37899

Исследование космического излучения

Лабораторная работа

Физика

Изучение поглощения космического излучения в свинце9 3. Изучение углового распределения интенсивности космического излучения.12 Лабораторная работа № 88 Исследование космического излучения 1. Цель работы 1 изучение зависимости интенсивности космического излучения от толщины пройденных им свинцовых пластин; 2 проверка феноменологической формулы зависимости интенсивности космического излучения от угла наблюдения.

Русский

2013-09-25

1.03 MB

38 чел.

Содержание

1. Цель работы…………………………………………………………..4

2. Теоретическая часть………………………………………………….4

3. Экспериментальная часть……………………………………………8

3.1. Приборы и оборудование………………………………………….8

3.2. Требования по технике безопасности…………………………….9

3.3. Изучение поглощения космического излучения в свинце………9

3.4. Изучение углового распределения интенсивности

космического излучения………………………………………………..11

4. Контрольные вопросы………………………………………………..12

Список литературы……………………………………………………..12
Лабораторная работа № 88

Исследование космического излучения

1. Цель работы

1) изучение зависимости интенсивности космического излучения от толщины пройденных им свинцовых пластин;

2) проверка феноменологической формулы зависимости интенсивности космического излучения от угла наблюдения.

2. Теоретическая часть

Космическими лучами называется излучение, проходящее на Землю из космического пространства. Они были обнаружены в начале 20 века при изучении ионизации земной атмосферы. Экспериментальные факты показали, что интенсивность ионизации незначительно уменьшается при подъеме в атмосферу на 1000 м, а затем резко увеличивается, что нельзя объяснить, если считать, что источники ионизации находятся в недрах Земли. На рис. 2.1 представлен график зависимости интенсивности космического излучения от высоты над поверхностью Земли.

Из рис. 2.1 видно, что на высотах, превышающих 50 – 60 км, наблюдается постоянная интенсивность космических лучей, с приближением к Земле происходит рост интенсивности этих лучей. Это связано с тем, что падающее на Землю космическое излучение взаимодействует с атмосферой, образуя вторичное излучение. Таким образом, различаются первичное и вторичное космические излучения.

В околоземном космическом пространстве первичное космическое излучение состоит из галактического излучения (постоянная компонента) и солнечного излучения (временная компонента).

Исследования показали, что в состав первичных космических лучей входят атомные ядра с энергиями W на один нуклон, заключенными в интервале 109 эв ≤ W ≤ 1013 эВ, что во много раз превышает тепловую энергию частиц в самых горячих частях Вселенной. Излучение с энергией < 1013 эВ на 92 % состоит из протонов, примерно на 6,6 % из ядер гелия (α – частиц). Более тяжелых ядер (главным образом углерода, азота, кислорода) около 0,8 %. Наряду с протонами и ядрами в космических лучах содержится незначительное количество (< 1 %) электронов и позитронов и  0,01 % γ – квантов.

Гипотезы о происхождении первичного космического излучения опираются на данные об энергии первичных частиц и на радиоастрономические данные. Считается, что в первичных лучах заряженные частицы приобретают большие энергии благодаря ускорению, которое они получают в электромагнитных полях звезд и Солнца. При вращении звезд, обладающих магнитными полями, создаются вихревые электрические поля. Магнитные поля звезд, действуя на протоны и ядра, удерживают их на замкнутых траекториях, двигаясь по которым, они приобретают в электрических полях огромные ускорения.

Свою огромную энергию частицы первичного космического излучения расходуют, главным образом, при неупругих столкновениях с ядрами атомов азота и кислорода воздуха в верхних слоях атмосферы. Результатом этих столкновений и связанных с ними процессов и являются вторичные космические лучи, которые достигают поверхности Земли. Оценки длин пробегов протонов и тяжелых ядер первичных лучей показывают, что ниже 20 км от поверхности Земли все космическое излучение является вторичным.

Вторичное космическое излучение состоит из двух компонент: мягкой (сильно поглощается свинцом) и жесткой (обладает в свинце большой проникающей способностью).

