Методи спостереження та реєстрації елементарних частинок. Фізика атомного ядра

У цій статті ми допоможемо підготуватися до уроку фізики (9 клас). дослідження частинок - це звичайна тема, а дуже цікава і захоплююча екскурсія у світ молекулярної ядерної науки. Досягти такого рівня прогресу цивілізація змогла нещодавно, і вчені досі сперечаються, а чи потрібні людству такі знання? Адже якщо люди зможуть повторити процес атомного вибуху, що призвів до появи Всесвіту, то, може, зруйнується не лише наша планета, а й увесь Космос.

Про які частки йдеться і навіщо їх досліджувати

Частково відповіді ці питання дає курс фізики. Експериментальні методи дослідження частинок – це спосіб побачити те, що недоступне людині навіть за використання найпотужніших мікроскопів. Але про все гаразд.

Елементарна частка - це сукупний термін, під яким маються на увазі такі частинки, які вже не можна розщепити на менші шматочки. Загалом фізиками відкрито понад 350 елементарних частинок. Ми найбільше звикли чути про протони, нейрони, електрони, фотони, кварки. Це звані фундаментальні частки.

Характеристика елементарних частинок

Усі найменші частинки мають одне й теж властивість: можуть взаємоперетворюватися під впливом свого впливу. Одні мають сильні електромагнітні властивості, інші – слабкі гравітаційні. Але всі елементарні частинки характеризуються за такими параметрами:

• Маса.
• Спин – власний момент імпульсу.
• Електричний заряд.
• Час життя.
• Парність.
• Магнітний момент
• Баріонний заряд.
• Лептонний заряд.

Короткий екскурс у теорію будови речовини

Будь-яка речовина складається з атомів, які у свою чергу мають ядро ​​та електрони. Електрони, подібно до планет у Сонячній системі, рухаються навколо ядра кожен по своїй осі. Відстань між ними дуже велика, в атомних масштабах. Ядро складається з протонів і нейронів, зв'язок між ними настільки міцний, що їх неможливо роз'єднати жодним відомим науці способом. У цьому полягає суть експериментальних методів дослідження частинок (коротко).

Нам важко це уявити, але ядерний зв'язок перевершує всі відомі землі сили в мільйони разів. Ми знаємо хімічний, ядерний вибух. Але те, що стримує протони та нейрони в сукупності – це щось інше. Можливо, це ключ до розгадки таємниці виникнення світобудови. Саме тому важливо вивчати експериментальні методи вивчення часток.

Численні досліди наштовхнули вчених на думку, що нейрони складаються з ще менших одиниць та назвали їх кварками. Що знаходиться всередині них, поки що не відомо. Але кварки - це одиниці, що не розділяються. Тобто виділити одну не виходить у жодний спосіб. Якщо вчені використовують експериментальний метод дослідження частинок з метою виділити один кварк, то скільки б спроб вони не робили, завжди виділяється щонайменше два кварки. Це вкотре підтверджує непорушну силу ядерного потенціалу.

Які існують методи дослідження частинок

Перейдемо безпосередньо до експериментальних методів дослідження частинок (таблиця 1).

>> Методи спостереження та реєстрації елементарних частинок

Розділ 13. ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРУ

Вирази атомного ядра та елементарні частинки вже неодноразово згадувалися. Ви знаєте, що атом складається з ядра та електронів. Саме атомне ядро ​​складається з елементарних частинок, нейтронів та протонів. Розділ фізики, в якому досліджується будова та перетворення атомних ядер, називається ядерною фізикою. Спочатку поділу на ядерну фізику та фізику елементарних частинок не було. З різноманіттям світу елементарних частинок фізики зіткнулися щодо ядерних процесів. Виділення фізики елементарних частинок у самостійну область дослідження відбулося близько 1950 р. Сьогодні існують два самостійні розділи фізики: зміст одного з них становить вивчення атомних ядер, а зміст іншого – вивчення природи, властивостей та взаємних перетворень елементарних частинок.

§ 97 МЕТОДИ СПОСТЕРЕЖЕННЯ ТА РЕЄСТРАЦІЇ ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТОК

Спочатку ознайомимося з пристроями, завдяки яким виникла та почала розвиватися фізика атомного ядра та елементарних частинок. Це пристрої для реєстрації та вивчення зіткнень та взаємних перетворень ядер та елементарних частинок. Саме вони дають людям необхідну інформацію про мікросвіт.

Принцип дії приладів реєстрації елементарних частинок.Будь-який пристрій, що реєструє елементарні частинки або атомні ядра, що рухаються, подібно до зарядженої рушниці зі зведеним курком. Невелике зусилля при натисканні на гачок рушниці викликає ефект, не порівнянний із витраченим зусиллям, - постріл.

Реєструючий прилад - це більш менш складна макроскопічна система, яка може перебувати в нестійкому стані. При невеликому обуренні, викликаному частинкою, що пролетіла, починається процес переходу системи в новий, більш стійкий стан. Цей процес дозволяє реєструвати частинку. В даний час використовується безліч різних методів реєстрації частинок.

