Загрузка...Экспериментальные методы исследования частиц счетчик гейгера
Экспериментальные способы исследования частиц: таблица
В данной статье мы поможем подготовиться к уроку по физике (9 класс). Экспериментальные методы исследования частиц — это не обычная тема, а очень интересная и захватывающая экскурсия в мир молекулярной ядерной науки. Достичь такого уровня прогресса цивилизация смогла совсем недавно, и ученые до сих пор спорят, а нужны ли человечеству такие знания? Ведь если люди смогут повторить процесс атомного взрыва, который привел к появлению Вселенной, то может, разрушится не только наша планета, но и весь Космос.
О каких частицах идет речь и зачем их исследовать
Частично ответы на эти вопросы дает курс физики. Экспериментальные методы исследования частиц — это способ увидеть то, что недоступно человеку даже при использовании самых мощных микроскопов. Но обо всем по-порядку.
Элементарная частица — это совокупный термин, под которым подразумеваются такие частицы, которые уже нельзя расщепить на меньшие кусочки. Всего физиками открыто более 350 элементарных частиц. Мы больше всего привыкли слышать о протонах, нейронах, электронах, фотонах, кварках. Это так называемые фундаментальные частицы.
Характеристика элементарных частиц
Все наименьшие частицы имеют одно и тоже свойство: они могут взаимопревращаться под влиянием собственного воздействия. Одни имеют сильные электромагнитные свойства, другие слабые гравитационные. Но все элементарные частицы характеризуются по следующим параметрам:
- Масса.
- Спин — собственный момент импульса.
- Электрический заряд.
- Время жизни.
- Четность.
- Магнитный момент.
- Барионный заряд.
- Лептонный заряд.
Краткий экскурс в теорию строения вещества
Любое вещество состоит из атомов, которые в свою очередь имеют ядро и электроны. Электроны, подобно планетам в Солнечной системе, двигаются вокруг ядра каждый по своей оси. Расстояние между ними очень большое, в атомных масштабах. Ядро состоит из протонов и нейронов, связь между ними настолько крепкая, что их невозможно разъединить ни одним известным науке способом. В этом и состоит суть экспериментальных методов исследования частиц (кратко).
Нам тяжело это представить, но ядерная связь превосходит все известные на земле силы в миллионы раз. Мы знаем электромагнитное взаимодействие, химический, ядерный взрыв. Но то, что сдерживает протоны и нейроны в совокупности — это нечто иное. Возможно, это ключ к разгадке тайны возникновения мироздания. Именно поэтому так важно изучать экспериментальные методы изучения частиц.
Многочисленные опыты натолкнули ученых на мысль, что нейроны состоят из еще меньших единиц и назвали их кварками. Что находится внутри них, пока не известно. Но кварки — это неразделяемые единицы. То есть, выделить одну не получается никаким способом. Если ученые используют экспериментальный метод исследования частиц с целью выделить один кварк, то сколько бы попыток они не предпринимали, всегда выделяется минимум два кварка. Это еще раз подтверждает нерушимую силу ядерного потенциала.
Какие существуют методы исследования частиц
Перейдем непосредственно к экспериментальным методам исследования частиц (таблица 1).
Радиоактивный препарат испускает волны, благодаря которым происходит столкновение частиц и могут наблюдаться отдельные свечения.
Ионизация молекул газа быстрыми заряженными частицами
Опускает с большой скоростью поршень, что приводит к сильному охлаждению пара, который становится перенасыщенным. Капельки конденсата указывают на траектории движения цепочки ионов.
Объем рабочего пространства наполнен горячим жидким водородом или пропаном, на которые воздействуют под давлением. Доводят состояние до перегретого и резко уменьшают давление. Заряженные частицы, воздействуя еще большей энергией, заставляют водород или пропан закипеть. На той траектории, по которой двигалась частица образовываются капельки пара.
Метод сцинтилляций (Спинтарископ)
Частица вызывает вспышку света в люминофоре, которая фиксируется фотоумножителем. Импульс тока усиливается.
Метод толстослойных фотоэмульсий
Ионизация молекул фотоэмульсии
В рабочую зону помещают ядерные фотоэмульсии. Заряженные частицы, попадая в такую среду, вызывают ионизацию, приводящую к почернению молекул. После некоторых химических реакций трек движения частиц становится видимым.