Мягкая компонента представлена электронами, позитронами и фотонами. «Родоначальниками» мягкой компоненты являются            γ – кванты больших энергий, образующихся при распаде π0 –мезонов.

π0 → hνγ + hνγ                                     (2.1)

γ – кванты большой энергии («жесткие» γ – кванты) в поле атомных ядер легко превращаются в пары электрон – позитрон, следующие практически в том же направлении

hνγ → -1е + +1е .                                     (2.2)

Образовавшиеся таким образом легкие заряженные частицы – электроны и позитроны – в силу своей малой массы сильно ускоряются в поле встречных ядер и теряют много энергии на тормозное излучение, испускаемое ими. Возникающее таким образом γ – кванты также обладают еще весьма большой энергией и в свою очередь обращаются в пары электрон – позитрон. В результате каждый π0 – мезон большой энергии оказывается родоначальником множества легких частиц (электронов, позитронов, γ – квантов), число которых нарастает лавинообразно (рис.2.2).

Описанный процесс носит название каскадного космического ливня. Нарастание ливня происходит до тех пор, пока энергия             γ – квантов достаточна для образования пары, т.е. превышает 1 МэВ. Так как энергия первичной частицы делится между всеми ее потомками (а также тратится на производимую ими ионизацию по пути), то в конце концов размножение частиц прекращается. Образовавшиеся позитроны, замедлившись, аннигилируют со встречными электронами, порождая γ – кванты малой энергии, поглощаемые веществом.

В силу того, что γ – кванты легко превращаются в веществе в пары, а электроны и позитроны теряют энергию и на ионизацию, и на тормозное излучение, они не могут проходить слои вещества большой толщины, что и объясняет их «мягкость».

Жесткая компонента космического излучения состоит из         μ – мезонов (мюонов), возникающих в результате распада заряженных π – мезонов (пионов).

π + → μ +  + νμ ,                                      

π - → μ -  +                                        (2.3)

μ +  и μ - – положительный и отрицательный мюоны, νμ – мюонное нейтрино, –  мюонное антинейтрино.

Масса мюонов значительно больше массы электронов, в электрических полях атомов они испытывают в сотни раз меньшее ускорение, чем электроны и позитроны, следовательно их потери энергии на тормозное излучение сравнительно очень малы. При больших энергиях единственный вид потери энергии – на ионизацию атомов по пути – тоже невелик. В результате мюоны, время жизни которых из – за их больших скоростей увеличено (это следует из теории относительности) не только достигают Земли, но и проникают на большую глубину в ее недра или под воду (на сотни метров).

Атмосфера сильно поглощает мягкую компоненту вторичного излучения, до Земли доходят фактически только высокоэнергетические галактические лучи с энергией более 1010 эВ. Например, на уровне моря интенсивности жесткой и мягкой компоненты составляют:

Jж = 1,7·10 –2 част/см2·с,                      Jм = 1,7·10 –2 част/см2·с.

3. Экспериментальная часть

3.1. Приборы и оборудование

Принципиальная схема установки, называемой «Космический телескоп» приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1

Космический телескоп состоит из нескольких рядов параллельно включенных счетчиков Гейгера-Мюллера. Он позволяет регистрировать только частицы, пролетевшие через все счетчики, что достигается с помощью схемы совпадений, посылающей в этом случае импульс напряжения на пересчетную схему.

Телескоп может поворачиваться вокруг своей оси крепления его к стойке на угол Θ, считываемый на круговом лимбе прибора. Установка способна регистрировать частицы, летящие в пределах изменения этого угла.

Блок управления и индикации (БУИ) установки содержит:

1. Таймер с максимальным временем измерения 999 с.

2. Высоковольтный выпрямитель для питания счетчиков.

3. Схему совпадений.

4. Блок пересчета импульсов.

В БУИ имеются следующие кнопки управления:

«Сеть» (на задней панели прибора) – включает питание блоков 220 В.