Залежно від цілей експерименту та умов, у яких він проводиться, застосовуються ті чи інші реєструючі пристрої, що відрізняються один від одного за основними характеристиками.

Газорозрядний лічильник Гейгера.Лічильник Гейгера - один із найважливіших приладів для автоматичного підрахунку частинок.

Лічильник (рис. 13.1) складається зі скляної трубки, покритої зсередини металевим шаром (катод), і тонкої металевої нитки, що йде вздовж осі трубки (анод). Трубка заповнюється газом, зазвичай аргоном. Дія лічильника ґрунтується на ударній іонізації. Заряджена частка (електрон -частка і т. д.), пролітаючи в газі, відриває від атомів електрони і створює позитивні іони і вільні електрони. Електричне поле між анодом і катодом (до них підводиться висока напруга) прискорює електрони до енергій, за яких починається ударна іонізація. Виникає лавина іонів, і струм через лічильник різко зростає. При цьому на навантажувальному резистори R утворюється імпульс напруги, який подається в реєструючий пристрій.

Для того щоб лічильник міг реєструвати наступну частинку, що потрапила в нього, лавинний розряд, необхідно погасити. Це відбувається автоматично. Так як у момент появи імпульсу струму падіння напруги на навантажувальному резистори R велике, то напруга між анодом і катодом різко зменшується - настільки, що розряд припиняється.

Лічильник Гейгера застосовується в основному для реєстрації електронів і квантів (фотонів великої енергії).

В даний час створені лічильники, що працюють на і пих принципах.

Камера Вільсон.Лічильники дозволяють лише реєструвати факт проходження через них частинки та фіксувати деякі її характеристики. У камері Вільсона, створеної в 1912 р., швидка заряджена частка залишає слід, який можна спостерігати безпосередньо або сфотографувати. Цей прилад можна назвати вікном в мікросвіт, тобто світ елементарних частинок і систем, що складаються з них.

Принцип дії камери Вільсона заснований на конденсації перенасиченої пари на іонах з утворенням крапельок води. Ці іони створює вздовж своєї траєкторії заряджена частка, що рухається.

Камера Вільсона є герметично закритою посудиною, заповненою парами води або спирту, близькими до насичення (рис. 13.2). При різкому опусканні поршня, викликаному зменшенням тиску під ним, пара в камері розширюється адіабатно. Внаслідок цього відбувається охолодження, і пара стає перенасиченою. Це нестійкий стан пари: він легко конденсується, якщо в посудині з'являються центри конденсації. Центрами
конденсації стають іони, які утворює в робочому просторі камери частинка, що пролетіла. Якщо частка проникає в камеру відразу після розширення пари, то на її шляху з'являються крапельки води. Ці крапельки утворюють видимий слід частки, що пролетіла - трек (рис. 13.3). Потім камера повертається у вихідний стан і іони видаляються електричним полем. Залежно від розміру камери, час відновлення робочого режиму варіюється від кількох секунд до десятків хвилин.

Інформація, яку дають треки в камері Вільсона, значно багатша за ту, яку можуть дати лічильники. По довжині треку можна визначити енергію частки, а за кількістю крапельок на одиницю довжини треку – її швидкість. Чим довше трек частки, тим більша її енергія. А чим більше крапельок води утворюється на одиницю довжини треку, тим менша її швидкість. Частинки із великим зарядом залишають трек більшої товщини.

Радянські фізики П. Л. Капіца та Д. В. Скобельцин запропонували поміщати камеру Вільсона в однорідне магнітне поле.

Магнітне поле діє на заряджену частинку, що рухається, з певною силою (силою Лоренца). Ця сила викривляє траєкторію частки, не змінюючи модуль її швидкості. Трек має тим більшу кривизну, що більший заряд частки і що менше її маса. По кривизні треку можна визначити відношення заряду частки до її маси. Якщо відома одна з цих величин, можна обчислити іншу. Наприклад, за зарядом частинки та кривизні її треку можна знайти масу частинки.

Пухирцева камера.У 1952 р. американським ученим Д. Глейзер було запропоновано використовувати для виявлення треків частинок перегріту рідину. У такій рідині на іонах (центрах пароутворення), що утворюються під час руху швидкої зарядженої частинки, з'являються бульбашки пари, що дають видимий трек. Камери даного типу були названі бульбашковими.

У вихідному стані рідина в камері знаходиться під високим тиском, що оберігає її від закипання, незважаючи на те, що температура рідини трохи вище температури кипіння при атмосферному тиску. При різкому зниженні тиску рідина виявляється перегрітою, і протягом невеликого часу вона перебуватиме у нестійкому стані. Заряджені частинки, що пролітають саме в цей час, викликають появу треків, що складаються з бульбашок пари (рис. 1.4.4). І як рідина використовується головним чином рідкий водень і пропан. Тривалість робочого циклу бульбашкової камери невелика – близько 0,1 с.