Как видно, экспериментальные методы исследования частиц (Таблица 1) имеют очень разную природу взаимодействия. Некоторый из теорий уже устарели и были усовершенствованы современными технологиями. Рассмотрим каждый из методов более детально.
Экспериментальные методы исследования частиц. Счетчик Гейгера
Этот прибор стал настоящим прорывом в начале 20 века. Но помогает изучить только электроны.
Представляет собой металлический цилиндр с отрицательным зарядом. Вдоль его поверхности натянута тонкая проволочная ось с положительным зарядом. Прибор подключается к сети с очень высоким напряжением — порядка 1000 В, благодаря чему внутри образовывается огромное электрическое поле. Теперь эту конструкцию нужно поместить в герметичную стеклянную трубку, в которой будет находится разреженный газ.
Когда молекулы газа ионизируются, возникает большое количество электронно-ионных пар. Чем больше напряженность, тем больше возникает свободных пар, пока не достигнет пика и не останется ни одного свободного иона. В этот момент счетчик регистрирует частицу.
Камера Вильсона
Это один из первых экспериментальных методов исследования заряженных частиц, и был изобретен на пять лет позже счетчика Гейгера — в 1912 году.
Строение простое: стеклянный цилиндр, внутри — поршень. Внизу постелена черная ткань, пропитанная водой и спиртом, благодаря чему воздух в камере насыщен их парами.
Поршень начинают опускать и поднимать, создавая давление, в результате чего газ остывает. Должен образоваться конденсат, но его нет, поскольку в камере отсутствует центр конденсации (ион или пылинка). После этого колбу приподнимают для попадания частички — иона или пыли. Частица начинает движение и по ее траектории образовывается конденсат, который можно увидеть. Путь, который проходит частица, называется трек.
Недостатком такого метода является слишком маленький пробег частиц. Это привело к появлению более прогрессивной теории, основанной на устройстве с более плотной средой.
Пузырьковая камера
Аналогичный принцип действия камеры Вильсона имеет следующий экспериментальный метод исследования частиц — Пузырьковая камера. Только вместо насыщенного газа, в стеклянной колбе находится жидкость.
Основа теории такова, что под высоким давлением жидкость не может начать кипеть выше точки закипания. Но как только появляется заряженная частица, по треку ее движения жидкость начинает закипать, переходя в парообразное состояние. Капельки этого процесса фиксируются камерой.
Метод толстослойных фотоэмульсий
Вернемся к таблице по физике «Экспериментальные методы исследования частиц». В ней, на ряду с камерой Вильсона и пузырьковым методом, рассматривался способ регистрации частиц с помощью толстослойной фотоэмульсии. Впервые эксперимент был поставлен советскими физиками Л.В. Мысовским и А.П. Ждановым в 1928 году.
Идея очень проста. Для опытов используют пластину, покрытую толстым слоем фотоэмульсий. Эта фотоэмульсия состоит из кристалликов бромида серебра. Когда заряженная частица пронизывает кристаллик, она отделяет от атома электроны, которые образуют скрытую цепочку. Ее можно увидеть, проявив пленку. Полученное изображение позволяет рассчитать энергию и массу частицы.
На самом деле, трек получается очень коротким и микроскопически маленьким. Но метод хорош тем, что проявленный снимок можно увеличивать бесконечное число раз, тем самым лучше изучая его.
Метод сцинтилляций
Впервые его провел Резерфорд в 1911 году, хотя идея возникла немного раньше и у другого ученого — У. Крупе. Несмотря на то, что разница составляла 8 лет, за это время пришлось усовершенствовать прибор.
Основной принцип состоит в том, что на экране, покрытом люминесцирующим веществом, будут отображаться вспышки света при прохождении заряженной частицы. Атомы вещества возбуждаются при воздействии на них частицы с мощной энергией. В момент столкновения происходит вспышка, которую наблюдают в микроскоп.
Этот метод очень непопулярен среди физиков. У него есть несколько недостатков. Первое, точность полученных результатов очень сильно зависит от остроты зрения человека. Если моргнуть — можно пропустить очень важный момент.
Второе — при длительном наблюдении очень быстро устают глаза, и поэтому, изучение атомов становится невозможным.
