A. Методы регистрации

Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Технология: проблемно-диалогическая.

Цель урока: организовать деятельность учащихся по изучению и первичному закреплению знаний о методах регистрации заряженных частиц.

Оборудование: компьютер и мультимедиа-проектор, Презентация .

Способы регистрации заряженных частиц

Сегодня кажется почти неправдоподобным, сколько открытий в физике атомного ядра было сделано с использованием природных источников радиоактивного излучения с энергией всего лишь несколько МэВ и простейших детектирующих устройств. Открыто атомное ядро, получены его размеры, впервые наблюдалась ядерная реакция, обнаружено явление радиоактивности , открыты нейтрон и протон, предсказано существование нейтрино и т.д. Основным детектором частиц долгое время была пластинка, с нанесенным на нее слоем сернистого цинка. Частицы регистрировались глазом по производимым ими в сернистом цинке вспышкам света.

Со временем экспериментальные установки становились все сложней. Развивалась техника ускорения и детектирования частиц, ядерная электроника. Успехи в физике ядра и элементарных частиц все в большей степени определяются прогрессом в этих областях. Нобелевские премии по физике часто присуждаются за работы в области техники физического эксперимента.

Детекторы служат как для регистрации самого факта наличия частицы так и для определения её энергии и импульса, траектории движения частицы и др. характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами.

Обычно в экспериментах по физике ядра и частиц необходимо выделять «нужные» события на гигантском фоне «ненужных» событий, может быть одно из миллиарда. Для этого используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации.

Регистрация заряженных частиц основана на явлении ионизации или возбуждении атомов, которое они вызывают в веществе детектора. На этом основана работа таких детекторов как камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.

1. Счётчик Гейгера

Счётчик Гейгера представляет собой, как правило, цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока - анод. Система заполнена газовой смесью. При прохождении через счётчик заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду - нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к коронному разряду. Амплитуда сигнала достигает нескольких вольт и легко регистрируется. Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию частицы.

2. Камера Вильсона

Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).

Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. Для создания пересыщенного пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа. В камере Вильсона треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10 –3 -10 –4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.

3. Пузырьковая камера

Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.).

Принцип действия основан на вскипании перегретой жидкости вдоль трека заряженной частицы. Пузырьковая камера представляет собой сосуд, заполненный прозрачной перегретой жидкостью. При быстром понижении давления, вдоль трека ионизирующей частицы образуется цепочка пузырьков пара, которые освещаются внешним источником и фотографируются. После фотографирования следа давление в камере повышается, пузырьки газа схлопываются и камера снова готова к работе. В качестве рабочей жидкости в камере используется жидкий водород одновременно служащий водородной мишенью для исследования взаимодействия частиц с протонами.

Камера Вильсона и пузырьковая камера имеют огромное преимущество, которое заключается в том, что можно непосредственно наблюдать все заряженные частицы, образующиеся в каждом акте реакции. Для того, чтобы определить тип частицы и ее импульс камеры Вильсона и пузырьковые камеры помещают в магнитное поле. Пузырьковая камера имеет большую плотность вещества детектора по сравнению с камерой Вильсона и поэтому пробеги заряженных частиц полностью заключены в объёме детектора. Расшифровка фотографий с пузырьковых камер представляет отдельную трудоемкую проблему.

4. Ядерные эмульсии

Аналогично, как это происходит в обычной фотографии, заряженная частица нарушает вдоль своего пути структуру кристаллической решётки зерен галоидного серебра делая их способными к проявлению. Ядерная эмульсия является уникальным средством для регистрации редких событий. Стопки ядерных эмульсий позволяют регистрировать частицы очень больших энергий. С их помощью можно определить координаты трека заряженной частицы с точностью ~1 микрона. Ядерные эмульсии широко используются для регистрации космических частиц на шарах-зондах и космических аппаратах.
Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатины с диспергированными в ней зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом.

5. Сцинтиляционный детектор

Сцинтиляционный детектор использует свойство некоторых веществ светиться (сцинтилировать) при прохождении заряженной частицы. Кванты света, образующиеся в сцинтиляторе, затем регистрируются с помощью фотоумножителей.

Современные измерительные установки в физике высоких энергий представляют из себя сложные системы, включающие десятки тысяч счетчиков, сложную электронику и способны одновременно регистрировать десятки частиц, рождающихся в одном столкновении.

