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

42 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

53358. Математическое ассорти 95.5 KB
  Математика и литература не так далеки друг от друга, как многие думают С.В.Ковалевская сочитала математику с поэзией. В ней одновременно жили математик и поэт. Здесь заканчивается текст слайда 4 (слайд 5) Великий русский поэт М.Ю.Лермонтов был большим любителем математики и в своих вольных и невольных переездах из одного места службы в другое всегда возил с собою учебник математики.
53359. ІГРОВІ ТЕХНОЛОГІЇ НАВЧАННЯ 77.5 KB
  Навчальна діяльність підпорядковується правилам гри. Місце й роль ігрової технології в навчальному процесі створення елементів гри й навчання багато в чому залежать від уміння викладача функцій і класифікації педагогічних ігор. Педагогічні ігри За видом діяльності фізичні інтелектуальні трудові соціальні психологічні За характером педагогічного процесу навчальні тренінгові контрольні узагальнення пізнавальні виховні розвиваючі репродуктивні продуктивні творчі комунікативні діагностичні профорієнтаційні ...
53361. Мякі іграшки своїми руками 619.5 KB
  Відмінною особливістю цього заняття є те що з однієї викрійки можна робити найрізноманітніші іграшки додаючи деталі міняючи матеріали і моделюючи вихідну викрійку. Якщо вам потрібно збільшити або зменшити викрійку то візьміть аркуш міліметрового паперу розмітьте його відповідно на великі чи малі квадрати і перемалюйте деталі викрійки зберігаючи в кожному квадраті свій фрагмент малюнка 4 Підбір матеріалів Основними матеріалами для виготовлення напівоб'ємних іграшок є драп сукно та інші тканини з неосипаючими краями. З них краще за все...
53362. Свято дитячої іграшки 71.5 KB
  Обладнання: різноманітні іграшки іграшкові коляски з ляльками мультимедійна презентація. Отже запрошуємо всіх на свято дитячої іграшки танець Вихователь: А зараз давайте познайомимося. Буратіно: А я витягує іграшкову машину лечу по коридору на автомобілі ДАІ i пильно відслідковую порушників коридорного руху штрафую за найменшу провину конфіскую іграшки.
53363. Моя улюблена іграшка 196.5 KB
  The topic under discussion today is “Our toys. In the Toy Shop”. We’ll learn new vocabulary and practice it in speech; we’ll sing songs together, role-play situations, do some exercises.
53364. Рольові ігри на уроках англійської мови 257.5 KB
  Сучасна методика викладає такі ідеї та принципи в навчанні: визнання першорядності процесу пізнання та доступності інформації; цінність співпраці; зокрема використання діалогів полілогів імпровізацій та рольових ігор як основних форм роботи; визнання рівності пізнавальних та творчих можливостей усіх учнів а також свідомої участі учнів у процесі навчання; активна позиція учня в процесі навчання; принцип комунікативності який передбачає побудову процесу навчання як моделі процесу реальної комунікації; урахування...
53365. Ігри на матеріалі економічної термінології, спрямовані на збагачення активного словника та вдосконалення культури мовлення учнів 179 KB
  Методична порада. Для проведення ігор діти класу ділиться на гомогенні або гетерогенні групи. Обирається в кожній групі лідер. Завдання ігрової вправи виконують усі разом, доповідають про виконання тільки лідери. Вимпелом переможця нагороджується та група, яка першою за відведений час виконає правильно завдання.