Перевага бульбашкової камери перед камерою Вільсона зумовлена ​​більшою щільністю робочої речовини. Пробіги часток внаслідок цього виявляються досить короткими, і частки навіть більших енергій застряють у камері. Це дозволяє спостерігати серію послідовних перетворень частки і викликані нею реакції.

Треки в камері Вільсона та бульбашковій камері - одне з головних джерел інформації про поведінку та властивості частинок.

Спостереження слідів елементарних частинок справляє сильне враження, створює відчуття безпосереднього зіткнення з мікросвітом.

Метод товстошарових фотоемульсій.Для реєстрації частинок поряд з камерами Вільсона та бульбашковими камерами застосовуються товстошарові фотоемульсії. Іонізуюча дія швидких заряджених частинок на емульсію фотопластинки дозволила французькому фізику А. Беккерелю відкрити 1896 р. радіоактивність. Метод фотоемульсії був розвинений радянськими фізиками Л. В. Мисовським, Г. Б. Ждановим та ін.

Фотоемульсія містить велику кількість мікроскопічних кристаликів броміду срібла. Швидка заряджена частка, пронизуючи кристалик, відриває електрони від окремих атомів брому. Ланцюжок таких кристаликів утворює приховане зображення. При прояві у цих кристалах відновлюється металеве срібло і ланцюжок зерен срібла утворює трек частки (рис. 13.5). По довжині та товщині треку можна оцінити енергію та масу частинки.

Через велику щільність фотоемульсії треки виходять дуже короткими (порядку 10 -3 см для частинок, що випускаються радіоактивними елементами), але при фотографуванні їх можна збільшити.

Перевага фотоемульсій у тому, що час експозиції може бути як завгодно великим. Це дозволяє реєструвати рідкісні явища. Важливо й те, що завдяки великій здатності фотоемульсій, що гальмує, збільшується число спостерігаються цікавих реакцій між частинками і ядрами.

Ми розповіли далеко не про всі прилади, які реєструють елементарні частки. Сучасні прилади для виявлення часто зустрічаються і короткоживучих часток дуже складні. У їхньому створенні беруть участь сотні людей.

1. Чи можна за допомогою камери Вільсона реєструвати незаряджені частинки!
2. Які переваги має бульбашкова камера в порівнянні з камерою Вільсона!

Елементарні частинки, а також складні мікрочастинки (a, d тощо), вдається спостерігати завдяки тим слідам, які вони залишають при своєму проходженні через речовину. Характер слідів дозволяє судити про знак заряду частинки, її енергії, імпульс і т. п. Заряджені частинки викликають іонізацію молекул на своєму шляху. Нейтральні частинки слідів не залишають, але вони можуть виявити себе в момент розпаду на заряджені частинки або в момент зіткнення з ядром. Отже, зрештою нейтральні частинки також виявляються по іонізації, викликаної породженими ними зарядженими частинками.

Прилади, що застосовуються для реєстрації іонізуючих частинок, поділяються на дві групи. Першу групу утворюють пристрої, які реєструють факт прольоту частки і, крім того, дозволяють у деяких випадках судити про її енергію. До другої групи належать трекові прилади, тобто прилади, що дозволяють спостерігати сліди (треки) частинок речовини.

До реєструючих приладів відносяться іонізаційні камери і газорозрядні лічильники (див. § 82 2-го тому), а також черенківські лічильники (див. § 147 2-го тому), сцинтиляційні лічильники та напівпровідникові лічильники.

Дія сцинтиляційних лічильників ґрунтується на тому, що заряджена частка, що пролітає через речовину, викликає не тільки іонізацію, а й збудження атомів. Повертаючись у нормальний стан, атоми випромінюють видиме світло. Речовини, в яких заряджені частинки збуджують помітний світловий спалах (сцинтиляцію), називають фосфорами. Сцинтиляційний лічильник складається з фосфору, від якого світло подається спеціальним світлопроводом до фотопомножувача. Імпульси, що виходять на виході фотоумножителя, піддаються рахунку. Визначається також амплітуда імпульсів (яка пропорційна інтенсивності світлових спалахів), що дає додаткову інформацію про частинки, що реєструються.

Напівпровідниковий лічильник є напівпроводниковим діодом, на який подається напруга такого знака, що основні носії струму відтягуються від перехідного шару. Отже, у нормальному стані діод замкнений. При проходженні через перехідний шар швидка заряджена частка породжує електрони та дірки, які відсмоктуються до електродів.

Внаслідок цього виникає електричний імпульс, пропорційний кількості породжених частинкою носіїв струму.

