Иондаушы сәулелердің бағыттарын анықтау тәсілі
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..4
I . Тарау. Иондаушы бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі.
1. 1. Иондаушы бөлшектердің түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6
1. 2. Зарядталған ауыр бөлшектердің заттарда жұтылуы ... ... ... ... ... 7
1. 3. β . бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі ... ... ... ... ... ... ... ... .11
1. 4. γ . сәулеленудің заттардан өтуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .14
II . Тарау. Ғарыштық сәулелер және оларды зерттеу мәселелері.
2. 1. Ғарыштық сәлелер туралы жалпы мәліметтер ... ... ... ... ... ... ... .20
2. 2. Галактикалық ғарыштық сәулелер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 22
2. 3. Екінші реттік ғарыштық сәулелер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 26
2. 4. Ғарыштық сәулелерді зерттеу мәселелері ... ... ... ... ... ... ... ... ... 29
III . Тарау. Иондаушы сәулелер бағытын анықтау тәсілдері (эксперимент).
3. 1. Гейгер . Мюллер санауышы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..32
3. 2. Лабораториялық индикатордың құрылымы және оның жұмыс істеу принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...33
3. 3. Ғарыштық сәулелердің бағытын телескоп арқылы анықтау. 3.3.1. Ғарыштық сәуле телескопының телеметриядық параметрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .38
1 . тәсіл. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытан бас телефон көмегімен анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...40
2 . тәсіл. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытын осциллограф көмегімен анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...40
3.3.2. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытын анықтау ... ... ... ... ...41
Ғарыштық сәуле интенситтілігінің бағытқа тәуелділігі ... ... ... ... ..45
Қорытынды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...47
Пайдаланылған әдебиеттер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 48
I . Тарау. Иондаушы бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі.
1. 1. Иондаушы бөлшектердің түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6
1. 2. Зарядталған ауыр бөлшектердің заттарда жұтылуы ... ... ... ... ... 7
1. 3. β . бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі ... ... ... ... ... ... ... ... .11
1. 4. γ . сәулеленудің заттардан өтуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .14
II . Тарау. Ғарыштық сәулелер және оларды зерттеу мәселелері.
2. 1. Ғарыштық сәлелер туралы жалпы мәліметтер ... ... ... ... ... ... ... .20
2. 2. Галактикалық ғарыштық сәулелер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 22
2. 3. Екінші реттік ғарыштық сәулелер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 26
2. 4. Ғарыштық сәулелерді зерттеу мәселелері ... ... ... ... ... ... ... ... ... 29
III . Тарау. Иондаушы сәулелер бағытын анықтау тәсілдері (эксперимент).
3. 1. Гейгер . Мюллер санауышы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..32
3. 2. Лабораториялық индикатордың құрылымы және оның жұмыс істеу принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...33
3. 3. Ғарыштық сәулелердің бағытын телескоп арқылы анықтау. 3.3.1. Ғарыштық сәуле телескопының телеметриядық параметрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .38
1 . тәсіл. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытан бас телефон көмегімен анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...40
2 . тәсіл. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытын осциллограф көмегімен анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...40
3.3.2. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытын анықтау ... ... ... ... ...41
Ғарыштық сәуле интенситтілігінің бағытқа тәуелділігі ... ... ... ... ..45
Қорытынды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...47
Пайдаланылған әдебиеттер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 48
Иондаушы сәулелердің табиғи көздерінің бірі ғарыштық сәулелер болып табылады. Зарядты бөлшек үдеткіштері жасалғанға дейін ғарыштық сәулелер жоғары энергиялы иондаушы бөлшектердің бірден – бір көзі болды.
Ғарыштық сәулелерді зерттеу арқылы оның құрамындағы бөлшектердің үдетілу жолдары анықталып кейбір атмосфералық процестерді түсіндіруге болады. Сондықтан ғарыштық сәулелерді иондаушы сәулелердің көзі ретінде қарастырып олардың бағытын анықтау көкейкесті мәселелердің бірі болып саналады.
«Ғарыштық сәулелер» термині Гесса жүмысымен байланысты пайда болды, эртүрлі бөліктерде ауаның иондалу деңгейін зерттеген. Осы тәжірибеге дейін бірнеше уақыт бұрын жер бетінде ауа иондалады деп тұжырымдалған. Секунд сайын орташа есеппен 1см3-та 1 жүп ион түзіледі. Бүндай иондалудың себебі жөнінде сұрақ пайда болды. Болжам, ол радиоактивті заттарды сәулелендіріп жасалады, жекелей алғанда радон, оның іздері ауада болады, иондалу өзгертілмей сақталатыны анықталды және құрғақ ауа жабық ыдысқа орналасқанда онда бірнеше уақыт сақталады. Иондалудың азаятыны да анықталған, бірақ толығымен жоғалмайды, тұйық ыдыс 2,5 см жуандықтағы мырыш қабығымен қапталғанда. Бұл иондаушы сәуле көзі жабық ыдыс сыртында болатын болжамды дэлелдеді. Ал сэуленің өзі ү-сәулеге ұқсас, мырыш қабатынан өте алады. Бұл сәуленің көзі радиоактивті зат болады ма, жоқ па анықтау үшін Гюкель және Гесс ауаның иондалу тиімділігіне өлшеу жүргізді, оны 5000 м биіктікке дейінгі ауа шарында көтергенде тұйық ыдыста бекітілген.
Ғарыштық сәулелерді зерттеу арқылы оның құрамындағы бөлшектердің үдетілу жолдары анықталып кейбір атмосфералық процестерді түсіндіруге болады. Сондықтан ғарыштық сәулелерді иондаушы сәулелердің көзі ретінде қарастырып олардың бағытын анықтау көкейкесті мәселелердің бірі болып саналады.
«Ғарыштық сәулелер» термині Гесса жүмысымен байланысты пайда болды, эртүрлі бөліктерде ауаның иондалу деңгейін зерттеген. Осы тәжірибеге дейін бірнеше уақыт бұрын жер бетінде ауа иондалады деп тұжырымдалған. Секунд сайын орташа есеппен 1см3-та 1 жүп ион түзіледі. Бүндай иондалудың себебі жөнінде сұрақ пайда болды. Болжам, ол радиоактивті заттарды сәулелендіріп жасалады, жекелей алғанда радон, оның іздері ауада болады, иондалу өзгертілмей сақталатыны анықталды және құрғақ ауа жабық ыдысқа орналасқанда онда бірнеше уақыт сақталады. Иондалудың азаятыны да анықталған, бірақ толығымен жоғалмайды, тұйық ыдыс 2,5 см жуандықтағы мырыш қабығымен қапталғанда. Бұл иондаушы сәуле көзі жабық ыдыс сыртында болатын болжамды дэлелдеді. Ал сэуленің өзі ү-сәулеге ұқсас, мырыш қабатынан өте алады. Бұл сәуленің көзі радиоактивті зат болады ма, жоқ па анықтау үшін Гюкель және Гесс ауаның иондалу тиімділігіне өлшеу жүргізді, оны 5000 м биіктікке дейінгі ауа шарында көтергенде тұйық ыдыста бекітілген.
1. Корсунский В. Н. «Оптика, атомная и ядерная физика». М. 1970.
2. Абрамов А. И., и др. Осн. «Экспериментальных методов ядерной физики». М. Атомизат. 1980.
3. Зингер С. «Первичные космическое излучение и его временное вариации». М. 1975.
4. В. Л. Гинзбург «Происхождение космических лучей». М. 1969.
5. «Физика экспериментальных частиц и космических лучей». Под. Ред. Дж. Вильсона М. 1969.
6. Дорман В. Ф. «Физика солнечных космических дучей». М. Л. 1985.
7. Сыроватский С. И. «Физика космических лучей». М. Л. 1990.
8. Вернов С. Н. идр. Изв. А Н. СССР., сер. физич. 19, 493 (1985).
9. Логунов А. А., Терлецский Я. П. Изв. А Н. СССР., сер. физич. 17, 19 (1986).
10. Шкловский И. С. ДАН СССР., 91, 475 (1990).
11. Труды международной конференции по космическим лучам. Л. В-1 август 1989г.
12. Пикельнер С. Б., Шкловский И. С. Атомическ. Журнал. СССР., зч, №2 (1989).
13. Демонстрационной эксперимент по физике в средней школе часть 2. под ред. Покровского А. А. М. 1989.
14. Боровой А. А «Как речистригуют частицы». М. 1981.
15. Физика микромира. Маленькая энциклопедия. М. 1980.
16. Гинзбург В. Л., Сыроватский С. И., Происхождение космических лучей, М., 1983.
17. Дорман Л. И., Экспериментальные и теоритеческие основы астофизики космических лучей, М., 1985;
18. Мурзин В. С., Введение в физику космических лучей, М., 1989г.
19. О.С. Нұрсылтанов «Атомдық физика» А. 1986.
2. Абрамов А. И., и др. Осн. «Экспериментальных методов ядерной физики». М. Атомизат. 1980.
3. Зингер С. «Первичные космическое излучение и его временное вариации». М. 1975.
4. В. Л. Гинзбург «Происхождение космических лучей». М. 1969.
5. «Физика экспериментальных частиц и космических лучей». Под. Ред. Дж. Вильсона М. 1969.
6. Дорман В. Ф. «Физика солнечных космических дучей». М. Л. 1985.
7. Сыроватский С. И. «Физика космических лучей». М. Л. 1990.
8. Вернов С. Н. идр. Изв. А Н. СССР., сер. физич. 19, 493 (1985).
9. Логунов А. А., Терлецский Я. П. Изв. А Н. СССР., сер. физич. 17, 19 (1986).
10. Шкловский И. С. ДАН СССР., 91, 475 (1990).
11. Труды международной конференции по космическим лучам. Л. В-1 август 1989г.
12. Пикельнер С. Б., Шкловский И. С. Атомическ. Журнал. СССР., зч, №2 (1989).
13. Демонстрационной эксперимент по физике в средней школе часть 2. под ред. Покровского А. А. М. 1989.
14. Боровой А. А «Как речистригуют частицы». М. 1981.
15. Физика микромира. Маленькая энциклопедия. М. 1980.
16. Гинзбург В. Л., Сыроватский С. И., Происхождение космических лучей, М., 1983.
17. Дорман Л. И., Экспериментальные и теоритеческие основы астофизики космических лучей, М., 1985;
18. Мурзин В. С., Введение в физику космических лучей, М., 1989г.
19. О.С. Нұрсылтанов «Атомдық физика» А. 1986.
