Лабораторная работа № КСЕ-07

ИЗУЧЕНИЕ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы:

1. Ознакомиться с основными представлениями о космическом излучении.

2. Исследовать угловое распределение интенсивности вторичного космического излучения, выделить жесткую компоненту космического излучения и сравнить ее интенсивность с интенсивностью мягкой компоненты.

Теоретическое введение

Космическое излучение (космические лучи) – подразделяется на первичные и вторичные лучи. Первичное излучение - поток элементарных частиц, преимущественно протонов, приходящих на Землю почти изотропно со всех направлений из космического пространства. Вторичное излучение – поток элементарных частиц, возникающих в результате взаимодействия первичных лучей с атомными ядрами газов, составляющих воздух. В составе первичных космических лучей различают постоянно приходящие из-за пределов Солнечной системы галактические лучи с частицами огромных энергий, и эпизодически появляющиеся солнечные космические лучи, содержащие частицы умеренных энергий.

В составе первичных лучей более 90% всех частиц составляют протоны, то есть ядра водорода, примерно 7% - -частицы, то есть ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, около 1% - ядра более тяжелых элементов. Этот состав примерно соответствует распространенности элементов во Вселенной, сложившейся на ранних стадиях ее эволюции после Большого Взрыва. Интенсивность первичных космических лучей на границе атмосферы (то есть на высоте ~50 км) равна примерно 1 част/(см²·с). Первичное излучение поглощается в земной атмосфере, порождая вторичное излучение, и на высоте ниже 20 км космическое излучение практически полностью является вторичным. У поверхности Земли интенсивность вторичного излучения составляет примерно 2.4·10^-2 част/(см²·с). В состав вторичного космического излучения входят все известные в настоящее время элементарные частицы. До создания мощных ускорителей заряженных частиц, то есть до 50-ых годов 20-го века именно в космическом излучении ученые открывали новые элементарные частицы. Позитрон (античастица электрона), -мезоны (мюоны), π-мезоны, странные частицы были обнаружены в составе космических лучей.

Магнитное поле Земли, искривляя траекторию движения заряженных частиц, приводит к возникновению широтного эффекта, то есть зависимости интенсивности космических лучей от географической широты. Магнитное поле Земли может захватывать и удерживать заряженные частицы, приходящие из космоса. Это приводит к образованию радиационных поясов Земли – окружающих ее зон с повышенной концентрацией заряженных частиц. В экваториальной плоскости внутренний радиационный пояс простирается на высотах от 600 до 6000 км, а внешний пояс – от 20 000 до 60 000 км. В полярных широтах оба пояса приближаются к Земле, что проявляется, например, в возникновении северного сияния.

В составе вторичных космических лучей имеются три компоненты. Адронная компонента, состоит из нуклонов, то есть частиц атомного ядра: протонов и нейтронов, и π-мезонов. Эта компонента сильно взаимодействует с атомными ядрами воздуха и почти полностью поглощается в атмосфере, не достигая поверхности Земли. Мягкая компонента состоит из электронов, позитронов и -квантов, то есть частиц электромагнитного излучения с очень малой длиной волны. Эта компонента называется мягкой, так как не обладает большой проникающей способностью и сильно поглощается свинцом. Жесткая компонента способна проникать через толстые слои свинца, так как состоит из мюонов, слабо взаимодействующих с атомными ядрами.

На уровне моря интенсивности жесткой и мягкой компонент таковы:

I_Ж=1.7·10^-2 част/(см²·с),                                      (7.1)

I_М=0.7·10^-2 част/(см²·с).                                      (7.2)

Интенсивность вторичных космических лучей на уровне моря зависит от направления их падения на Землю. Лучи, падающие вертикально, проходят атмосферу по кратчайшему пути s₀, меньше в ней поглощаются, и поэтому их интенсивность максимальна. Лучи, падающие наклонно под углом  к вертикали (угол  называют зенитным углом) проходят в атмосфере, как показано на рисунке 7.1, путь , в  раз больший, чем s₀, поэтому поглощаются сильнее и у поверхности их интенсивность меньше. Установлено, что интенсивность вторичного космического излучения у поверхности Земли зависит от зенитного угла по закону

,                                                     (7.3)

где I₀ – интенсивность вертикально падающих лучей.

В данной лабораторной работе, во-первых, с помощью толстого слоя свинца производится выделение жесткой компоненты из общей интенсивности вторичного космического излучения, и ее интенсивность сравнивается с интенсивностью мягкой компоненты. Во-вторых, исследуется угловая зависимость интенсивности вторичного космического излучения и проверяется справедливость формулы (7.3).