Выводы
Существует несколько экспериментальных методов исследования заряженных частиц. Поскольку атомы веществ настолько маленькие, что их тяжело увидеть даже в самый мощный микроскоп, ученым приходится ставить различные опыты, чтобы понять, что находится в середине центра. На данном этапе развития цивилизации проделан огромный путь и изучены самые недоступные взору элементы. Возможно, именно в них кроются тайны Вселенной.
Экспериментальные методы исследования частиц счетчик гейгера
Тема урока : Экспериментальные методы исследования частиц.
Рассмотреть ионизирующее и фотохимическое действие частиц как основы различных методов их излучения
Развивать взгляды уч-ся на назначение , устройство и принцип действия сцинтилляционного счетчика, счетчика Гейгера , камеры Вильсона , пузырьковой камеры, их преимущества и недостатки
Продолжить развитие умений решать задачи по изучаемой теме
Повторение раннее изученного
— Идентифицируйте элемент 200 80 Х : порядковый номер, массовое число , зарядовое число , число нуклонов, число протонов , нейтронов , электронов ; название элемента
— Запишите уравнение: Во что превратиться 184 74 W после двух бета-распадов и двух альфа-распадов ?
Изучение нового материала
Сегодня на уроке мы должны познакомиться с устройствами , благодаря которым возникла и начала развиваться физика атомного ядра и элементарных частиц.
Именно эти устройства дают необходимую информацию о событиях в микромире.
Работа с презентацией.
Регистрационные приборы делят на две группы.
К первой группе относятся приборы, которые фиксируют факт пролёта частиц. В некоторых случаях удается судить об их энергии.
Ко второй группе относятся так называемые трековые приборы, позволяющие наблюдать следы частиц и определять их удельный заряд, а также знак заряда.
Общая особенность и тех и других состоит в том , что пролёт частицы возвращает систему в более устойчивое состояние. Заряженная частица может вызвать :
1) возбуждение атомов
3) расщепление молекул на атомы
В 1903г У. Крупе заметил , что альфа-частицы ,испускаемые радиоактивным аппаратом, попадая на покрытый сернистым цинком экран , вызывают свечение . Устройство было использовано Э.Резердордом. Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией. Прибор не дает необходимой точности ,т.к. результат подсчета вспышек в большей степени зависит от остроты зрения наблюдателя.
Основные детали : 1-экран из сульфида цинка ; 2-короткофокусная лупа ; 3- стержень с альфа радиоактивным препаратом.
Ханс Вильгельм Гейгер (1882 ― 1945) ― немецкий физик-экспериментатор.
Работал в Манчестерском университете вместе с Э. Резерфордом, в Физико-техническом институте в Берлине. С 1925 по 1929 год ― профессор и директор Физического института Кильского университета, а с 1929 по 1936 год ― профессор Тюбингенского университета. С 1936 года ― профессор Технического университета в Берлине.
В 1908 году совместно с Э. Резерфордом изобрёл прибор для регистрации отдельных заряженных частиц. Этот прибор впоследствии им был усовершенствован и назван счётчиком Гейгера ― Мюллера.
В 1909 ― 1910 годах проводил опыты по рассеянию α-частиц на тонких металлических плёнках. Было выяснено, что в среднем одна из 8000 частиц отклоняется на угол больше 90º. Эти эксперименты сыграли большую роль при создании Резерфордом планетарной модели атома. В 1911 году установил зависимость вероятности α-распада от энергии α-частиц, названную законом Гейгера ― Нетолла.
В 1937 году избран членом Берлинской академии наук.
Состоит из трубки покрытой изнутри металлическим слоем ( катод ) , по её оси натянута тонкая металлическая нить (анод). Рабочий объём заполняется смесью газов , обычно аргоном с примесью паров метилового спирта при давлении около 0,1 атм. Прикладывается высокое напряжение . Пролетающая заряженная частица производит на своем пути ионизацию атомов наполняющего газа. Под действием электрического поля свободные электроны движутся к аноду , положительные ионы к катоду. Электроны приобретают энергию достаточную для их ионизации. Возникает коронный разряд, на регистрацию устройства поступает импульс напряжения. Устройство фиксирует только факт пролёта частицы.
Чарлз Томас Рис Вильсон (1869 ― 1959) ― английский физик. В 1892 году окончил Кембриджский университет, в котором проработал с 1900 по 1934 год.