Лічильники часто об'єднують у групи і включають так, щоб реєструвалися лише такі події, які відзначаються одночасно декількома приладами, або, навпаки, лише одним із них. У першому випадку кажуть, що лічильники включені за схемою збігів, у другому - за схемою та збігами. Застосовуючи різні схеми включень, можна з безлічі явищ виділити те, що становить інтерес. Наприклад, два лічильники (pric. 75.1), встановлені один за одним і включені за схемою збігів, зареєструють частинку, що летить вздовж їх спільної осі, і не зареєструють частинок 2 і 3:

До трекових приладів відносяться камери Вільсона, дифузійні камери, бульбашкові камери, іскрові камери та емульсійні камери.

Камера Вільсон. Цей прилад створений англійським фізиком Ч, Вільсоном в 1912 р. Доріжка з іонів, прокладена зарядженою частинкою, що летить, стає видимою в камері Вільсона, тому що на іонах відбувається конденсація пересичених пар будь-якої рідини. Прилад працює не безперервно, а циклами. Порівняно короткий час чутливості камери чергується з мертвим часом (100-1000 разів більшим), протягом якого камера готується до наступного робочого циклу. Пересичення досягається за рахунок раптового охолодження, що викликається різким (адіабатичним) розширенням робочої суміші, що складається з газу, що не конденсується (гелію, азоту, аргону) і парів води, етилового спирту і т. п. У цей же момент проводиться стереоскопічне (т. е. с. декількох точок) фотографування робочого об'єму камери. Стереофотографії дають змогу відтворити просторову картину зафіксованого явища. Так як відношення часу чутливості до мертвого часу дуже мало, доводиться іноді робити десятки тисяч знімків, перш ніж буде зафіксовано будь-яку подію, що має невелику ймовірність. Щоб збільшити ймовірність спостереження рідкісних явищ, використовуються керовані камери Вільсона, у яких роботою розширювального механізму керують лічильники частинок, включені до електронної схеми, що виділяє потрібну подію.

Якщо розмістити камеру Вільсона між полюсами електромагніта, її можливості сильно розширюються.

За викривленням траєкторії, що викликається дією магнітного поля, вдається визначити знак заряду частинки та її імпульс. Як приклад фотографії, отриманої камерою Вільсона, поміщеної в магнітне полі, може бути рис. 77.3 (стор. 277), на якому видно треки електрона та позитрону.

Дифузійна камера. Як і в камері Вільсона, робочою речовиною дифузійної камери є пересичена пара. Однак стан пересичення створюється не адіабатичним розширенням, а в результаті дифузії парів спирту від кришки камери, що знаходиться при температурі ~ 10° С до охолоджуваного твердою вуглекислотою (температура -70° С) дну. Неподалік дна виникає шар пересиченої пари, що має товщину в кілька сантиметрів. У цьому шарі і утворюються треки, на відміну від камери Вільсона, дифузійна камера працює безперервно.

Пухирцева камера. У винайденій Д. А. Глезером в 1952 р. бульбашковій камері пересичені пари замінені прозорою перегрітою рідиною (тобто рідиною, що знаходиться під зовнішнім тиском, меншим тиску її насиченої пари; йм. § 124 1-го тому). Іонізуюча частка, що пролетіла через камеру, викликає бурхливе закипання рідини, внаслідок чого слід частки виявляється позначеним ланцюжком бульбашок пари - утворюється трек. Бульбашкова камера, як і камера Вільсона, працює циклами. Запускається камера різким зниженням (скиданням) тиску, внаслідок чого робоча рідина перетворюється на метастабільний перегрітий стан. В якості робочої рідини, яка одночасно служить мішенню для частинок, що пролітають через неї, застосовуються водень, ксенон, пропан і деякі інші речовини. Робочий об'єм камер сягає 30 м3.

Іскрова камера. У 1957 р. Краншау та де-Біром був сконструйований прилад для реєстрації траєкторій заряджених частинок, названий іскровою камерою. Прилад складається із системи плоских паралельних металевих електродів (рис. 75.2). Електроди поєднуються через один. Одна група електродів заземляється, але в іншу періодично подається короткочасний (тривалістю високовольтний імпульс .

Якщо в момент подачі імпульсу через камеру пролетить іонізуюча частка, її шлях буде відзначений ланцюжком іскор, що проскакують між електродами. Прилад запускається автоматично за допомогою включених за схемою збігів додаткових лічильників, що реєструють проходження через об'єм камери досліджуваних частинок.

Більш досконалим різновидом іскрової камери є стримерна камера. У цій камері висока напруга знімається раніше, ніж встигає повністю розвинутись іскра.

Тому виникають лише зародкові іскри, що утворюють чіткий слід.