Описание установки и метода измерения

Схема установки приведена на рисунке 7.2. Основной частью установки является «космический телескоп» (КТ). В верхнем 1 и в нижнем 2 блоках КТ находятся счетчики Гейгера-Мюллера, вырабатывающие кратковременные электрические импульсы при прохождении сквозь них ионизирующих частиц. Счетчики подключены так, что импульс вырабатывается только при последовательном прохождении частицей верхнего и нижнего блока, что позволяет регистрировать лишь частицы, движущиеся вдоль выбранного направления АО. Выбор угла направления, то есть зенитного угла, производится поворотом рамы, на которой укреплены верхний и нижний блоки КТ, относительно горизонтальной оси О. Рама фиксируется в выбранном положении защелкой, зенитный угол  определяется по круговой шкале 3. Если рама расположена вертикально (=0), то между верхним и нижним блоками КТ можно размещать свинцовые пластины 4 для отсекания мягкой компоненты космического излучения. Общей толщины даже всех девяти пластин недостаточно для поглощения жесткой компоненты, и она будет регистрироваться телескопом в любом случае.

КТ подключен к блоку управления и индикации (БУИ), который вырабатывает питающее напряжение для счетчиков, а также ведет подсчет импульсов в течение некоторого временного интервала, длительность которого можно изменять. На передней панели БУИ имеется цифровое табло времени измерения и числа зарегистрированных импульсов, а также управляющие работой БУИ кнопки: «УСТАНОВКА» - включение и выключение режима установки длительности измерения; «–» и «+» - уменьшение и увеличение длительности измерения; «ПУСК-СТОП» - включение и остановка (без сброса показаний) режима счета импульсов; «СБРОС» - обнуление показаний цифрового табло.

Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений

Упражнение 1. Сравнение интенсивностей жесткой и мягкой компонент вторичного космического излучения.

1. Тумблером «СЕТЬ» включить установку и дать ей прогреться в течение 5 мин. Нажать на БУИ кнопку «УСТАНОВКА» и кнопками «–» и «+» установить согласованную с преподавателем длительность измерения t от 5 мин (300 с) до 10 мин (600 с). Повторным нажатием кнопки «УСТАНОВКА» отключить соответствующий режим.

2. Измерить общее число N_ОБЩ частиц вторичного излучения, падающих на КТ вертикально за установленное время t. Это число пропорционально суммарной интенсивности мягкой и жесткой компонент космического излучения

N_ОБЩ = (I_Ж + I_М)·S·t,                                            (7.4)

где S – площадь, на которой регистрируются частицы.

Для этого установить раму КТ вертикально, и сдвинуть свинцовые пластины с пути лучей, чтобы КТ регистрировал и жесткую и мягкую компоненты. Нажать кнопки «СБРОС» и «ПУСК», дождаться окончания счета импульсов и записать подсчитанное число частиц в таблицу 7.1. По согласованию с преподавателем для повышения точности проделать это измерение еще один или два раза.

3. Поставить на пути лучей все девять свинцовых пластин. Они полностью задержат мягкую компоненту, но пропустят жесткую компоненту. Аналогично пункту 2 подсчитать число N_Ж частиц жесткой компоненты, пропорциональное ее интенсивности

N_Ж = I_Ж·S·t.                                                        (7.5)

Таблица 7.1 – Общее число частиц и число частиц жесткой компоненты

4. Рассчитать и записать в таблицу средние значения общего числа частиц  и числа частиц и жесткой компоненты , а также оценить абсолютные погрешности измерений числа импульсов, которые в соответствии с теорией вероятностей находятся по формуле

.                                                        (7.6)

5. Найти усредненное значение числа частиц мягкой компоненты

,                                             (7.7)

которое пропорционально интенсивности мягкой компоненты

N_М = I_М·S·t.

6. Оценить отношение интенсивностей мягкой и жесткой компонент вторичного космического излучения. Для этого использовать следующую из соотношений (7.5) и (7.7) формулу

.                                                    (7.8)

Упражнение 2. Изучение угловой зависимости интенсивности вторичного космического излучения.

1. Проделать измерения по пунктам 1 и 2 упражнения 1 для зенитных углов 0, 30º, 45º, 60º, 90º. Свинцовые пластины при этом должны быть убраны с пути лучей, чтобы регистрировалось полное число частиц, пропорциональное общей интенсивности вторичного космического излучения. Результаты занести в таблицу 7.2.

Таблица 7.2 – Угловая зависимость числа частиц космического излучения

2. Как следует из формулы (7.3), при горизонтальном положении КТ (Θ = 90º) интенсивность космических лучей должна быть равна нулю. Если в эксперименте при Θ = 90º число зарегистрированных частиц не равно нулю, то это связано с регистрацией частиц, возникающих при взаимодействии космических лучей со стенами здания. Эти частицы учитывать при изучении углового распределения лучей не надо, поэтому из величин  для всех углов нужно вычесть значение  и скорректированное значение занести в таблицу 7.2

.                                   (7.9)

3. Построить график зависимости < N_КОРР > от cos² Θ. По виду этого графика сделать вывод о справедливости формулы (7.3).

Список рекомендуемой литературы

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. - 11-е изд., стер. / Т.И. Трофимова. - М.: Изд. центр «Академия», 2006. - §§ 269, 270.

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. - §§ 46.1 - 46.3.

3. Концепции современного естествознания: Курс лекций для студентов гуманитарных специальностей. Гл. 10. Основы физики элементарных частиц / БГИТА; Сост. К.Н. Евтюхов. – Брянск, 2001. – 21 с.