Занимался проблемами молекулярной и ядерной физики, в частности условиями конденсации пара. В 1912 году изобрёл прибор для наблюдения и фотографирования треков частиц ― камеру Вильсона. С помощью созданного прибора изучал свойства ионизирующего излучения.
В 1900 году был избран членом Лондонского королевского общества. В 1927 году ему присуждена Нобелевская премия по физике, также он был награждён многими медалями, например, почётной медалью Копли.
В сосуде находится воздух с насыщенными парами спирта , рабочий объём через трубку соединяется с резиновой грушей ; внутри камеры укреплен радиоактивный препарат. Грушу плавно сжимают , затем отпускают. При быстром адиабатном расширении воздух и пары в камере охлаждаются , пар переходит в состояние перенасыщения. Если вылетает альфа-частица , вдоль пути её движения в газе образуется колонка ионов. Пересыщенный пар конденсируется в капли жидкости , причём образование капель происходит на ионах , которые являются центрами. Обычно камеру помещают в постоянное магнитное поле , треки частиц оказываются искривленными . Радиус кривизны трека зависит от скорости движения , её массы и заряда r = mV / qB .
Первые фотографии треков альфа-частиц в м.п. получил в 1923г П.Л. Капица .
Д.В. Скобельцин применил камеру для изучения спектров гамма и бетта излучений.
Дональд Артур Глейзер (род. 1926) ― американский физик.
В 1946 году окончил Технологический институт Кейса. С 1949 по 1959 год работал в Мичиганском университете, с 1959 года ― профессор Калифорнийского университета. В 1950 году получил степень доктора философии. Основные работы создал в области современной физики элементарных частиц. Исследовал закономерности распада частиц, выполнение законов сохранения при взаимных превращениях частиц.
Для наблюдения треков элементарных частиц в 1952 году изобрёл пузырьковую камеру.
В 1960 году был удостоен Нобелевской премии по физике. С 1962 года ― член Национальной академии наук.
Метод толстостенных фотоэмульсий
В эмульсионных камерах облучаются толстые пачки весом до нескольких десятков килограмм, составленные из отдельных слоёв. На каждый слой с помощью рентгеновских лучей наносится координатная сетка, чтобы проследить путь частицы. На рисунке показан трек частицы под названием пион (π), превратившийся в мюон (μ), а затем в позитрон ( e + ).Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра . Быстрая заряженная частица , пронизывая кристаллик , отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Очень много опытов было проведено в 1928г Л.В.Мысовским и А.П.Ждановым.
Искровая камера изобретена в 1957г . Её действие основано на применение электрического пробоя. В камере имеется система плоскопараллельных пластин, расположенных близко друг к другу Пространство между пластинами заполнено инертным газом (неоном). На пластины подается высокое напряжение , чуть ниже пробойного. При пролете быстрой частицы вдоль её траектории между пластинами проскакивают искры , создавая огненный трек. Камера управляется автоматически. Электроды камеры выполняются в виде очень тонких параллельных проволочек , расположенных на расстоянии около 1мм. Искра при попадании в проволочку вызывает в ней слабый ток , который фиксируется и подается на вычислительную машину. Можно помещать многотонные металлические пластины для увеличения вероятности обнаружения редких реакций.
Закрепление : п 58 и ответить на вопросы:
В чем преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона ?
Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона?
Можно ли в камере Вильсона увидеть трек частицы , не имеющей электрического заряда ?
Почему с помощью счетчика Гейгера не регистрируются альфа-частицы?
Чем объясняется , что счетчик Гейгера регистрирует возникновение ионизированных частиц и тогда , когда поблизости от него нет радиоактивного препарата ?
Учебники
Разделы физики
Журнал «Квант»
Лауреаты премий по физике
Общие
A. Методы регистрации
Экспериментальные методы регистрации заряженных частиц
Приборы для регистрации заряженных частиц называются детекторами. Существует два основных вида детекторов:
1) дискретные (счетные и определяющие энергию частиц): счетчик Гейгера, ионизационная камера и др.;
2) трековые (дающие возможность наблюдать и фотографировать следы (треки) частиц в рабочем объеме детектора): камера Вильсона, пузырьковая камера, толстослойные фотоэмульсии и др.
