Физика атома Цепная ядерная реакция деления Проблемы развития атомной энергетики Биологическое действие ионизирующих излучений Изучение космического излучения Квантовая механика Классификация элементарных частиц.

Руководство к лабораторной работе 320

 Изучение космического излучения у поверхности Земли

Цель работы: изучить космическое излучение, его проис­хождение, состав и свойства; методы регистрации космических лучей; измерить интенсивность космического излучения у поверхности Земли.

 Элементы физики ядра

I. Состав и свойства атомных ядер. Энергия связи ядра.

 Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц показали, что атомы сос­тоят из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Атомные ядра имеют размеры 10-14 – 10-15 м (размеры атома примерно 10-10 м) и состоят из элементарных частиц - протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название - нуклоны. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолют­ной величине заряду электрона е. Заряд нейтрона равен нулю. Заряд яд­ра Ze, где Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов и совпадающее с порядковым номером химического элемента в периодической системе Менделеева. В настоящее время известны ядра с от Z=1 до Z=107. Для всех ядер, кроме  и , число нейтронов N≥Z.

Число нуклонов в ядре называют массовым числом А, ядро химического элементах обозначается через Х, где Х - символ химического элемента.

Ядра с одинаковыми Z , но разными А (т.е. с разными числами нейтронов N=A-Z), называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z – изобарами. Радиус ядра определяется но формуле

,

где R0 =(1,3-1,7) •10-15 м = (1,3-1,7) Ферми (I Ферми = 10-15 м). Объем ядра пропорционален числу нуклонов в нем. Плотность ядерного «вещества» примерно одинакова для всех ядер и составляет ~ 1017 кг/м3 . Ядра атомов имеют собственный момент импульса (спин)  ћ , где I - спиновое квантовое число. Спиновое квантовое числе I складывается из спиновых квантовых чисел входящих в ядро нуклонов (спин нуклона равен 1/2ћ).

Магнитный момент ядра μ равен сумме магнитных моментов нуклонов и вычисляется по формуле μ=γя Lя , где γя – ядерное гиромагнитное отношение. Единицей магнитного момента ядра служи т ядерный магнетон   , где мр - масса протона. Ядерный магнетон в мр/ме ≈ 1836 раз меньше магнетона Бора ( ), поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами его электронов.

Ядро является устойчивым образованием. Это означает, что между нуклонами существует особое ядерное сильное взаимодействие, не­смотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.

Исследования показали, что масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Следовательно, при образовании ядра должна выделяться энергия, которая по закону Эйнштейну равна ΔW=Δmc2. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на от­дельные нуклоны, называется энергией связи ядра. Она характеризует прочность ядра и равна Wсв. = Δмс2 = (Zmp + (A – Z)mn – mя)с2. Величина Δm = ( Zmp + (A – Z)mn – mя) называется дефектом массы ядра.

  2. Космические лучи и элементарные частицы.

Космическими лучами называют поток атомных ядер и элементарных частиц высоких энергий, идущих из космического пространства. В настоящее время общее число известных элементарных частиц (вместе с анти­частицами) приближается к 400. Интенсивность космического излучения зависит от высоты. Она достигает максимума на высоте h ≈ 25 км, затем уменьшается и остается практически постоянной с h ≈ 50км.За пределами земной атмосферы космические лучи состоят, в основном, из протонов (~90%), ядер атомов гелия и более тяжелых элементов. По сов­ременным представлениям первичное излучение имеет галактическое происхождение. Космические лучи образуются на Солнце и при взрыве сверхновых звезд. 

. Энергия частиц первичного космического излучения составляет 109 - 1019 эВ. Такую энергию заряженные частицы, по одной из гипотез, получают в электромагнитных полях звезд и других космических обра­зований. Магнитное поле Земли искривляет траекторию движения час­тиц, и поэтому лишь ничтожная доля излучения достигает ее поверх­ности. Столкновение частиц первичного излучения с ядрами атомов атмосферы Земли приводит к ядерным реакциям, в результате которых возникают частицы вторичного космического излучения - быстрые протоны, нейтроны, α - частицы, π - мезоны и осколки ядер. При повтор­ных столкновениях частицы вторичного излучения растрачивают свою энергию уже на высоте около,10 км над уровнем моря. Однако часть π - мезонов из-за малого времени жизни (~ 2·10-8 с) успевает испытать распад до того, как они захватываются атомными ядрами. π - мезоны распадаются на мюоны (μ+ , μ-), мюонные нейтрино (), антиней­трино () и γ –кванты:

   

 Значительная часть мюонов, возникающих в верхних слоях атмосферы, достигает Земли, а некоторые из них испытывают распад:

 

 ( - электронные нейтрино и антинейтрино). Вторичное космическое излучение состоит из двух компонентов - мяг­кого, сильно поглощаемого свинцом, и жесткого, обладающего большой проникающей способностью. К мягкому компоненту относятся электроны, позитроны и γ - кванты. Жесткий компонент излучения состоят в основ­ном из мюонов, протонов и мезонов.

Волны и кванты. Равновесное электромагнитное излучение в полости. Законы Релея - Джинса и Вина. Гипотеза Планка. Кванты излучения. Формула Планка. Закон Стефана-Больцмана и закон смещения Вина. Фотоэффект. Опыты Герца и Столетова. Закон Эйнштейна. Рассеяние электромагнитного излучения на свободных зарядах. Эффект Комптона. Тормозное рентгеновское излучение. Квантовый предел. Дифракция волн. Опыт Тэйлора.
Лабораторные работы по физике