Politechnika Śląska

Wydział AEiI

Laboratorium z fizyki

Charakterystyka kierunkowa składowej przenikliwej promieniowania kosmicznego

Grupa 6., sekcja 12.

Michał Nycz

Piotr Jelonek

Wstęp teoretyczny.

Promieniowanie kosmiczne jest to strumień pochodzących z przestrzeni kosmicznej protonów i jąder atomowych o prędkościach bliskich prędkości światła (promieniowanie pierwotne) oraz wytwarzanych przez nie w atmosferze ziemskiej cząstek wtórnych różnych rodzajów (promieniowanie wtórne). Strumień cząstek pierwotnych promieniowania kosmicznego na granicy atmosfery jest równy ok. 10⁴ cząstek/(m² s). Są to głównie protony (ponad 90%), cząstki  (kilka %), cięższe jądra atomowe i elektrony. Średnia energia cząstki pierwotnej wynosi ok. 10¹⁰ eV, a energie cząstek pojedynczych dochodzą do 10¹⁹ eV. Pierwotne promieniowanie kosmiczne powstaje w wyniku rozbłysków słonecznych i prawdopodobnie wybuchów gwiazd nowych i supernowych.

Natężenie promieniowania kosmicznego w istotny sposób zależy od pola geomagnetycznego: minimum natężenia występuje na równiku magnetycznym, maksimum w pobliżu biegunów magnetycznych Ziemi. Innym czynnikiem wpływającym na natężenie tego promieniowania ( tylko dla jego niskoenergetycznej części widma ) jest aktywność słoneczna; im większa aktywność, tym natężenie mniejsze. Promieniowanie kosmiczne powoduje słabą jonizację powietrza, może też inicjować łańcuchowe rozszczepienie w naturalnych złożach uranu. Badanie tego promieniowania doprowadziło do odkryć nowych cząstek elementarnych.

Skład promieniowania kosmicznego i rozkład energii występujących w nim cząstek dostarcza informacji o procesach zachodzących w Kosmosie i o oddziaływaniach silnych i elektromagnetycznych cząstek mających największe energie.

W powstającym w atmosferze ziemskiej promieniowaniu wtórnym wyróżnia się tzw. składową twardą oraz składową miękką.

Składowa miękka wtórnego promieniowania kosmicznego zawiera głównie elektrony, pozytony oraz kwanty promieniowania elektromagnetycznego i stanowi znaczną część promieniowania kosmicznego na poziomie morza. Jest ona silnie pochłaniana, zwłaszcza w ośrodkach o dużych wartościach średniej liczby atomowej.

Składowa twarda wtórnego promieniowania kosmicznego przy powierzchni Ziemi składa się głównie z cząstek zwanych mionami. Są to cząstki elementarne o właściwościach bardzo podobnych do elektronów, należące do grupy leptonów. Miony występują w dwóch stanach ładunkowych ( ^ i  ^) będących nawzajem swymi antycząstkami. Ich masa wynosi 206,77 mas elektronowych. Podstawową przyczyną niezwykle dużej przenikliwości mionów jest ich niska zdolność jonizacyjna oraz wysoka energia. Są to cząstki nietrwałe, rozpadające się na elektron ( lub pozyton) oraz neutrina. Ich średni czas życia wynosi 2,2 s. Są one produkowane przede wszystkim w wyniku rozpadu innych cząstek elementarnych

(np. mezonu , mezonu K), oprócz tego podobnie jak elektrony w procesie fotoprodukcji (powstaje para  ^  ^).

Na poziomie morza przez powierzchnię 1 cm² przechodzą w przybliżeniu 2 miony w czasie jednej minuty. Tory większości z nich mają kierunek pionowy lub zbliżony do pionowego.

Opis stanowiska pomiarowego.

Stanowisko przystosowane jest do wyznaczania charakterystyki kierunkowej składowej przenikliwej ( twardej ) promieniowania kosmicznego. Składa się ono z :

• dwóch cylindrycznych liczników G-M. sztywno połączonych ze sobą, umieszczonych wewnątrz ołowianeo cylindra pochłaniającego promieniowanie emitowane przez skorupe ziemską,

• prostego układu elektronicznego ( zasilacz wysokiego napięcia, układ koincydencji, przelicznik ),

• kątomierza,

• stopera.

Dzięki użyciu tej aparatury możemy badać charakterystykę kierunkową promieniowania.

Obliczenia.

Pierwszym etapem doświadczenia było dokonanie serii pięciu jednominutowych zliczeń dla pionowego i poziomego ustawienia liczników. Wyniki umieszczone są w poniższych tabelkach:

Lp.	Początek	Koniec	L. zliczeń
1.	78065	78084	19
2.	78085	78100	15
3.	78105	78125	20
4.	78130	78150	20
5.	78155	78174	19
		Średnia:	18,6

Tablela zliczeń dla ustawienia pionowego ( 0⁰ ) liczników.

Lp.	Początek	Koniec	L. zliczeń
1.	78193	78203	10
2.	78204	78216	12
3.	78217	78229	12
4.	78230	78241	11
5.	78243	78252	9
		Średnia:	10,8

Tablela zliczeń dla ustawienia poziomego ( 90⁰ ) liczników.

Z powyższych danych obliczone zostały wartości średnie ( umieszczone w tabelce ) oraz błędy wartości średnich według wzorów :

y_śr = 1,93 dla ustawienia pionowego

x_śr = 1,47 dla ustawienia poziomego

Korzystając z wyliczonych odchyleń średniokwadratowych można sprawdzić czy wyznaczone średnie szybkości zliczeń są istotnie różne.

Jeżeli wartość d jest mniejsza bądź równa 3, oznacza to, że średnie szybkości zliczeń nie są istotnie różne. Wartość otrzymana w tym doświadczeniu wynosi:

d = 3,22

a więc są one istotnie różne.

Następnie wykonujemy pięciominutowe pomiary wykonane zostały dla różnych ustawień liczników ( 0°-180° co 30° ).

Wyniki tych zliczeń ujęte są w poniższej tabeli:

Początek	Koniec	l. zliczeń	Czas [min]	Kąt [°]	[ liczba imp/min]
78277	78386	109	5	0	21,8
78428	78520	92	5	30	18,4
78535	78618	83	5	60	16,6
78612	78676	64	5	90	12,8
78688	78753	65	5	120	13
78768	78851	83	5	150	16.6
78869	78974	105	5	180	21

Dane doświadczalne przedstawiono również na wykresach co umożliwiło wyciągnięcie odpowiednich wnikosków.

Wnioski.

Miony wtórnego promieniowania kosmicznego powstają w górnej części atmosfery. W wyniku przeprowadzonego doświadczenia okazało się, że większość z nich porusza się w kierunku pionowym. Jest to spowodowane tym, że cząstki zliczane przy pionowym ustawieniu liczników pokonują najkrótszą drogę od miejsca powstania i dlatego mniejsza ich część ( niż przy cząstkach przybywających z innych kierunków ) ulega rozpadowi.

---