1. Газоразрядный счетчик Гейгера. Для регистрации электронов и (
gamma)-квантов (фотонов) большой энергии используется счетчик Гейгера—Мюллера. Он состоит из стеклянной трубки (рис. 22.4), к внутренним стенкам которой прилегает катод К — тонкий металлический цилиндр; анодом А служит тонкая металлическая проволока, натянутая по оси счетчика. Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Счетчик включается в регистрирующую схему. На корпус подается отрицательный потенциал, на нить — положительный. Последовательно счетчику включается резистор R, с которого сигнал подается к регистрирующему устройству.
Действие счетчика основано на ударной ионизации. Пусть в счетчик попала частица, создавшая на своем пути хотя бы одну пару: «ион + электрон». Электроны, двигаясь к аноду (нити), попадают в поле с нарастающей напряженностью (напряжение между А и K
1600 В), их скорость стремительно возрастает, и на своем пути они создают ионную лавину (возникает ударная ионизация). Попав на нить, электроны снижают ее потенциал, вследствие чего по резистору R пойдет ток. На его концах возникает импульс напряжения, который и поступает в регистрационное устройство.
На резисторе происходит падение напряжения, потенциал анода уменьшается, и напряженность поля внутри счетчика убывает, вследствие чего уменьшается кинетическая энергия электронов. Разряд прекращается. Таким образом, резистор играет роль сопротивления, автоматически гасящего лавинный разряд. Положительные ионы стекают к катоду в течение (
t approx 10^<-4>) с после начала разряда.
Счетчик Гейгера позволяет регистрировать 10 4 частиц в секунду. Он применяется в основном для регистрации электронов и (
gamma)-квантов. Однако непосредственно (
gamma)-кванты вследствие своей малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого (
gamma)-кванты выбивают электроны. При регистрации электронов эффективность счетчика 100 %, а при регистрации (
gamma)-квантов — лишь около 1 %.
alpha)-частиц затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.
2. Камера Вильсона.
В камере используется способность частиц больших энергий ионизировать атомы газа. Камера Вильсона (рис. 22.5) представляет собой цилиндрический сосуд с поршнем 1. Верхняя часть цилиндра сделана из прозрачного материала, в камеру вводится небольшое количество воды или спирта, для чего снизу сосуд покрыт слоем влажного бархата или сукна 2. Внутри камеры образуется смесь насыщенных паров и воздуха. При быстром опускании поршня 1 смесь адиабатически расширяется, что сопровождается понижением ее температуры. За счет охлаждения пар становится пересыщенным.
Если воздух очищен от пылинок, то конденсация пара в жидкость затруднена из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому если через камеру (впускают через окошко 3) пролетает заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры благодаря осевшим маленьким капелькам жидкости становится видимой. Цепочка образовавшихся капель жидкости образует трек частицы. Тепловое движение молекул быстро размывает трек частиц, и траектории частиц видны отчетливо лишь около 0,1 с, что, однако, достаточно для фотографирования.
Вид трека на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине ее энергии. Так, (
alpha)-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны — более тонкий, а электроны — пунктирный (рис. 22.6). Появляющееся расщепление трека — «вилки» свидетельствует о происходящей реакции.
Чтобы подготовить камеру к действию и очистить ее от оставшихся ионов, внутри нее создают электрическое поле, притягивающее ионы к электродам, где они нейтрализуются.
Советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили размещать камеру в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. По радиусу кривизны траектории и интенсивности треков определяют энергию и массу частицы (удельный заряд).
3. Пузырьковая камера. В настоящее время в научных исследованиях используется пузырьковая камера. Рабочий объем в пузырьковой камере заполнен жидкостью под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени находится в неустойчивом состоянии. Если через такую жидкость пролетит заряженная частица, то вдоль ее траектории жидкость закипит, поскольку образовавшиеся в жидкости ионы служат центрами парообразования. При этом траектория частицы отмечается цепочкой пузырьков пара, т.е. делается видимой. В качестве жидкостей используются главным образом жидкий водород и пропан С3Н3. Длительность рабочего цикла порядка 0,1 с.
Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества, вследствие чего частица теряет больше энергии, чем в газе. Пробеги частиц оказываются более короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет гораздо точнее определить направление движения частицы и ее энергию, наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.
4. Метод толстослойных фотоэмульсий разработан Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым.