Ф-ОБ-001033
ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ
Қ. А. Ясауи атындағы Халықаралық қазақ – түрік университеті Шымкент
институты
ФИЗИКА – МАТЕМАТИКА ФАКУЛЬТЕТІ
Физика кафедрасы
Д И П Л О М Д Ы Қ Ж Ұ М Ы С
Иондаушы сәулелердің бағыттарын анықтау тәсілі.
Орындаған: 14-14 тобының студенті
Жұбанқызы Жадыра.
Ғылыми жетекшісі: тех. - ғыл. конд. доцент
Т. Сартбай.
Шымкент 2008 ж.
М а з м ұ н ы
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... .4
I - Тарау. Иондаушы бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі.
1. 1. Иондаушы бөлшектердің
түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6
1. 2. Зарядталған ауыр бөлшектердің заттарда жұтылуы ... ... ... ... ... 7
1. 3. β - бөлшектердің заттармен өзара
әсерлесуі ... ... ... ... ... ... .. ... ...11
1. 4. γ - сәулеленудің заттардан
өтуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ..14
II - Тарау. Ғарыштық сәулелер және оларды зерттеу мәселелері.
2. 1. Ғарыштық сәлелер туралы жалпы
мәліметтер ... ... ... ... ... ... . ... 20
2. 2. Галактикалық ғарыштық
сәулелер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .22
2. 3. Екінші реттік ғарыштық
сәулелер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 26
2. 4. Ғарыштық сәулелерді зерттеу
мәселелері ... ... ... ... ... ... . ... ... ...29
III - Тарау. Иондаушы сәулелер бағытын анықтау тәсілдері
(эксперимент).
3. 1. Гейгер – Мюллер
санауышы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...32
3. 2. Лабораториялық индикатордың құрылымы және оның жұмыс істеу
принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ...33
3. 3. Ғарыштық сәулелердің бағытын телескоп арқылы анықтау. 3.3.1.
Ғарыштық сәуле телескопының телеметриядық
параметрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ...38
1 – тәсіл. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытан бас телефон көмегімен
анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... 40
2 – тәсіл. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытын осциллограф көмегімен
анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... 40
3.3.2. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытын анықтау ... ... ... ... ...41
Ғарыштық сәуле интенситтілігінің бағытқа тәуелділігі ... ... ... ... ..45
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... 47
Пайдаланылған
әдебиеттер ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ...48
Кіріспе
Иондаушы сәулелердің табиғи көздерінің бірі ғарыштық сәулелер болып
табылады. Зарядты бөлшек үдеткіштері жасалғанға дейін ғарыштық сәулелер
жоғары энергиялы иондаушы бөлшектердің бірден – бір көзі болды.
Ғарыштық сәулелерді зерттеу арқылы оның құрамындағы бөлшектердің
үдетілу жолдары анықталып кейбір атмосфералық процестерді түсіндіруге
болады. Сондықтан ғарыштық сәулелерді иондаушы сәулелердің көзі ретінде
қарастырып олардың бағытын анықтау көкейкесті мәселелердің бірі болып
саналады.
Ғарыштық сәулелер термині Гесса жүмысымен байланысты пайда болды,
эртүрлі бөліктерде ауаның иондалу деңгейін зерттеген. Осы тәжірибеге дейін
бірнеше уақыт бұрын жер бетінде ауа иондалады деп тұжырымдалған. Секунд
сайын орташа есеппен 1см3-та 1 жүп ион түзіледі. Бүндай иондалудың себебі
жөнінде сұрақ пайда болды. Болжам, ол радиоактивті заттарды сәулелендіріп
жасалады, жекелей алғанда радон, оның іздері ауада болады, иондалу
өзгертілмей сақталатыны анықталды және құрғақ ауа жабық ыдысқа орналасқанда
онда бірнеше уақыт сақталады. Иондалудың азаятыны да анықталған, бірақ
толығымен жоғалмайды, тұйық ыдыс 2,5 см жуандықтағы мырыш қабығымен
қапталғанда. Бұл иондаушы сәуле көзі жабық ыдыс сыртында болатын болжамды
дэлелдеді. Ал сэуленің өзі ү-сәулеге ұқсас, мырыш қабатынан өте алады. Бұл
сәуленің көзі радиоактивті зат болады ма, жоқ па анықтау үшін Гюкель және
Гесс ауаның иондалу тиімділігіне өлшеу жүргізді, оны 5000 м биіктікке
дейінгі ауа шарында көтергенде тұйық ыдыста бекітілген.
Егер иондалу радиоактивті заттар есебінен жасалған болса, онда жерден
бұл сәуленің тиімділігін жою мөлшері бойынша, ал нәтижесінде олардың
иондалу деңгейі доғарады. Бірақ та өлшеу нәтижесі кездейсоқ болып шықты.
Иондалу тиімділігінің азаюы бірінші 1000 метрге көтерілгенде ғана
байқалады, эрі қарай көтергенде азаю емес, тиімділіктің үлғаюы байқалады
жэне 5000 м биіктікте иондалу үш есе көп болып шықты, жер бетіндегімен
салыстырғанда.
Осы зерттеу нәтижесінде, жер бетіндегі ауаның иондалуы оның
радиоактивті сәуле бөлуі арқылы ғана жүретіні жөнінде тұжырым жасалды,
жекелей алғанда ол ғарыштан жерге өтетін жерден тыс түзілістің күші енетін
сәуле әсерімен негізделген. Бұл сәулелер ғарыштық сәулелер деген атау алды.
Гесс тәжірибесінен кейін 50 жылдан астам уақыт өтті, осы уақыт
аралығында ғарыштық сәулелерге тиімді зерттеулер жасалынды. Осы
зерттеулердің нәтижесінде табиғатты зерттеудің нәтижесінде табиғаттың мүлде
кездейсоқ қасиеті байқалды, электрондық позитрондық будың пайда болуы,
олардың жоғалуы, әртүрлі салмақтағы мезонның пайда болуы және олардың өзара
түзілісі сияқты.
Ғарыштық сәулелерді зерттеу және олардың заттармен өзпра әсерлесуі
заманауи физиканың ең негізгі бағытының бірі болып жасалынжы. Қазіргі таңда
басқада елдерде ғарыштық сәулелер аймағында кең көлемді зерттеу
жүргізіледі.
I - Тарау. Иондаушы бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі.
1. 1. Иондаушы бөлшектердің түрлері.
Иондаушы сәулелер деп электрон, протон, нейтрон, α - бөлшек, мезон,
фотон және т.б. қарапайым бөлшектер ағынын айтамыз. Бөлшекетердің заттың
атомындағы электрон немесе ядромен өзара әсерлесуі кулондық,
электромагниттік, ядролық күштер арқылы жүзеге асады.
Бұл әсерлесулер нәтижесінде болатын серпімді және серпімсіз
соқтығысулар нәтижесінде өте көп процестер туындайды.Сол көп процстердің
ішінен энергия шығыны үлкен болатын процестерді ғана қарастырамыз. Осы
тұрғыда иондаушы бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуін төрт топқа –
зарядталған ауыр бөлшектерден зарядталған жеңіл бөлшектермен, фотондармен
және нейтрондармен – деп бөлуге болады.
Ионаушы бөлшектердің заттарда бірлік ұзындыққа жүргенде шығындалған
энергиясы тежелу қабілеті деп аталады. Егер бөлшектің затта жүру жолының
ұзындығын г см2 – бірлікте өлшейтін болсақ тежелу қабілеті заттың
агрегаттық күйіне тәуелді болмайды. Заттарда жұтылған энергия сол ортада
әртүрлі физикалық құбылыстар тудырады. Сол туындаған құбылыстарды иондаушы
бөлшектерді тіркеу үшін пайдалануға болады. Жұтылған энергияның ортада
миграциясы және оның нәтижесінде туындайтын әртүрлі құбылыстардың болуы
заттың агрегаттық күйіне тәуелді болады. Мысалы, газдарға зарядталған
бөлшектер енгенде еркін электрон және иондар туындайды.Соның нәтижесінде
газдың электрлік кедергісі өзгереді.Кейбір кристалдарға иондаушы бөлшектер
түскен кезде жарық фотондарын шығарады. Иондаушы бөлшектердің заттармен
өзара әсерлесуі нәтижесінде
туындайтын осындай әртүрлі процестерді бақылау арқылы оларды тіркеуге
болады. [ 1 ]
1. 2. Зарядталған ауыр бөлшектердің заттарда жұтылуы.
Зарядтары аз болған (Z = 1, 2) ауыр бөлшектер заттармен өзара
әсерлескенде олардың энергия шығыны, негізінен, заттың атомдарымен
серпімсіз кулондық соқтығысуы нәтижесінде туындайды. Серпімсіз соқтығысу
нәтижесінде заттың атомы иондалады немесе қозған күйге өтеді. Бұл процесс
үздіксіз болатындықтан зарядталған бөлшектің энергиясы да үздіксіз кемиді.
Зарядталған бөлшектердің атом ядросымен серпімді соқтығысуы
нәтижесіндегі энергия шығыны иондауға кеткен энергиямен салыстырғанда өте
аз болады. Егер иондаушы бөлшек энергиясы ядроның потенциялдық тосқауылынан
үлкен болса бөлшектің энергия шығыны да үлкен болады. Мысалы, протон
графитпен өзара әсерлескенде оның энергиясы 30 МэВ - тен, ал α - бөлшек
үшін 100 МэВ - тен жоғары болғанда атом ядросымен соқтығысу кезіндегі
энергия шығыны ескеретіндей шамаға ие болады.
Сонымен, энергиясы 50 МэВ - тен төмен болған зарядталған ауыр
бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі кезіндегі энергия шығынын, негізінен
иондау процесімен байланысты деп қарастыруға болады.
Н. Бор зарядталған бөлшектердің атом электрондарымен соқтығысуын
классикалық тұрғыдан қарастырып, меншікті энергия шығынын есептеп шықты. х
өсінің бағытымен қозғалыстағы зарядталған бөлшек тыныштық күйдегі
электроннан у қашықтықтан өтсін. Өзара әсерлесу нәтижесінде электронның
алған импульсі олардың арасындағы кулондық күш (Ze² y²) - пен өзара
әсерлесу уақыты (~у υ) - ың көбейтіндісіне тең болады. Олай болса
соқтығысу нәтижесінде электронның алған энергиясы:
Егер ортадағы электронның тығыздығы NZ болса, зарядталған бөлшектің, заттың
қалыңдығы уdу қабатындағы электрондармен өзара әсерлесуі нәтижесінде,
бірлік жол ұзындығындағы энергия шығыны:
– ке тең болады.