Емульсійна камера. Радянські фізики Л. В. Мисовський та А. П. Жданов вперше застосували для реєстрації мікрочастинок фотопластинки. Заряджені частинки мають на фотографічну емульсію таку ж дію, як і фотони. Тому після прояву платівки в емульсії утворюється видимий слід (трек) частки, що пролетіла. Недоліком методу фотопластинок була мала товщина емульсійного шару, внаслідок чого виходили повністю лише треки частинок, що летять паралельно площині шару. В емульсійних камерах опромінення піддаються товсті пачки (вагою до кількох десятків кілограмів і завтовшки кілька сотень міліметрів), складені з окремих шарів фотоемульсії (без підкладки). Після опромінення пачка розбирається на шари, кожен з яких проявляється та проглядається під мікроскопом. Для того, щоб можна було простежити шлях частинки при переході з одного шару в інший, перед розбиранням пачки на всі шари наноситься за допомогою рентгенівських променів однакова координатна сітка. Треки частинок, що виходять таким способом, показані на рис. 75.3, на якому зафіксовано послідовне перетворення -мезону в мюон і потім позитрон.

Тема урока: Методи спостереження та реєстрації елементарних

частинок.

Мета уроку: Пояснити учням пристрій та принцип дії установок для реєстрації та вивчення елементарних частинок.

Тип уроку: Урок засвоєння нових знань

Епіграф:

… виховання творчих здібностей

у людині ґрунтується на розвитку

самостійного мислення”

П.П. Капиця

Структура уроку:

Організаційний етап.

Привітання учнів та гостей семінару. Перевірка підготовленості уч-ся до навчального заняття

2. Цілі та завдання уроку. (Підготовка учнів до роботи на основному етапі)

Оголошення цілі уроку (Сьогодні на уроці ви дізнаєтеся за допомогою яких приладів здійснюють спостереження та реєстрацію заряджених частинок, як вони влаштовані та їх принцип дії).

Викладення нового матеріалу

Спочатку проведемо фронтальне опитування:

Що таке іонізація?

(Процес розпаду нейтральних атомів на іони та електрони)

Як отримати пересичену пару?

(Відповідь. Різко збільшити об'єм судини. При цьому температура

знизиться і пара стане пересиченою.)

Що станеться з пересиченою парою, якщо в ній з'явиться частка ?

(Відповідь. Вона стане центром конденсації, на ній утворюється роса.)

Як впливає магнітне поле на рух зарядженої частки?

(Відповідь. У полі швидкість частинки змінюється у напрямку, але не по

модулю.)

Як називається сила, з якою магнітне поле діє на заряджену частинку? Куди вона спрямована?

(Відповідь. Це сила Лоренца; вона спрямована до центру кола.)

Вступне слово викладача

Вивчаючи квантову фізику, вже неодноразово згадувалися вирази – атомне ядро ​​та елементарні частинки. Однак елементарні частинки (наприклад, електрони та іони), а також атомні ядра неможливо побачити в жодному мікроскопі, навіть електронному. Тому спочатку ознайомимося з пристроями, завдяки яким виникла та почала розвиватися фізика атомного ядра та елементарних частинок. Саме вони дають людям необхідну інформацію про мікросвіт.

Будь-який пристрій, що реєструє елементарні частинки, подібно до зарядженої рушниці зі зведеним курком. Невелике зусилля при натисканні на гачок рушниці викликає ефект, не порівнянний із витраченим зусиллям, - постріл.

Реєструючий прилад – це більш менш складна макроскопічна система, яка може перебувати в нестійкому стані. При невеликому обуренні, викликаному частинкою, що пролетіла, починається процес переходу системи в новий, більш стійкий стан. Цей процес дозволяє реєструвати частинку. В даний час використовується багато різних методів реєстрації частинок.

Залежно від цілей експерименту та умов, у яких він проводиться, застосовуються ті чи інші реєструючі пристрої, що відрізняються один від одного за основними характеристиками.

Повідомлення № 1

Газорозрядний лічильник Гейгера

Лічильник Гейгера – один із найважливіших приладів. Для автоматичного лічби частинок. Хороші лічильники дозволяють реєструвати до 10000 і більше частинок за секунду. Лічильник складається із скляної трубки, покритої зсередини металевим шаром (катод), і тонкої металевої нитки, що йде вздовж осі трубки (анод).

Трубка заповнюється газом, зазвичай аргоном. Дія лічильника ґрунтується на ударній іонізації. Заряджена частка, пролітаючи в газі, відриває від атомів електрони та створює позитивні іони та вільні електрони. Електричне поле між анодом і катодом (до них підводиться висока напруга) прискорює електрони до енергій, за яких починається ударна іонізація. Виникає лавина іонів, і струм через лічильник різко зростає. При цьому на опорі навантаження утворюється імпульс напруги, який подається в пристрій, що реєструє.

Лічильник Гейгера застосовується в основному для реєстрації електронів та у-квантів (фотонів великої енергії). При реєстрації електронів ефективність лічильника близько 100%, а при реєстрації у квантів - лише близько 1%. Реєстрація важких частинок (наприклад, а-часток) утруднена, оскільки складно зробити в лічильнику досить тонке віконце, прозоре для цих частинок.

Доповнення...
Удосконалено був лічильник іншим німецьким фізиком В. Мюллером, тому іноді цей лічильник називають лічильником Гейгера-Мюллера.

