Контрольные вопросы

1. Какие закономерности обнаруживаются в спектре излучения атомов водорода? Как записывается формула Бальмера-Ридберга? Каков физический смысл квантовых чисел i и n, входящих в формулу Бальмера-Ридберга?

2. Какие спектральные линии обнаружены в спектре излучения атомов водорода? Как они образуются? Как согласуется теория Бора с формулой Бальмера-Ридберга?

3. Что называется границей серии? Какой длине соответствует граница серии Бальмера?

4. Обычно спектр испускания и спектр поглощения содержат одинаковое число линий, кроме серии Лаймана. Почему спектр поглощения атомов водорода в ультрафиолетовой части содержит только одну линию, тогда как спектр испускания в этой части содержит 3 линии?

5. На рис. 47 изображена схема квантовых уровней атома. Как изменяется соотношение между кинетической и потенциальной энергиями электрона при переходе от нижних уровней к верхним?

6. Каков принцип действия спектральных приборов (спектроскопа и монохроматора)? Что является диспергирующей системой и каково ее назначение?

7. В чем состоит градуировка спектрального прибора? Как, пользуясь градуировочным графиком, определить длину волны исследуемой спектральной линии?

8. Что такое спектральный анализ? Где его используют? В чем преимущество этого метода перед другими, например, перед химическими?

9

Рис. 47

. Найти максимальную и минимальную энергию фотона в ультрафиолетовой части спектра.

10. Каково отношение длин волн, соответствующих границам серии Лаймана и серии Бальмера?

11. Сколько квантов с различной энергией могут испустить атомы водорода, если их электроны находятся на третьем возбужденном уровне? Схема энергетических уровней приведена на рис. 47.

12. Определите длину волны излучения атомов водорода при переходе с четвертой орбиты на вторую. Какому цвету соответствует это излучение?

13. Под действием бомбардировки электронами с энергией 1,892 эВ атомы водорода светятся. Какой длине волны соответствует это свечение?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ИЗУЧЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОГО ФОНА КОСМИЧЕСКОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ СЧЕТЧИКА ГЕЙГЕРА

Цель работы: а) изучение устройства и принципа действия счетчика Гейгера;

б) регистрация ионизирующих частиц космического излучения (естественный фон) счетчиком Гейгера;

в) изучение закона распределения космических частиц, случайно попавших в счетчик Гейгера.

Оборудование: счетчик Гейгера; секундомер.

Рис. 48

Космическое излучение представляет собой поток атомных ядер и элементарных частиц высоких энергий, образующих в земной атмосфере вторичное излучение, в котором встречается практически все известные в настоящее время частицы. Космическое излучение приходит изотропно со всех направлений космического пространства.

Измерения интенсивности космического излучения показали, что она быстро растет с высотой и достигает максимума на высоте 20 км, а затем она уменьшается и на высоте Н ≥ 50 км не изменяется (рис.48).

Космическое излучение различают на первичное (приходит непосредственно из космоса) и вторичное (образуется в результате взаимодействия первичного излучения с ядрами атомов земной атмосферы).

По современным представлениям считается, что первичное излучение имеет в основном галактическое происхождение. Частицы ускоряются до высоких энергий (10³-10⁷ МэВ) при столкновении с движущимися межзвездными магнитными полями. На высоте Н ≥ 50 км (рис. 48) интенсинвость космического излучения постоянная. На этих высотах наблюдается только первичное излучение.

С приближением к Земле (Н < 50 км) интенсивность космического излучения возрастает, что говорит о появлении вторичного излучения, в котором содержатся практически все известные элементарные частицы. При Н < 20 км космическое излучение является вторичным. При изменении высоты его интенсивность уменьшается из-за поглощения вторичных частиц земной атмосферой.

Измерения интенсивности космического излучения проводят методами, аналогичными методам регистрации радиоактивных излучений и частиц.

Существующие методы регистрации элементарных частиц и радиоактивных излучений основаны на их ионизирующем действии. Вторичные эффекты, сопровождающие эти процессы (вспышки света, электрические разряды, потемнение фотопластинки и др.), позволяют регистрировать пролетающие частицы, считать их, отличать друг от друга, измерять их энергию.

Одним из наиболее распространенных является газоразрядный счетчик Гейгера (рис. 49). Он представляет собой стеклянную трубку 1 (рис. 49а), закрытую герметически. Внутри нее проходит металлическая нить 2, которая служит анодом. Слой металла 3 на внутренней поверхности трубки является катодом.