Изучение строения атомного ядра неразрывно связано с рассмотрением явлений самопроизвольного или вынужденного распада атомного ядра и ядерных частиц. Исследуя осколки разрушившегося атомного ядра, прослеживая судьбу этих осколков, мы получаем возможность делать заключения о структуре ядра и о ядерных силах.

Вполне естественно, что вначале были детально изучены явления самопроизвольного распада ядер, т. е. радиоактивные явления. Параллельно с этим началось изучение космических лучей - радиации, обладающей исключительной проникающей силой и приходящей к нам из космического пространства. Взаимодействуя с веществом, частицы космического излучения играют роль частиц-снарядов. Долгое время исследование космических лучей было важнейшим способом изучения взаимопревращаемости элементарных частиц и даже в какой-то степени методом изучения атомного ядра. В настоящее время основное значение приобретают исследования разрушений атомного ядра бомбардировкой потоками частиц, создаваемых в ускорителях.

Экспериментальные методы, о которых пойдет сейчас речь, одинаково применимы к изучению космических лучей и частиц, возникающих в результате ядерной бомбардировки тех или иных мишеней.

Следовые камеры.

Первым прибором, позволяющим видеть след (трек) частицы, явилась камера Вильсона. Если через камеру, содержащую пересыщенные водяные пары, пролетит быстрая частица, создавшая на своем пути ионы, то за такой частицей остается след, весьма похожий на «хвост», который иногда остается в небе после самолета. Этот след создан сконденсировавшимся паром. Ионы, отмечающие путь частицы, являются центрами конденсации пара - в этом причина возникновения хорошо видимого следа. След частицы можно и наблюдать непосредственно, и фотографировать.

Чтобы регулировать состояние пара в камере, объем камеры меняют движением поршня. Быстрым адиабатическим расширением пар приводится в состояние пересыщения.

Если следовая камера помещена в магнитное поле, то по кривизне траектории можно определять либо скорость частицы при известном отношении либо, наоборот, при известной скорости (ср. формулы на стр. 406).

Камера Вильсона уже принадлежит истории. Поскольку камера заполнена газом, столкновения редки. Очень велико время «очищения» камеры: фотографии могут сниматься лишь через 20 секунд. Наконец, след живет время порядка секунды, что может привести к смещению картин.

В 1950 г. была предложена пузырьковая камера, которая играет большую роль в физике элементарных частиц. Веществом камеры является перегретая жидкость. Заряженная частица образовывает ионы, а около ионов создаются пузырьки, которые и делают след видимым. В такой камере можно получать 10 фотографий в секунду. Самым большим недостатком камеры является невозможность управлять ее включением. Поэтому зачастую нужны тысячи фотографий, чтобы отобрать одну, фиксирующую исследуемое явление.

Большое значение имеют искровые камеры, основанные на ином принципе. Если на плоский конденсатор наложить высокое напряжение, то между пластинами проскочит искра. Если в зазоре имеются ионы, то искра проскочит при меньшем напряжении. Таким образом, ионизующая частица, пролетающая между обкладками, создает искру.

В искровой камере сама частица включает высокое напряжение между обкладками конденсатора на миллионную долю секунды. Однако достоинства в отношении возможности включения в нужный момент ослабляются недостатками: видны лишь частицы, образующие угол не более 45° с пластинками, след очень короток и не все вторичные явления успевают проявить себя.

Недавно советские исследователи предложили новый тип следовой камеры (так называемой стримерной камеры), уже нашедшей широкое применение. Блок-схема такой камеры показана на рис. 237. Частица, попадающая между пластинами, расположенными, в отличие от искровой камеры, на большом расстоянии друг от друга, обнаруживается счетчиком. Электронно-логическое устройство

различает первичные события и выбирает то, которое интересует экспериментатора. В этот момент высокое напряжение на короткое время подается на пластины. Ионы, образовавшиеся на пути прохождения частицы, образуют черточки (стримеры), которые и фотографируются. Путь частицы обрисован этими черточками.

Если фотография снята вдоль направления черточек, то путь частицы выглядит, как пунктирная линия.

