Экспериментальная установка и методика эксперимента

Внешний вид установки и ее электронная схема приведены на рис.4.7 и 4.8. соответственно.

1. В

   Рис. 4.7. Внешний вид установки.

   ключите установку тумблером СЕТЬ на задней панели измерительного устройства (при этом на индикаторах В и мА, мкА, пФ должны установиться нули, и светиться индикаторы ВАХ и ПРЯМАЯ (допускается индикация не строго нуля, до значения 2 младшего разряда). Необходимо дать прогреться установке в течение 5 минут.

2. Переключателем образцов диодов на передней панели установки выберите образец диода (pnперехода), характеристики которого будут исследоваться.

3. У

   Рис. 4.8. Схема установки.

   станавливая с помощью кнопок "+" и "" необходимые значения напряжения наpnпереходе и считывая при этом с индикатора тока (мА, мкА) значения прямого тока через переход (размерность при этом индицируется светодиодами индикатора, знак тока не индицируется), подготовьте данные для построения прямой ветви вольтамперной характеристики. По окончании измерений нажмите кнопку СБРОС.

4. Подключите к измерительному устройству второй объект исследования (выберите второй тип диода) переключателем на передней стенке установки.

5. Повторите действия пп. 1 3 для построения ВАХ второго диода.

6. Подключите к измерительному устройству третий объект исследования (третий тип диода) переключателем на передней стенке установки.

7. Повторите действия пп. 1 3 для построения ВАХ третьего диода.

Снятие ВАХ каждого диода повторите 35 раз.

8. Выключите установку тумблером СЕТЬ на задней стенке.

Обработка результатов эксперимента

1. По нескольким измерениям найдите среднее значение токов для каждого значения напряжения ВАХ.

2. Постройте вольтамперные характеристики указанных преподавателем диодов. По справочным данным определите токи насыщения соответствующих марок диодов.

3. Используя метод наименьших квадратов и формулу (П.9) Приложения, постройте линеаризованные ВАХ диодов, определите угловой коэффициент и сравните с теоретическим значением, которое рассчитывается по формуле (4.12).

4. Постройте зависимость дифференциального сопротивления p-n переходаR_gот напряжения.

5. Оцените из ВАХ величину U_maxпотенциального барьераp-nперехода в эВ.

6. Погрешность регистрации значений токов и напряжений находится по методике вычисления погрешности прямых измерений с учетом систематической погрешности регистрирующих приборов.

7. Погрешность величины e/kTнаходится как погрешность линеаризации методом наименьших квадратов по формуле (П.10) Приложения, гдеX_i =U_i,Y_i=ln (I_i /I_s + 1).

Лабораторная работа № 5 исследование космических лучей

Цель работы: изучение углового распределения космических лучей; исследование поглощения космических лучей в слое свинца контролируемой толщины.

Основные теоретические положения

Космическими лучаминазывают поток атомных ядер и элементарных частиц высоких энергий, идущих из космического пространства, и образуемое ими в земной атмосфере вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные в настоящее время элементарные частицы. Обладая огромной энергией, в среднем около 10¹⁰эВ, частицы космического излучения превосходят по своей проникающей способности все другие виды ядерных излу­чений.

Космические лучи вне пределов земной атмосферы – первичное космическое излучение– состоят в основном из протонов большой энергии. В его состав входят также-частицы, электроны и в небольшом количестве ядра более тяжелых элементов, вплоть до ядер с зарядовым числомZ= 30. Электронов в космических лучах в сотни раз меньше, чем протонов. Космические лучи напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы которого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвездной и межпланетной сред и воздействие космических магнитных полей. Первичные космические лучи обладают колоссальными кинетическими энергиями, вплоть до 10²¹эВ. Хотя их суммарный поток у Земли невелик и составляет всего примерно 1 частица/(см²с), плотность их энергии, порядка 1 эВ/см², сравнима с плотностью энергии суммарного электромагнитного излучения звезд, энергии теплового движения межзвездного газа а также с плотностью энергии магнитного поля Галактики.

Другая важная особенность космических лучей – нетепловое происхождение их энергии. Действительно, даже при температуре около 10⁹К, по-видимому, близкой к максимальной для звездных недр, средняя энергия теплового движения частиц составляет величину порядка 310⁵эВ. Основное же количество частиц космических лучей, наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 10⁸эВ и выше. Это означает, что космические лучи приобретают энергию в специфических астрофизических процессах электромагнитной и плазменной природы. Есть основания предполагать, что основным источником космических лучей являются сверхновые звезды. Согласно данным о распределении межзвездного газа и остатков вспышек сверхновых звезд, возраст космических лучей не превышает 30 миллионов лет.

Космические лучи почти равномерно заполняют всю Галактику и лишь припланетное пространство и земное магнитное поле искажают эту изотропию. При подходе к Земле космические лучи попадают в зону действия ее магнитного поля. Поле изгибает траектории частиц и не подпускает к поверхности Земли медленно движущиеся частицы. Поле, однако, не действует на частицы, летящие вдоль силовых линий.

Медленные частицы могут, поэтому, достигать границ атмосферы лишь в области около полюсов, где силовые линии магнитного поля пересекают поверхность Земли. В области экватора на границу атмосферы могут попадать только протоны с энергией больше 1,510¹⁰эВ.

Таким образом, на больших высотах космические лучи состоят почти исключительно из протонов большой энергии. Суще­ственно иной состав имеет космическое излучение на поверхности Земли. Измерение коэффициента поглощения показывает, что в составе космических лучей на уровне моря имеются две группы частиц, сильно отличающихся по своим свойствам.

Та группа частиц, которая поглощается слоем свинца в 10см, названа мягкой компонентой космического излучения, коэффициент поглощения ее довольно большой. Вторая группа частиц, для которой коэффициент по­глощения оказывается существенно, почти в 20раз, меньше носит название жесткой или проникающей компо­ненты.