«Пуск» – включает таймер и отсчет измеряемых импульсов одновременно.

«Стоп» – одновременная их остановка.

«Сброс» – обнуляет их показания.

«Время» – устанавливает необходимое время измерения.

На табло измерительного блока индикатор «количество частиц» показывает число зарегистрированных частиц, а «секунды» – показывает длительность интервала счета.

3.2. Требования по технике безопасности

1. Прежде чем включить установку, необходимо ознакомиться с ее устройством и принципом действия.

2. Проверить заземление установки.

3. Перед включением в сеть убедиться в исправности сетевых шнуров.

3.3. Изучение поглощения космического излучения в свинце

Процесс поглощения космических лучей в свинце достаточно сложен и для получения полной картины прохождения высокоэнергетичных частиц через вещество необходим учет многих факторов, характеризующих не только частицу (масса, заряд, энергия), и вещество (плотность, атомный номер). Упрощая рассмотрение, предполагаем, что частица при прохождении через свинцовые пластины теряет часть своей энергии или, потеряв всю энергию, останавливается. В эксперименте измеряются зависимости интенсивности космических лучей от толщины свинцовых  пластин. Интенсивность уменьшается из-за того, что мягкая компонента космических лучей практически полностью поглощается свинцовыми пластинами. Это позволяет измерить отношение интенсивности жесткой компоненты, имеющей большую проникающую способность (Jж) к суммарной интенсивности в отсутствии пластин

J0 = Jм + Jж.                                           (3.1)

3.3.1. Порядок выполнения работы

1. Подготовить установку к измерениям. Нажать кнопку «Сеть», дать прогреться 5 мин. Отодвинуть свинцовые пластины с пути лучей. Нажать кнопку «Сброс», при этом во всех разрядах индикаторов должны высветиться нули.

2. Нажать кнопку «Установка», при этом должна загореться лампочка справа от кнопки. Выставить время измерения (15 мин.) кнопками «+» и «–». Повторным нажатием кнопки «Установка» отключить соответствующий режим.

3. Нажать кнопки «Сброс» и «Пуск». Дождаться окончания счета импульсов.

4. Повторить измерения п.3 (за то же самое время для удобства расчетов), каждый раз увеличивая число пластин на пути космических лучей.

5. Для лучшей точности провести измерения 2 – 3 раза. Данные занести в табл. 3.1.

6. Найти среднее значение числа импульсов N в каждом цикле измерений. Определить погрешность величины Ni  (Δ Ni = N – Ni) в каждом цикле измерений, а также относительную погрешность:

δ (N) = Δ Ni / Ni.

7. Построить кривую поглощения Ni = f (d) рис. 3.2.

Из графика определить интенсивности мягкой (Jм)  и жесткой (Jж) компонент  космического излучения учитывая, что интенсивность равна количеству импульсов в единицу времени .

8. По формуле  с учетом погрешности измерения найти верхнюю границу отношения интенсивностей мягкой и жесткой компонент космического излучения, проникающего в лабораторию.

Таблица 3.1

N опыта

d, см

Ni

Jм ()

Jж ()

Jм / Jж

3.4. Изучение углового распределения интенсивности космического излучения

Вторичное космическое излучение на уровне моря обусловлено слабопоглощаемой жесткой мюонной компонентой. Мезоны, идущие под углом Θ к вертикали, проходят в атмосфере путь, в 1/ cos Θ раз больший, чем мезоны, идущие по вертикали, поэтому вероятность их распада больше и больше слой проходимого воздуха. А значит растет их поглощение, и следовательно, уменьшается их интенсивность с ростом угла Θ. В настоящей работе предлагается проверить справедливость формулы зависимости интенсивности падающих космических лучей от угла наблюдения Θ:

J = J0 cos2 Θ,                                          (3.2)

где J0 – интенсивность вертикально падающих лучей (Θ = 0),              Θ – зенитный угол, отсчитываемый от вертикали. Интенсивность космических лучей будем рассматривать как количество зарегистрированных телескопом частиц в единицу времени.