Успех работы стримерной камеры зависит от правильной корреляции образования электронной лавины от первичного иона с параметрами импульса высокого напряжения. В смеси 90% неона и 10% гелия при расстоянии между пластинами 30 см хорошие результаты получаются при напряжении 600 000 В и времени импульса При этом импульс должен накладываться не позже чем через с после первичного акта ионизации. Следовая камера этого типа представляет собой сложную дорогую установку, которая ушла так же далеко от камеры Вильсона, как современные ускорители частиц от электронной трубки.

Ионизационные счетчики и ионизационные камеры.

Ионизационное устройство, предназначенное для работы с излучением, большей частью представляет собой цилиндрический конденсатор, наполненный газом; одним электродом является цилиндрическая обкладка, а другим - нить или острие, идущие по оси цилиндра (рис. 237а). Напряжение, прикладываемое к конденсатору, и давление газа, заполняющего счетчик, должны быть подобраны специальным образом в зависимости от постановки задачи. В распространенной разновидности такого устройства, называемой счетчиком Гейгера, к цилиндру и нити прикладывают напряжение пробоя. Если через стенку или через торец такого счетчика в него попадет

ионизующая частица, то через конденсатор пойдет импульс тока, продолжающийся до тех пор, пока первичные электроны и созданные ими электроны и ионы самостоятельного разряда не подойдут к положительной обкладке конденсатора. Этот импульс тока можно усилить обычными радиотехническими методами и фиксировать прохождение частицы через счетчик либо щелчком, либо световой вспышкой, либо, наконец, цифровым счетчиком.

Такое устройство может считать количество частиц, поступающих в прибор. Для этого необходимо лишь одно: импульс тока должен прекратиться к моменту, когда в счетчик поступает следующая частица. Если режим работы счетчика подобран неправильно, то счетчик начинает «захлебываться» и считает неверно. Разрешающая способность ионизационного счетчика ограничена, но все же достаточно велика: до частиц в секунду.

Можно понизить напряжение и добиться такого режима, при котором через конденсатор проходил бы импульс тока, пропорциональный числу образованных ионов (пропорциональный счетчик). Для этого нужно работать в области несамостоятельного газового разряда. Первичные электроны, двигаясь в электрическом поле конденсатора, набирают энергию. Начинается ионизация ударом, создаются новые ионы и электроны. Созданные влетевшей в счетчик частицей начальные пар ионов превращаются в пар ионов. При работе в режиме несамостоятельного разряда коэффициент усиления будет постоянной величиной и пропорциональные счетчики не только установят факт прохождения частицы через счетчик, но и измерят ее ионизующую способность.

Разряд в пропорциональных счетчиках, так же как и в описанных выше счетчиках Гейгера, гаснет с прекращением ионизации. Отличие счетчика Гейгера заключается в том, что в нем влетевшая частица действует наподобие спускового механизма и время пробоя не находится в связи с первоначальной ионизацией.

Так как пропорциональные счетчики реагируют на ионизующую способность частицы, то режим работы счетчика может быть подобран так, чтобы он отмечал только частицы определенного сорта.

Если прибор работает в режиме тока насыщения (чего можно добиться, снижая напряжение), то ток через него является мерой энергии излучения, поглощаемой в объеме прибора за единицу времени. В этом случае устройство называют ионизационной камерой. Коэффициент усиления равняется в этом случае единице. Преимуществом ионизационной камеры является большая устойчивость работы. Конструкции ионизационных камер могут значительно варьировать. Наполнение камеры, материалы стенок, число и форма электродов меняются в зависимости от цели исследования. Наряду с крошечными камерами с объемом порядка кубического миллиметра приходится иметь дело с камерами объемом до сотни метров. Под действием постоянного источника ионизации в камерах возникают токи в пределах от до

Сцинтилляционные счетчики.

Метод счета вспышек флуоресцирующего вещества (сцинтилляций) как средство счета элементарных частиц был впервые применен Резерфордом для его классических исследований строения атомного ядра. Современное воплощение этой идеи мало напоминает простенький прибор Резерфорда.

Частица вызывает световую вспышку в твердом веществе - фосфоре. Известно весьма большое число органических и неорганических веществ, обладающих способностью преобразовывать энергию заряженных частиц и фотонов в световую энергию. Многие фосфоры обладают весьма малой длительностью послесвечения, порядка миллиардных долей секунды. Это позволяет строить сцинтилляционные счетчики с большой скоростью счета. У ряда фосфоров световой выход пропорционален энергии частиц. Это дает возможность конструировать счетчики для оценки энергии частиц.

