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

33 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

70248. Ціна в системі ринкових характеристик товару. Значення ціни в системі ринкових відносин 275 KB
  Важливою й актуальною проблемою для будьякого підприємства є встановлення раціональної ціни на вироблені і або реалізовані товари та послуги. Суть цілеспрямованої цінової політики в маркетингу полягає в тому щоб установлювати на товари підприємства такі ціни і так варіювати ними залежно...
70249. Сутність і значення маркетингу в сучасній економіці. Сутність і роль маркетингу в сучасній економіці 215.5 KB
  Сутність і роль маркетингу в сучасній економіці Термін маркетинг від англ. Початок розвитку маркетингу як прикладної наукової дисципліни пов’язують з Пенсильванським університетом США де в 1905 році В. Ватлер почав вести постійний курс “Методи маркетингу†в університеті Вісконсіна США.
70250. Товарні марки та упаковка. Товарна марка як частина товару 526.5 KB
  Такі складові товарної політики як розробка товарної марки і управління марочним капіталом стали постійним і важливим елементом стратегічного маркетингу виробників і продавців. Посилення комунікативного впливу на споживачів завдяки автоматичній рекламі товару в міру...
70251. Життєвий цикл товару. Економічний зміст життєвого циклу товару 228 KB
  З поняттям життєвий цикл товару пов’язують концепцію що характеризує економічний цикл життя товару від його розробки до моменту вилучення з продажу. З точки зору маркетингу більш актуальний цикл життя товару на ринку який за періодом часу коротший за економічний цикл оскільки не містить...
70252. Планування нової продукції і розробка товару. Значення розробки нової продукції для товарної політики підприємств 341.5 KB
  Відновлення може виявитися також у новій конструкції товару у новому виробничому процесі у новому маркетинговому підході до системи просування товару на ринок. Розвиток нових технологій не тільки активізує процес створення нових товарів але й веде до істотного скорочення життєвого циклу товару.
70253. Цільовий ринок товару і методика його вибору. Зміст маркетингової діяльності щодо дослідження ринку 295 KB
  Ефективні та виважені маркетингові рішення в рамках товарної політики підприємства можуть бути прийняті лише на основі достовірних маркетингових досліджень. Загальне завдання системи маркетингових досліджень можна конкретизувати в наступних трьох завданнях: допомога в розумінні ринку...
70254. Формування попиту на ринку окремого товару. Потреби, попит та пропозиція, їх економічна сутність 272.5 KB
  Маркетинговий підхід до рішення завдань товарної політики які постають перед підприємствами і підприємцями заснований на вивченні формуванні і задоволенні потреб тих економічних суб’єктів що обрані як потенційні споживачі. Таким чином потреби можна розглядати із самих різних боків...
70255. Ринок товарів і послуг. Сучасна ринкова економіка, її складові та механізм функціонування 216.5 KB
  Ринок - це те за чим пізнають лад та безладдя в стані господарства. Таке визначення ринку дозволяє розглянути його як складову частину єдиного простору економічного життя підприємств галузей регіонів та народного господарства в цілому показати що він завжди зумовлений сутністю...