Повідомлення № 2

Камера Вільсона

Лічильники дозволяють лише реєструвати факт проходження через них частинки і фіксувати деякі її характеристики. У камері ж Вільсона швидка заряджена частка залишає слід, який можна спостерігати безпосередньо або фотографувати. Цей прилад можна назвати вікном у мікросвіт.
Камера Вільсона складається із невисокого скляного циліндра зі скляною кришкою. Усередині циліндра може рухатися поршень. На дні камери знаходиться темна тканина. Завдяки тому, що тканина зволожена сумішшю води зі спиртом, повітря в камері насичене парами цих рідин.
Дія камери Вільсона, створеної в 1912 р., заснована на конденсації перенасиченої пари на іонах,утворюються в робочому об'ємі камери вздовж траєкторії зарядженої частки.
Частки, що вивчаються, впускаються в камеру через тонке віконце (іноді джерело частинок поміщають всередині камери). При різкому опусканні поршня, викликаному зменшенням тиску під поршнем, пара в камері розширюється. Внаслідок цього відбувається охолодження та пара стає пересиченою. Якщо частка проникає в камеру безпосередньо перед розширенням або після нього, ті іони, які вона утворює, діятимуть як центри конденсації. Крапельки води, що виникають на них, утворюють слід частки, що пролетіла - трек. Інформація, яку дають треки в камері Вільсона, значно багатша за ту, яку можуть дати лічильники. По довжині треки можна визначити енергію частки, а за кількістю крапельок на одиницю довжини треку оцінюється її швидкість.

Поміщаючи камеру в однорідне магнітне поле (метод, запропонований радянськими фізиками П. Л. Капіцей і Д. В. Скобельціним), можна за напрямом вигину траєкторії та її кривизні визначити знак заряду та відношення заряду до маси або імпульс частки (якщо її заряд відомий) .

Треки існують у камері недовго, оскільки повітря нагрівається, отримуючи тепло від стінок камери, і крапельки випаровуються. Щоб отримати нові сліди, необхідно видалити наявні іони за допомогою електричного поля, стиснути повітря поршнем, почекати, поки повітря в камері, що нагрілося при стисненні, охолоне, і зробити нове розширення.

Зазвичай треки частинок у камері Вільсона не лише спостерігають, а й фотографують. При цьому камеру висвітлюють збоку потужним пучком світлових променів.

Доповнення...

Окрім назви вікно у мікросвіт, камеру Вільсона називали «туманна камера»

У 1932 році саме за допомогою цієї камери Андерсон відкрив позитрон-антиелектрон.

Повідомлення № 3

Пухирцева камера

У 1952 р. американським ученим Д. Глейзер було запропоновано використовувати для виявлення треків частинок перегріту рідину. Вони складаються із скляного циліндра, заповненого рідиною і трохи нагадують камеру Вільсона. У такій рідині на іонах,що утворюються при русі швидкої зарядженої частинки, виникають бульбашки пари, що дають видимий трек.Камери такого типу були названі бульбашковими.

У вихідному стані рідина в камері знаходиться під високим тиском, що оберігає її від закипання. При різкому зниженні тиску рідина перегріта і протягом невеликого часу вона перебуватиме в нестійкому стані. Заряджені частинки, що пролітають саме в цей час, викликають появу треків складаються з бульбашок пара.Як рідини використовуються головним чином рідкий водень і пропан.

Таким чином, дія бульбашкової камери ґрунтується на скипанні перегрітої рідини.

Тривалість робочого циклу бульбашкової камери невелика – близько 0,1с. Перевага бульбашкової камери перед камерою Вільсона зумовлена ​​більшою щільністю робочої речовини. Пробіги часток внаслідок цього виявляються досить короткими, і частки навіть більших енергій застряють у камері. Це дозволяє спостерігати серію послідовних перетворень частки і викликані нею реакції.

Треки в камері Вільсона та бульбашковій камері – одне з головних джерел інформації про поведінку та властивості частинок.

Доповнення...

Розміри бульбашкових камер бувають від кількох десятків сантиметрів до кількох метрів.

Повідомлення № 4

Метод товстошарових фотоемульсій

Для реєстрації частинок поряд з камерами Вільсона використовуються товстошарові фотоемульсії. Цей метод роблять за допомогою фотопластини покритої фотоемульсією. Іонізуюча дія швидких заряджених частинок на емульсію фотопластинки дозволило французькому фізику А. Беккерелю відкрити 1896р. радіоактивність. Метод фотоемульсії був розвинений радянськими фізиками Л. В. Мисовським. А. П. Ждановим та ін.

Дія цього методу ґрунтується на фотохімічних реакціях.

Фотоемульсія містить велику кількість мікроскопічних кристаликів броміду срібла. Швидка заряджена частка пронизуючи, відриває електрони від окремих атомів брому. Ланцюжок таких кристаликів утворює приховане зображення. При прояві у цих кристалах відновлюється металеве срібло, і ланцюжок зерен срібла утворює трек частинки.По довжині та товщині треку можна оцінити енергію та масу частинки. Через велику щільність фотоемульсії треки виходять дуже короткими.