В современных счетчиках фосфоры комбинируют с фотоумножителями, имеющими обычные фотокатоды, чувствительные к видимому свету. Электрический ток, создаваемый в умножителе, усиливается и далее направляется на счетное приспособление.

Наиболее часто применяемые органические фосфоры: антрацен, стильбен, терфенил и т. д. Все эти химические соединения принадлежат к классу так называемых ароматических соединений, построенных из шестиугольников углеродных атомов. Для применения в качестве сцинтилляторов надо брать эти вещества в виде монокристаллов. Так как выращивание крупных монокристаллов несколько затруднительно и так как кристаллы органических соединений весьма хрупки, то существенный интерес представляет применение пластических сцинтилляторов, - так называют твердые растворы органических фосфоров в прозрачных пластмассах - полистироле или другом аналогичном высокополимерном веществе. Из неорганических фосфоров применяются галогениды щелочных металлов, сернистый цинк, вольфраматы щелочноземельных металлов.

Счетчики Черенкова.

Еще в 1934 г. Черенковым было показано, что при движении быстрой заряженной частицы в совершенно чистом жидком или твердом диэлектрике возникает особое свечение, принципиально отличное как от свечения флуоресценции, связанного с энергетическими переходами в атомах вещества, так и от тормозного излучения типа рентгеновского сплошного спектра. Излучение Черенкова имеет место в том случае, если заряженная частица движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в диэлектрике. Основная особенность излучения состоит в том, что оно распространяется вдоль конической поверхности вперед по направлению движения частицы. Угол конуса определяется формулой:

где есть угол образующей конуса с направлением движения частицы, V - скорость частицы, скорость света в среде. Таким образом, для среды с данным показателем преломления существует критическая скорость ниже которой излучения не будет. При этой критической скорости излучение будет параллельно направлению движения частицы. Для частицы, движущейся со скоростью, весьма близкой к скорости света будет наблюдаться максимальный угол излучения Для циклогексана

Спектр излучения Черенкова, как показывают опыт и теория, располагается в основном в видимой области.

Излучение Черенкова - явление, похожее на образование носовой волны от корабля, движущегося по воде; в этом случае скорость корабля больше, чем скорость волн на поверхности воды.

Рис. 2376 иллюстрирует происхождение излучения. Заряженная частица движется вдоль осевой линии и по пути электромагнитное поле, следующее за частицей, временно поляризует среду в точках траектории частицы.

Все эти точки становятся источниками сферических волн. Имеется один единственный угол, при котором эти сферические волны совпадут по фазе и образуют единый фронт.

Рассмотрим две точки на пути заряженной частицы (рис. 237в). Они создали сферические волны, одна в момент времени другая в момент времени Очевидно, есть время, которое затратила частица на прохождение пути между этими двумя точками. Для того чтобы эти две волны распространялись под каким-то углом 9 в одной фазе, необходимо, чтобы время хода первого луча было больше времени хода второго луча на время Путь, пройденный частицей за время равен Волна пройдет за это же время расстояние Отсюда мы и получаем приведенную выше формулу:

Излучение Черенкова используется в последнее время весьма широко как способ регистрации элементарных частиц. Счетчики, основанные на этом явлении, называются черепковскими счетчиками. Светящееся вещество соединяется, так же как и в сцинтилляционных счетчиках, с фотоумножителями и усилителями

фотоэлектрического тока. Существует множество конструкций счетчиков Черенкова.

У счетчиков Черенкова имеется множество преимуществ. К ним относятся быстрая скорость счета и возможность определения зарядов частиц, движущихся со скоростью, весьма близкой к скорости света (мы не сказали, что световой выход резко зависит от заряда частицы). Только при помощи счетчиков Черенкова могут решаться такие важные задачи как прямое определение скорости заряженной частицы, определение направления, в котором движется ультрабыстрая частица, и т. д.

Размещение счетчиков.

Для того чтобы изучать различные процессы превращения и взаимодействия элементарных частиц, необходимо иметь возможность не только отметить появление частицы в данном месте, но и проследить дальнейшую судьбу этой же частицы. Подобные задачи решаются с помощью специальных расположений счетчиков с обобщенной счетной схемой. Например, можно электрические схемы двух или нескольких счетчиков соединить таким способом, чтобы счет происходил лишь в том случае, если разряд во всех счетчиках начинается в точности в одно и то же время. Это может служить доказательством прохождения одной и той же частицы через все счетчики. Такое включение счетчиков называется «включением на совпадение».