Схема включения счетчика Гейгера приведена на рис. 49б, где обозначены: У – усилитель сигнала; ПУ – пересчетное устройство; СГ – счетчик Гейгера.

Т

Рис.49

рубка самогасящегося счетчика заполняется газовой смесью, состоящей из инертного газа с примесью небольшого количества паров спирта и галоидов.

Электроды счетчика Гейгера, находящиеся под напряжением, образуют газоразрядный промежуток с сильно неоднородным полем. Если напряжение превышает начальный потенциал зажигания

(U > U_заж), то любая заряженная частица, попавшая в это поле и образовавшая хотя бы пару ионов, вызовет в счетчике вспышку газового разряда в течение 10^-7  10^-6с. Возникший при этом во внешней цепи импульс тока проходит через усилитель сигналов У и регистрирующее пересчетное устройство ПУ (рис. 49б).

Возбужденные атомы инертного газа испускают фотоны, которые способны вызвать фотоэффект с поверхности катода и способствуют развитию разряда. Но молекулы спирта поглощают фотон (фотоэффект не происходит) и при этом диссоциируются на ионы. В результате разряд гаснет. Гамма-излучение регистрируется по вторичным заряженным частицам (фотоэлектронам, комптон-элеткронам и др.), возникающим в счетчике.

Рис. 50

Главной характеристикой счетчика является его счетная характеристика (рис. 50), выражающая зависимость числа импульсов в минуту (скорость счета) от величины напряжения на электродах счетчика.

При напряжении U = U_заж (напряжение зажигания) происходит зажигание разряда и при U > U_заж скорость счета растет, достигая максимума при U = U₁ (рис 50). На участке от U₁ до U₂ скорость счета практически не изменяется и от напряжения не зависит. Область напряжений от U₁ до U₂ является рабочей частью счетной характеристики и называется «плато» счетчика. Протяженность плато в счетчиках Гейгера составляет не менее 100 В, а скорость счета в ее пределах изменяется не более чем на 5%. Для счетчика Гейгера, используемого в данной работе, плато лежит в области от 360 до 440 В.

Таким образом, построив счетную характеристику прибора, можно определить его рабочее напряжение (U_раб). Эффективность регистрации частиц счетчиком Гейгера близка к 100%.

К недостаткам счетчика Гейгера следует отнести: а) невозможность измерять энергию частиц; б) невысокое разрешение во времени (10^-6с); в) большое время восстановления чувствительности (10^-3с).

В данной работе производится регистрация космических ионизирующих частиц, случайно попавших в счетчик. В этом случае скорость счета называется «фоном» счетчика. В качестве индикатора используется тиратрон холодного свечения. Число вспышек тиратрона соответствует числу пролетевших частиц через счетчик.

Как уже указывалось, счетчик Гейгера регистрирует в данной работе случайно попавшие в него частицы.

Алгоритм нахождения закона распределения случайных величин состоит в следующем: а) составляют статистический ряд случайных величин: n₁, n₂, n₃, …. n_N, где n_i – число частиц попавших в счетчик; б) полученный стастический ряд записывают в упорядоченном виде (в порядке возрастания n_i или убывания); в) весь диапазон случайных величин [n_max, n_min ] разбивают на несколько интервалов одинаковой ширины n:

(9-1)

г

Рис. 51

де К – число интервалов (выбирается произвольно); г) подсчитывают число значений случайных величин, попавших в каждый из полученных интервалов (m); д) строят гистограмму (рис. 51, ступенчатая кривая); ширина каждого столбика n, определяемое по формуле (9-1), а высота – число попаданий случайных величин в данный интервал (m).

Среднее арифметическое значение <n> из всех случайных величин попадает в середину столбика максимальной высоты. Это говорит о равновероятном распределении случайных величин в окрестности точки <n>. Значении n < <n> и n > <n> встречаются очень редко (они маловероятны).

При достаточно большом числе опытов (N ≥ 30) и большом числе интервалом () гистограмма вырождается в плавную кривую (рис. 51, пунктирная линия), которая является выражением закона распределения случайных величин. Максимум этой кривой совпадает с максимумом гистограммы.

Функция распределения случайных величин имеет вид:

(9-2)

где Z_i - параметр, зависящий от случайной величины и определяемый по формуле

(9-3)

 - средняя квадратичная погрешность:

(9-4)

Функцию f(Z_i) находят по справочной таблице (табл. 28, прилож. VIII).