Физика Примеры решения задач Астрономия Физика атома Цепная ядерная реакция деления Проблемы развития атомной энергетики Закон Ампера Магнитные моменты атомов Намагниченность вещества

Руководство к лабораторной работе 320

  Изучение космического излучения у поверхности Земли

Цель работы: изучить космическое излучение, его происхождение, состав и свойства; методы регистрации космических лучей; измерить интенсивность космического излучения у поверхности Земли.

 Элементы физики ядра

I. Состав и свойства атомных ядер. Энергия связи ядра.

 Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц показали, что атомы сос­тоят из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Атомные ядра имеют размеры 10-14 – 10-15 м (размеры атома примерно 10-10 м) и состоят из элементарных частиц - протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название - нуклоны. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолют­ной величине заряду электрона е. Заряд нейтрона равен нулю. Заряд яд­ра Ze, где Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов и совпадающее с порядковым номером химического элемента в периодической системе Менделеева. В настоящее время известны ядра с от Z=1 до Z=107. Для всех ядер, кроме  и , число нейтронов N≥Z.

Число нуклонов в ядре  называют массовым числом А, ядро химического элементах обозначается через Х, где Х - символ химического элемента.

Ядра с одинаковыми Z , но разными А (т.е. с разными числами нейтронов N=A-Z), называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z – изобарами. Радиус ядра определяется но формуле

,

где R0 =(1,3-1,7) •10-15 м = (1,3-1,7) Ферми (I Ферми = 10-15 м). Объем ядра пропорционален числу нуклонов в нем. Плотность ядерного «вещества» примерно одинакова для всех ядер и составляет ~ 1017 кг/м3 . Ядра атомов имеют собственный момент импульса (спин)  ћ , где I - спиновое квантовое число. Спиновое квантовое числе I складывается из спиновых квантовых чисел входящих в ядро нуклонов (спин нуклона равен 1/2ћ).

Магнитный момент ядра μ равен сумме магнитных моментов нуклонов и вычисляется по формуле μ=γя Lя , где γя – ядерное гиромагнитное отношение. Единицей магнитного момента ядра служи т ядерный магнетон   , где мр - масса протона. Ядерный магнетон в мр/ме ≈ 1836 раз меньше магнетона Бора ( ), поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами его электронов.

Ядро является устойчивым образованием. Это означает, что между нуклонами существует особое ядерное сильное взаимодействие, не­смотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.

Исследования показали, что масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Следовательно, при образовании ядра должна выделяться энергия, которая по закону Эйнштейну равна ΔW=Δmc2. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на от­дельные нуклоны, называется энергией связи ядра. Она характеризует прочность ядра и равна Wсв. = Δмс2 = (Zmp + (A – Z)mn – mя)с2. Величина Δm = ( Zmp + (A – Z)mn – mя) называется дефектом массы ядра.

 2. Космические лучи и элементарные частицы.

Космическими лучами называют поток атомных ядер и элементарных частиц высоких энергий, идущих из космического пространства. В настоящее время общее число известных элементарных частиц (вместе с анти­частицами) приближается к 400. Интенсивность космического излучения зависит от высоты. Она достигает максимума на высоте h ≈ 25 км, затем уменьшается и остается практически постоянной с h ≈ 50км.За пределами земной атмосферы космические лучи состоят, в основном, из протонов (~90%), ядер атомов гелия и более тяжелых элементов. По сов­ременным представлениям первичное излучение имеет галактическое происхождение. Космические лучи образуются на Солнце и при взрыве сверхновых звезд. 

. Энергия частиц первичного космического излучения составляет 109 - 1019 эВ. Такую энергию заряженные частицы, по одной из гипотез, получают в электромагнитных полях звезд и других космических обра­зований. Магнитное поле Земли искривляет траекторию движения час­тиц, и поэтому лишь ничтожная доля излучения достигает ее поверх­ности. Столкновение частиц первичного излучения с ядрами атомов атмосферы Земли приводит к ядерным реакциям, в результате которых возникают частицы вторичного космического излучения - быстрые протоны, нейтроны, α - частицы, π - мезоны и осколки ядер. При повтор­ных столкновениях частицы вторичного излучения растрачивают свою энергию уже на высоте около,10 км над уровнем моря. Однако часть π - мезонов из-за малого времени жизни (~ 2·10-8 с) успевает испытать распад до того, как они захватываются атомными ядрами. π - мезоны распадаются на мюоны (μ+ , μ-), мюонные нейтрино (), антиней­трино () и γ –кванты:

   

 Значительная часть мюонов, возникающих в верхних слоях атмосферы, достигает Земли, а некоторые из них испытывают распад:

 

 ( - электронные нейтрино и антинейтрино). Вторичное космическое излучение состоит из двух компонентов - мяг­кого, сильно поглощаемого свинцом, и жесткого, обладающего большой проникающей способностью. К мягкому компоненту относятся электроны, позитроны и γ - кванты. Жесткий компонент излучения состоят в основ­ном из мюонов, протонов и мезонов.

 

3. Методы регистрации элементарных частиц.