Метод толстослойных фотографических эмульсий.

Как известно, фоточувствительным слоем фотопластинок служит желатиновая пленка, в которую введены микрокристаллики бромистого серебра. Основой фотографического процесса является ионизация этих кристалликов, в результате которой происходит восстановление бромистого серебра. Этот процесс происходит не только под действием света, но и под действием заряженных частиц. Если через эмульсию пролетит заряженная частица, то в эмульсии возникнет скрытый след, который можно увидеть после проявления фотопластинки. Следы в фотоэмульсии рассказывают много подробностей о вызвавшей их частице. Сильно ионизующие частицы оставляют более жирные следы. Так как ионизация зависит от заряда и скорости частиц, то уже один только вид следа говорит о многом. Ценные сведения дает величина пробега (трека) частицы в фотоэмульсии; измеряя длину следа, можно определить энергию частицы.

Исследования при помощи обычных фотопластинок с тонкими эмульсиями мало пригодны для целей ядерной физики. Такие пластинки фиксировали бы только те частицы, которые движутся строго вдоль пластинки. Мысовским и Ждановым, а также через несколько лет Пауэллом в Англии были введены в обиход фотопластинки с толщиной эмульсии, близкой к (у обычных пластинок толщина слоя в сто раз меньше). Фотометод ценен своей наглядностью, возможностью наблюдать сложную картину превращения, происходящего при разрушении какой-либо частицы.

На рис. 238 приведена характерная фотография, полученная этим Методом. В точках произошли ядерные превращения.

В последнем варианте этого метода в качестве среды, в которой фиксируются треки частиц, применяют эмульсионные камеры значительного объема.

Методы анализа наблюдений.

При помощи описанных приборов исследователь получает возможность определить все важнейшие константы элементарной частицы: скорость и энергию, электрический заряд, массу; все эти параметры могут быть определены с достаточно высокой точностью. При наличии потока частиц можно, кроме того, определить значение спина элементарной частицы и ее магнитного момента. Это делается тем же опытом расщепления пучка в магнитном поле, который был описан на стр. 171.

Следует помнить, что непосредственно наблюдаются лишь заряженные частицы. Все данные о нейтральных частицах и о фотонах получаются косвенно изучением характера действия этих невидимых частиц на заряженные. Данные, получаемые о невидимых частицах, обладают, тем не менее, большой степенью достоверности.

Существенную роль при исследовании всякого рода превращений элементарных частиц играет применение законов сохранения импульса и энергии. Так как мы имеем дело с быстрыми частицами, то, применяя закон сохранения энергии, необходимо учитывать возможное изменение массы.

Предположим, что на фотографии наблюдается след частиц в виде «вилки». Первая частица превратилась в две частицы: вторую и третью. Тогда должны выполняться следующие соотношения. Во-первых, импульс первой частицы должен равняться векторной сумме импульсов возникших частиц:

где разность масс

Весь опыт ядерной физики показывает, что законы сохранения выполняются неукоснительно при любых превращениях элементарных частиц. Это позволяет воспользоваться этими законами для выяснения свойств нейтральной частицы, не оставляющей следа в фотографической эмульсии и не ионизующей газа. Если на фотопластинке наблюдаются два расходящихся трека, то исследователю ясно: в точке, откуда эти следы расходятся, произошло превращение нейтральной частицы. Определяя импульсы, энергии и массы возникших частиц, можно сделать уверенные выводы о значении параметров нейтральной частицы. Так был открыт нейтрон, такими способами мы судим о нейтрино и нейтральных мезонах, о которых будет рассказано ниже.

Цели урока

• Образовательная: дать представление о методах регистрации заряженных частиц, раскрыть особенности каждого метода, выявить основные закономерности, изучить применение методов.
• Развивающая: развивать память, мышление, восприятие, внимание, речь через индивидуальную подготовку к уроку; развивать навыки работы с дополнительной литературой и ресурсами Internet .
• Воспитательная: развивать учебную мотивацию, воспитывать патриотизм через изучение вклада отечественных учёных в мировую науку.

Ход урока

І. Ознакомьтесь с теоретическим материалом.

