524 058) 1 Preparado mixto α, β y γ (559 84 o de 559 83) 1 Juego de 3 preparados radiactivos (559 835, alternativa 559 845) 1 Preparado de Co-60 1 Preparado de Na-22 1 Contador de centelleo (559 901) 1 Etapa de salida de detector (559 912) 1 Fuente de alta tensión de 1,5 kV (521 68) 1 Zócalo para contador de centelleo (559 891) 1 Varilla de soporte, 47 cm (300 42) 1 Mordaza múltiple de Leybold (301 01) 1 Pinza universal en S, 0...80 mm (666 555) 1 computador con Software CASSY LAB2 preinstalado PREPARACIÓN PARA LA EXPERIENCIA 1. 2. 3. 4.
¿A que se deben los procesos radiactivos? ¿Cuál es la diferencia entre decaimientos y reacciones nucleares? ¿Qué son los estados metaestables de un núcleo? ¿Qué tipo de decaimientos sufren los núcleos Co-60, Ra-226 y Cs-137? ¿Cuáles son los productos de esos decaimientos y las energías de la radiación liberada en cada caso?
PRINCIPIOS Decaimiento gamma La energía interna de un núcleo atómico está cuantizada. Un núcleo tiene una serie de niveles permitidos de energía, que inician en un estado fundamental o de mínima energía y le siguen los estados excitados. Dado que las interacciones al interior del núcleo son de gran magnitud, las energías de excitación de los núcleos son grandes (del orden de 1 MeV) comparadas con la energía de excitación de los niveles de energía atómicos (del orden de 1 eV). Cuando un núcleo es excitado, ya sea por bombardeo con partículas de alta energía, como en las reacciones nucleares o por decaimientos radiactivos espontáneos, puede decaer al estado fundamental emitiendo uno o más fotones. A esta radiación se le llama rayos gamma o fotones de rayo gamma. La energía de esta radiación suele tener energía en el rango de 10 keV a 5 MeV. Este proceso es conocido con el nombre de decaimiento gamma.
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Un ejemplo de decaimiento gamma lo tiene el núcleo Ra-226. Inicialmente el núcleo Ra-226 emite una partícula alfa con dos valores posibles de energías cinéticas: 4.784 MeV o 4.602 MeV. Incluyendo la energía de retroceso del núcleo de Rn-222 resultante. En este proceso puede liberarse una energía total de 4.871 MeV o 4.685 MeV, respectivamente. Cuando se emite una partícula alfa con la menor energía, el núcleo de Rn-222 queda en un estado excitado metaestable. Entonces decae a su estado fundamental, emitiendo un fotón gamma de energía: (4.871 2- 4.685) MeV = 186 KeV Instrucción de seguridad Manipular preparados radiactivos implica tomar en cuenta, además del reglamento de protección radiológica, las leyes de cada país y las especificaciones de las autoridades del centro educativo respectivo, en la República Federal de Alemania por ej. el reglamento de protección contra la radiación (StrlSchV - Strahlenschutzverordnung) y las directrices de seguridad en el salón de clases. Los preparados utilizados en este ensayo están homologados según el reglamento alemán de protección contra la radiación (StrlSchV 2001) o están por debajo del límite de exención. Por ello su manipulación no requiere de permiso alguno. Como los preparados utilizados generan radiación ionizante, para manipularlos se debe seguir las siguientes reglas de seguridad: Proteja al preparado para que personas no autorizadas no tengan acceso. Antes de utilizar los preparados verifique que estén íntegros. Para que estén dentro de un blindaje consérvelos en el recipiente de protección. Sacar los preparados sólo para la ejecución del experimento para garantizar un tiempo de exposición lo más breve posible y una actividad lo más reducida posible. Tomar al preparado sólo del extremo superior del soporte metálico para asegurar la mayor distancia posible. MONTAJE
Figura 1. Montaje para un registro de espectros de rayos gamma.
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PROCEDIMIENTO 1. Conecte la etapa de salida del contador de centelleo con la unidad MCA y con la fuente de alimentación de alta tensión con un voltaje de 0.70 KV (figura 1). 2. Conectar la unidad MCA al Sensor CASSY y este último al computador a través del puerto USB. 3. El preparado respectivo debe ser colocado, utilizando el material de soporte, sobre el contador de centelleo, de tal forma que se encuentre a unos cuantos centímetros por encima del detector de centelleo. Para que el contador de centelleo no caiga a un lado, se recomienda utilizar en el montaje el zócalo 559 891. (Vea la figura 1) 4. El preparado no debe estar sobre el detector durante la medición, sino separado unos pocos centímetros. Si el preparado se encuentra directamente encima, se obtiene una tasa de conteo muy alta de tal manera que los pulsos individuales se superponen. Debido a esta adición con el resto del pulso anterior, las líneas aparecen con energías muy altas.
REGISTRO DE DATOS 1. Abra el archivo “experiencia8a” en el escritorio del PC. 2. Inicie el registro de los espectros de radiación del preparado mixto, Co-60 y Ra-226 uno tras otro con F9 o el respectivo icono en la barra de herramientas del software CASSY LAB2. 5. Para representar los espectros en función de la energía, se debe realizar una calibración de energía. Para eso, se pueden utilizar las líneas en 661,6 keV y 59,4 keV del Cs-137. Realice tal calibración escogiendo el primer registro correspondiente al preparado mixto y marcando el centro de cada pico (Diagrama->centro del pico). 3. Determine la energía de los centros de picos presentes en cada uno de los espectros. 4. Abra ahora el archivo “experiencia8b” en el escritorio del PC y realice los registros indicados para obtener un espectro de radiación ambiente. Para ello se repite el procedimiento pero sin muestras radiactivas, las cuales deben estar guardadas en sus respectivos recipientes protectores. 5. Registre la energía de los picos más altos en los espectros de la radiación ambiente registrados. ANÁLISIS 1. Presente una gráfica de cada espectro de rayos gamma registrado. 2. Determine las energías de los picos presentes en cada espectro. Para ello determine el centro de pico con la instrucción Diagrama->cálculo del centro de pico en la barra de herramientas del software CASSY LAB2. 3. Compare con los valores teóricos de la energía de la radiación liberada de los preparados Ra-222 y Cs-137 utilizados. Calcule porcentajes de error en cada caso. 4. Grafique un espectro promedio de la radiación ambiente. 5. ¿De acuerdo a los valores de los picos de energía obtenidos, podría decir qué núcleo radiactivo se encuentra presente en el ambiente y a que material corresponde?
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