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

34184. Долевые ценные бумаги. Акции 15.86 KB
  Акции. Акции и есть долевые ценные бумаги. Акции могут давать право на получение прибыли в виде дивидендов и участие в управлении компанией. Следует сказать что покупая акции инвестор подвергает свой капитал некоторому риску так как если вдруг у компании дела пойдут плохо то и стоимость акций снизится что может привести к потере всех вложенных денег полностью или частично.
34185. Фондовая биржа: организация, механизм, сделки 18.92 KB
  Организация фондовой биржи представляет собой частные корпорации различные формы акционерных обществ Великобритания и Соединенные Штаты Америки либо в форме ППИ публичноправовых институтов Федеративная Республика Германия и Франция. Если фондовая биржа создана в форме акционерного общества и организована биржевыми дельцами то такие фондовые биржи называются акционерами биржи. Прием в участники биржи является ограниченным; самостоятельная деятельность на фондовой биржи является монополизация членов. Главной в структуре организации...
34186. Макроэкономический анализ 16.61 KB
  НАЦИОНАЛЬНОЕ СЧЕТОВОДСТВО комплексная система понятий которые объясняют создание распределение перераспределение и использование валового национального продукта и национального дохода в рамках экономической системы с определенной структурой и закономерностями функционирования. Модель национального счетоводства ООН можно рассматривать как некоторую теоретическую концепцию которая включает в себя: а описание продукта и дохода нации а также их движение с точки зрения равенства инвестиций и сбережений; б модель межотраслевого баланса В....
34187. ВВП и способы его измерения 19.04 KB
  Распределительный по доходам использование потоков доходов средств. Доходы получают владельцы факторов производства. Различают два вида доходов: трудовые и на собственность предпринимательский.
34188. Номинальный и реальный ВНП. Дефлятор ВНП 17.45 KB
  Номинальный и реальный ВНП. Дефлятор ВНП Макроэкономические показатели ВНП и ВВП денежные показатели поэтому их значение зависит от динамики цен покупательной способности денежной единицы. Следовательно увеличение или уменьшение уровня цен оказывает влияние на величину ВНП и ВВП. ВНП и ВВП в номинальном значении измеряются в рыночных текущих ценах.
34189. Показатели, производные от ВНП 16.78 KB
  Национальный доход. Таким образом получаем показатель национального дохода НД. С точки зрения собственников ресурсов национальный доход является измерителем их доходов от участия в производстве за текущий период. Предприятия рассматривают национальный доход как показатель отражающий уровень цен на факторы производства или ресурсы.
34190. Экономический рост, его типы и факторы. Длинные волны экономической конъюнктуры 21.43 KB
  позволяет исключить воздей ствие инфляции и универсальнее поскольку при расчете темпов роста трудно рассчитать общий показатель для производства раз личных изделий. Основные показатели экономического роста: 1 годовой прирост объема ВНП ВВП НД; 2 годовые темпы роста ВНП ВВП НД на душу населения; 3 годовые темпы роста промышленного производства в целом его отраслей на душу населения. При данном типе экономического роста в произ водство вовлекается все большее количество ресурсов природ ных трудовых материальных но не...
34191. Государственное регулирование экономического роста 17.32 KB
  Кейнсианцы рассматривают экономический рост преимущественно с точки зрения факторов спроса. Обычно они объясняют низкие темпы роста неадекватным уровнем совокупных расходов которые не обеспечивают необходимого прироста ВНП. В отличие от них сторонники âэкономики предложенияâ отдают предпочтения долгосрочным перспективам делая упор на факторы обеспечивающие рост общественного продукта при полной занятости и полной загрузке производственных мощностей.
34192. Инфляция: причины, формы и виды 24.41 KB
  Инфляция это снижение покупательной способности денег проявляющееся через относительно быстрый рост цен. Скрытая инфляция существует как правило в нерыноч ной экономике в которой цены и заработные платы контро лируются и определяются государством. Открытая инфляция проявляется в форме роста цен на товары и услуги. Бумажные деньги обесцениваются возни кает избыточная денежная масса не обеспеченная соот ветствующим количеством товаров и услуг.