Как показали дальнейшие исследования, описанное выше чисто феноменологическое разделение космических лучей на две группы совпадает с их разделением по составу: вблизи поверхности Земли жесткая компонента состоит в основном из мезонов и протонов, а мягкая —из электронов, позитронов и фотонов.

Рассмотрим процессы, в результате которых образуются мягкая и жесткая компоненты.

При прохождении через атмосферу частицы первичного излу­чения сталкиваются с атомными ядрами и вызывают различные ядерные превращения. Важную роль среди этих превращений играет процесс генерации -мезонов, рождающихся при столкновении про­тонов первичного излучения с нуклонами ядер. При этом образуются-мезоны большой энергии. Процесс образования-мезонов практи­чески заканчивается на высоте около 10километров над уровнем моря. При меньшей высоте резко падает число протонов первичного из­лучения и соответственно число вызываемых ими реакций.

Нейтральные -мезоны практически мгновенно распадаются на два-кванта. Эти-кванты дают начало электронно-фотонным ливням. Заряженные-мезоны распадаются на -мезони нейтрино по схеме

,

причем время жизни -мезона в связанной с ним системе координат составляет 2,610^-8секунды.

Распад -мезонов в плотных и разреженных веществах протекает существенно по-разному. В плотных веществах (фотоэмульсии) процесс тор­можения происходит столь быстро, что бóльшая часть-мезонов останавливается, не успев распасться. В атмосфере, наоборот,-мезоны теряют скорость очень медленно, при этом большинство-мезонов распадается на лету. В результате таких распадов в составе вторичного излучения образуются быстрые -мезоны.

Не взаимодействующие с ядрами -мезоны способны проходить в веществе огромные расстояния и образуют основную часть проникающей компоненты.

При столкновении с ядрами протоны первичного излучения могут выбить из них один или несколько нуклонов или даже полностью разрушить ядро. Дошедшая до Земли часть первичного излучения, -мезоны и образовавшиеся в результате ядерных реакций быстрые протоны и нейтроны составляют жесткую компоненту космических лучей.

Рассмотрим теперь, как образуется мягкая компонента космического излучения, состоящая, из электронов, позитронов и фотонов.

Быстро поглощающаяся в воздухе мягкая компонента существует в веществе лишь постольку, поскольку она генерируется жесткой. В каждой среде данному количеству жесткой компоненты соответствует вполне определенное количество мягкой. При смене среды происходят поэтому «переходные» процессы —поглощение излучения, являвшегося равновесным в первой среде, и замена его новым излучением, равновесным для второй среды. Входящие в состав мягкой компоненты электроны, позитроны и фотоны непрерывно возникают друг из друга: при столкновении с ядрами электроны и позитроны вызывают появление тормозных-квантов, кванты в свою очередь генерируют в поле ядер электронно-позитронные пары. Так образуются электронно-фотонные ливни. Процессы рождения пар и возникновения-квантов чередуются друг с другом до тех пор, пока энергия-фотонов не станет недостаточной для образования новых пар. Поскольку энергия первоначального фотона бывает очень большой, успевает возникнуть много поколений вторичных частиц, прежде чем прекращается развитие ливня.

На больших высотах начало таким ливням кладут -кванты, образующиеся при распаде°-мезонов. У поверхности Земли основ­ную роль играют-электроны, то есть электроны отдачи, образующиеся при соударении быстрых частиц с атомами, и электроны, возникающие при распаде -мезонов:

.

Здесь —положительный или отрицательный мезон,—позитрон или электрон,aи —нейтрино и антинейтрино. Электроны и позитроны, образующиеся в этой реакции, имеют большую энергию, достаточную для образования ливней.

Прохождение космических лучей через атмосферу связано, ко­нечно, и с рассеянием, то есть изменением направления полета. Для быстрых частиц, однако, рассеяние не вызывает заметного переме­шивания частиц, летевших вначале в разных направлениях; вто­ричные частицы в существенной мере сохраняют направление первичных.

Исследование углового распределения космических лучей на уровне моря показывает, что их интенсивность резко зависит от направления, быстро увеличиваясь при переходе от горизонталь­ного направления к вертикальному. Качественно такая зависимость представляется вполне естественной, поскольку для вертикально летящих частиц толщина пройденного слоя атмосферы является минимальной.

Найти формулу, описывающую интенсивность космических лу­чей в зависимости от угла падения, теоретическим путем не удается. Поэтому для расчетов используется эмпирическая формула

(5.1)

где и—интенсивности космического излучения в вертикальном направле­нии и под угломк вертикали.

Интенсивностью излучения называется отнесенное к единице телесного угла количество частиц, падающих под данным углом к вертикали на единичную площадку в единицу времени. Соответ­ственно имеет размерность см^-2с^-1ср^-1.

Поток первичного космического излучения на уровне моря составляет в среднем 1,7510^-2частиц/(см²с) и весьма мало меняется с солнечной активностью. Интенсивность и состав космического излучения, а также превращения, испытываемые ими в атмосфере, довольно хорошо изучены. Космические частицы, в пер­вую очередь быстрые электроны, дали впервые возможность экспериментального исследования электромагнитных процессов при энергиях, превышающих милли­арды электрон-вольт. В космическом излучении были впервые обнаружены многие элементарные частицы (позитроны, пионы, мюоны, К-мезоны и гипероны). Иссле­дования этого весьма слабого по своей интенсивности излучения стимулировали развитие многих новых экспериментальных методов и привели к важнейшим от­крытиям, существенно расширившим наши представления о природе элементар­ных частиц, о свойствах космического пространства и процессах в звездах, в ко­торых генерируются космические лучи.