Wydzia: FiTJ |
Imi i nazwisko: Piotr Blat, Tomasz Kluj |
Rok II |
Grupa 1 |
Zespó 9 |
||||||
Pracownia fizyczna I |
Temat wiczenia: Promieniowanie kosmiczne. |
wiczenie nr: 103 |
||||||||
Data wykonania:
|
Data oddania: |
Zwrot do poprawy: |
Data oddania: |
Data zaliczenia: |
Ocena: |
|||||
Celem wiczenia jest zapoznanie si z dziaaniem ukadu koincydencyjnego liczników G-M. Badanie zalenoci natenia promieniowania od kta nachylenia teleskopu oraz pooenia liczników wzgldem siebie.
Promieniowaniem kosmicznym nazywamy strumie czstek dochodzcych do Ziemi spoza Ukadu Sonecznego. Promieniowanie to zawiera przede wszystkim czstki naadowane, których 90% stanowi protony. Energie ich wahaj si od 109 eV a do 1020 eV i wyej.
Pochodzenie promieni kosmicznych nie zostao jeszcze w peni okrelone. Przypuszcza si, e mog by one generowane w wybuchach gwiazd supernowych, a czstki o skrajnych energiach powstaj prawdopodobnie w otoczeniu galaktycznej czarnej dziury.
Padajc na powierzchnie atmosfery, protony zderzaj si z jdrami atomów powietrza, wywoujc reakcje jdrowe, w których powstaj czstki wtórne, przede wszystkim mezony +, -, 0. Mezony 0 maj krótki czas ycia ( 0,884?10-16 s ) i rozpadaj si na dwa kwanty - fotony.
Energia tych fotonów znacznie przewysza energi równowana masie spoczynkowej elektronu i pozytonu ( 1,02 MeV ). Zachodz wic warunki sprzyjajce tworzeniu par w polu elektrycznym jder. Foton znika a powstaje elektron i pozyton
Nadwyka energii fotonu zmienia si na energie kinetyczn pary. W procesach hamowania elektronu i pozytonu ponownie powstaj fotony o nieco mniejszej energii
(X oznacza jdro skadników powietrza, umoliwiajce zajcie reakcji przez przejcie nadmiaru pdu).
Reakcje te zachodz jedne po drugich, tworzc kaskady elektronowo fotonowe.
Mezony + i - powoduj dalsze reakcje jdrowe lub przez rozpad daj pocztek mionom
W ten sposób pojedynczy proton wytwarza mieszan kaskad zwan wielkim pkiem atmosferycznym o olbrzymiej liczbie czstek.
W promieniowaniu zarejestrowanym na poziomie morza mona wyróni skadow mikk (elektronowo-fotonow), docierajc tylko do powierzchni Ziemi i skadow tward (mionow), która przenika nawet grube warstwy skorupy ziemskiej.
Wykres poniej przedstawia krzyw absorpcji promieniowania kosmicznego w oowiu. Pocztkowy, szybszy spadek natenia przechodzcego promieniowania odpowiada absorpcji skadowej mikkiej.
Praktycznie cakowita absorpcja skadowej mikkiej zachodzi w absorbencie oowianym gruboci 10cm, za skadowej twardej 1m.
Promieniowanie kosmiczne bada si metod koincydencji, rozpowszechnion szczególnie w latach 1930-1960, a stosowan jeszcze do dzi.
Do pomiarów stosujemy teleskop licznikowy. Jest to ukad trzech liczników Geigera-Mllera umieszczonych w jednej paszczynie i podczonych do tranzystorowego ukadu koincydencyjnemu UK, majcego trzy wejcia i jedno wyjcie. Zasada jego dziaania jest nastpujca: wytwarza on na wyjciu impuls napicia wtedy i tylko wtedy, gdy na wszystkich trzech wejciach podane s jednoczenie impulsy napicia.
