2532

Определение времени жизни мюонов

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: изучить законы радиоактивного распада и оценить время жизни покоящихся мюонов. Мюоны (μ-мезоны) – нестабильные частицы с единичным положительным или отрицательным зарядом и массой, которая почти в 207 раз больше массы электрона.

Русский

2013-01-06

113 KB

40 чел.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 2

Определение времени жизни мюонов


Цель работы:
изучить законы радиоактивного распада и оценить время жизни покоящихся мюонов.

ТЕОРИЯ МЕТОДА

Мюоны (μ-мезоны) – нестабильные частицы с единичным положительным или отрицательным зарядом и массой, которая почти в 207 раз больше массы электрона. Впервые мюоны были обнаружены в составе космического излучения, достигающего поверхности Земли.

Как известно, радиоактивный распад описывается экспоненциальным законом

(1) где N(0) и N(t) – число нераспавшихся частиц в начальный момент времени и в момент времени t соответственно; τ – время жизни частиц, т.е. время, в течение которого число частиц уменьшается в е раз.

Схема наблюдения потока мюонов в атмосфере представлена на рис.2.

Р и с. 2

Пусть в верхних слоях атмосферы в единицу времени зарождается n0 мюонов, которые движутся со скоростью V в направлении наблюдателя, находящегося на поверхности Земли. За время t прохождения слоя атмосферы толщиной h часть мюонов испытывает распад, и прибор зарегистрирует в единицу времени количество мюонов  (2) где * – время жизни движущихся мюонов, т.е. время жизни в лабораторной, или неподвижной системе координат, связанной с Землей. Измеряя количество мюонов n1 и n2, пришедших под различными углами и, следовательно, прошедших различные пути h1, h2 (рис. 2) можно оценить время жизни движущегося мюона *. Действительно, ; .

Откуда  . (3)

Так как скорость космических мюонов V близка к скорости света с, то * значительно превосходит время жизни покоящихся мюонов 0

 (4)

Кроме того, энергия движущихся мюонов связана с энергией их покоя mc2 = 105 МэВ соотношением  (5) где m – масса покоя мюона.

Комбинируя (3), (4), (5) можно получить  (6)

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Простым и надежным устройством для подсчета количества испускаемых заряженных частиц является газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера. Счетчик представляет собой металлический цилиндр, основания которого закрыты изоляционным материалом. По оси цилиндра натянута тонкая металлическая нить. Цилиндр наполнен инертным газом при пониженном давлении (несколько десятков миллиметров ртутного столба). Между нитью и корпусом счетчика прикладывают разность потенциалов (несколько сот вольт), достаточную для того, чтобы при наличии ионов мог начаться самостоятельный разряд.

Пролетающая через счетчик частица ионизирует газ в цилиндре и вызывает разряд в нем. Возникает кратковременный импульс, который усиливается усилителем, а затем передается на регистрирующее устройство, автоматически отмечающее количество пролетающих через счетчик частиц. Такой счетчик способен регистрировать до 106 частиц в минуту.

Установка для изучения углового распределения космических лучей состоит из двух счетчиков Гейгера (СГ), схемы совпадений (СС) и счетного прибора (СП), в качестве которого используется частотомер Ч3-33 (рис. 3,а). При подключении счетного прибора к гнездам 1 или 2 схемы совпадений, регистрируются импульсы, поступающие с первого или второго СГ, т.е. измеряется количество частиц прошедших через тот или иной счетчик. При подключении к гнезду 1–2 схема совпадений пропускает лишь те импульсы, которые поступают со счетчиков практически одновременно (время разрешения составляет около 10 с-7). Следовательно, в режиме совпадений установка зарегистрирует только такую космическую частицу, которая прошла оба счетчика т.е., летящую в данном направлении в пределах телесного угла, обозначенного пунктирами на рис. 3, б. Поворачивая счетчики на различные углы, можно исследовать распределение частиц по направлениям их движения. Установки подобного типа называются “телескопами”.

 

 а)          б)

Р и с. 3

Ход работы

  1.  Проверим работу первого счетчика, для чего при кабеле «ВХОД А», подключенном к гнезду “1”, произведём отсчет количества импульсов за минуту (нормально 80120 имп/мин). Аналогично проверить работу второго счетчика, при кабеле, подключенном к гнезду “2”.

   Для 1 счётчика – 114 имп/сек Для 2 счётчика – 96 имп/сек.

  1.  Подключим кабель к гнезду “12” при вертикальном положении телескопа и произведём отсчет количества импульсов за 10-15 мин, Определим количество импульсов в минуту –.

     = 5,2 имп/сек

  1.  Наклоним телескоп на угол θ = 45, аналогично определим количество зарегистрированных импульсов в минуту .    = 3,8 имп/сек
  2.   Произведём такие же измерения при горизонтальном положении счетчиков, определим фоновое значение – n0 (имп/мин).  n0 = 2,4 имп/сек
  3.   Из полученных значений  и  вычтем фоновое значение n0 и определить таким образом n1 и n2.  n1 = 2,8 имп/сек   n2 = 1,4 имп/сек
  4.   Используя формулу (6) оценим время покоящегося мюона (энергия космических мюонов Е ≈ 109 эВ, толщина атмосферы h1 ≈ 15 км, скорость мюонов Vc.

         с.

Вывод: Мюоны (μ-мезоны) – нестабильные частицы с единичным положительным или отрицательным зарядом и массой. Энергия движущихся мюонов связана с энергией их покоя. При движении в среде мюоны, как и другие заряженные частицы, могут терять свою энергию на ионизацию окружающих атомов, а также на тормозное излучение. Для мюонов радиационные потери практически отсутствуют, и ослабление их потока после прохождения слоя атмосферы происходит как вследствие поглощения частиц в воздухе за счет ионизационных потерь, так и вследствие радиоактивного распада. Радиоактивный распад описывается экспоненциальным законом  такой распад будет оказывать значительно большее влияние на ослабление их потока, чем за счет ионизационных потерь. Последние обстоятельство дает возможность обнаружить эффект распада, измеряя потоки мюонов прошедших различные пути в атмосфере.

5

PAGE  - 1 -


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

66589. Анализ структуры персонала филиала ОАО «Иркутскэнерго» 145.5 KB
  Преддипломная практика является неотъемлемой частью учебного процесса. В ходе её прохождения происходит углубление и закрепление знаний и профессиональных навыков, полученных в процессе обучения. Она помогает преобразовать знания в умения.
66592. Установка операционной системы Windows7 611.5 KB
  Звуковая система ПК комплекс программно-аппаратных средств выполняющих следующие функции: запись звуковых сигналов поступающих от внешних источников например микрофона или магнитофона путем преобразования входных аналоговых звуковых сигналов...
66593. Побудова емпіричної формули методом найменших квадратів 1.04 MB
  На основі розрахунків, виконаних засобами MS Excel, алгоритмічної мови програмування C#, ми отримали емпіричну формулу у=0,023679-0,11475*Х. Значення суми квадратів відхилень (-19,4716) та графіки, побудовані засобами MS Excel, є наочною ілюстрацією правильності розв’язування завдання.