Олай болса зарядталған бөлшектің барлық электрондармен әсерлесуі
нәтижесінде бірлік жол ұзындығындағы толық энергия шығыны:
- (1)
Мұндағы нысана параметрі y-тің шекті мәндерін төмендегідей тұжырым арқылы
анықтауға болады. Бөлшек энергиясының шығыны у-ке кері пропорцонал
болғандықтан:
Энергияның сақталу заңына сәйкес:
Мұндағы Еmax - анықтамасы атомдағы еркін электрон үшін де, байланысқан
электрон үшін де орынды болады. Байланысқан электрон үшін Еmin – ның мәні
қоздыру энергиясы немесе электронның байланыс энергиясымен анықталады.
Бұл энергиялар әртүрлі қабықтағы электрондар үшін әртүрлі мәнге ие болады.
Нақты атом немесе молекулалар белгілі бір түрлері үшін осы
энергияның
минималь шамасын сипаттау үшін орташа иондау потенциялы деген шама
ендіреді. Сонымен:
(2)
Бете квантомеханикалық және релятивисттік эффекттерді ескере отырып
бөлшектің бірлік жол ұзындығындағы энергия шығыны үшін дәлдігі жоғарырақ
болған төмендегі өрнекті тағайындады:
(3)
Мұндағы . Көп жағдайда - ты эаттар тежелу қабілеті деп
аталады.
Бете формуласы энергиясы өте кіші болмаған бөлшектер үшін дұрыс
нәтиже береді. Егер бөлшек энергиясы өте кіші болса олар электрондарды
қармап алуы мүмкін. Мұндай процесті Бете ескермеген. Сонымен қатар бөлшек
энергиясы өте аз болғанда атомның ішкі қабықтарындағы электрондардың әсері
нәтижесінде орташа иондау потенциялының шамасы бөлшектің жылдамдығына да
тәуелді болады. [2]
Орташа иондау потенциялының шамасы 15,6 эВ - тан (сутегі үшін ) 810
эВ - қа (уран үшін) дейінгі аралықта өзгереді.
Заряд саны Z 47 болған элементтер үшін - ке тең.
1 - суретке әртүрлі бөлшектер үшін ауаның тежеу қабілетінің
энергияға тәуелділігі келтірілген. [ 2 ] Суреттен, зарядтары бірдей
болған бөлшектердің (протон, дейтон, мейзрн) энергиялары жүздеген МэВ -
тен жоғары болған кезде олардың тежеу қабілеттері бірдей болып тұрақты
болатындығын көреміз.
1 – сурет. Иондаушы бөлшектердің ауада тежелу қабілетінің
энергияға тәуелділігі.
1 – α -бөлшек; 2 – дейтондар; 3 – протондар; 4 – μ -мезондар; 5 –
электрондар.
1. 3. β - бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі.
Төмен энергиялы электрондар (2 - МэВ) заттардан өткен кезде, ауыр
зарядталған бөлшектер секілді, зат атомдарының электрондарын ионизациялайды
немесе қозған күйге келтіреді. Бірақ ауыр зарядталған бөлшектерден
ерекшелігі электрондар бір рет атомен соқтығысуы нәтижесінде энергиясының
көп мөлшерін жоғалтып, үлкен бұрышқа ауытқиды. Сондықтан электрондардың
заттардағы жүру жолының ұзындығы мен оның бағыты әртүрлі болады. Егер
электрон энергиясы үлен болатын болса, оның атом ядросының өрісінде тежелуі
нәтижесінде қосымша радиациялық сәулеленуі үшін энергия шығыны туындайды.
Сонымен электрондардың заттармен әсерлесуі кезінде оның энергиясының
шығыны ионизациялауға және радиациялық сәулеленуге жұмсалады.
а) Энергияның ионизациялық шығыны.
Электрондардың бірлік ұзындық жол жүргендегі энергия шығыны Бете
анықтаған өрнек бойынша есептеледі:
Мұндағы Е - электронның кинетикалық энергиясы:
Баяу электрондар үшін:
(4)
Ауадағы электрондар үшін dЕdх – тың орташа мәндері 1 - суретте
келтірілген. Ауыр зарядталған бөлшектермен салыстырғанда электрондар үшін
энергия шығынының флуктуациясы үлкен болады.
2 – сурет.
2 - суретте әртүрлі қалыңдықтағы графиттен өткен электрондардың
энергия бойынша таралуы келтірілген.[2]
б) Энергияның радиациялық шығыны.
Зарядталған бөлшектер үдемелі қозғалыс кезінде электромагниттік
сәуле шығарады. Сондықтан электрон заттың атомдындағы өріс әсерінен
тежелгенде радиациялық энергия шығыны туындайды. Оны тежелу сәулеленуі деп
атайды. Тежелу сәулеленуінің квантының спектрі тұтас болып оның жоғарғы
шекарасы электрон энергиасымен шектеледі.
Егер энергиясы Е - ге тең болған электрондық тежелу кезінде шығарған
сәулесінің жиілігі ν - ге тең болған жағдайда, электронның заттың атомымен
әсерлесу қимасы σ (Е,ν) см²*сек атом болса, оның меншікті радиациялық
шығыны:
(5)
Мұндағы N – ортаның бірлік көлеиіндегі атомдар саны; ν мах = Е h;
Тежелу сәулеленуі кезінде фотонның туындау ықтималдығы оның
жиілілігіне кері пропорционал болғандықтан радиациялық шығын энергиясы
электрон энергиасына пропорционал болады.
Радиациялық шығынды эффектифті қима σрад арқылы сипаттау ыңғайлы.
Эффектифті қима σрад энергияға тәуелді емес. Радиациялық шығынның орташа
мәні: (6)
Мұндағы σрад =;
Радиациялық шығынның орташа қимасы. Егер Е 137 m c ² Z 13
болса эффективті қима энергияға тәуелді болмастатан оның шамасы шамамен:
(7)
Электрон энергиясы кіші болған жағдайда σрад энергияға тәуелді болады:
Сонымен электронның затпен әсерлесуі нәтижесінде оның энергия
шығыны ионизацияға және радиациялық сәулеленуге жұмсалады екен. Олардың
арақатынасы электрон энергиясына сәйкес әртүрлі болады: ионизациялық
шығын Z - ке және энергияның логарифмне, ал радиацялық
шығын Z² - қа және энергияға сызықты тәуелді. Сондықтан үлкен энергиялы
электрондар үшін радиациялық шығын ионизациалық шығыннан үлкен болады.
Радиациялық шығын мен ионизациялық шығын тең болатын кездегі электрон
энергиясын кризистік энергия деп алайық. Егер электрон энергиясы кризистік
энергиядан кем болса ионизациялық шығын радиациялық шығыннан жоғары, ал
кризистік энергиядан жоғары болса керісінше болады. Бете мен Гайтлер осы
шығындардың қатынасының жуық шамасын төмендегіше анықтады:
(8)
Бұл өрнектен кризистік энергия Екр= 800 Z, МэВ. Мысалы ауыр элемент
қорғасында радиациялық шығын электрон энергиясы 10 МэВ - тен жоғары болған
кезде ионизациялық шығыннан басым болады. [3,6]
1. 4. γ – сәулеленудің заттардан өтуі.
Сәулелер заттан өтуі кезінде γ – кванттардың энергиясы,
бөлшектердегі сияқты үздіксіз кеміп отырмастан, бір соқтығысу кезінде
толығымен (жұтылу процесі) немесе оның көп бөлігі (шашырау процесі)
шығындалады.
Шашырау процесінде γ – квант энергиясы өзгерумен қатар оның бағыты да
өзгереді.
Осы процестердің нәтижесінде γ – кванттардың параллель ағыны
қалыңдығы h болған заттан өткенде экспонента бойынша кемиді:
(9)
Мұндағы n0 – затқа түскен γ – кванттар саны, n – қалыңдығы h – болған
заттан бастапқы бағытта өткен γ – кванттар саны, μ – заттың жұтылу
коэфиценті.
γ – сәулесінің заттан өткендегі ағынының кемуі экспонента бойынша
болғандықтан γ – кванттардың қалыңдығы өте үлкен заттардан өту
ықтималдылығы нөлден өзгеше болады. Сондықтан жеке γ – кванттардың жүру
жолы олардың орташа мәнінен әлдеқайда өзгеше болуы мүмкін. Заттың жұтылу
коэфицентінің физикалық мағынасы: γ – квант ағыны 1 μ жол жүргенде оның
интенсивтілігіне е есе кемиді. Сонымен 1μ шама γ – кванттың заттағы орташа
еркін жүру жолын сипаттайды. Егер γ – кванттың ортаның бір атомы мен
әсерлесуінің толық қимасын σ деп белгілесек: μ = σ N
болады. Мұндағы N заттың 1 см2 көлеміндегі атомдар саны.
γ – кванттың заттан өтуі кезінде негізінен үш процес – фотоэффект,
жұптардың туындауы және Комптон эффект нәтижесінде энергия шығыны
туындайды.
Сонымен γ – кванттың орта атомымен өзара әсерлесуінің толық
қимасы σ фотоэффекттің қимасы σж және комптон эфекттің қимасы σк - лардың
қосындысына тең болады: σ = σф + σж + σк
Егер γ – квант энергиясы ондаған Мэв – тен үлкен болса ядролық
фотоэффект құбылысы (γ – кванттың ядромен соқтығысып жұтылуы – фотоядролық
реакция) бақылануы мүмкін. Бұл жағдайда ядролық фотоэффект қимасын да
ескеру қажет. Төмен энергияларда оны ескермеседе болады.
Фотоэффект құбылысында квант энергиясы электронның байланыс
энергиясы I мен оның кинетикалық энергиясы Ее – ге тең болады. Демек
электронның энергиясы:
(10)
Демек бұл өрнектен фотоэффект құбылысы hυ I болған жағдайда ғана
орындалады. Сондықтан фотоэффекттің қимасы, K, L, M... т.с.с. қабықтағы
электрондардың иондау энергияларына сәйкес келетін мәндері үздікті болды.
Энергиясы hυ ~ mc2 жуық, бірақ К – жолақтың жұтылу шекарасына жуық
болмаған, фотондар үшін К – қабықта үшін фотоэффекттің қимасы:
(11)
Мұндағы Z – атом ядросының заряды, (σф)к – фотоэффекттің қимасы (см2
атом).