Dziki stosowaniu teleskopu licznikowego uzyskujemy dwie korzyci:
wyeliminowanie ta promieniowania pochodzcego ze skorupy ziemskiej, materiaów budowlanych i konstrukcyjnych, skae powietrza etc., które daj pomijaln liczb koincydencji przypadkowych,
moliwo rejestracji czstek przychodzcych z okrelonego kierunku, w obrbie okrelonego kta bryowego. Kt bryowy teleskopu zaley od rozmiarów liczników i ich wzajemnej odlegoci. Szczegóowe wyliczenia prowadz do wzoru
gdzie
l - dugo czci czynnej licznika
r - promie wewntrzny licznika
a - odlego midzy skrajnymi licznikami teleskopu
Natenie promieniowania okrelaj dwie wielkoci:
natenie kierunkowe I() zdefiniowane jako liczba czstek padajcych na jednostk powierzchni prostopadej do danego kierunku w jednostkowym koncie bryowym na jednostk czasu (wymiar 
)
natenie cakowite J zdefiniowane jako liczba czstek padajcych na jednostkow powierzchni w obrbie pópenego kta bryowego (2) na jednostk czasu (wymiar 
)
Natenie kierunkowe promieni kosmicznych zaley od konta zenitalnego (wzgldem pionu) - zmniejsza si ze wzrostem tego kta. Tumaczy si to wpywem ziemskiego pola magnetycznego na tory czstek i efektami absorpcji w atmosferze. Zaleno t na poziomie morza opisuje wzór
,
gdzie I0 - natenie kierunkowe pionowe
Natenie cakowite J obliczamy przez scakowanie powyszego wzoru wzgldem kta bryowego
czyli
.
Opracowanie wyników
Rozkad ktowy zenitalny.
Kt ö |
Liczba koincydencji N1 |
Liczba koincydencji N2 |
Liczba koincydencji Nr |
T |
i() |
ÄN |
Äi |
cos2 |
[°] |
- |
- |
- |
[s] |
- |
- |
- |
- |
0 |
128 |
138 |
133,0 |
240 |
1,00 |
7,5 |
0,09 |
1,00 |
15 |
124 |
104 |
114,0 |
240 |
0,85 |
7,5 |
0,08 |
0,93 |
30 |
102 |
82 |
92,0 |
240 |
0,67 |
7,5 |
0,07 |
0,75 |
45 |
61 |
54 |
57,5 |
240 |
0,40 |
7,5 |
0,07 |
0,50 |
60 |
35 |
30 |
32,5 |
240 |
0,20 |
7,5 |
0,06 |
0,25 |
75 |
11 |
12 |
11,5 |
240 |
0,03 |
7,5 |
0,06 |
0,07 |
90 |
9 |
6 |
7,5 |
240 |
0,00 |
7,5 |
0,06 |
0,00 |
Wyznaczenie natenia promieniowania.
a |
Liczba koincydencji N1 |
Liczba koincydencji N2 |
Liczba koincydencji Nr |
t |
n=N/t |
|
S |
I0 |
[m] |
- |
- |
- |
[s] |
- |
- |
[m2] |
- |
0,45 |
84 |
79 |
82 |
240 |
0,34 |
0,11 |
0,1332 |
24,03 |
0,35 |
132 |
141 |
137 |
240 |
0,57 |
0,15 |
0,1332 |
29,35 |
0,25 |
169 |
175 |
172 |
240 |
0,72 |
0,22 |
0,1332 |
24,83 |
0,20 |
211 |
219 |
215 |
240 |
0,90 |
0,28 |
0,1332 |
24,10 |
Wzór opisujcy prost wyznaczon z punktów dowiadczalnych:
Ekstrapolacja:
Natenie cakowite J:
Wnioski:
Wyniki w dowiadczeniu rozkadu kta zenitalnego mona uzna za zgodne z teoria, gdy wykres funkcji rozkadu zenitalnego nieznacznie odbiega od teoretycznych zaoe (wykr. cos2 od ).
Przy wyznaczaniu natenia promieniowania wyniki s o wiele gorsze, co spowodowane jest ma iloci pomiarów. Z czterech, do porozrzucanych punktów, wyznaczona prosta jest obarczona sporym bdem a co si z tym wie take wynik ekstrapolacji nie jest dokadny.
W obydwu podpunktach dowiadczenia, za bd ÄN przyjlimy warto odczytu koincydencji w pooeniu poziomym teleskopu, gdzie warto ta powinna wynosi 0, a Äi policzylimy z prawa przenoszenia bdów.
Wyszukiwarka