Бекітемін Физика кафедрасының меңгерушісі Косов В. Н. 2019 ж. «Атом, атом ядросы және қатты дене физикасы»
жүктеу/скачать 5,44 Mb.
|
5 АТОМНАЯ ФИЗИКА КАЗ лаб 2019 дайын
- Бұл бет үшін навигация:
- 5.6 зертханалық жұмыс
- Қажетті құрал-жабдықтар
| Бақылау сұрақтары
Фотоэффект үшін Эйнштейн теңдеуінің энергетикалық мағынасын түсіндіріп беріңіз. Шығу жұмысы деген не? Тежегіш потенциалдың әдісінің мәні не? Қамау потенциалы деген не? Әдебиеттер Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в атомную физику. – М.: Наука, 1969. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976. Методические указания к проведению лабораторных работ по физике. Раздел «Квантовая физика» под ред. Ю.Р. Мусина, Москва, 1996. Лабораторные занятия по физике / под редакцией Л.Л.Гольдина / - М.: Наука, 1983. № 5.6 зертханалық жұмыс ҒАРЫШТЫҚ СӘУЛЕЛЕРДІ ЗЕРТТЕУ Жұмыстың мақсаты: Ғарыштық сәулелерді Жер бетінде өлшеу уақытына, көкжиек өсіне қатысты есептеуіштің бағытына байланысты тіркеу. Қажетті құрал-жабдықтар: Ғарыштық сәулелерді оқып-зерттеуге арналған қондырғы ФПК-01 Қысқаша теориялық мәліметтер Ғарыштық сәулелерге зарядталған және нейтрал бөлшектер: сутегінен бастап Менделеевтің периодтық кестесіндегі ең «ауыр» элементтер, сонымен қатар нейтрон, протон, электрон, мезон және т.б. элементар бөлшектер кіреді. Олардың энергиясы өте үлкен – басқаша айтқанда 14-15 орынды бірлікке дейін созылып жатыр. Ғарыштық сәулелер ағыны энергияға байланысты өте құбылып тұрады - жоғарғы және аса жоғарғы энергияларға қарағанда олар аз энергияларда көбірек болады. Ғарыштық сәулелердің ~ 90 %-дан көбі сутегі атомдары, гелий ~ 7 % және ~ 1 %-дан азы ауыр элементтер келеді. Ғарыштық сәулелердің атомдары электрондық қабықшаларынан айырылған, яғни шындығында олар иондалған атомдар немесе «жалаңаш ядролар». Оның себебі – бөлшектер Әлемде қозғалған кездегі затпен әсерлесуінен болады. Нейтрал бөлшектермен әсерлесіп, олар электрондық қабықшаларын жоғалтады (басқаша айтқанда қайта зарядталу процесі). Есептеулер көрсеткендей, генерациялау орнынан бөлшектің жүрген орташа жолы ғарыштық ортамен әсерлесу салдарынан орбиталды электрондардың бәрінен айырылып қалуына жеткілікті болады екен. Әртүрлі элементтердің ядроларынан басқа ғарыштық сәулелер құрамында электрондар да болады. Бірдей энергияларда электрондар интенсивтілігі протондар интенсивтілігіне қарағанда ≈100 есе кіші. Протондар мен ауыр ядроларға қарағанда электрондардың максимум энергиялары жуық шамамен эВ аумағында, өйткені үлкен энергия кезінде олардың ағыны синхронды жоғалу әсерінен бірден төмендеуі керек деп күтіледі. Ғарыштық сәулелерде антибөлшектер бола ма? Олардың бар болуы Әлемдегі көп мөлшердегі антизаттардың бар екендігін дәлелдер еді. Қазіргі таңда позитрондар (антиэлектрондар) мен антипротондардың ғарыштық сәулелерде шектелген энергия аумағында бар болуы жайлы сенімді эксперименттік мәліметтер бар. Антипротондар массасынан ауырырақ антибөлшекті іздеу – болашақ эксперименттердің алдында тұрған мақсаты. Зерттеушілер Жердегі немесе оған жақын маңайда ауа шарларындағы құралдар көмегімен ғарыштық сәулелерді оқып-зерттеуді жүргізе бастады. Бірақ та олардың үстінде атмосфераның аз емес қалыңдығы жатыр. Атмосфераның ғарыштық сәулелерді жұту қабілеті В. Гесстің алғашқы тәжірибелерінен анықталған болатын. Ғарыштық бөлшектер (ал олар негізінен протондар мен ауырырақ элемент ядролары) Жер атмосферасына түсе отырып, олардың атомдары және молекулаларымен соқтығысқа түседі. Осының нәтижесінде ядроның ыдырауы мен көптеген қайтадан бөлшектердің пайда болуы жүреді. Атмосферада протонның жүріп үлгеретін орташа арақашықтығы оның қалыңдығының 