Перевага фотоемульсій полягає в безперервній підсумовувальній дії. Це дозволяє реєструвати рідкісні явища. Важливо й те, що завдяки високій здатності фотоемульсій, що гальмує, збільшується число спостерігаються цікавих реакцій між частинками і ядрами.

Доповнення...

Товщина шару фотоемульсії дуже мала лише 200 мкм.

Саме цим методом використовують на космічних кораблях на дослідження космічних променів.

Доповнення викладача
Крім цих методів, існують деякі інші:

Іскрова камера.У 1959р. С. Фукуї та С. Міямото сконструювали іскрову камеру, в якій трек частки реєструється за іскровим розрядом у неоні, аргоні. Вага її сягає 10 тонн.

Сцинтиляційні лічильники.Сцинтиляція – це мерехтіння. Заряджена частка, ударяючись об екран, викликає спалах світла. Спостерігаючи мікроскоп за екраном, ведеться підрахунок спалахів.

Закріплення вивченого матеріалу

5 . Підбиття підсумків уроку.

Отже, сьогодні ми з вами познайомились із методами реєстрації частинок.

Ми розповіли далеко не про всі прилади, які реєструють елементарні частки. Сучасні прилади для виявлення часто зустрічаються і дуже мало живуть часток дуже складні. У їхньому спорудженні беруть участь сотні людей.

А тепер проведемо тест на закріплення матеріалу (слайди)

1.Дія лічильника Гейгера заснована на

Ударної іонізації.

Виділення енергії часткою.

2.Прилад для реєстрації елементарних частинок, дія якого заснована на утворенні бульбашок пари в перегрітій рідині, називається

Товстошарова фотоемульсія.

Лічильник Гейгера.

Фотокамери.

Камера Вільсон.

Пухирцева камера.

3.Чи можна за допомогою камери Вільсона реєструвати незаряджені частки?

Можна, якщо вони мають невелику масу (електрона)

Можна, якщо вони мають велику масу (нейтрони)

Можна, якщо вони мають невеликий імпульс

Можна, якщо вони мають великий імпульс

Не можна

4. Фотоемульсійний метод реєстрації заряджених частинок заснований на

Ударної іонізації.

Розщепленні молекул зарядженої частинкою, що рухається.

Утворення пари в перегрітій рідині.

Конденсації перенасиченої пари.

Виділення енергії часткою.

5. Прилад для реєстрації елементарних частинок, дія якого заснована на конденсації перенасиченої пари, називається

Фотокамера

Камера Вільсона

Товстошарова фотоемульсія

Лічильник Гейгера

Пухирцева камера

6. Чим заповнена камера Вільсона

Парами води чи спирту.

Газом зазвичай аргоном.

нагрітим майже до кипіння рідким воднем чи пропаном

Хімічними реагентами

7.що являє собою трек, утворений методом товстошарової фотоемульсії?

Ланцюжок крапельок води

Ланцюжок бульбашок пара

Лавина електронів

Ланцюжок зерен срібла

6 . Домашнє завдання.

п. 97 лабораторна робота з фізики

Тема:Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями

Цілі:пояснити характер руху заряджених частинок

Прилади та матеріали:фотографії треків заряджених частинок, отриманих у камері Вільсона, бульбашкової камери та фотоемульсії

Пам'ятайте, що:

довжина треку тим більше, чим більша енергія частинки і чим менша щільність середовища)

товщина треку тим більша, чим більший заряд частки і чим менша її швидкість

при русі зарядженої частинки в магнітному полі трек її виходить викривленим, причому радіус кривизни треку тим більше, чим більша маса і швидкість частинки і чим менший її заряд і модуль індукції магнітного поля

частка рухалася від кінця треку з більшим радіусом до кінця треку з меншим радіусом кривизни (радіус кривизни в міру руху зменшення, тому що через опір середовища зменшується швидкість частинки)

Завдання:

I - треки α-часток, II - треки α-часток III - трек електрона

рухалися в камері Вільсона, в бульбашковій камері, в камері Вільсона, що знаходилася в магнітному полі, що знаходилася в магнітному полі

Розгляньте фотографію I, та дайте відповідь на запитання:

у якому напрямі рухалися α-частинки? _________________________________

довжина треків α-часток приблизно однакова. Про що це каже? _______________ _______________________________________________________________________

як змінювалася товщина треку у міру руху частинок? ____________________ що з цього випливає? ____________________________________________________

Визначте за фотографією II:

чому змінювалися радіус кривизни та товщина треків у міру руху α-часток? _______________________________________________________________________

у який бік рухалися частки? _______________________________________

Визначте за фотографією III:

Чому трек має форму спіралі? _________________________________________

що могло статися причиною того, що трек електрона (III) набагато довший за треки α-часток (II) _____________________________________________________________

• прилади, що дозволяють реєструвати проходження частки через певну ділянку простору та в деяких випадках визначати її характеристики, наприклад, енергію ( сцинтиляційний лічильник, черенківський лічильник, іонізаційна камера, газорозрядний лічильник, напівпровідниковий лічильник);
• прилади, що дозволяють спостерігати, наприклад, фотографувати сліди (треки) частинок речовини ( камера Вільсона, дифузтонна камера, бульбашкова камера, ядерні фотоемульсії).