Фотоэффекттің толық қимасы:
Фотон энергиясы hυ mc2 болса фотоэффекттің қимасы γ – квант
энергиясына кері пропорционал болады. Сол себептен ауыр элементтер үшін,
мысалы қорғасын үшін, фотоэффекттің қимасы, фотон энергиясы 5 Мэв – ке тең
болған кезде, өте жоғары мәнге ие болады. (11) өрнек жұтылу жолағының
шекарасына жуық болған жағдайда дұсыс нәтиже бермейді. Бірақ бұл өрнек
фотоэффект қимасының фотон энергиясына тәуелділігінің жалпы көрінісін дұрыс
түсіндіреді. Қорғасын және алюминий үшін фотоэффект қимасының фотон
энергиясынатәуелділігі 3 – суретте келтірілген. [2,6]
3 – сурет. Қорғасын және алюминиден өткен γ – кванттардың
жұтылу коэффеценттері μф, μк және μж – тың энергияға тәуелділігі. [2]
Егер γ – квант энергиясы атомдағы электронның байланыс энергиясынан
көп үлкен болатын болса, олардың соқтығысуын серпімді соқтығысу ретінде
қарастыруға болады. Бұл құбылыс комптон эффектісі деп аталады. Бұл жағдай
үшін энергияның және импульстің сақталу заңдарын қолдануға болады.
Егер түскен γ – квант энетгиясын hυ, соқтығысудан соң шашыраған квант
энергиясын hυ' , оның шашырау бағытын θ деп, ал атомнан ажырап шыққан
электрон энергиясын Ее, бағытын φ деп белгілейік:
(12)
Мұндағы
Бұл өрнектен θ 900 бұрышқа ауытқыған кванттардың энергиясы
hυ' m0c2, ал θ =1800 болғандарының энергиясы hυ' ≤ m0c2 2;
болғандығын көреміз. Коптондық шашыраудың дифференциалдық қимасын Клейн –
Нишин – Тамм төмендегідей өрнек арқылы анықтады:
(13)
Мұндағы r 0 = e 2 m 0 c 2 – электорнның классикалық радиусы.
Демек Кванттың кіші бұрышқа ауытқу ықтималдылығы оның энергиясы
артқан кезде атрады. Егер түскен кватн энергиясы өте өте аз болса (hυ
m0c2), шашыраған квант энергиясы түскен квант энергиясына тең болып, оның
қимасы: (14)
(13) - өрнекті барлық денелік бұрыш бойынша интегралдау арқылы комптондық
шашыраудың толық қимасын анықтаймыз:
(15)
Мұндағы Комптондық шашыраудың қимасы 3 – суретте көрсетілген.
γ – квант зарядталған бөлшектердің немесе ядроның электр өрісінде
электрон – позитрон жұбын тудыруы мүмкін. Бұл жұптардың туындау процесі γ –
квант энергиясы электрон мен позитронның тыныштығы массаларының
қосындысынан (1,02 Мэв) үлкен болған жағдайда ғана болуы мүмкін.
Жұптардың туындауы вакуумда болуы мүмкін емес, себебі импульстің
сақталу заңы орындалмайды. Жұптардың туындау процесінде ядроның (немесе
атом электронның ) алған тебілу энергиясы ЕА – ны ескеру қажет:
hυ = m + c 2 + m – c 2 + E A (16)
Мұндағы m + c 2 және m – c 2 позитрон және электронның толық
энергиясы.
Жұптардың туындау қимасы Z2 пропорционал болып, энергияға
тәуелділігі өте күрделі болады (3 – сурет).
Бұл процесте туындаған позиторн өте аз уақыт аралығында аннигиляция
процесі нәтижесінде энергиялары 0,51 Мэв – ке тең болған екі фотонға
айналады. [3,6]
II - Тарау. Ғарыштық сәулелер және оларды зерттеу мәселелері.
2. 1. Ғарыштық сәулелер туралы жалпы мәліметтер.
Ғарыштық сәулелер - әлем кеңістігінен Жерге үнемі келіп тұратын
жоғары энергиялы бөлшектер. Олардың бастапқы сәуле деп аталатын негізгі
бөлігі — протондар. Сондай-ақ ғарыштық сәулелердің құрамында бастапқы
бөлшектердің жер атмосферасындағы атом ядроларымен әсерлесуі нәтижесінде
пайда болатын элементар бөлкпектердің ағыны (екінші реттік сәуле) да
болады.
Ғарыштық сәулелер элементар бөлшектердің құрылысы мен олардың
түрленуін зерттеуге мүмкіндік беретін, жоғары және аса жоғары энергиялы
бөлшектердің табиғи көзі болып табылады. Ғарыштық сәулелерді зерттеу арқылы
оның құрамындағы бөлшектердің үдетілу жолдары анықталып, жұлдыз аралық
(бәлкім, галактика аралық) ортадағы кейбір астрофиз. процестерді
түсіндіруге болады. Зарядты бөлшек үдеткіштері жасалғанға дейін ғарыштық
сәулелер жоғары энергиялы бөлшектердің бірден-бір көзі болды. Бастапқы
космостық сәуле негізінен, энергиясы 109 эв-тан артық бөлшектерден тұрады.
Тіпті кейбір жеке бөлшектің энергиясы 1020-1021 эв-қа дейін жетеді. Бұрын
белгісіз болған көптеген элементар бөлшектер алғаш рет Ғарыштық сәулелердің
құрамынан табылды. Олардың ыдырауы және атом ядросымен әсерлесуі жөніндегі
алғашқы мағлұматтар да осы Ғарыштық сәулелерден алынды. Қазіргі
үдеткіштердегі бөлшектердің энергиясы 1011—1012 эв-тан аспайтындықтан, әлі
де болса аса жоғары энергиялы бөлшектердің бір-бірімен әсерлесуі жөніндегі
мәліметтер тек ғарыштық сәулелер арқылы ғана алынады.
Ғарыштық сәулелер негізінен Күн жүйесінен тыс кеңістіктен келеді. Бұл
сәулелерді г а л а к т и к а л ы қ Ғарыштық сәулелер деп атайды. Ал Күн
активтілігіне байланысты пайда болатын энергиясы төмен сәулелер
күннен
келетін ғарыштық сәулелер делінеді. Күн активтілігі жоғарылағанда ғарыштық
сәулелердің бұл бөлігінің үлесі де едәуір артады. Аса жоғары
энергиялы бөлшектер біздің Галактикадан тыс кеңістіктен (метагалактикадан)
де келуі мүмкін. Жерге келетін ғарыштық сәулелер энергиясының шамасы Күн
сәулесі энергиясының ағынынан әлдеқайда аз болады. Бүкіл Галактика
масштабындағы ғарыштық сәулелер энергиясының орташа тығыздығы едәуір жоғары
( ~1 эвсм3) болады. Оның мөлшері гравитациялық энергияның, магнит
өрісінің, жұлдыз аралық газ қозғалысы кинетикалық энергиясының, жұлдыздар
шығаратын электромагниттік сәуле энергиясы тығыздықтарының қосындысына
жуық. Сондыңтан, тұтасынан алғанда, ғарыштық сәулелер Галактика
эволюциясына ықпал етуге тиіс.
Ғарыштық сәулелер физикасындағы зерттеу жұмыстары негізінен,
ядролық физика (ғарыштық сәулелердің затпен әсерлесуі, пайда болуы, қасиеті
және олардың элементар бөлшектермен әсерлесуі) және космостың физика
(бастапқы ғарыштық сәулелердің құрамы мен бөлшектердің энергиялық спектрі,
галактикалық және Күннен келетін ғарыштық сәулелердің пайда болуы мен
таралуы, ғарыштық сәулелердің жер атмосферасымен, планета аралық
кеңістіктегі күн желімен және соққы толқындармен әсерлесуі т.б.) деп
аталатын екі бағытта жүргізіледі. Үдеткіштер техникасы өркендеген сайын
бірінші бағыттағы зерттеулер жөғары энергия физикасына қарай ығысып барады.
Ғарыш кеңістігінің Жерге жақын бөлігін спутниктердің және ғарыштық
ракеталардың көмегімен тікелей зерттеудің нәтижесінде екінші бағыттағы
зерттеулер алыстағы ғарыш объектілеріне қарай ауысуда. Ғарыштық сәулелердің
көмегімен алынған мәліметтердің микродүние (өлшемі 10 -13 см - ден кіші)
физикасы мен ғарыштық (108—1028 см) физиканың дамуында ерекше маңызы бар.
Ғарыштық сәулелердің ауаны иондалалатынын алғаш рет (1912) неміс физигі В.
Гесс байқаған. Жер бетінен алыстаған сайын ауаның иондалу дәрежесі
өсетіндіктен, Гесс бұл сәулелерді ғарыштан келеді деп жорамалдаған.
Магнит өрісінде орналасқан Вильсон камерасындағы ғарыштық сәулелердің ізін
зерттеудің (Д. В. Скобельцын, 1927) және стратосфераға көтерілген
газ
разрядты есептеуіштер арқылы ғарыштық сәулелер бағытының ауытқуын
бакылаудың (С.Н. Вернов және Р.Милликен 1935—37) нәтижесінде бастапқы
ғарыштық сәулелердің зарядты бөлшектерден (көбіне протондардан)
тұратындығы анықталды. Жер бетінен шамамен 30 км биіктікке көтерілген
ядролық фотоэмульсияда сутектен басқа ауыр элемент ядроларының да іздері
байқалды (Б. Питерс т.б., 1948). Ғарыштық сәулелерді одан әрі зерттеу
кезінде (1932—49) позитрон, мюон, пи-мезон, К-мезон, Л-гиперон сияқты
көптеген бөлшектер табылды. Вильсон камерасында нөсерлер деп аталатын, бір
жерден
шығып бір бағытта таралатын бөлшектер тобын алғаш рет (1932) П. Блэкетт пен
Дж. Оккпалини ашты. Ғарыштық сәулелердің биік таудағы станциялары (В. И.
Векслер, Н. А. Добротин т. б.) мен стратосферада (С. Н. Вернов т. б.)
жүргізілген зерттеулер арқылы екінші реттік ғарыштық сәулелер бастапқы
сәуле құрамындағы белшектердің ауадағы атом ядроларымен әсерлесуі
нәтижесінде пайда болатыны дәлелденді. [3,6,7,8]
2. 2. Галактикалық ғарыштық сәулелер.
В.Л.Гинзбург пен И.С.Шкловский ұсынған (1955) гипотеза бойынша аса
жаңа жұлдыздар галактикалық ғарыштық сәулелердің көзі болып есептеледі.
Жердің жасанды спутниктері мен планета аралық автомат станциалардағы
тіркеуіш аппараттардың көмегімен бастапқы ғарыштық сәулелер тікелей
зерттеле бастады. Протон сериялы спутниктерде энергиясы ~ 1015 эв-қа
дейінгі бастапқы сәуле бөлшектері тікелей анықталды. Сов. Луноход-1 т. б.
