Лабораторные по физике / Сборник МУ часть 6 / №73 (Изучение углового распределения интенсивности космического излучения)

Лабораторная работа № 73

ИЗУЧЕНИЕ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ

КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы

Проверка феноменологической формулы зависимости интенсивности падающего космического излучения от угла падения.

Теоретическое введение

Космическое излучение или лучи - это заполняющие всё космическое пространство микрочастицы с высокой энергией. В пределах солнечной системы это первичное космическое излучение изотропно и постоянно во времени; его интенсивность составляет 2-4 част/(см²·сек). Анализ первичного космического излучения показывает, что в основном оно состоит из протонов (> 90%) и - частиц (7%). Незначительную долю в нём составляют тяжёлые ядра, электроны, позитроны, нейтрино и -кванты. Первичное излучение содержит две составляющие: постоянную (блуждающие галактические лучи) и временную (испускаемые Солнцем высокоэнергитичные заряженные частицы).

При прохождении первичного космического излучения сквозь атмосферу Земли образуется вторичное космическое излучение. Вторичное космическое излучение состоит из компонент:

а) адронной (ядерно-активной);

б) мягкой;

в) жёсткой.

Адронная компонента состоит из нуклонов (протон + нейтрон) и мезонов -частиц, посредством которых осуществляется взаимодействие между нуклонами. Адронная компонента взаимодействует с ядрами элементов, составляющих атмосферный слой.

Мягкая компонента состоит из электронов, позитронов и фотонов. Мягкая компонента возникает из-за распада °- мезонов (нейтральные пионы) с образованием квантов высокой энергии. Образовавшиеся кванты при взаимодействии с атомными ядрами атмосферы рождают электронно-позитронные пары, которые в свою очередь испускают тормозные кванты, образующие лавинообразный процесс. Процесс лавинообразования квантов происходит до тех пор, пока их энергия не уменьшится до критического значения в воздухе - 72 МэВ.

Земная атмосфера сильно поглощает адронную и мягкую компоненты вторичного космического излучения; Земли практически достигает только жёсткая компонента излучения.

Жёсткая компонента состоит из высокоэнергитических -мезонов (мюонов), образовавшихся при распаде -мезонов. Мюоны слабо взаимодействуют с ядрами атомов атмосферы, и их интенсивность практически не уменьшается, после прохождения атмосферных слоев.

Таким образом, вторично космическое излучение на Земле обусловлено его жёсткой компонентой, т.е. -мезонами. Однако поток -мезонов, идущих под углом  к вертикали проходит в атмосфере путь_, в 1/cos раз больше, чем поток, идущий по вертикали; поэтому вероятность распада частиц больше, т.к. больше слой проходимого воздуха. Вследствие этого с ростом угла  растёт поглощение и, следовательно, уменьшается их интенсивность.

В настоящей работе проверяется справедливость зависимости интенсивности падающих космических лучей от угла наблюдения  вида:

, (1)

где I₀ - интенсивность вертикального потока ( = 0),  - зенитный угол, отсчитываемый от вертикали (рисунок 1).

Интенсивность I космических лучей определяется как количество частиц, зарегистрированных в единицу времени.

Приборы и оборудование

Экспериментальная установка состоит из «космического телескопа» (КТ) и измерителя импульсов (ИИ) космического излучения. Принципиальная схема установки приведена на рисунке 2.

1 . «Космический телескоп» состоит из нескольких рядов параллельно включённых счётчиков Гейгера-Мюллера (1). Он позволяет регистрировать только частицы, пролетевшие через все счётчики, что достигается с помощью схемы совпадений, посылающей импульс напряжения на пересчётную схему - измеритель импульсов (3). Телескоп КТ может поворачиваться вокруг оси крепления его к стойке на угол 9, считываемый на круговом лимбе (2) прибора. Пределы измерения угла поворота в телескопа от вертикали от 0° до 90° через 15° (соответственно оцифрованным делениям на лимбе).

2. Измеритель импульсов содержит:

• таймер с максимальным временем измерения 999 с, причём в диапазоне от 0 до 99,9 с интервалом 0,1 с, в диапазоне от 100 до 999 - с интервалом 1 с, а переключение диапазонов происходит автоматически;

• высоковольтный выпрямитель для питания счётчиков;

• схему совпадений;

• блок пересчёта импульсов.

Измеритель импульсов имеет кнопки управления прибором:

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

«Сброс» - установка измерителя в исходное состояние.

«Пуск - Стоп » - прерывание измерения без установки в исходное состояние или для включения режима измерения.

«Установка» - включение и выключение режима установки времени измерения.

«+» и «-» - установка времени измерения (при кратковременном нажатии устанавливаются единицы секунд; при длительном - десятки секунд).

Порядок выполнения работы

1. Подготовить установку к измерениям. Включите установку выключателем «СЕТЬ» на задней панели устройства измерительного, выждать 5 минут (прогрев установки). Отодвинуть в сторону свинцовые пластины (оранжевого цвета). Нажать кнопку «Сброс», при этом во всех разрядах индикатора должны высветиться нули.

2. Выставить время измерения (5 мин) кнопками «+» и «-», «Установка». Снова нажав кнопку «Установка» перейти в режим «измерение».

3. Измерить число импульсов N для вертикально падающих лучей ( = 0). Для этого на приборе ИИ нажать кнопки «Сброс», «Пуск» и дождаться окончания счёта.

4. Аналогичные измерения провести для углов  = 30°, 45°, 60°, 75°, 90° за то же самое время.

Обработка результатов

1. Вычислить для каждого угла  величину интенсивности космического излучения по формуле:

, (1)

где I - интенсивность, имп/мин, N - число импульсов при заданном  (показание прибора ИИ), t - время измерения, мин.

2. Оценить стандартную погрешность I_станд измерения интенсивности:

. (2)

Для углов  > 50° внести поправку I_ливн за счёт ливней со стен и потолка лаборатории (её величина измеряется при  = 90° ):

, (3)

3. Оценить общую погрешность I() с учётом поправки (3):

.

4. Данные измерений и обработки результатов занести в таблицу:

Таблица

	N	I,		Iстанд

5. Построить график зависимости интенсивности космических лучей с указанием погрешности (рисунок 3).

6. Сделать вывод о том, является ли полученная зависимость прямо пропорциональной.

Контрольные вопросы

1. Дать понятие первичного и вторичного космического излучения.

2. Охарактеризовать состав вторичного космического излучения.

3. Сделать вывод о зависимости интенсивности космического излучения от направления потока на поверхность Земли.

Литература

1 Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. - 11-е изд., стер. / Т.И. Трофимова. - М.: Изд. центр «Академия», 2006. – 558 с.

2 Детлаф, А.А. Курс физики: учеб. пособие для студ. втузов. - 6-е изд., стер. / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Изд. центр «Академия», 2007. – 719 с.