Детектор ядерних частинок, основними елементами якого є сцинтилятор (кристалофосфор, що випромінює спалахи світла при попаданні в нього частинок) і фотоелектронний помножувач (ФЕУ), що дозволяє перетворити слабкі світлові спалахи в електричні імпульси, що реєструються електронною апаратурою. Зазвичай як сцинтилятори використовуються кристали деяких неорганічних (ZnS - для α-часток; NaI-Tl, CsI-Tl - для β-часток та γ-квантів) або органічних (антрацен, пластмаси для γ-квантів) речовин. Дуже детально та детально про конструкцію та принцип роботи викладено.

Найбільший з колись створених сцинтиляційних детекторів установка. На ній зареєстрований дефіцит антинейтрино від реакторів, розташованих від нього на середній відстані 180 км. Цей результат у поєднанні з вимірами сонячних потоків нейтрино може свідчити на користь існування нейтринних осциляцій. Подробиці експерименту можна переглянути у статті.

Установка KamLAND ( Kam ioka L iquid Scintillator A nti- N eutrino D etector) створена на місці зруйнованої внаслідок аварії установки Kamiokande. У ньому використовується 1000 трідкого сцинтилятора який проглядається 1879 фотомножниками діаметром 50 см. Перше завдання, яке вирішувалося на цій установці - вимірювання потоків антинейтрино від японських та південнокорейських ректорів.

Як видно з рисунку 4.17, у попередніх експериментах з реакторними нейтрино їхнього дефіциту не було виявлено. Проте експерименти із сонячними нейтрино свідчили, що відстані ~1 кмнадто малі для його виявлення. Розміри KamLAND та його розташування в 100-200 кмвід реакторів робить його дуже чутливим до ефекту, що призвело до його виявлення.

За допомогою методу затриманих збігів детектувалися позитрони та γ-кванти з енергією 2.2 МеВвід захоплення нейтронів протонами.

Детектори частинок (заповнені газом електричні конденсатори), засновані на здатності заряджених частинок викликати іонізацію газу з наступним поділом продуктів іонізації в електричному полі. Якщо лічильник реєструє тільки іони, що утворилися безпосередньо під дією частинок, такий лічильник називаються імпульсною іонізаційною камерою. Детальна та детальна інформація лежить.

Лічильники, в яких основну роль відіграє вторинна іонізація, зумовлена ​​зіткненнями первинних іонів з атомами та молекулами газу, внаслідок чого виникає розряд у газі, називаються газорозрядними лічильниками. Приклад газорозрядного лічильника – лічильник Гейгера-Мюллера. Газорозрядний лічильник зазвичай виконується у вигляді наповненого газом металевого циліндра (катод) з тонким дротом (анод), натягнутим по його осі.

Напівпровідникові діоди, проходження через які реєструються частинок, призводить до появи електричного струму через діод. Мінімальна товщина робочої області напівпровідникових лічильників не дозволяє застосовувати їх для вимірювання високоенергетичних частинок. Більш детальна інформація лежить.

Скляний циліндр із щільно прилеглим поршнем, заповнений нейтральним газом (аргон або гелій), насиченим парами води та спирту. При різкому (адіабатичному) розширенні газ стає пересиченим і на траєкторіях частинок, що пролетіли через камеру, утворюються треки туману, які фотографуються. За характером та геометрією треків можна судити про тип частинок, що пройшли через камеру. Про конструкцію та принцип роботи дуже докладно і детально викладено.

Товстошарові фотографічні емульсії, проходження заряджених частинок через які викликає іонізацію, що призводить до утворення прихованого зображення емульсії. Після прояву сліди заряджених частинок виявляються як ланцюжка зерен металевого срібла. Так як емульсія - середовище більш щільне, ніж газ або рідина, що використовуються у вільсонівській та бульбашковій камерах, то за інших рівних умов довжина треку в емульсіях більш коротка. Тому фотоемульсії застосовуються для вивчення реакцій, що викликаються частинками в прискорювачах надвисоких енергій та космічних променях. Для досліджень високоенергетичних частинок використовуються також так звані стопи - велика кількість маркованих фотоемульсійних пластинок, що розміщуються на шляху частинок та після прояву вимірюваних під мікроскопом. Більш детальна інформація лежить. З деякими можливостями вимірювання треків можна ознайомитися .

Головна » Охорона праці » Методи спостереження та реєстрації елементарних частинок. Фізика атомного ядра