қондырғылардың көмегімен ғарыштық сәулелердің құрамы жер магнитосферасынан
тыс аймақта ұзақ уақыт бойы зерттелді. Эксперименттік зерттеулердің
нәтижесінде ғарыштық сәулелердің таралу бағыты жағынан изотропты
болатындығы, яғни барлық бағытта бірдей таралатындығы анықталды. Жердің
магнит өрісімен әсерлесуі салдарынан (Лоренц күші) зарядты бөлшектер
бастапқы бағыттан ауытқиды. Сондықтан жер бетіндегі ғарыштық сәулелердің
интенсивтілігі мен энергиялық спектрі, бақылау нүктесінің геомагниттік
координатасы мен сәуленің түсу бағытына байланысты өзгереді. Геомагниттік
өрістің әсері оның күш сызықтары мен бөлшектің қозғалу бағыты арасындағы
бұрыштың шамасына пропорционал болады.
Бастапқы Ғарыштық сәулелер құрамында 90% - тей протондар, 7% - ке
жуық α - бөлшектер және аз ғана мөлшерде (1%) басқа элемент ядролары бар.
Осыған қарамастан ғарыштық сәулелер энергиясының 50% - ке жуығы реттік
нөмірі бірден артық (Z 1) элемент ядролары арқылы тасымалданады. Ғарыштық
сәулелер құрамында Li, Ве, В сияқты табиғатта аз таралған элементтер
көбірек кездеседі, сонымен қатар ауыр ядролар (Z 6) да болады. Ғарыштық
сәулелер көзінде көбіне ауыр ядролар үдетіледі де, жеңіл ядролар олардың
жұлдыз аралық заттармен әсерлесуі кезінде пайда болады.
Ғарыштық сәулелер құрамында электрондар мен позитрондар (~1%), сондай-
ақ жоғары энергиялы (100 Мэв-тан жоғары) фотондар (~ 0,01 %) да бар. Үлесі
аз болғанмен фотондар (γ - кванттар) ғарыштық сәулелер көздерін анықтауда
елеулі роль атқарады. Өйткені фотондар магнит өрісінде езінің бағытын
өзгертпейді. Жер магнитосферасындағы радиациялық белдеулердің пайда
болуында ғарыштық сәулелердің шешуші маңызы бар.
Күн бетінде байқалатын хромосфералық атқылау кезінде ғарыштық
сәулелердің интенсивтілігі қысқа мерзімге болса да артады. [3,6,7,8]
Кейбір хромосфералық атқы-лау кезінде ғарыштық сәулелердің Күннен
келетін бөлігі галактикалық бөлігінен жүздеген есеге дейін артып кетеді
(мыс, 1956 ж. 23 ақпанда байқалған атқылауда 300 есеге дейін артты).
Галактикалық ғарыштық сәулелерге қарағанда Күннен келетін ғарыштық
сәулелердің энергиясы аз (энергетикалық спектрі жұмсақ) болады. Ол орта
есеппен алғанда жалпы интенспвтіліктің бірнеше процентін ғана құрайды.
Күннен келетін ғарыштық сәулелер жоғарғы ендіктегі ионосфера қабатына
елеулі әсерін тигізеді. Бұл сәулелердің энергетикалық спектрі және олардың
таралуы мен бұрыштық анизотропиясы жөніндегі мәліметтер планета аралың
кеңістіктегі магнит өрісінің құрылысы жөнінде нақты деректер алуға
мүмкіндік береді.
Сәуле ағынының өзгерісін зерттеу геомагниттік ұйтқу, полярлық жар-қыл
сияқты көптеген геофизикалық құбылыстарды түсіндіруге көмектеседі. Га-
лактпкалық ғарыштық сәулелер интенспвтілігіндегі периодты өзгерістер
негізінен Күн активтілігінің 11 жылдық цикліне сай келеді. Бүл
модуляция
галактпкалық ғарыштық сәулелердің Күннен шығатын магниттік плазма ағынына
(Күн желі) ілесуі және одан шашырауы салдарынан болады.
Ғарыштық сәулелердің шығу тегі жөніндегі гипотезалар бастапқы
ғарыштық сәулелерді радиоастрономиялық тәсілдердің көмегімен зерттеуге
байланысты шықты. Қазіргі көзқарас бойынша ғарыштық сәулелер аса жаңа
жұлдыздардың қопарылысы кезінде пайда болады. Мұндай қопарылыстар кезінде
плазмада пайда болған соққы толқыны зарядты бөлшектерді ~ 1015 эв-қа дейін,
тіпті одан да жоғары энергияға дейін үдете алады.
Радиоастрономиялық тәсілдер арқылы ғарыштық сәулелердің (дәлірек
айтқанда, оның электрондық компоненті) біздің Галактикадан тыс орналасқан
көздері де (квазарлар) байқалды. Соңғы кезде анықталған
астрофизикалық
объектілер — пульсарлар да ғарыштық сәулелердің жоғары энергиялы (1020—1021
эв) бөлігінің көзі бола алады.
Әр түрлі табиғи көздерде үдетілген зарядты ауыр бөлшектер жұлдыз
аралық кеңістікте күрделі траектория бойымен қозғалады. Сондықтан қозғалыс
диффузиялық сипатта болады. Энергиясы 1017—1018 эв шамасындағы бөлшектер
біздің Галактикада ондаған миллион жыл бойы ұсталып қалуы мүмкін. Ғарыштық
сәулелер құрамындағы бөлшектердің қозғалысы диффузиялық сипатта
болатындықтан ғарыштық сәулелер ағыны, іс жүзінде, толық изотропты болады.
Ғарыштық сәулелер құрамындағы ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ
Қ. А. Ясауи атындағы Халықаралық қазақ – түрік университеті Шымкент
институты
ФИЗИКА – МАТЕМАТИКА ФАКУЛЬТЕТІ
Физика кафедрасы
Д И П Л О М Д Ы Қ Ж Ұ М Ы С
Иондаушы сәулелердің бағыттарын анықтау тәсілі.
Орындаған: 14-14 тобының студенті
Жұбанқызы Жадыра.
Ғылыми жетекшісі: тех. - ғыл. конд. доцент
Т. Сартбай.
Шымкент 2008 ж.
М а з м ұ н ы
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... .4
I - Тарау. Иондаушы бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі.
1. 1. Иондаушы бөлшектердің
түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6
1. 2. Зарядталған ауыр бөлшектердің заттарда жұтылуы ... ... ... ... ... 7
1. 3. β - бөлшектердің заттармен өзара
әсерлесуі ... ... ... ... ... ... .. ... ...11
1. 4. γ - сәулеленудің заттардан
өтуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ..14
II - Тарау. Ғарыштық сәулелер және оларды зерттеу мәселелері.
2. 1. Ғарыштық сәлелер туралы жалпы
мәліметтер ... ... ... ... ... ... . ... 20
2. 2. Галактикалық ғарыштық
сәулелер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .22
2. 3. Екінші реттік ғарыштық
сәулелер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 26
2. 4. Ғарыштық сәулелерді зерттеу
мәселелері ... ... ... ... ... ... . ... ... ...29
III - Тарау. Иондаушы сәулелер бағытын анықтау тәсілдері
(эксперимент).
3. 1. Гейгер – Мюллер
санауышы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...32
3. 2. Лабораториялық индикатордың құрылымы және оның жұмыс істеу
принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ...33
3. 3. Ғарыштық сәулелердің бағытын телескоп арқылы анықтау. 3.3.1.
Ғарыштық сәуле телескопының телеметриядық
параметрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ...38
1 – тәсіл. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытан бас телефон көмегімен
анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... 40
2 – тәсіл. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытын осциллограф көмегімен
анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... 40
3.3.2. Ғарыштық сәулелердің таралу бағытын анықтау ... ... ... ... ...41
Ғарыштық сәуле интенситтілігінің бағытқа тәуелділігі ... ... ... ... ..45
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... 47
Пайдаланылған
әдебиеттер ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ...48
Кіріспе
Иондаушы сәулелердің табиғи көздерінің бірі ғарыштық сәулелер болып
табылады. Зарядты бөлшек үдеткіштері жасалғанға дейін ғарыштық сәулелер
жоғары энергиялы иондаушы бөлшектердің бірден – бір көзі болды.
Ғарыштық сәулелерді зерттеу арқылы оның құрамындағы бөлшектердің
үдетілу жолдары анықталып кейбір атмосфералық процестерді түсіндіруге
болады. Сондықтан ғарыштық сәулелерді иондаушы сәулелердің көзі ретінде
қарастырып олардың бағытын анықтау көкейкесті мәселелердің бірі болып
саналады.
Ғарыштық сәулелер термині Гесса жүмысымен байланысты пайда болды,
эртүрлі бөліктерде ауаның иондалу деңгейін зерттеген. Осы тәжірибеге дейін
бірнеше уақыт бұрын жер бетінде ауа иондалады деп тұжырымдалған. Секунд
сайын орташа есеппен 1см3-та 1 жүп ион түзіледі. Бүндай иондалудың себебі
жөнінде сұрақ пайда болды. Болжам, ол радиоактивті заттарды сәулелендіріп
жасалады, жекелей алғанда радон, оның іздері ауада болады, иондалу
өзгертілмей сақталатыны анықталды және құрғақ ауа жабық ыдысқа орналасқанда
онда бірнеше уақыт сақталады. Иондалудың азаятыны да анықталған, бірақ
толығымен жоғалмайды, тұйық ыдыс 2,5 см жуандықтағы мырыш қабығымен
қапталғанда. Бұл иондаушы сәуле көзі жабық ыдыс сыртында болатын болжамды
дэлелдеді. Ал сэуленің өзі ү-сәулеге ұқсас, мырыш қабатынан өте алады. Бұл
сәуленің көзі радиоактивті зат болады ма, жоқ па анықтау үшін Гюкель және
Гесс ауаның иондалу тиімділігіне өлшеу жүргізді, оны 5000 м биіктікке
дейінгі ауа шарында көтергенде тұйық ыдыста бекітілген.
Егер иондалу радиоактивті заттар есебінен жасалған болса, онда жерден
бұл сәуленің тиімділігін жою мөлшері бойынша, ал нәтижесінде олардың
иондалу деңгейі доғарады. Бірақ та өлшеу нәтижесі кездейсоқ болып шықты.
Иондалу тиімділігінің азаюы бірінші 1000 метрге көтерілгенде ғана
байқалады, эрі қарай көтергенде азаю емес, тиімділіктің үлғаюы байқалады
жэне 5000 м биіктікте иондалу үш есе көп болып шықты, жер бетіндегімен
салыстырғанда.
Осы зерттеу нәтижесінде, жер бетіндегі ауаның иондалуы оның
радиоактивті сәуле бөлуі арқылы ғана жүретіні жөнінде тұжырым жасалды,
жекелей алғанда ол ғарыштан жерге өтетін жерден тыс түзілістің күші енетін
сәуле әсерімен негізделген. Бұл сәулелер ғарыштық сәулелер деген атау алды.