Он основан на использовании почернения фотографического слоя под действием проходящих через фотоэмульсию быстрых заряженных частиц. Такая частица вызывает распад молекул бромистого серебра на ионы Ag + и Вг — и почернение фотоэмульсии вдоль траектории движения, образуя скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и образуется трек частицы. По длине и толщине трека судят об энергии и массе частицы.
Для изучения следов частиц, обладающих очень высокой энергией и дающих длинные следы, большое количество пластинок складывается в стопу.
Существенным преимуществом метода фотоэмульсий, помимо простоты применения, является то, что он дает неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Это привело к широкому применению данного метода при исследовании новых элементарных частиц. Этим методом с добавлением к эмульсии соединений бора или лития могут быть изучены следы нейтронов, которые в результате реакций с ядрами бора и лития создают (
alpha)-частицы, вызывающие почернение в слое ядерной эмульсии. По следам (
alpha)-частиц делаются выводы о скорости и энергиях нейтронов, вызвавших появление (
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 618-621.
Конспект урока по теме: «Экспериментальные методы исследования частиц»
Тема урока : Экспериментальные методы исследования частиц.
Цели урока :
Рассмотреть ионизирующее и фотохимическое действие частиц как основы различных методов их излучения
Развивать взгляды уч-ся на назначение , устройство и принцип действия сцинтилляционного счетчика, счетчика Гейгера , камеры Вильсона , пузырьковой камеры, их преимущества и недостатки
Продолжить развитие умений решать задачи по изучаемой теме
Оборудование : презентация
Повторение раннее изученного
— Идентифицируйте элемент 200 80 Х : порядковый номер, массовое число , зарядовое число , число нуклонов, число протонов , нейтронов , электронов ; название элемента
— Запишите уравнение: Во что превратиться 184 74 W после двух бета-распадов и двух альфа-распадов ?
Изучение нового материала
Сегодня на уроке мы должны познакомиться с устройствами , благодаря которым возникла и начала развиваться физика атомного ядра и элементарных частиц.
Именно эти устройства дают необходимую информацию о событиях в микромире.
Работа с презентацией.
Регистрационные приборы делят на две группы.
К первой группе относятся приборы, которые фиксируют факт пролёта частиц. В некоторых случаях удается судить об их энергии.
Ко второй группе относятся так называемые трековые приборы, позволяющие наблюдать следы частиц и определять их удельный заряд, а также знак заряда.
Общая особенность и тех и других состоит в том , что пролёт частицы возвращает систему в более устойчивое состояние. Заряженная частица может вызвать :
1) возбуждение атомов
3) расщепление молекул на атомы
Сцинтилляционные счетчики
В 1903г У. Крупе заметил , что альфа-частицы ,испускаемые радиоактивным аппаратом, попадая на покрытый сернистым цинком экран , вызывают свечение . Устройство было использовано Э.Резердордом. Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией. Прибор не дает необходимой точности ,т.к. результат подсчета вспышек в большей степени зависит от остроты зрения наблюдателя.
Основные детали : 1-экран из сульфида цинка ; 2-короткофокусная лупа ; 3- стержень с альфа радиоактивным препаратом.
Счетчик Гейгера
Ханс Вильгельм Гейгер (1882 ― 1945) ― немецкий физик-экспериментатор.
Работал в Манчестерском университете вместе с Э. Резерфордом, в Физико-техническом институте в Берлине. С 1925 по 1929 год ― профессор и директор Физического института Кильского университета, а с 1929 по 1936 год ― профессор Тюбингенского университета. С 1936 года ― профессор Технического университета в Берлине.
В 1908 году совместно с Э. Резерфордом изобрёл прибор для регистрации отдельных заряженных частиц. Этот прибор впоследствии им был усовершенствован и назван счётчиком Гейгера ― Мюллера.
В 1909 ― 1910 годах проводил опыты по рассеянию α-частиц на тонких металлических плёнках. Было выяснено, что в среднем одна из 8000 частиц отклоняется на угол больше 90º. Эти эксперименты сыграли большую роль при создании Резерфордом планетарной модели атома. В 1911 году установил зависимость вероятности α-распада от энергии α-частиц, названную законом Гейгера ― Нетолла.
В 1937 году избран членом Берлинской академии наук.