 Для наблюдения и регистрации заряженных частиц используются различ­ные методы.

 Сцинтилляционный счетчик. Существуют вещества, которые отвечают вспышками света на пролет в них заряженной элементарной частицы. Такие вещества называются сцинтилляторами.

 Все сцинтилляторы характеризуются тем, что обладают атомными или мо­лекулярными "оптическими" уровнями, которые возбуждаются полем про­летающей заряженной частицы. В качестве сцинтилляторов часто используют

кристаллы йодистого натрия с добавками таллия. Эти кристаллы чувствительны к γ - квантам, которые выбивают из атомов йода быстрые фотоэлектроны.

Сцинтилляционные счетчики имеют высокую разрешающую способность. Они могут регистрировать частицы, проходящие в сцинтиллятор, с ин­тервалом времени ~ 10-9с.  Счетчик Гейгера-Мюллера. Счетчик Гейгера-Мюллера- один из ажнейших приборов для автоматического счета частиц. Хорошие счетчики позволяет регистрировать до 104 и более частиц в секунду, однако
они не различают заряженные частицы по типам и не дают возможности измерять их энергию.

Счетчик представляет собой наполненный инертным газом сосуд с двумя электродами (рис. 6).

 

 Рис 6.

 Стенки прибора образуют один из электродов, второй электрод вводится через изоляционную пробку. На электроды подается напряжение 1000 В. Заряженные частицы, пролетая в газе, ионизируют его, в результате чего образуются положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле, создаваемое между электродами, ускоряет электроны до энер­гий, при которых начинается ударная ионизация и возникает лавина ионов. Электроны, попавшие на анод, снижают его потенциал, и через резистор течет ток. Импульс напряжения, возникающий на резисторе, подается на регистрирующее устройство и фиксирует попадание частицы. Одновремен­но с регистрацией частицы в счетчике гасится режим газового усиления и лавинообразное нарастание ионов, и разряд прекращается. Счетчики Гейгера-Мюллера применяются в основном для регистрации электронов и

γ - квантов. Для обнаружения γ - квантов, обладающих малой ионизиру­ющей способностью, внутреннюю поверхность счетчика покрывают матери­алом, из которого они выбивают электроны. Тяжелые частицы (например, α - частицы) практически не попадают в счетчик из - за их малой про­никающей способности.

Черенковский счетчик. Принцип работы черенковского счетчика основан на свойствах излучения Вавилова-Черенкова, которое возникает при движении заряженных частиц в среде со скоростями V, превышающими фазовуо скорость света с/n в данной среде ( n - показатель прелом­ления).

Согласно теории электромагнитных волн, прискоростях V<с/n заряженная частица излучает электромагнитные волны лишь при движении с ускорением. Однако, как было доказано советскими физиками И.Е.Таммом и И.М. Франком, при движении с очень высокими скоростями (V> с/n) за­ряженная частица излучает электромагнитные волны даже при равномер­ном движении. 

Двигаясь со скоростью V>с/n в прозрачной жидкой среде, такая частица вызывает кратковременную поляризацию в окрестностях тех то­чек, через которые она пролетает. При этом молекулы среды, лежащие на пути частицы, становятся кратковременными когерентными источника­ми элементарных электромагнитных волн, интерферирующих при их нало­жении. В результате возникает ярко-голубая световая вспышка, свиде­тельствующая о движении в среде частицы со скоростью V>с/n. В че­ренковских счетчиках световые вспышки преобразуются с помощью фото­умножителя в импульс тока.

Характерной особенностью излучения Вавилова-Черенкова является то, что оно распространяется только по направлениям, образующим острый угол υ с траекторией частицы (рис.7).

Причем в направлении образующей конуса волны уси­ливают друг друга. Угол υ связан со скоростью частицы соотношением:

 

 Рис.7

 . .

Измерив угол-υ, определяют скорость частицы V. с помощью черенковского счетчика была открыта короткоживущая анти­частица - антипротон. 

 Камера Вильсона. Камера Вильсона представляет собой стеклянный со­суд с поршнем, содержащий насыщенные пары воды или спирта. При резком опускании поршня и расширении объема газа происходит его ади­абатическое охлаждение, пар становится перенасыщенным. Заряженная частица, пролетая в таком паре, создает на своем пути цепочки ио­нов, являвшихся центрами конденсации. Возникавшие на этих центрах капельки жидкости образуют след пролетевшей частицы - трек, кото­рый можно сфотографировать. По длине трека оценивают энергию час­тицы, а по числу капелек на единицу длины трека рассчитывает вели­чину ее скорости. Если поместить камеру в магнитное поле, то под действием силы Лоренца траектория заряженных частиц искривляется. По направлению искривления и радиусу кривизны определяют знак и удельный заряд частицы.

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА Интерференция света. Когерентность и монохроматичность световых волн. Время и длина когерентности. Расчет интерференционной картины от двух когерентных волн. Оптическая длина пути. Интерференция света в тонких пленках. Интерферометры. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Прямолинейное распространение света. Дифракция Френеля на круглом отверстии. Дифракция Фраунгофера на одной щели и на решетке
Основные положения квантовой механики