Гесс тәжірибесінен кейін 50 жылдан астам уақыт өтті, осы уақыт
аралығында ғарыштық сәулелерге тиімді зерттеулер жасалынды. Осы
зерттеулердің нәтижесінде табиғатты зерттеудің нәтижесінде табиғаттың мүлде
кездейсоқ қасиеті байқалды, электрондық позитрондық будың пайда болуы,
олардың жоғалуы, әртүрлі салмақтағы мезонның пайда болуы және олардың өзара
түзілісі сияқты.
Ғарыштық сәулелерді зерттеу және олардың заттармен өзпра әсерлесуі
заманауи физиканың ең негізгі бағытының бірі болып жасалынжы. Қазіргі таңда
басқада елдерде ғарыштық сәулелер аймағында кең көлемді зерттеу
жүргізіледі.
I - Тарау. Иондаушы бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі.
1. 1. Иондаушы бөлшектердің түрлері.
Иондаушы сәулелер деп электрон, протон, нейтрон, α - бөлшек, мезон,
фотон және т.б. қарапайым бөлшектер ағынын айтамыз. Бөлшекетердің заттың
атомындағы электрон немесе ядромен өзара әсерлесуі кулондық,
электромагниттік, ядролық күштер арқылы жүзеге асады.
Бұл әсерлесулер нәтижесінде болатын серпімді және серпімсіз
соқтығысулар нәтижесінде өте көп процестер туындайды.Сол көп процстердің
ішінен энергия шығыны үлкен болатын процестерді ғана қарастырамыз. Осы
тұрғыда иондаушы бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуін төрт топқа –
зарядталған ауыр бөлшектерден зарядталған жеңіл бөлшектермен, фотондармен
және нейтрондармен – деп бөлуге болады.
Ионаушы бөлшектердің заттарда бірлік ұзындыққа жүргенде шығындалған
энергиясы тежелу қабілеті деп аталады. Егер бөлшектің затта жүру жолының
ұзындығын г см2 – бірлікте өлшейтін болсақ тежелу қабілеті заттың
агрегаттық күйіне тәуелді болмайды. Заттарда жұтылған энергия сол ортада
әртүрлі физикалық құбылыстар тудырады. Сол туындаған құбылыстарды иондаушы
бөлшектерді тіркеу үшін пайдалануға болады. Жұтылған энергияның ортада
миграциясы және оның нәтижесінде туындайтын әртүрлі құбылыстардың болуы
заттың агрегаттық күйіне тәуелді болады. Мысалы, газдарға зарядталған
бөлшектер енгенде еркін электрон және иондар туындайды.Соның нәтижесінде
газдың электрлік кедергісі өзгереді.Кейбір кристалдарға иондаушы бөлшектер
түскен кезде жарық фотондарын шығарады. Иондаушы бөлшектердің заттармен
өзара әсерлесуі нәтижесінде
туындайтын осындай әртүрлі процестерді бақылау арқылы оларды тіркеуге
болады. [ 1 ]
1. 2. Зарядталған ауыр бөлшектердің заттарда жұтылуы.
Зарядтары аз болған (Z = 1, 2) ауыр бөлшектер заттармен өзара
әсерлескенде олардың энергия шығыны, негізінен, заттың атомдарымен
серпімсіз кулондық соқтығысуы нәтижесінде туындайды. Серпімсіз соқтығысу
нәтижесінде заттың атомы иондалады немесе қозған күйге өтеді. Бұл процесс
үздіксіз болатындықтан зарядталған бөлшектің энергиясы да үздіксіз кемиді.
Зарядталған бөлшектердің атом ядросымен серпімді соқтығысуы
нәтижесіндегі энергия шығыны иондауға кеткен энергиямен салыстырғанда өте
аз болады. Егер иондаушы бөлшек энергиясы ядроның потенциялдық тосқауылынан
үлкен болса бөлшектің энергия шығыны да үлкен болады. Мысалы, протон
графитпен өзара әсерлескенде оның энергиясы 30 МэВ - тен, ал α - бөлшек
үшін 100 МэВ - тен жоғары болғанда атом ядросымен соқтығысу кезіндегі
энергия шығыны ескеретіндей шамаға ие болады.
Сонымен, энергиясы 50 МэВ - тен төмен болған зарядталған ауыр
бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі кезіндегі энергия шығынын, негізінен
иондау процесімен байланысты деп қарастыруға болады.
Н. Бор зарядталған бөлшектердің атом электрондарымен соқтығысуын
классикалық тұрғыдан қарастырып, меншікті энергия шығынын есептеп шықты. х
өсінің бағытымен қозғалыстағы зарядталған бөлшек тыныштық күйдегі
электроннан у қашықтықтан өтсін. Өзара әсерлесу нәтижесінде электронның
алған импульсі олардың арасындағы кулондық күш (Ze² y²) - пен өзара
әсерлесу уақыты (~у υ) - ың көбейтіндісіне тең болады. Олай болса
соқтығысу нәтижесінде электронның алған энергиясы:
Егер ортадағы электронның тығыздығы NZ болса, зарядталған бөлшектің, заттың
қалыңдығы уdу қабатындағы электрондармен өзара әсерлесуі нәтижесінде,
бірлік жол ұзындығындағы энергия шығыны:
– ке тең болады.
Олай болса зарядталған бөлшектің барлық электрондармен әсерлесуі
нәтижесінде бірлік жол ұзындығындағы толық энергия шығыны:
- (1)
Мұндағы нысана параметрі y-тің шекті мәндерін төмендегідей тұжырым арқылы
анықтауға болады. Бөлшек энергиясының шығыны у-ке кері пропорцонал
болғандықтан:
Энергияның сақталу заңына сәйкес:
Мұндағы Еmax - анықтамасы атомдағы еркін электрон үшін де, байланысқан
электрон үшін де орынды болады. Байланысқан электрон үшін Еmin – ның мәні
қоздыру энергиясы немесе электронның байланыс энергиясымен анықталады.
Бұл энергиялар әртүрлі қабықтағы электрондар үшін әртүрлі мәнге ие болады.
Нақты атом немесе молекулалар белгілі бір түрлері үшін осы
энергияның
минималь шамасын сипаттау үшін орташа иондау потенциялы деген шама
ендіреді. Сонымен:
(2)
Бете квантомеханикалық және релятивисттік эффекттерді ескере отырып
бөлшектің бірлік жол ұзындығындағы энергия шығыны үшін дәлдігі жоғарырақ
болған төмендегі өрнекті тағайындады:
(3)
Мұндағы . Көп жағдайда - ты эаттар тежелу қабілеті деп
аталады.
Бете формуласы энергиясы өте кіші болмаған бөлшектер үшін дұрыс
нәтиже береді. Егер бөлшек энергиясы өте кіші болса олар электрондарды
қармап алуы мүмкін. Мұндай процесті Бете ескермеген. Сонымен қатар бөлшек
энергиясы өте аз болғанда атомның ішкі қабықтарындағы электрондардың әсері
нәтижесінде орташа иондау потенциялының шамасы бөлшектің жылдамдығына да
тәуелді болады. [2]
Орташа иондау потенциялының шамасы 15,6 эВ - тан (сутегі үшін ) 810
эВ - қа (уран үшін) дейінгі аралықта өзгереді.
Заряд саны Z 47 болған элементтер үшін - ке тең.
1 - суретке әртүрлі бөлшектер үшін ауаның тежеу қабілетінің
энергияға тәуелділігі келтірілген. [ 2 ] Суреттен, зарядтары бірдей
болған бөлшектердің (протон, дейтон, мейзрн) энергиялары жүздеген МэВ -
тен жоғары болған кезде олардың тежеу қабілеттері бірдей болып тұрақты
болатындығын көреміз.
1 – сурет. Иондаушы бөлшектердің ауада тежелу қабілетінің
энергияға тәуелділігі.
1 – α -бөлшек; 2 – дейтондар; 3 – протондар; 4 – μ -мезондар; 5 –
электрондар.
1. 3. β - бөлшектердің заттармен өзара әсерлесуі.
Төмен энергиялы электрондар (2 - МэВ) заттардан өткен кезде, ауыр
зарядталған бөлшектер секілді, зат атомдарының электрондарын ионизациялайды
немесе қозған күйге келтіреді. Бірақ ауыр зарядталған бөлшектерден
ерекшелігі электрондар бір рет атомен соқтығысуы нәтижесінде энергиясының
көп мөлшерін жоғалтып, үлкен бұрышқа ауытқиды. Сондықтан электрондардың
заттардағы жүру жолының ұзындығы мен оның бағыты әртүрлі болады. Егер
электрон энергиясы үлен болатын болса, оның атом ядросының өрісінде тежелуі
нәтижесінде қосымша радиациялық сәулеленуі үшін энергия шығыны туындайды.
Сонымен электрондардың заттармен әсерлесуі кезінде оның энергиясының
шығыны ионизациялауға және радиациялық сәулеленуге жұмсалады.
а) Энергияның ионизациялық шығыны.
Электрондардың бірлік ұзындық жол жүргендегі энергия шығыны Бете
анықтаған өрнек бойынша есептеледі:
Мұндағы Е - электронның кинетикалық энергиясы:
Баяу электрондар үшін:
(4)
Ауадағы электрондар үшін dЕdх – тың орташа мәндері 1 - суретте
келтірілген. Ауыр зарядталған бөлшектермен салыстырғанда электрондар үшін
энергия шығынының флуктуациясы үлкен болады.
2 – сурет.
2 - суретте әртүрлі қалыңдықтағы графиттен өткен электрондардың
энергия бойынша таралуы келтірілген.[2]
б) Энергияның радиациялық шығыны.
Зарядталған бөлшектер үдемелі қозғалыс кезінде электромагниттік
сәуле шығарады. Сондықтан электрон заттың атомдындағы өріс әсерінен
тежелгенде радиациялық энергия шығыны туындайды. Оны тежелу сәулеленуі деп
атайды. Тежелу сәулеленуінің квантының спектрі тұтас болып оның жоғарғы
шекарасы электрон энергиасымен шектеледі.
Егер энергиясы Е - ге тең болған электрондық тежелу кезінде шығарған
сәулесінің жиілігі ν - ге тең болған жағдайда, электронның заттың атомымен
әсерлесу қимасы σ (Е,ν) см²*сек атом болса, оның меншікті радиациялық
шығыны:
(5)
Мұндағы N – ортаның бірлік көлеиіндегі атомдар саны; ν мах = Е h;
Тежелу сәулеленуі кезінде фотонның туындау ықтималдығы оның
жиілілігіне кері пропорционал болғандықтан радиациялық шығын энергиясы
электрон энергиасына пропорционал болады.
Радиациялық шығынды эффектифті қима σрад арқылы сипаттау ыңғайлы.