1/13 бөлігіне жуықтап сәйкес болады. Бұл қайтарымсыз жойылар алдында бірнеше рет ауа ядроларымен әсерлесу процесіне түседі дегенді білдіреді. Осыдан Жерге жақын биіктікте немесе ғарыштық сәулелерді зерттейтін физиктер терминінде «өте үлкен тереңдіктегі» атмосферада ғарыштық сәулелердің тек екінші ретті компоненті болады. Екінші ретті компоненттің пайда болуы бастапқы бөлшектердің атмосфера ядроларымен әсерлесуінің физикалық процестеріне негізделген. Бұл процесс каскадты деп аталады. Ғарыштық сәулелердің протондары мен атмосфераның әсерлесу схемасы 1-суретте көрсетілген. Ғарыштық сәулелердің бастапқы бөлшектерінің әсерлесу актісінде барлық белгілі элементар бөлшектер пайда болады. Әсерлесудің алғашқы актісінде негізгі рөлді элементар бөлшектер атқарады – пиондар немесе -мезондар, олардың ішінде нейтралды және зарядталған -мезондар пайда болады,. Зарядталған -мезондар ауа ядроларымен әсерлесе отырып, олардың энергиясы электронвольтқа төмендегенге дейін жаңа тасқынды генерацияланады (өндіреді). Бірінші әсерлесу актісінде әдетте 50- ге жуық жаңа бөлшек пайда болады. -мезондардың ыдырауы нәтижесінде мюондар ( ) және нейтрино ( ) пайда болады. Екінші ретті сәулелену құрамына нейтрондар кіреді. Каскадтың бұл бөлігі адрондық тасқын деген атқа ие. Нейтрал мезондар ( ) – олардың жуық мөлшермен үштен бір бөлігі – кулондық ядро өрісінде электрондар мен позитрондарды тудыратын гамма-кванттарға ыдырайды. Электрон-позитрондық жұптың тежеуіш сәулеленуі энергиясы төмен гамма-кванттар – фотондардың пайда болуына алып келеді. Бұл тасқын электромагниттік деп аталады. Андрондық тасқын нейтрал пиондарды жасайды, осының арқасында электромагнитті каскадқа қосымша үлесті қамтамасыз етеді. Теңіз деңгейінде бастапқы бөлшектердің алғашқы ағынының 1% -ындай ғана қалады. Зарядталған бастапқы бөлшектермен қатар энергиясы жоғарғы ғарыштық гамма-кванттар атмосфераға енуі мүмкін. Бұл жағдайда бөлшектер тасқыны айқын электромагнитті болады. Қайтадан зарядталған бөлшектер – каскадтық процесте пайда болған электрондар мен позитрондар черенковтік және флюоресценттік атмосфералық жарқырауды жасауы мүмкін. Жаңа бөлшектердің пайда болу процесі бәсекелес энергия шығыны толықтырушы болғанға дейін тасқын тәріздес сипатқа ие болады. Жерден белгілі бір қашықтықта тасқын бөлшектерінің максимал саны пайда болады. Тасқындағы бөлшек саны – өте үлкен: ол максимумда энергияға пропорционал. 1-сурет. Бастапқы ғарыштық сәулелердің атмосферамен әсерлесуінің каскадты процесі – ғарыштықтық сәулелердің («кең ауқымды атмосфералық тасқындар» деп аталатын) қайтадан компоненттерінің тууы Оларды «кең ауқымды атмосфералық тасқындар» – КАТ деп атайды, олар атмосферада ғарыштық сәулелердің әсерінен пайда болады. П. Оже КАТ тудыратын бөлшектің энергиясын анықтай алды: ол эВ-қа (1 ПэВ – 1 пета электровольт) тең болды. Ғарыштық сәулелер физикасында бөлшектердің бірқатар маңызды физикалық параметрлерін, олардың ішінде – бөлшектердің энергиясын, массасын (зарядтық санын) және зарядтық күйін анықтау болашақтағы эксперименттік мәселе болып табылады. Массасы бойынша қандай бөлшек екені нақтыланады, осының арқасында элементтердің периодтық жүйесіндегі ядроның орны да анықталады. Энергиясын анықтау арқылы, осы типтегі бөлшектер ағынының энергетикалық таралуын – энергетикалық спектрін тұрғызуға болады. Зарядтық күйін білу иондар – электрондық қабықшасы толық толмаған атомдар үшін маңызды. Алайда энергиясы жоғары ғарыштық сәулелер – өз электрондық қабықшасынан босап шыққан толық иондалған атомдар. Оған қосылмайтындары ғарыштық сәулелердің «аномальді» компоненттері. Сонымен қатар, зерттеушілерге келетін бөлшектердің бағытын немесе олардың траекториялық қозғалысын кеңістіктік таралуын білу қажет болады. Бұл тек ғарыштық сәулелердің аспан сферасындағы сәуле көзінің орнын анықтау үшін ғана емес, көп жағдайда олардың магнит өрісіндегі олардың қозғалысын оқып-зерттеу үшін керек: соңғысы жұлдыз аралық ортада олардың таралу процесі кезіндегі траекториясы түзу сызықтан ауытқитын зарядталған бөлшектер үшін маңызды. Осымен қатар, өз магниттік өрісі бар Жер үшін ғарыштық сәулелер бөлшектерінің кеңістіктік таралуын зерттеу мәселесі жер бетіндегі эксперимент мәндерінің интерпретациясы үшін маңызды орын алады. Ғарыштық сәулелерді зерттеудің алғашқы кезеңдерінде қолданылған детекторлар өте қарапайым болған және зарядталған бөлшектердің одан өткен кездегі газдың иондалу принципін қолданған. Алғашқы детекторлар – иондалған камералар мен Гейгер есептеуіштері бөлшектер тудыратын электрлік импульсті тіркеген, яғни бөлшектің детектор арқылы өткені олардың табиғатын анықтай алмаған. Каскадты процесс теориясы екінші ретті бөлшектер туғызған детекторлардағы оқиғаларды талдау арқылы атмосфераға кірген бастапқы бөлшектер параметрлерін анықтау әдісін дамытуға мүмкіндік берді. Тасқындағы бөлшектің максимум интенсивтілігі (тасқынның максимумы) бастапқы бөлшектің энергиясына және оның типіне тәуелді болады екен. Бөлшек тасқынының максимумының орнын анықтау КАТ эксперименттерінде үлкен роль атқарады. Тасқын максимумына орта есеппен бастапқы бөлшектің әрбір эВ энергиясына келетін бөлшек кіреді. Бұл энергияның өсуімен максимумдағы бөлшектер саны да артады дегенді білдіреді. Тасқынның максимум тереңдігі бөлшек энергиясы бірлікке өскенде г/см2 өседі және ұшып келген бөлшектің типіне байланысты болады. Жер бетіндегі қондырылғылармен КАТ-ды тіркеу принципі 2-суретте көрсетілген. Әдетте детекторлар бір бірінен белгілі бір қашықтықта орналасады және сәйкес келуіне байланысты тасқынның екінші ретті бөлшектерін тіркейді. КАТ каскадындағы екінші ретті бөлшектердің максималды мүмкін болатын санын тіркеу үшін детекторлар үлкен аумақта орналастырылады. Тасқын бөлшектері фронтының келу уақытын өлшей отырып, бастапқы бөлшектердің келу бағытын анықтауға болады. Тасқын энергиясы тасқын осінен 600 м-ге дейінгі арақашықтықтағы екінші ретті бөлшектердің суммалық тығыздығы арқылы анықталады. 2- сурет. Жер қондырғылары арқылы ғарыштық сәуле бөлшектерін тіркеу Тасқынның пайда болу және жойылуын калай «көрсе» болады? КАТ әдісі пайда болмай тұрып ғарыштық сәулелердің зерттеу техникасында рентгендік-эмульсиондық камера (РЭК) кеңінен қолданылды. Рентген сәулесіне және зарядталған бөлшектерге өте сезімтал фотоэмульсия қабаты жағылған пленка затына түскен бөлшектер – екінші ретті бөлшектер каскадын туғызады, бұл фотоэмульсия ядросының бастапқы бөлшектермен әсерлесуі нәтижесі. Химиялық ерітінділерде айқындалғаннан кейін бөлшектер жолы (тректер) көріне бастайды. Тректердің қалыңдығын, өлшемін және кеңістіктік орнын микроскоп астында анализдеу арқылы ол бөлшектердің типін және энергиясын анықтауға болады. Осы РЭК әдісі ғарыштық сәулелер физикасында өте кең қолданыс тапты. Өткен ғасырдың 40-шы жылдарында оны қолданудың арқасында бастапқы ғарыштық сәулелер құрамында көптеген ядролар, тіпті темірге дейін анықталды. КАТ бөлшектер энергиясын өлшеудің балама әдісі черепковтік жарқырауды өлшеу болып табылады. Сыну көрсеткіші бірден үлкен ортада бөлшектердің таралу жылдамдығы жарық жылдамдығынан артық екендігі белгілі. Жарық жылдамдығынан артық жылдамдықпен ұшатын зарядталған бөлшектер (вакууммен салыстырғанда) фотондарды – жарықты шығарады, олар жер бетіндегі қондырғылар – параболалық айна – жарық коллекторы арқылы тіркелуі мүмкін (3- сурет). 3-сурет. Череновтік жарықты өлшеу арқылы ғарыштық сәулелерді тіркеу әдісі Келтірілген дәлелдемелерден бастапқы бөлшектер табиғатын анықтау әдісінің негізінде екінші ретті бөлшектердің пайда болуының каскадты процесі жатқандығы түсінікті: Атмосфера энергиясы өте жоғары ғарыштық сәулелерді тіркеуге мүмкіндік беретін алып детектордың «жұмыстық денесі» ретінде қызмет етеді. Алайда, бұл әдіс эВ энергиясынан жоғарғы аумақта ғана тиімді. Ал энергиясы аз аумақта ше? Бұл жерде атмосфера екінші ретті бөлшектер «генераторы» қызметін атқара алмайды: олар көбісі атмосфераның жоғарғы қабаттарында жойылып кетеді. ХХ ғасырдың 50-жылдарында ионизациялау калориметрі ойлап табылды, ол тек ғарыштық сәулелерді зерттеуде ғана емес, сонымен қатар жер беті эксперименттерінде үдеткіштердегі – жоғарғы энергиялар физикасында элементар бөлшектерді зерттеулер бойынша да үлкен секіріс жасауға мүмкіндік берді. Құрылғының жұмыс істеу принципі өте қарапайым. Құрылғы екінші ретті бөлшектер – (нейтрал пиондар – ыдырай отырып, фотондар ағынын тудыратын) нейтрал пиондарды өндіретін көміртекті нысанадан тұрады. Олар нысана астында орналасқан мырыш пен жұтқыштар арасында орналасқан детектор қабаттарымен тіркеледі. Екінші ретті бөлшектер санын өлшеу арқылы, бастапқы бөлшектердің энергиясын анықтауға болады. Детектор қабаттары көп болған сайын, өлшенетін энергия дәлірек болады (4-сурет). Нысана – көпқабатты. Нысана заттарының арасындағы саңылауларда екінші ретті бөлшектерді тіркейтін детекторлардың әртүрлі типтері орнатылады. Құрылғының әртүрлі қабаттарынан келген сигналдарды өңдеу арқылы екінші ретті бөлшектердің толық тасқыны және сонымен қатар бастапқы бөлшектің параметрлері де қалпына келтіріледі. Белгілі болғандай, ионизациялық калориметр де КАТ әдісіндегі принцип бойынша бастапқы бөлшектің энергиясын өлшейтін аспап, тек айырмашылығы: калориметр детекторы екінші ретті бөлшектерді «көреді», тіркейді, олардың параметрлері мен бастапқы бөлшектердің параметрлерін анықтайды. КАТ әдісінде жер бетіндегі қондырғылармен барлық бөлшектер тіркелмейді. Сол себепті, ғарыштық сәулелерді калориметрмен өлшеу КАТ әдісінен өзгеше, «тура» эксперимент деген атқа ие. 4-сурет. Ионизациялық калориметрдің бір түрі – энергиясы жоғары ғарыштық сәулелерді өлшеуге мүмкіндік беретін құрылғы Ғарыштық сәулелерді өлшеуге арналған заманауи құралдар – бастапқы бөлшектердің параметрлерін жоғары дәлдікпен қалпына келтіре алатын күрделі ядролық-физикалық жүйе. 5-суретте ғарыштық сәулелерді зерттеуге арналған заманауи аспаптардың бірі көрсетілген. Каскадтың екінші ретті бөлшектері параметрлерінің нақты анықталуына байланысты бұл аспап ғарыштық сәулелердің энергетикалық спектрлерін өлшей алатынымен қоса бөлшектің массасын анықтауға да қабілетті. 5-сурет. Ғарыштық сәулелерді зерттеуге арналған ATIC аспабы Ғарыштық сәулелерді зерттеудің эксперименттік әдістері шындығында өте көп. Олар түрлі ортада қолданылатындығын айта кеткен жөн: ғарышта, атмосферада, жер бетінде және жер астында (6-сурет). 6-сурет. Ғарыштық сәулелер барлық орталарда зерттеледі: жер бетінде, жер астында, атмосферада және ғарышта Әр әдісте өзінің артықшылықтары мен кемшіліктері бар, бірақ олардың жиынтығы ғалымдарға ғарыштық сәулелердің толық физикалық сипаттамаларын құрастыруына мүмкіндік береді. Ауа ядроларымен әсерлесуге түспеген бастапқы бөлшектер тек спутниктерде ғана тіркеле алады; кең атмосфералық тасқындар – теңіз деңгейінде (жер бетінде) және тауларда, ал тасқынның «тесіп өтетін» компоненттері – мюондар мен гамма-кванттар – жер астында. жүктеу/скачать 5,44 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|