3.4.1. Порядок выполнения работы

1. подготовить установку к измерениям. Включить кнопку «Сеть», дать прогреться 5 мин. Нажать кнопку «Сброс», при этом во всех разрядах индикаторов должны высветиться нули.

2. Выставить время измерения (10 мин.) кнопками «Установка», «+» и «–». Перейти в режим «Измерение», снова нажав кнопку «Установка».

3. Провести измерения для вертикально падающих лучей (Θ = 0). Для этого нажать кнопки «Сброс», «Пуск» и дождаться окончания счета.

4. Провести аналогичные измерения счета совпадений для углов Θ = 30°, 45°, 60° за то же самое время.

5. Для углов Θ > 50° внести поправку за счет ливней со стен и потолка лаборатории (ее величина измеряется при Θ = 90°).

6. Полученные данные занести в табл. 3.2.

7. Построить график зависимости интенсивности космических лучей J от cos2 Θ.

8. Сделать вывод о том, является ли полученная зависимость прямой пропорциональностью.

Таблица 3.2

N опыта

t, мин

Θ

cos2 Θ

Ni

J ()

4. Контрольные вопросы

1. Какова природа первичной компоненты космического излучения?

2. Чем объясняется появление вторичного космического излучения?

3. Каков состав жесткой компоненты вторичного космического излучения?

4. Напишите реакции образования и распада мюонов.

5. Каков состав мягкой компоненты вторичного космического излучения?

6. Что такое «космический ливень»? Объясните его происхождение.

7. Почему интенсивность прошедших через свинцовый слой лучей мало отличается от интенсивности падающего космического излучения?

Список литературы

1. Савельев И. В. Курс общей физики. – М. Наука. Физматлит, 1998. Кн. 5.

2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. – М. Наука, 1989. Атомная и ядерная физика. Часть 2.

11


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71615. Методика раскрытия и расследования преступлений, совершаемых несовершеннолетними 71.67 KB
  Понятие и структура криминалистической характеристики преступлений совершаемых несовершеннолетними. По данному поводу в разное время высказалось немало авторов хотя стоит учесть что криминалистическая характеристика преступлений сравнительно новое понятие в криминалистической науке.
71617. ФОРМИРОВАНИЕ ПСИХОЛОГИЧЕСКОЙ КОМПЕТЕНТНОСТИ СТУДЕНТОВ УЧРЕЖДЕНИЯ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КАК ФАКТОРА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ИХ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ 704 KB
  Гипотеза исследования: реализация основных задач и направлений экспериментального исследования позволит повысить уровень развития психологической компетентности субъектов профессионального образования и как следствие – обеспечить условия для подготовки высококвалифицированных и конкурентоспособных выпускников.
71619. Проектирование системы комплексной безопасности информационных систем и баз данных для ООО «Торговый Дом ЛФЗ» 4.09 MB
  Обеспечение информационной безопасности – одна из важнейших задач любого предприятия, работающего с информацией, разглашение которой может повредить его деятельности. Примечательным в данной работе является то, что каждый человек понимает необходимость защиты информации...
71622. Розробка рекомендацій щодо вдосконалення асортиментної політики СП ТОВ «ГАЛКА ЛТД» 5.87 MB
  Асортимент пропонованих товарів підприємства повинен бути по можливості широким. Стійкості асортименту сприяє твердження для кожного магазину асортиментного переліку, який складається на основі даних по вивченню попиту, профілю магазина, обсягу товарообігу, розміру торговельних площ.
71623. БИЗНЕС-ПЛАН СТРОИТЕЛЬСТВА ГОСТИНИЧНОГО КОМПЛЕКСА ГК КРОНА №2 442.37 KB
  Финансовый план реализации проекта. Анализ чувствительности проекта. Статистический анализ проекта методом Монте-Карло. Он также дает возможность: определить пути и способы достижения поставленных целей; смягчить влияние слабых сторон предприятия; отследить новые тенденции...