Эффектифті қима σрад энергияға тәуелді емес. Радиациялық шығынның орташа
мәні: (6)
Мұндағы σрад =;
Радиациялық шығынның орташа қимасы. Егер Е 137 m c ² Z 13
болса эффективті қима энергияға тәуелді болмастатан оның шамасы шамамен:
(7)
Электрон энергиясы кіші болған жағдайда σрад энергияға тәуелді болады:
Сонымен электронның затпен әсерлесуі нәтижесінде оның энергия
шығыны ионизацияға және радиациялық сәулеленуге жұмсалады екен. Олардың
арақатынасы электрон энергиясына сәйкес әртүрлі болады: ионизациялық
шығын Z - ке және энергияның логарифмне, ал радиацялық
шығын Z² - қа және энергияға сызықты тәуелді. Сондықтан үлкен энергиялы
электрондар үшін радиациялық шығын ионизациалық шығыннан үлкен болады.
Радиациялық шығын мен ионизациялық шығын тең болатын кездегі электрон
энергиясын кризистік энергия деп алайық. Егер электрон энергиясы кризистік
энергиядан кем болса ионизациялық шығын радиациялық шығыннан жоғары, ал
кризистік энергиядан жоғары болса керісінше болады. Бете мен Гайтлер осы
шығындардың қатынасының жуық шамасын төмендегіше анықтады:
(8)
Бұл өрнектен кризистік энергия Екр= 800 Z, МэВ. Мысалы ауыр элемент
қорғасында радиациялық шығын электрон энергиясы 10 МэВ - тен жоғары болған
кезде ионизациялық шығыннан басым болады. [3,6]
1. 4. γ – сәулеленудің заттардан өтуі.
Сәулелер заттан өтуі кезінде γ – кванттардың энергиясы,
бөлшектердегі сияқты үздіксіз кеміп отырмастан, бір соқтығысу кезінде
толығымен (жұтылу процесі) немесе оның көп бөлігі (шашырау процесі)
шығындалады.
Шашырау процесінде γ – квант энергиясы өзгерумен қатар оның бағыты да
өзгереді.
Осы процестердің нәтижесінде γ – кванттардың параллель ағыны
қалыңдығы h болған заттан өткенде экспонента бойынша кемиді:
(9)
Мұндағы n0 – затқа түскен γ – кванттар саны, n – қалыңдығы h – болған
заттан бастапқы бағытта өткен γ – кванттар саны, μ – заттың жұтылу
коэфиценті.
γ – сәулесінің заттан өткендегі ағынының кемуі экспонента бойынша
болғандықтан γ – кванттардың қалыңдығы өте үлкен заттардан өту
ықтималдылығы нөлден өзгеше болады. Сондықтан жеке γ – кванттардың жүру
жолы олардың орташа мәнінен әлдеқайда өзгеше болуы мүмкін. Заттың жұтылу
коэфицентінің физикалық мағынасы: γ – квант ағыны 1 μ жол жүргенде оның
интенсивтілігіне е есе кемиді. Сонымен 1μ шама γ – кванттың заттағы орташа
еркін жүру жолын сипаттайды. Егер γ – кванттың ортаның бір атомы мен
әсерлесуінің толық қимасын σ деп белгілесек: μ = σ N
болады. Мұндағы N заттың 1 см2 көлеміндегі атомдар саны.
γ – кванттың заттан өтуі кезінде негізінен үш процес – фотоэффект,
жұптардың туындауы және Комптон эффект нәтижесінде энергия шығыны
туындайды.
Сонымен γ – кванттың орта атомымен өзара әсерлесуінің толық
қимасы σ фотоэффекттің қимасы σж және комптон эфекттің қимасы σк - лардың
қосындысына тең болады: σ = σф + σж + σк
Егер γ – квант энергиясы ондаған Мэв – тен үлкен болса ядролық
фотоэффект құбылысы (γ – кванттың ядромен соқтығысып жұтылуы – фотоядролық
реакция) бақылануы мүмкін. Бұл жағдайда ядролық фотоэффект қимасын да
ескеру қажет. Төмен энергияларда оны ескермеседе болады.
Фотоэффект құбылысында квант энергиясы электронның байланыс
энергиясы I мен оның кинетикалық энергиясы Ее – ге тең болады. Демек
электронның энергиясы:
(10)
Демек бұл өрнектен фотоэффект құбылысы hυ I болған жағдайда ғана
орындалады. Сондықтан фотоэффекттің қимасы, K, L, M... т.с.с. қабықтағы
электрондардың иондау энергияларына сәйкес келетін мәндері үздікті болды.
Энергиясы hυ ~ mc2 жуық, бірақ К – жолақтың жұтылу шекарасына жуық
болмаған, фотондар үшін К – қабықта үшін фотоэффекттің қимасы:
(11)
Мұндағы Z – атом ядросының заряды, (σф)к – фотоэффекттің қимасы (см2
атом).
Фотоэффекттің толық қимасы:
Фотон энергиясы hυ mc2 болса фотоэффекттің қимасы γ – квант
энергиясына кері пропорционал болады. Сол себептен ауыр элементтер үшін,
мысалы қорғасын үшін, фотоэффекттің қимасы, фотон энергиясы 5 Мэв – ке тең
болған кезде, өте жоғары мәнге ие болады. (11) өрнек жұтылу жолағының
шекарасына жуық болған жағдайда дұсыс нәтиже бермейді. Бірақ бұл өрнек
фотоэффект қимасының фотон энергиясына тәуелділігінің жалпы көрінісін дұрыс
түсіндіреді. Қорғасын және алюминий үшін фотоэффект қимасының фотон
энергиясынатәуелділігі 3 – суретте келтірілген. [2,6]
3 – сурет. Қорғасын және алюминиден өткен γ – кванттардың
жұтылу коэффеценттері μф, μк және μж – тың энергияға тәуелділігі. [2]
Егер γ – квант энергиясы атомдағы электронның байланыс энергиясынан
көп үлкен болатын болса, олардың соқтығысуын серпімді соқтығысу ретінде
қарастыруға болады. Бұл құбылыс комптон эффектісі деп аталады. Бұл жағдай
үшін энергияның және импульстің сақталу заңдарын қолдануға болады.
Егер түскен γ – квант энетгиясын hυ, соқтығысудан соң шашыраған квант
энергиясын hυ' , оның шашырау бағытын θ деп, ал атомнан ажырап шыққан
электрон энергиясын Ее, бағытын φ деп белгілейік:
(12)
Мұндағы
Бұл өрнектен θ 900 бұрышқа ауытқыған кванттардың энергиясы
hυ' m0c2, ал θ =1800 болғандарының энергиясы hυ' ≤ m0c2 2;
болғандығын көреміз. Коптондық шашыраудың дифференциалдық қимасын Клейн –
Нишин – Тамм төмендегідей өрнек арқылы анықтады:
(13)
Мұндағы r 0 = e 2 m 0 c 2 – электорнның классикалық радиусы.
Демек Кванттың кіші бұрышқа ауытқу ықтималдылығы оның энергиясы
артқан кезде атрады. Егер түскен кватн энергиясы өте өте аз болса (hυ
m0c2), шашыраған квант энергиясы түскен квант энергиясына тең болып, оның
қимасы: (14)
(13) - өрнекті барлық денелік бұрыш бойынша интегралдау арқылы комптондық
шашыраудың толық қимасын анықтаймыз:
(15)
Мұндағы Комптондық шашыраудың қимасы 3 – суретте көрсетілген.
γ – квант зарядталған бөлшектердің немесе ядроның электр өрісінде
электрон – позитрон жұбын тудыруы мүмкін. Бұл жұптардың туындау процесі γ –
квант энергиясы электрон мен позитронның тыныштығы массаларының
қосындысынан (1,02 Мэв) үлкен болған жағдайда ғана болуы мүмкін.
Жұптардың туындауы вакуумда болуы мүмкін емес, себебі импульстің
сақталу заңы орындалмайды. Жұптардың туындау процесінде ядроның (немесе
атом электронның ) алған тебілу энергиясы ЕА – ны ескеру қажет:
hυ = m + c 2 + m – c 2 + E A (16)
Мұндағы m + c 2 және m – c 2 позитрон және электронның толық
энергиясы.
Жұптардың туындау қимасы Z2 пропорционал болып, энергияға
тәуелділігі өте күрделі болады (3 – сурет).
Бұл процесте туындаған позиторн өте аз уақыт аралығында аннигиляция
процесі нәтижесінде энергиялары 0,51 Мэв – ке тең болған екі фотонға
айналады. [3,6]
II - Тарау. Ғарыштық сәулелер және оларды зерттеу мәселелері.
2. 1. Ғарыштық сәулелер туралы жалпы мәліметтер.
Ғарыштық сәулелер - әлем кеңістігінен Жерге үнемі келіп тұратын
жоғары энергиялы бөлшектер. Олардың бастапқы сәуле деп аталатын негізгі
бөлігі — протондар. Сондай-ақ ғарыштық сәулелердің құрамында бастапқы
бөлшектердің жер атмосферасындағы атом ядроларымен әсерлесуі нәтижесінде
пайда болатын элементар бөлкпектердің ағыны (екінші реттік сәуле) да
болады.
Ғарыштық сәулелер элементар бөлшектердің құрылысы мен олардың
түрленуін зерттеуге мүмкіндік беретін, жоғары және аса жоғары энергиялы
бөлшектердің табиғи көзі болып табылады. Ғарыштық сәулелерді зерттеу арқылы
оның құрамындағы бөлшектердің үдетілу жолдары анықталып, жұлдыз аралық
(бәлкім, галактика аралық) ортадағы кейбір астрофиз. процестерді
түсіндіруге болады. Зарядты бөлшек үдеткіштері жасалғанға дейін ғарыштық
сәулелер жоғары энергиялы бөлшектердің бірден-бір көзі болды. Бастапқы
космостық сәуле негізінен, энергиясы 109 эв-тан артық бөлшектерден тұрады.
Тіпті кейбір жеке бөлшектің энергиясы 1020-1021 эв-қа дейін жетеді. Бұрын
белгісіз болған көптеген элементар бөлшектер алғаш рет Ғарыштық сәулелердің
құрамынан табылды. Олардың ыдырауы және атом ядросымен әсерлесуі жөніндегі
алғашқы мағлұматтар да осы Ғарыштық сәулелерден алынды. Қазіргі
үдеткіштердегі бөлшектердің энергиясы 1011—1012 эв-тан аспайтындықтан, әлі
де болса аса жоғары энергиялы бөлшектердің бір-бірімен әсерлесуі жөніндегі
мәліметтер тек ғарыштық сәулелер арқылы ғана алынады.
