Практикум КВАНТОВАЯ ФИЗИКА - ОК
.pdf
Рис. 14.3
Для того чтобы сфокусировать микроскоп на слой эмульсии, необходимо винтом грубой наводки (1) опустить тубус на расстояние нескольких миллиметров от фотопластинки. При этом необходимо соблюдать осторожность, чтобы не продавить эмульсию. Далее следует вести поиск следов
– – распада на различной глубине с помощью микрометрического винта (2).
Просматривать пластинку удобно полосами от одного края к другому,
перемещая ее на столике с помощью винтов препаратоводителя. Ширина этих полос должна быть равна диаметру поля зрения объектива. Обнаружив – –
распад, обязательно убедитесь, что трек мюона не выходит за пределы эмульсии.
На столике имеются две шкалы, с помощью которых определяются координаты найденной точки распада. Рекомендуется найти и обработать несколько треков – – распада.
141
ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
Частица входит в эмульсионный слой под небольшим углом к его
поверхности, как это показано на рисунке 14.4, |
|
||||
где L – длина пробега, Lгор – горизонтальная |
|
||||
проекция трека, h – вертикальная. |
|
|
|||
Поле зрения микроскопа в большинстве |
|
||||
случаев меньше длины пробега частицы, |
|
||||
поэтому |
измерение |
горизонтальной |
проекции |
|
|
Рис. 14.4 |
|||||
|
|
|
|
||
следа |
Lгор |
производится |
путем |
|
|
|
|||||
последовательных фокусировок, производимых одновременно с перемещением
пластинки относительно объектива. При измерении Lгор удобно пользоваться
«опорными» точками, которые выделяются на треке (утолщения, сужения и т.д.). Если след частицы не выходит за границы поля зрения микроскопа, то Lгор
определяется по шкале окулярного микрометра и численно равна разности координат начала и конца трека, умноженной на цену деления шкалы (для объектива с восьмикратным увеличением «8Х» – 12,5 мкм, с двадцатикратным увеличением «20Х» – 5 мкм).
Высота h измеряется с помощью микрометрического винта (2). Для этого надо сфокусировать объектив на начальную точку трека и зафиксировать ее координаты на шкале винта. Затем, то же самое следует сделать для конечной точки трека. Разность отсчетов по шкале микрометрического винта,
умноженная на цену деления, будет равна кажущейся вертикальной проекции трека hкаж (из-за преломления света кажущаяся толщина в n раз меньше истинной, где n– показатель преломления эмульсии). Кроме того, необходимо учесть искажения трека, которые возникают при обработке эмульсий:
дисперсия, усадка и др. Таким образом |
|
h nhкаж , |
(1) |
где – коэффициент усадки, n=1,52 – показатель преломления эмульсии. |
|
142
Коэффициент усадки можно найти из отношения начальной толщины эмульсии (d0 = 400 мм) к толщине d после обработки, которая определяется поочередной фокусировкой на верхнюю и нижнюю поверхности эмульсии:
|
d0 |
, |
d nk N2 N1 , |
(2) |
|
d |
|||||
|
|
|
|
||
где k– цена деления микрометрического винта, N1 и N2 |
– соответствующие |
||||
значения по шкале микрометрического винта при фокусировке на верхнюю и нижнюю поверхности эмульсии.
Теперь можно определить длину пробега мюона:
|
|
|
|
|
|
|
|
||
L |
L2гор h2 |
|
|
L2гор nhкаж 2 |
(3) |
||||
Первоначальная кинетическая энергия мюона находится по эмпирической |
|||||||||
формуле: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m 1 |
Z 2 L , |
|
|||||
T |
|
|
|
|
|
(4) |
|||
|
|
|
|||||||
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
||
где mр – масса протона, m и Z – масса и заряд мюона (относительно элементарного заряда), L - длина пробега (мкм). Значения коэффициентов изависят от свойств эмульсии. Для эмульсий, используемых в данной работе,
= 0,25 и =0,58.
За д а н и е 1 . Измерение длины пробега положительного мюона
1.Найдите на фотоэмульсии след +– +–распада. Перед проведением измерений убедитесь, что мюон остановился в эмульсии. Зарисуйте наблюдаемую картину.
2.Последовательно сфокусировав объектив на верхнюю и нижнюю поверхности эмульсии, определите коэффициент усадки по формуле (2).
3.Пользуясь описанной выше методикой, определите вертикальную h и
горизонтaльную Lгор проекции трека мюона.
4.По формуле (3) рассчитайте длину пробега мюона L.
5.Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.
143
d0, мкм |
d , мкм |
|
hкаж, мкм |
h, мкм |
Lгор, мкм |
L, мкм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
З а д а н и е 2 . Оценка энергии положительного мюона.
Пользуясь формулой (4), рассчитайте энергию, с которой испускается мюон при +– +–распаде.
ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ
1.Какие типы ускорителей заряженных частиц вам известны?
2.Какие методы регистрации элементарных частиц применяются в ядерных исследованиях?
3.Как было открыто нейтрино? Каковы характеристики этой частицы?
4.Что такое космические лучи?
5.Как классифицируются элементарные частицы в зависимости от типов взаимодействий, в которых они участвуют?
6.Перечислите все лептоны. Каковы их времена жизни, масса, спин?
7.Перечислите все известные кварки. Каковы их спин, заряды, массы?
8.Каков кварковый состав: протона, нейтрона, 0, – и +– мезонов?
9.Участвуют ли адроны в слабом взаимодействии?
10.Какие типы взаимодействий обуславливают следующие реакции:
– – + ; е+ + е– 2 ; 6С14 7N14 + –1е0; 1р1 + 3Li7 2Не4 + 2Не4 ?
144
СПРАВОЧНЫЕ ТАБЛИЦЫ
1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ
Гравитационная постоянная Скорость света в вакууме Элементарный заряд Масса электрона Удельный заряд электрона Электрическая постоянная Магнитная постоянная
Постоянная Стефана-Больцмана Постоянная закона смещения Вина Постоянная Планка
Постоянная Ридберга Боровский радиус
Комптоновская длина волны электрона Магнетон Бора Энергия ионизации атома водорода Ядерный магнетон Постоянная Авогадро Постоянная Больцмана
G = 6.67 10-11 м3/(кг с2)
с=2,998 108 м/c e=1,60 10-19 Кл me=9,11 10-31 кг e/me=1,76 1011 Кл/кг0=8,85 10-12 Ф/м0=4 10-7 Гн/м
=5,67 10-8 Вт/(м2 К4)
b=2,90 10-3 м К h=6,63 10-34 Дж с=1,05 10-34 Дж с
R=1,097 107 м -1 а=5,29 10-11 мK=2,43 10-12 мВ=9,27 10-24 Дж/Тл Еi=13,6 эВ=2,18 10-18 ДжN=5,05 10-27 Дж/Тл NA=6,02 1023 моль-1 k=1,38 10-23 Дж/К
2. СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ И СОЛНЦЕ |
|
|
|
|
Средний радиус Земли |
6,37 |
106 |
м |
|
Масса Земли |
5,98 |
1024 |
кг |
|
Радиус Солнца |
6,96 |
108 |
м |
|
Масса Солнца |
1,99 |
1030 |
кг |
|
Мощность излучения Солнца |
3,83 |
1026 |
Вт |
|
Среднее расстояния от Земли до Солнца |
1,49 |
108 |
км |
|
3. РАБОТА ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ МЕТАЛЛОВ
Металл |
А, эВ |
Металл |
А, эВ |
Металл |
А, эВ |
Алюминий |
3,74 |
Калий |
2,15 |
Никель |
4,84 |
Барий |
2,29 |
Кобальт |
4,25 |
Платина |
5,29 |
Висмут |
4,62 |
Литий |
2,39 |
Серебро |
4,28 |
Вольфрам |
4,50 |
Медь |
4,47 |
Титан |
3,92 |
Железо |
4,36 |
Молибден |
4,27 |
Цезий |
1,89 |
Золото |
4,58 |
Натрий |
2,27 |
Цинк |
3,74 |
145
4. НАИБОЛЕЕ ИНТЕНСИВНЫЕ ФРАУНГОФЕРОВЫ ЛИНИИ ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СОЛНЕЧНОГО СПЕКТРА
Длина волны (нм) |
Химический элемент |
|
|
761 |
О |
|
|
687 |
О |
|
|
656,5 |
Н |
589 |
Na |
|
|
527 |
Fe |
|
|
486 |
H |
434 |
Н |
|
|
431 |
Ca |
|
|
397 |
Са |
|
|
5. НАИБОЛЕЕ ЯРКИЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕМЕНТОВ
Длина волны, |
Интенсивность, |
|
Длина волны, |
Интенсивность, |
Нм |
усл.ед. |
|
нм |
усл. ед. |
|
|
Н |
|
|
656,2 |
2000 |
|
434,0 |
200 |
486,1 |
500 |
|
410,0 |
100 |
|
|
Не |
|
|
706,5 |
1000 |
|
492,2 |
60 |
667,8 |
100 |
|
471,3 |
150 |
656,0 |
3000 |
|
468,5 |
300 |
587,6 |
3000 |
|
447,1 |
400 |
541,2 |
50 |
|
402,6 |
70 |
501,6 |
100 |
|
396,5 |
50 |
|
|
|
|
|
|
|
Ne |
|
|
753,6 |
300 |
|
585,2 |
2000 |
748,9 |
500 |
|
582,0 |
500 |
724,5 |
1000 |
|
581,1 |
300 |
717,4 |
1000 |
|
580,4 |
500 |
705,9 |
500 |
|
576,4 |
700 |
703,2 |
1000 |
|
574,8 |
500 |
702,4 |
500 |
|
571,9 |
500 |
692,9 |
1000 |
|
598,8 |
1550 |
671,7 |
1000 |
|
597,6 |
600 |
667,8 |
500 |
|
598,8 |
1550 |
146
659,9 |
1000 |
|
565,7 |
600 |
650,7 |
1000 |
|
556,3 |
500 |
640,2 |
2000 |
|
540,1 |
2000 |
638,3 |
1000 |
|
534,3 |
600 |
633,4 |
1000 |
|
534,1 |
1000 |
632,8 |
300 |
|
533,1 |
600 |
626,6 |
1000 |
|
514,5 |
500 |
621,7 |
1000 |
|
503,8 |
500 |
616,4 |
1000 |
|
500,5 |
500 |
614,3 |
1000 |
|
495,7 |
1000 |
609,6 |
300 |
|
489,2 |
500 |
607,4 |
1000 |
|
488,5 |
1000 |
603,0 |
1000 |
|
483,7 |
500 |
596,5 |
600 |
|
482,7 |
1000 |
594,5 |
500 |
|
481,8 |
300 |
588,2 |
1000 |
|
478,9 |
300 |
|
|
Na |
|
|
466,8 |
200 |
|
567,5 |
300 |
498,2 |
200 |
|
568,8 |
300 |
514,8 |
400 |
|
589,0 |
9000 |
515,3 |
600 |
|
589,6 |
9000 |
|
|
Fe |
|
|
438,3 |
1000 |
|
506,8 |
400 |
440,4 |
1000 |
|
517,1 |
300 |
442,7 |
500 |
|
521,6 |
300 |
444,2 |
400 |
|
523,2 |
800 |
445,9 |
400 |
|
526,9 |
800 |
446,6 |
500 |
|
532,8 |
400 |
449,4 |
400 |
|
537,1 |
700 |
452,8 |
600 |
|
539,7 |
400 |
487,1 |
200 |
|
541,5 |
500 |
490,3 |
500 |
|
545,5 |
300 |
492,0 |
500 |
|
561,5 |
400 |
493,8 |
300 |
|
570,9 |
100 |
496,6 |
300 |
|
619,1 |
100 |
499,7 |
300 |
|
643,0 |
100 |
501,4 |
500 |
|
667,7 |
250 |
|
|
Hg |
|
|
404,6 |
200 |
|
576,9 |
600 |
433,9 |
150 |
|
578,9 |
500 |
434,7 |
200 |
|
579,0 |
1000 |
435,8 |
3000 |
|
690,7 |
125 |
147
6. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Энергия, МэВ |
||
|
Тип |
|
Изотоп |
|
|
Период |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|||||
|
излучения |
|
|
|
|
|
Полураспада |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
–, К( ) |
|
19К40 |
|
|
|
1,39х109 лет |
|
1,32 |
1,46 |
|
|
– |
|
6С14 |
|
|
|
5568 лет |
|
0,159 |
|
|
|
–, |
|
27Co60 |
|
|
|
5,27 лет |
|
0,31 |
1,33 |
|
|
– |
|
38Sr90 |
|
|
|
28,4 года |
|
0,54 |
|
|
|
– |
|
39Y90 |
|
|
|
64,8 часа |
|
2,26 |
|
|
|
–, |
|
53I131 |
|
|
|
8,08 суток |
|
0,61 |
0,36 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,72 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
|
15Р32 |
|
|
|
14,5 суток |
|
1,71 |
|
|
|
, – |
|
55Cs137+56Ва137m |
|
|
26,6 года |
|
1,2 |
0,661 |
||
|
|
|
|
|
|
|
(2,6 мин) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
, , – |
|
88Ra226 |
|
|
1620 лет |
|
|
0,609 (47%) |
||
|
|
|
в равновесии с |
|
|
|
|
|
0,352 (37%) |
||
|
|
|
дочерними |
|
|
|
|
|
1,76 (16%) |
||
|
|
|
продуктами |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
2,2 (5,2%) |
|||
|
|
|
распада |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
7. ЦЕПОЧКИ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
38 Sr 90 |
28,4 года |
39 Y 90 |
64, 8 час |
40 Zr 90 |
|
|
||||
|
|
|
– |
|
|
|
–, |
|
|
|
|
|
27 Co 60 |
5,27 года |
28 Ni 60 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
, – |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
55 Cs 137 |
26,6 года |
56 Ba 137 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
19 К 40 |
1,28х10 млн.лет |
20 Са 40 |
|
|
|
|
||||
|
89% – –, 11%– |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
53 I 131 |
8,08 дня |
|
54 |
Хе 131 |
|
|
|
|
||
|
|
|
–, 99,3% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15 Р 132 |
14,5 суток |
|
16 S32 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
–, 100% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
148
8. МАКСИМАЛЬНЫЙ ПРОБЕГ –ЧАСТИЦ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ
Е (Мэв) |
в воздухе (м) |
в алюминии (мм) |
в биоткани (мм) |
0,01 |
0,0023 |
0,0013 |
0,0025 |
0,1 |
0,13 |
0,07 |
0,14 |
0,2 |
0,41 |
0,21 |
0,45 |
0,3 |
0,76 |
0,4 |
0,84 |
0,4 |
1,17 |
0,6 |
1,3 |
0,5 |
1,6 |
0,83 |
1,9 |
0,6 |
2,1 |
1,1 |
2,3 |
0,7 |
2,5 |
1,3 |
2,9 |
0,8 |
3 |
1,6 |
3,3 |
0,9 |
3,5 |
1,8 |
3,8 |
1,0 |
3,9 |
2,1 |
4,7 |
1,2 |
4,9 |
2,6 |
5,5 |
1,4 |
5,9 |
3,1 |
6,6 |
1,6 |
6,8 |
3,6 |
7,9 |
1,8 |
7,8 |
4,1 |
8,7 |
2,0 |
8,7 |
4,5 |
9,6 |
2,4 |
10,6 |
5,6 |
11,8 |
2,8 |
12,5 |
6,6 |
13,5 |
3,0 |
13,4 |
6,9 |
14,7 |
4,0 |
17,9 |
9,2 |
19,6 |
5,0 |
22,3 |
11,4 |
24,4 |
7,0 |
29,0 |
15,7 |
35,6 |
9,0 |
36,5 |
19,7 |
44,5 |
10,0 |
40,1 |
21,6 |
48,8 |
9. ЗНАЧЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ–ИЗЛУЧЕНИЯ В ВЕЩЕСТВЕ, 1/см
Энергия |
Свинец |
Медь |
Железо |
Алюминий |
Бетон |
Излучения |
( =11300 |
( =8900 |
( =7800 |
( =2700 |
( =2350 |
МэВ |
кг/м3) |
кг/м3) |
кг/м3) |
кг/м3) |
кг/м3) |
|
|
|
|
|
|
0,1 |
60 |
3,7 |
2,62 |
0,421 |
0,34 |
|
|
|
|
|
|
0,2 |
10,6 |
1,29 |
1,1 |
0,321 |
0,29 |
|
|
|
|
|
|
0,3 |
4,2 |
0,95 |
0,83 |
0,276 |
0,25 |
|
|
|
|
|
|
0,4 |
2,4 |
0,81 |
0,72 |
0,248 |
0,224 |
|
|
|
|
|
|
0,5 |
1,72 |
0,73 |
0,65 |
0,227 |
0,21 |
|
|
|
|
|
|
149
0,6 |
1,32 |
0,67 |
0,59 |
0,21 |
0,189 |
|
|
|
|
|
|
0,661 |
1,213 |
0,642 |
0,573 |
0,194 |
0,181 |
|
|
|
|
|
|
0,8 |
0,95 |
0,58 |
0,52 |
0,184 |
0,166 |
|
|
|
|
|
|
0,9 |
0,86 |
0,55 |
0,5 |
0,176 |
0,155 |
|
|
|
|
|
|
1,0 |
0,77 |
0,52 |
0,47 |
0,165 |
0,149 |
|
|
|
|
|
|
1,3 |
0,64 |
0,46 |
0,43 |
0,146 |
0,131 |
|
|
|
|
|
|
1,5 |
0,56 |
0,42 |
0,38 |
0,135 |
0,122 |
|
|
|
|
|
|
1,7 |
0,54 |
0,39 |
0,36 |
0,128 |
0,115 |
|
|
|
|
|
|
2,0 |
0,51 |
0,37 |
0,33 |
0,116 |
0,104 |
|
|
|
|
|
|
3,0 |
0,47 |
0,32 |
0,28 |
0,096 |
0,085 |
|
|
|
|
|
|
4,0 |
0,47 |
0,29 |
0,26 |
0,084 |
0,075 |
|
|
|
|
|
|
5,0 |
0,48 |
0,28 |
0,25 |
0,077 |
0,067 |
|
|
|
|
|
|
10. КОЭФФИЦИЕНТЫ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ К ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ИЗЛУЧЕНИЙ ПРИ ХРОНИЧЕСКОМ ОБЛУЧЕНИИ ВСЕГО ТЕЛА
Виды излучения |
К |
Виды излучения |
К |
|
|
|
|
-излучение |
1 |
Нейтроны с энергией: |
|
|
|
|
|
Рентгеновское излучение |
1 |
20 кэВ |
5 |
|
|
|
|
-излучение |
1 |
100кэВ |
8 |
|
|
|
|
–излучение (Е 10Мэв) |
10 |
500 кэВ |
10 |
|
|
|
|
Протоны (Е 10Мэв) |
10 |
1 МэВ |
10,5 |
|
|
|
|
Нейтроны тепловые |
3 |
5 МэВ |
7 |
|
|
|
|
11.МАССА И ЭНЕРГИЯ ПОКОЯ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
ИЛЕГКИХ ЯДЕР
|
Масса |
Энергия |
||
Частица |
m, кг |
m, а.е.м. |
Е, Дж |
Е, Мэв |
Электрон |
9,11 10-31 |
0,00055 |
8,16 10-14 |
0,511 |
Нейтральный -мезон |
2,41 10-28 |
0,14526 |
— |
135 |
Протон |
1,672 10-27 |
1,00728 |
1,50 10-10 |
938 |
Нейтрон |
1,675 10-27 |
1,00867 |
1,51 10-10 |
939 |
Дейтон |
3,35 10-27 |
2,01355 |
3,00 10-10 |
1876 |
-частица |
6,64 10-27 |
4,00149 |
5,96 10-10 |
3733 |
150