Методические указания к курсу физика атомного ядра и частиц для студентов физического факультета (стр. 5 из 7)
8. Найти по формуле:
,с учетом погрешности измерения верхнюю границу отношения интенсивностей мягкой и жесткой компонент космического излучения, проникающих в лабораторию.
Контрольные вопросы
1. Что такое первичное и вторичное космическое излучение?
2. Что входит в состав вторичного космического излучения?
3. Каковы компоненты первичного космического излучения?
4. Почему интенсивность прошедших через свинцовый слой лучей мало отличается от интенсивности падающего космического излучения?
Лабораторная работа №4
ИЗУЧЕНИЕ УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Цель работы: проверить феноменологическую формулу зависимости интенсивности падающего космического излучения от угла наблюдения.
Содержание работы
Вторичное космическое излучение на уровне моря обусловлено слабопоглощаемой жесткой компонентой, в состав которой входят m-мезоны. Мезоны, идущие под углом Q к вертикали, проходят в атмосфере путь, в 1/cosQ раз больший, чем мезоны, идущие по вертикали, поэтому вероятность их распада больше и больше слой проходимого воздуха. А значит, растет их поглощение и, следовательно, уменьшается их интенсивность с увеличением угла Q. В работе предлагается проверить справедливость формулы зависимости интенсивности падающих космических лучей от угла наблюдения Q (Рис.1):
I = I0 cos2Q,
где I0 - интенсивность вертикально падающих лучей (Q = 0), Q - зенитный угол, отсчитываемый от вертикали. Интенсивность космических лучей будем рассматривать как количество зарегистрированных телескопом частиц в единицу времени.
Рис.1
1. Ознакомиться с описанием телескопа, приведенным в работе № 3 (Рис. 2).
2. Подготовить установку к измерениям. Включить кнопку “Сеть”,
3. дать прогреться 5 мин. Нажать кнопку “Сброс”, при этом во всех разрядах индикаторов должны высветиться нули.
4. Выставить время измерения (10 мин.) кнопками “Установка”, “+”, “-”. Перейти в режим “Измерение”, снова нажав кнопку “Установка”.
5. Провести измерение для вертикально падающих лучей (Q = 0). Для этого нажать кнопки “Сброс”, “Пуск” и дождаться окончания счета.
6. Провести аналогичные измерения счета совпадений для углов Q = 30о, 45о, 60о за то же самое время.
7. Для углов Q > 50о внести поправку за счет ливней со стен и потолка лаборатории (ее величина измеряется при Q = 90о).
8. Оценить стандартную погрешность измерения интенсивности:
Рис. 2
ΔI’(Q) = 
,
и общую погрешность с учетом поправки:
ΔI(Q) = ΔI’(Q) + ΔI’(Q=90о).
9. Полученные данные занести в таблицу:
| N опыта | t,мин | N,имп | Q | I | DI | DI+DI90 | DI |
10. Построить график зависимости интенсивности космических лучей I от cos2Q c указанием погрешности (Рис.1).
11. Сделать вывод о том, является ли полученная зависимость прямой пропорциональностью.
Контрольные вопросы
5. Что такое первичное и вторичное космическое излучение?
6. Что входит в состав вторичного космического излучения?
7. Каковы компоненты первичного космического излучения?
8. Почему интенсивность прошедших через свинцовый слой лучей мало отличается от интенсивности падающего космического излучения?
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Цель работы: изучение работы сцинтилляционного счетчика ядерных излучений. Исследование гамма радиоактивных элементов.
Гамма кванты испускаются ядрами, образующимися после α-или β-распада в возбужденном состоянии. После α-распада обычно испускаются γ-лучи невысокой энергии (Eγ < 0,5 Мэв), так как α-распад, сопровождающийся образованием дочернего ядра в сильно возбужденном состоянии (W > 0,5 Мэв), затруднен малой прозрачностью барьера для α-частиц с пониженной энергией. Энергия γ-лучей испускаемых дочерним ядром после β-распада может быть больше и достигает 2—2,5 Мэв. Это связано с тем, что вероятности β-распада определяется более слабой функцией энергии, чем вероятность α-распада.