Ғарыштық сәулелер негізінен Күн жүйесінен тыс кеңістіктен келеді. Бұл
сәулелерді г а л а к т и к а л ы қ Ғарыштық сәулелер деп атайды. Ал Күн
активтілігіне байланысты пайда болатын энергиясы төмен сәулелер
күннен
келетін ғарыштық сәулелер делінеді. Күн активтілігі жоғарылағанда ғарыштық
сәулелердің бұл бөлігінің үлесі де едәуір артады. Аса жоғары
энергиялы бөлшектер біздің Галактикадан тыс кеңістіктен (метагалактикадан)
де келуі мүмкін. Жерге келетін ғарыштық сәулелер энергиясының шамасы Күн
сәулесі энергиясының ағынынан әлдеқайда аз болады. Бүкіл Галактика
масштабындағы ғарыштық сәулелер энергиясының орташа тығыздығы едәуір жоғары
( ~1 эвсм3) болады. Оның мөлшері гравитациялық энергияның, магнит
өрісінің, жұлдыз аралық газ қозғалысы кинетикалық энергиясының, жұлдыздар
шығаратын электромагниттік сәуле энергиясы тығыздықтарының қосындысына
жуық. Сондыңтан, тұтасынан алғанда, ғарыштық сәулелер Галактика
эволюциясына ықпал етуге тиіс.
Ғарыштық сәулелер физикасындағы зерттеу жұмыстары негізінен,
ядролық физика (ғарыштық сәулелердің затпен әсерлесуі, пайда болуы, қасиеті
және олардың элементар бөлшектермен әсерлесуі) және космостың физика
(бастапқы ғарыштық сәулелердің құрамы мен бөлшектердің энергиялық спектрі,
галактикалық және Күннен келетін ғарыштық сәулелердің пайда болуы мен
таралуы, ғарыштық сәулелердің жер атмосферасымен, планета аралық
кеңістіктегі күн желімен және соққы толқындармен әсерлесуі т.б.) деп
аталатын екі бағытта жүргізіледі. Үдеткіштер техникасы өркендеген сайын
бірінші бағыттағы зерттеулер жөғары энергия физикасына қарай ығысып барады.
Ғарыш кеңістігінің Жерге жақын бөлігін спутниктердің және ғарыштық
ракеталардың көмегімен тікелей зерттеудің нәтижесінде екінші бағыттағы
зерттеулер алыстағы ғарыш объектілеріне қарай ауысуда. Ғарыштық сәулелердің
көмегімен алынған мәліметтердің микродүние (өлшемі 10 -13 см - ден кіші)
физикасы мен ғарыштық (108—1028 см) физиканың дамуында ерекше маңызы бар.
Ғарыштық сәулелердің ауаны иондалалатынын алғаш рет (1912) неміс физигі В.
Гесс байқаған. Жер бетінен алыстаған сайын ауаның иондалу дәрежесі
өсетіндіктен, Гесс бұл сәулелерді ғарыштан келеді деп жорамалдаған.
Магнит өрісінде орналасқан Вильсон камерасындағы ғарыштық сәулелердің ізін
зерттеудің (Д. В. Скобельцын, 1927) және стратосфераға көтерілген
газ
разрядты есептеуіштер арқылы ғарыштық сәулелер бағытының ауытқуын
бакылаудың (С.Н. Вернов және Р.Милликен 1935—37) нәтижесінде бастапқы
ғарыштық сәулелердің зарядты бөлшектерден (көбіне протондардан)
тұратындығы анықталды. Жер бетінен шамамен 30 км биіктікке көтерілген
ядролық фотоэмульсияда сутектен басқа ауыр элемент ядроларының да іздері
байқалды (Б. Питерс т.б., 1948). Ғарыштық сәулелерді одан әрі зерттеу
кезінде (1932—49) позитрон, мюон, пи-мезон, К-мезон, Л-гиперон сияқты
көптеген бөлшектер табылды. Вильсон камерасында нөсерлер деп аталатын, бір
жерден
шығып бір бағытта таралатын бөлшектер тобын алғаш рет (1932) П. Блэкетт пен
Дж. Оккпалини ашты. Ғарыштық сәулелердің биік таудағы станциялары (В. И.
Векслер, Н. А. Добротин т. б.) мен стратосферада (С. Н. Вернов т. б.)
жүргізілген зерттеулер арқылы екінші реттік ғарыштық сәулелер бастапқы
сәуле құрамындағы белшектердің ауадағы атом ядроларымен әсерлесуі
нәтижесінде пайда болатыны дәлелденді. [3,6,7,8]
2. 2. Галактикалық ғарыштық сәулелер.
В.Л.Гинзбург пен И.С.Шкловский ұсынған (1955) гипотеза бойынша аса
жаңа жұлдыздар галактикалық ғарыштық сәулелердің көзі болып есептеледі.
Жердің жасанды спутниктері мен планета аралық автомат станциалардағы
тіркеуіш аппараттардың көмегімен бастапқы ғарыштық сәулелер тікелей
зерттеле бастады. Протон сериялы спутниктерде энергиясы ~ 1015 эв-қа
дейінгі бастапқы сәуле бөлшектері тікелей анықталды. Сов. Луноход-1 т. б.
қондырғылардың көмегімен ғарыштық сәулелердің құрамы жер магнитосферасынан
тыс аймақта ұзақ уақыт бойы зерттелді. Эксперименттік зерттеулердің
нәтижесінде ғарыштық сәулелердің таралу бағыты жағынан изотропты
болатындығы, яғни барлық бағытта бірдей таралатындығы анықталды. Жердің
магнит өрісімен әсерлесуі салдарынан (Лоренц күші) зарядты бөлшектер
бастапқы бағыттан ауытқиды. Сондықтан жер бетіндегі ғарыштық сәулелердің
интенсивтілігі мен энергиялық спектрі, бақылау нүктесінің геомагниттік
координатасы мен сәуленің түсу бағытына байланысты өзгереді. Геомагниттік
өрістің әсері оның күш сызықтары мен бөлшектің қозғалу бағыты арасындағы
бұрыштың шамасына пропорционал болады.
Бастапқы Ғарыштық сәулелер құрамында 90% - тей протондар, 7% - ке
жуық α - бөлшектер және аз ғана мөлшерде (1%) басқа элемент ядролары бар.
Осыған қарамастан ғарыштық сәулелер энергиясының 50% - ке жуығы реттік
нөмірі бірден артық (Z 1) элемент ядролары арқылы тасымалданады. Ғарыштық
сәулелер құрамында Li, Ве, В сияқты табиғатта аз таралған элементтер
көбірек кездеседі, сонымен қатар ауыр ядролар (Z 6) да болады. Ғарыштық
сәулелер көзінде көбіне ауыр ядролар үдетіледі де, жеңіл ядролар олардың
жұлдыз аралық заттармен әсерлесуі кезінде пайда болады.
Ғарыштық сәулелер құрамында электрондар мен позитрондар (~1%), сондай-
ақ жоғары энергиялы (100 Мэв-тан жоғары) фотондар (~ 0,01 %) да бар. Үлесі
аз болғанмен фотондар (γ - кванттар) ғарыштық сәулелер көздерін анықтауда
елеулі роль атқарады. Өйткені фотондар магнит өрісінде езінің бағытын
өзгертпейді. Жер магнитосферасындағы радиациялық белдеулердің пайда
болуында ғарыштық сәулелердің шешуші маңызы бар.
Күн бетінде байқалатын хромосфералық атқылау кезінде ғарыштық
сәулелердің интенсивтілігі қысқа мерзімге болса да артады. [3,6,7,8]
Кейбір хромосфералық атқы-лау кезінде ғарыштық сәулелердің Күннен
келетін бөлігі галактикалық бөлігінен жүздеген есеге дейін артып кетеді
(мыс, 1956 ж. 23 ақпанда байқалған атқылауда 300 есеге дейін артты).
Галактикалық ғарыштық сәулелерге қарағанда Күннен келетін ғарыштық
сәулелердің энергиясы аз (энергетикалық спектрі жұмсақ) болады. Ол орта
есеппен алғанда жалпы интенспвтіліктің бірнеше процентін ғана құрайды.
Күннен келетін ғарыштық сәулелер жоғарғы ендіктегі ионосфера қабатына
елеулі әсерін тигізеді. Бұл сәулелердің энергетикалық спектрі және олардың
таралуы мен бұрыштық анизотропиясы жөніндегі мәліметтер планета аралың
кеңістіктегі магнит өрісінің құрылысы жөнінде нақты деректер алуға
мүмкіндік береді.
Сәуле ағынының өзгерісін зерттеу геомагниттік ұйтқу, полярлық жар-қыл
сияқты көптеген геофизикалық құбылыстарды түсіндіруге көмектеседі. Га-
лактпкалық ғарыштық сәулелер интенспвтілігіндегі периодты өзгерістер
негізінен Күн активтілігінің 11 жылдық цикліне сай келеді. Бүл
модуляция
галактпкалық ғарыштық сәулелердің Күннен шығатын магниттік плазма ағынына
(Күн желі) ілесуі және одан шашырауы салдарынан болады.
Ғарыштық сәулелердің шығу тегі жөніндегі гипотезалар бастапқы
ғарыштық сәулелерді радиоастрономиялық тәсілдердің көмегімен зерттеуге
байланысты шықты. Қазіргі көзқарас бойынша ғарыштық сәулелер аса жаңа
жұлдыздардың қопарылысы кезінде пайда болады. Мұндай қопарылыстар кезінде
плазмада пайда болған соққы толқыны зарядты бөлшектерді ~ 1015 эв-қа дейін,
тіпті одан да жоғары энергияға дейін үдете алады.
Радиоастрономиялық тәсілдер арқылы ғарыштық сәулелердің (дәлірек
айтқанда, оның электрондық компоненті) біздің Галактикадан тыс орналасқан
көздері де (квазарлар) байқалды. Соңғы кезде анықталған
астрофизикалық
объектілер — пульсарлар да ғарыштық сәулелердің жоғары энергиялы (1020—1021
эв) бөлігінің көзі бола алады.
Әр түрлі табиғи көздерде үдетілген зарядты ауыр бөлшектер жұлдыз
аралық кеңістікте күрделі траектория бойымен қозғалады. Сондықтан қозғалыс
диффузиялық сипатта болады. Энергиясы 1017—1018 эв шамасындағы бөлшектер
біздің Галактикада ондаған миллион жыл бойы ұсталып қалуы мүмкін. Ғарыштық
сәулелер құрамындағы бөлшектердің қозғалысы диффузиялық сипатта
болатындықтан ғарыштық сәулелер ағыны, іс жүзінде, толық изотропты болады.
Ғарыштық сәулелер құрамындағы ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz