Методичні вказівки до лабораторних робіт з радіаційної фізики (частина 2)

Піони, які утворилися в результаті зіткнення піона з ядрами атомів повітря, мають меншу енергію, ніж піон, що народив їх. Піон високої енергії, як випливає з попереднього, (при  ) породить цілу лавину піонів. В кінці цієї лавини енергія новоутвореного піона буде недостатньою для утворення слідуючих піонів. Такі піони розпадаються згідно з (4), як це показано на мал.2.

Первинний протон, проходячи через атмосферу може стикатись з ядрами повітря більше десятки разів і кожне зіткнення буде супроводжуватись народженням піонів, аж поки енергія протона стане недостатньою для протікання даного процесу (Е<200ГеВ). Залишкова енергія протона може бути затрачена, як випливає з попереднього, на вибивання дельта-нуклонів. Дельта-протони і інші малоенергетичні заряджені частинки внаслідок іонізаційних втрат швидко сповільнюються і поглинаються. Дельта-нейтрони аж до самих низьких енергій приймають участь в дальшому розмноженні ядерно-активних частинок.

Малюнки 2 і 3 відображають не всі процеси, які відбуваються в атмосфері при русі протона високої енергії. В процесах зіткнення частинок ядерно-активної компоненти з ядрами народжуються і нейтральні піони. Вони дуже швидко розпадаються ( ) за схемою (6). При цьому народжуються 2 гама-фотони високої енергії. Ці фотони в полі ядер народять електронно-позитронні пари. Електрони і позитрони, рухаючись в речовині, випромінюють гама-фотони (радіаційні втрати енергії). Ці гама-фотони знову народять електронно-позитронні пари і т.д. Наростання числа електронів, позитронів і гама-фотонів буде відбуватися до тих пір, поки іонізаційні втрати енергії електронів і позитронів не стануть порівняними з їх радіаційними втратами, тобто до тих пір, поки енергія електронів і позитронів не зменшиться до критичної енергії 72МеВ. Таким способом генерується м’яка компонента вторинного космічного випромінювання. М’яка компонента сильно поглинається речовиною. Релятивістські мюони мають дуже велику проникну здатність, оскільки в них малі іонізаційні втрати енергії (із-за великої маси спокою). Досліди показують, що ці мюони пронизують шар води до 1000м.

Залежність інтенсивності різних компонент вторинного космічного випромінювання від товщини пройденого ними шару атмосфери показана на мал.4. На цьому рисунку: 1 – ядерно-активна компонента; 2 – електронно-фотонна; 3 – мюонна; 4 – повна інтенсивність.

Інтенсивність компонент різко зменшується зі збільшенням товщини атмосфери, що проходить (за виключенням великих висот, де для електронно-фотонної і мюонної компонент спочатку інтенсивність збільшується при зменшенні висоти).

Електронно - фотонна компонента домінує на великих висотах, але швидко поглинається і на рівні моря практично дорівнює нулю. Мюонна компонента на рівні моря також сильно зменшується, але залишається значно більшою електронно-фотонної. На рівні моря  ,  .

Космічне випромінювання має певний вплив на атмосферу. В процесі генерації і поглинанні ядерно-активної компоненти в верхніх шарах атмосфери відбуваються різні ядерні реакції. При реакціях, в яких відбувається поглинання нейтронів ядрами   утворюються радіовуглець   і тритій  . Радіоактивні ізотопи   утворюються в результаті глибокого розщеплення ядер   при бомбардуванні цих ядер космічними протонами. В результаті глибокого розщеплення ядер  , які є в повітрі, утворюються радіоактивні ізотопи  . За рахунок дії космічного випромінювання концентрації тритію в земній воді підтримується на рівні  . Крім того, відбувається накопичення стабільних ізотопів. Так, за час існування Землі (  років) космічне випромінювання збільшило поширеність ізотопу літію   на 0,03%.

Опис експериментальної методики

Найбільше мюонів генерується у відносно тонкому шарі атмосфери, що знаходиться на висоті  . Враховуючи, що висота шару над поверхнею Землі набагато менша радіуса Землі, цей шар можна вважати плоским (мал.5).

Мюони, які виникають в шарі генерації рухаються до спостерігача в точці А одні – вертикально вниз, інші – під деяким кутом. Мюони, які ідуть під кутом   до вертикалі, проходять довший шлях

 ,                                                         (8)

ніж ті, що ідуть вертикально. Чим більший шлях проходить мюон, тим більша у нього імовірність розпастись.

Кожен мюон має певну імовірність   розпастись за одиницю часу. Тому зміна вільності мюонів, викликана розпадами

                                                         .                                                    (9)

Інтегруючи рівняння (9), отримаємо

                                                         ,                                                   (10)

де N0 – початкова кількість мюонів. Нехай   – час життя мюонів в лабораторній системі відліку. При  .