В процессе испускания γ-кванта ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией (радиационный переход). Радиационный переход может быть однократным, когда ядро, испустив один квант, сразу переходит в основное состояние, или каскадным, когда снятие возбуждения происходит в результате последовательного испускания нескольких γ-квантов.
По своей физической природе γ-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение ядерного происхождения. Обычно энергия ядерных квантов бывает заключена в пределах примерно от 10 кэв до 5 Мэв. Это соответствует интервалу длин волн 10-8 см ≥ λγ ≥ 10-11 см.
Гамма-кванты, испускаемые ядром при переходе в низшее энергетическое состояние, могут уносить различный момент количества движения J. Излучение, уносящее момент количества движения J = 1, называется дипольным, J = 2 - квадрупольным J = 3 - октупольным и т. д. (излучения с J = 0 не существует из-за поперечности электромагнитных волн). Каждое, из них характеризуется определенным характером углового распределения. γ-кванты различной мультипольности возникают в результате различных «колебаний» ядерной жидкости: электрических (дипольные, квадрупольные и т. д.) и магнитных (дипольные, квадрупольные и т. д.). Процессы первого типа обусловлены перераспределением электрических зарядов в ядре, процессы второго типа - перераспределением спиновых и орбитальных магнитных моментов. Правила отбора при γ-излучении связаны с выполнением законов сохранения момента количества движения и четности. Совместное применение правил отбора по моменту и четности приводит к выводу, что радиационный переход между двумя энергетическими состояниями атомного ядра должен происходить путем испускания двух мультиполей, удовлетворяющих отбору по четности. Первый из них называют электрическим (EJ), второй — магнитным (MJ). Почти во всех случаях из двух переходов, разрешенных правилами отбора, преобладающим является только один - с наименьшим J. Поэтому, изучая γ-излучение экспериментально можно по типу γ-перехода определить четность и изменение спина ядра.
Кроме испускания γ-лучей существует еще один механизм потери энергии возбужденным ядром - испускание электронов внутренней конверсии. В этом процессе, как показывает теория, энергия возбуждения ядра непосредственно (без предварительного испускания γ-кванта) передается орбитальному электрону. Очевидно, что в таком механизме будут освобождаться моноэнергетические электроны, энергия которых определяется энергией ядерного перехода и типом электронной орбиты. С наибольшей вероятностью процесс внутренней конверсии идет на K-электронах.
Однако если энергия
, освобождаемая при ядерном переходе, меньше энергии связи K-электрона, то конверсия на K-электронах становится энергетически невозможной и наблюдается конверсия на L-электронах и т. д. Из самого характера явления следует, что конверсионное излучение должно всегда сопровождаться испусканием характеристических рентгеновские лучей и Оже-электронов. (Оже-электроны испускаются в процессе непосредственной передачи энергии возбуждения атома одному из его внешних электронов).Конверсионное излучение может наблюдаться как вместе с γ-излучением, так и без него. Отношение числа испущенных конверсионных электронов к числу испускаемых γ-квантов называется коэффициентом внутренней конверсии:
,(иногда коэффициентом внутренней конверсии называют отношение числа испущенных конверсионных электронов к суммарному числу γ-квантов и конверсионных электронов:
). В формуле (21) αK = (Ne)K/Nγ - парциальный коэффициент внутренней конверсии для электронов K-оболочки; αL - для электронов L-оболочки и т. д.Изучение внутренней конверсии имеет большое значение для определения различных характеристик ядерных уровней (энергии - по энергии конверсионных электронов, момента количества движения - по величине коэффициента конверсии и др.).
Кроме процессов испускания γ-лучей и явления внутренней конверсии, переходы возбужденного ядра в низшее состояние могут происходить также за счет испускания электронно-позитронной пары (если энергия перехода
> 1,02 Мэв). Однако вероятность этого механизма не превышает 10-3 от вероятности γ-излучения.