Г. П. Михайлов физика твердого тела, атома и атомного ядра
 Скачать 1.94 Mb.
|
|
ЦЕЛИ РАБОТЫ 1. Изучение зависимости интенсивности космического излучения от толщины пройденных им свинцовых пластин. 2. Проверка эмпирической формулы зависимости интенсивности космического излучения от угла наблюдения. ЗАДАЧИ 1. Закрепление знаний о закономерностях космического излучения. 2. Приобретение навыков проведения измерений и умения обработки получаемых данных. 3. Изучение зависимости интенсивности космического излучения от толщины свинцовых пластин и угла наблюдения. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Космические лучи были обнаружены в начале 20 в. 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. 7.3 представлен график зависимости интенсивности космического излучения от высоты над поверхностью Земли. Из рис. 3.1 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, различают первичное и вторичное космические излучения. В околоземном космическом пространстве первичное космическое излучение состоит из галактического излучения (постоянный компонент) и солнечного излучения (временный компонент). Исследования показали, что в состав первичных космических лучей входят атомные ядра с энергиями W на один нуклон, заключенными в интервале 10 9 ≤ W ≤ 10 13 эВ, что во много раз превышает тепловую энергию частиц в самых горячих частях Вселенной. Излучение с энергией W < 10 13 эВ на 92 % состоит из Рис. 7.3. Зависимость интенсивности космического излучения от высоты J h,км 100 50 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 компонентов: мягкого (сильно поглощается свинцом) и жесткого (обладает в свинце большой проникающей способностью). Мягкий компонент представлен электронами, позитронами и фотонами. «Родоначальниками» мягкого компонента являются γ-кванты больших энергий, образующиеся при распаде π 0 -мезонов π 0 → hν γ + hν γ . (7.4) Эти γ-кванты («жесткие» γ-кванты) в поле атомных ядер легко превращаются в пары «электрон-позитрон», следующие практически в том же направлении hν γ → –1 е + +1 е. (7.5) 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. Возникающие таким образом γ-кванты также обладают еще весьма большой энергией и в свою очередь обращаются в пары «электрон-позитрон». В результате каждый π 0 -мезон большой энергии оказывается родоначальником множества легких частиц (электронов, позитронов, γ-квантов), число которых нарастает лавинообразно (рис. 7.4). 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. Поскольку 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». Жесткий компонент космического излучения состоит из μ-мезонов (мюонов), возникающих в результате распада заряженных π-мезонов (пионов) → μ + + ; Рис. 7.4. Схема каскадного космического ливня → μ – + , (7.6) где μ + и μ – – соответственно положительный и отрицательный мюоны, ν μ – 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 очень малы. 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 мягкий компонент вторичного излучения, до Земли доходят фактически только высокоэнергетические галактические лучи с энергией более 10 10 эВ. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Принципиальная схема установки, называемой «Космический телескоп», приведена на рис. 7.5. Космический телескоп состоит из нескольких рядов параллельно включенных счетчиков Гейгера–Мюллера. Телескоп позволяет регистрировать только частицы, пролетевшие через все счетчики, что достигается с помощью схемы совпадений, посылающей в этом случае импульс напряжения на пересчетную схему. Рис. 7.5. Схема установки Телескоп может поворачиваться вокруг своей оси крепления 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. 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. ЗАДАНИЯ 1. Изучение поглощения космического излучения в свинце. 2. Изучение углового распределения интенсивности космического излучения. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЙ Изучение поглощения космического излучения в свинце Процесс поглощения космических лучей в свинце достаточно сложен, и для получения полной картины прохождения частиц через вещество необходим учет многих факторов, характеризующих не только частицу (масса, заряд, энергия), но 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 мягкий компонент космических лучей практически полностью поглощается свинцовыми пластинами. Это позволяет измерить отношение интенсивности жесткого компонента, имеющего большую проникающую способность (J ж ) к суммарной интенсивности в отсутствии пластин J 0 = J м + J ж . (7.7) Порядок выполнения 1. Подготовить установку к измерениям. Нажать кнопку «Сеть», дать прогреться 5 минут. 