Состоит из трубки покрытой изнутри металлическим слоем ( катод ) , по её оси натянута тонкая металлическая нить (анод). Рабочий объём заполняется смесью газов , обычно аргоном с примесью паров метилового спирта при давлении около 0,1 атм. Прикладывается высокое напряжение . Пролетающая заряженная частица производит на своем пути ионизацию атомов наполняющего газа. Под действием электрического поля свободные электроны движутся к аноду , положительные ионы к катоду. Электроны приобретают энергию достаточную для их ионизации. Возникает коронный разряд, на регистрацию устройства поступает импульс напряжения. Устройство фиксирует только факт пролёта частицы.
Камера Вильсона
Чарлз Томас Рис Вильсон (1869 ― 1959) ― английский физик. В 1892 году окончил Кембриджский университет, в котором проработал с 1900 по 1934 год.
Занимался проблемами молекулярной и ядерной физики, в частности условиями конденсации пара. В 1912 году изобрёл прибор для наблюдения и фотографирования треков частиц ― камеру Вильсона. С помощью созданного прибора изучал свойства ионизирующего излучения.
В 1900 году был избран членом Лондонского королевского общества. В 1927 году ему присуждена Нобелевская премия по физике, также он был награждён многими медалями, например, почётной медалью Копли.
В сосуде находится воздух с насыщенными парами спирта , рабочий объём через трубку соединяется с резиновой грушей ; внутри камеры укреплен радиоактивный препарат. Грушу плавно сжимают , затем отпускают. При быстром адиабатном расширении воздух и пары в камере охлаждаются , пар переходит в состояние перенасыщения. Если вылетает альфа-частица , вдоль пути её движения в газе образуется колонка ионов. Пересыщенный пар конденсируется в капли жидкости , причём образование капель происходит на ионах , которые являются центрами. Обычно камеру помещают в постоянное магнитное поле , треки частиц оказываются искривленными . Радиус кривизны трека зависит от скорости движения , её массы и заряда r = mV / qB .
Первые фотографии треков альфа-частиц в м.п. получил в 1923г П.Л. Капица .
Д.В. Скобельцин применил камеру для изучения спектров гамма и бетта излучений.
Пузырьковая камера
Дональд Артур Глейзер (род. 1926) ― американский физик.
В 1946 году окончил Технологический институт Кейса. С 1949 по 1959 год работал в Мичиганском университете, с 1959 года ― профессор Калифорнийского университета. В 1950 году получил степень доктора философии. Основные работы создал в области современной физики элементарных частиц. Исследовал закономерности распада частиц, выполнение законов сохранения при взаимных превращениях частиц.
Для наблюдения треков элементарных частиц в 1952 году изобрёл пузырьковую камеру.
В 1960 году был удостоен Нобелевской премии по физике. С 1962 года ― член Национальной академии наук.
Метод толстостенных фотоэмульсий
В эмульсионных камерах облучаются толстые пачки весом до нескольких десятков килограмм, составленные из отдельных слоёв. На каждый слой с помощью рентгеновских лучей наносится координатная сетка, чтобы проследить путь частицы. На рисунке показан трек частицы под названием пион (π), превратившийся в мюон (μ), а затем в позитрон ( e + ).Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра . Быстрая заряженная частица , пронизывая кристаллик , отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Очень много опытов было проведено в 1928г Л.В.Мысовским и А.П.Ждановым.
Искровая камера
Искровая камера изобретена в 1957г . Её действие основано на применение электрического пробоя. В камере имеется система плоскопараллельных пластин, расположенных близко друг к другу Пространство между пластинами заполнено инертным газом (неоном). На пластины подается высокое напряжение , чуть ниже пробойного. При пролете быстрой частицы вдоль её траектории между пластинами проскакивают искры , создавая огненный трек. Камера управляется автоматически. Электроды камеры выполняются в виде очень тонких параллельных проволочек , расположенных на расстоянии около 1мм. Искра при попадании в проволочку вызывает в ней слабый ток , который фиксируется и подается на вычислительную машину. Можно помещать многотонные металлические пластины для увеличения вероятности обнаружения редких реакций.
Закрепление : п 58 и ответить на вопросы:
В чем преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона ?
Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона?
Можно ли в камере Вильсона увидеть трек частицы , не имеющей электрического заряда ?
Почему с помощью счетчика Гейгера не регистрируются альфа-частицы?
Чем объясняется , что счетчик Гейгера регистрирует возникновение ионизированных частиц и тогда , когда поблизости от него нет радиоактивного препарата ?