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 минут) кнопками «+» и «–». Повторным нажатием кнопки «Установка» отключить соответствующий режим. 3. Нажать кнопки «Сброс» и «Пуск». Дождаться окончания счета импульсов и записать количество импульсов в табл. 7.3. 4. Повторить измерения п. 3 (за то же самое время), каждый раз увеличивая число пластин на пути космических лучей. Рассчитать интенсивность ( J ), которая равна количеству импульсов в единицу времени ) мин ( t N J 5. Построить кривую поглощения J = f (d) (рис. 7.6). 6. Из графика определить интенсивности мягкого (J м ) и жесткого(J ж ) компонентов космического излучения. 7. По формуле ( 0) ( 8) м ж ( 8) n n n N N J J N , где n – число пластин, найти верхнюю границу отношения интенсивностей мягкого и жесткого компонентов космического излучения, проникающего в лабораторию. Таблица 7.3 d, см N J , 1 мин J м , 1 мин J ж , 1 мин J ж / J м Изучение углового распределения интенсивности космического излучения Вторичное космическое излучение на уровне моря обусловлено слабопоглощаемым жестким мюонным компонентом. 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. Поэтому растет их поглощение и, следовательно, уменьшается их интенсивность с ростом угла Θ. В данной работе предлагается проверить справедливость формулы зависимости интенсивности падающих космических лучей от угла наблюдения Θ J = J 0 cos 2 Θ, (7.8) где J 0 – 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. Рис. 7.6. Кривая поглощения J J 0 J ж 0 d, см Порядок выполнения 1. Подготовить установку к измерениям. Включить кнопку «Сеть», дать прогреться 5 минут. Нажать кнопку «Сброс», при этом во всех разрядах индикаторов должны высветиться нули. 2. Выставить время измерения (10 минут) 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. 7.4. 7. Построить график зависимости интенсивности космических лучей J от cos 2 Θ. 8. Сделать вывод о том, является ли полученная зависимость прямой пропорциональностью, что свидетельствует о справедливости формулы (7.8). Таблица 7.4 Θ cos 2 Θ N J, 1 мин Контрольные вопросы 1. Какова природа первичного компонента космического излучения? 2. Чем объясняется появление вторичного космического излучения? 3. Каков состав жесткого компонента вторичного космического излучения? 4. Напишите реакции образования и распада мюонов. 5. Каков состав мягкого компонента 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? Требования к содержанию и оформлению отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать: 1. Краткое изложение теории, основные характеристики космического излучения, расчетные формулы. 2. Блок-схему установки. 3. Таблицу с экспериментальными результатами. 4. Кривую поглощения J = f (d) и график зависимости интенсивности космических лучей 2 (cos ) J f . 5. Определение по графику J = f (d) верхней границы отношения интенсивностей мягкого и жесткого компонентов космического излучения, проникающего в лабораторию. 6. Вывод, в котором содержится анализ зависимости интенсивности космических лучей J от cos 2 Θ. Критерии результативности выполнения лабораторной работы Лабораторная работа считается выполненной, если студент: – овладел понятиями мягкого и жесткого компонентов космического излучения, понимает природу вторичного космического излучения; – правильно выполнил экспериментальную и расчетную части работы; – нашел верхнюю границу отношения интенсивностей мягкого и жесткого компонентов космического излучения, проникающего в лабораторию. – правильно построил график зависимости интенсивности космических лучей 2 (cos ) J f ; – составил отчет, соответствующий предъявляемым к нему требованиям; – сформулировал выводы о проделанной работе; – грамотно ответил на все контрольные вопросы. 7.3. Лабораторная работа № 16 (89) Изучение пробега -частиц в воздухе ЦЕЛИ РАБОТЫ 1. Исследовать зависимость интенсивности -лучей от толщины слоя воздуха. 2. Определить линейный коэффициент поглощения. 3. Оценить верхнюю границу энергии – -спектра и выявить наиболее важный механизм потерь энергии -электронов при их движении в воздухе. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Теория -распада Бета-распадом называется радиоактивное превращение ядер, при котором их массовое число не изменяется, а заряд увеличивается или уменьшается на единицу. Существует три разновидности -распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом – позитрон, в третьем случае, называемом электронным захватом, ядро поглощает один из электронов К-оболочки, значительно реже L или М-оболочки (соответственно говорят о К-, L-, М-захвате). Первый вид распада ( – -распад или электронный распад) протекает по схеме 0 1 1 ν A A Z Z X Y e . (7.9) При -распаде -электроны обладают самой разнообразной энергией от 0 до E max . На рис. 7.7 изображен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при -распаде. Площадь, охватываемая кривой, дает общее число электронов, испускаемых в единицу времени, dE dN – относительное число электронов, энергия которых заключена в интервале dE. Важной особенностью всех энергетических – -спектров является их непрерывность. Во всех случаях кривая начинается с нуля и ограничена со стороны больших энергий. Наибольшая энергия E max , которой могут обладать электроны, называется верхней границей – -спектра и является характеристикой источника -излучения. Энергия E max равна значению энергии Q, освободившейся при – -распаде. Следовательно, распады, при которых энергия электрона меньше E max , протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии. В схеме – -распада (2.1) присутствует гипотетическая частица антинейтрино (что означает «маленький нейтрон»), обладающая нулевым зарядом, нулевой массой и спином / 2 . Введение антинейтрино (а в других типах -распада нейтрино) связано с тем, что явление -радиоактивности поставило перед ядерной физикой ряд проблем: откуда берутся вылетающие электроны, почему их энергии могут принимать всевозможные значения от 0 до E max и как совместить сохранение при -распаде спина ядра с тем, что, как известно, при -распаде ядра не изменяется число нуклонов в ядре. Поэтому не должен изменяться и спин ядра, равный целому числу при четном массовом числе A и полуцелому числу при нечетном числе А. Но вылет электрона, имеющего спин / 2 , должен изменить спин ядра на величину / 2 . Решение этих проблем было предложено В. Паули (1931) введением в схему -распадов нейтрино. В случае – -распада введение антинейтрино позволило сразу объяснить наличие сплошного энергетического спектра у – -излучателей. Полная энергия, теряемая ядром при испускании электрона, действительно равна E max , но она может различным образом распределяться между электроном и антинейтрино в соответствии с кривой на рис. 7.7. При – -распаде нейтрино уносит с собой энергию E max – E, что объясняет кажущееся нарушение закона сохранения Рис. 7.7. Энергетический спектр электронов dE dN E max E энергии. Естественным образом объяснялось и сохранение спина ядра при – -распаде. Поскольку вместе с электроном уносится и антинейтрино, обладающее, как и электрон, спином / 2 , суммарный спин обеих частиц при взаимно противоположной ориентации их спинов будет равен нулю. Для решения вопроса о возникновении электронов при – -распаде следует еще раз напомнить, что при этом распаде число нуклонов в ядре не изменяется и заряд ядра увеличивается на единицу. Единственной возможностью одновременного осуществления этих условий является превращение в ядре нейтрона 1 0 n в протон 1 1 p с одновременным образованием электрона 0 1 e и вылетом антинейтрино ν 1 1 0 0 1 1 ν n p e . (7.10) Второй вид распада ( + -распад или позитронный распад) протекает по схеме 0 1 1 ν A A Z Z X Y e . Процесс сопровождается испусканием позитрона 0 1 e и нейтрино ν Позитрон является античастицей для электрона. Процесс + -распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино 1 1 0 1 0 1 ν p n e . (7.11) Третий вид -распада (электронный захват) заключается в том, что ядро поглощает один К-электрон (реже L или М) своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино 1 0 1 1 1 0 ν p e n . (7.12) Схема процесса выглядит следующим образом: 0 1 1 ν A A Z Z X e Y Сравнивая схемы превращений (7.10), (7.11), (7.12), видим, что каждый из этих процессов нельзя объяснить делением системы на составные части. Эти процессы представляют собой взаимопревращения микрочастиц. Электрон, позитрон и нейтрино не содержатся в протоне или нейтроне, а рождаются при взаимном превращении последних. |