Теоретические сведения

Для изучения ядерных явлений были разработаны многочисленные методы регистрации элементарных частиц и излучений. Рассмотрим некоторые из них, которые наиболее широко используются.

1) Газоразрядный счётчик Гейгера

Счётчик Гейгера - один из важнейших приборов для автоматического счёта частиц. Счётчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод).

Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счётчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон, Υ-частица и т.д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создаёт положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергии, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счётчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подаётся в регистрирующее устройство. Для того чтобы счётчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически.

Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и Y-квантов (фотонов большой энергии).Однако непосредственно Y-кванты вследствие их малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого Y-кванты выбивают электроны.

Счётчик регистрирует почти все попадающие в него электроны; что же касаетсяY- квантов, то он регистрирует приблизительно только один Y-квант из ста. Регистрация тяжёлых частиц (например, Ј-частиц) затруднена, так как сложно сделать в счётчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.

2) Камера Вильсона

Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создаёт вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.

Прибор представляет собой цилиндр с поршнем 1 (рис. 2), накрытый плоской стеклянной крышкой 2. Рабочий объем камеры заполнен газом, который содержит насыщенный пар. При быстром перемещении поршня вниз газ в объеме адиабатически расширяется и охлаждается, при этом становясь перенасыщенным. Когда в этом пространстве пролетает частица, создающая на своем пути ионы, то на этих ионах образуются капельки сконденсировавшегося пара. В камере возникает след траектории частицы (трек) в виде полоски тумана (рис.3), который можно наблюдать и фотографировать. Трек существует десятые доли секунды. Вернув поршень в исходное положение и удалив ионы электрическим полем, можно вновь выполнить адиабатное расширение. Таким образом, опыты с камерой можно проводить многократно.

Если камеру поместить между полюсами электромагнита, то возможности камеры по изучению свойств частиц значительно расширяются. В этом случае на движущуюся частицу действует сила Лоренца, что позволяет по искривлению траектории определить значение заряда частицы и ее импульс. На рисунке 4 приведен возможный вариант расшифровки фотографии треков электрона и позитрона. Вектор индукции В магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости чертежа за чертеж. Влево отклоняется позитрон, вправо — электрон.

3 ) Пузырьковая камера

Отличается от камеры Вильсона тем, что перенасыщенные пары в рабочем объеме камеры заменяются перегретой жидкостью, т.е. такой жидкостью, которая находится под давлением, меньшим давления ее насыщенных паров.

Пролетая в такой жидкости, частица вызывает возникновение пузырьков пара, образуя тем самым трек (рис.5).

В исходном состоянии поршень сжимает жидкость. При резком понижении давления температура кипения жидкости оказывается меньше температуры окружающей среды.

Жидкость переходит в неустойчивое (перегретое) состояние. Это и обеспечивает появление пузырьков на пути движения частицы. В качестве рабочей смеси применяются водород, ксенон, пропан и некоторые другие вещества.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

4) Метод толстослойных фотоэмульсий

Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующие действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки. 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. При появлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зёрен серебра образует трек частицы.

По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими, но при фотографировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсии состоит в том, что время экспозиции может быть сколько угодно большим. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсии увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.

5) Сцинтилляционный метод

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и электронных устройств для усиления и подсчета импульсов.Сцинтиллятор преобразует энергию ионизирующего излучения в кванты видимого света, величина которых зависит от типа частиц и материала сцинтиллятора. Кванты видимого света, попав на фотокатод, выбивают из него электроны, число которых многократно увеличивается фотоумножителем. В результате этого на выходе фотоумножителя образуется значительный импульс, который затем усиливается и сосчитывается пересчетной установкой. Таким образом, за счет энергии a -или b -частицы, g -кванта или другой ядерной частицы в сцинтилляторе появляется световая вспышка-сцинтилляция, которая затем с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) преобразуется в импульс тока и регистрируется.

ІІ. Используя теоретический материал и ресурсы Internet, заполните таблицу

Спинтарископ

Счётчик Гейгера

Камера Вильсона

Пузырьковая камера

2. Устройство

3. Информация о частице

4. Тип частиц

5. Преимущества

6. Недостатки

7. Физические законы

8. Принцип работы

9. Открытия, сделанные с использованием прибора

ІІІ. Выполните лабораторную работу

Тема: «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»

Цель: провести идентификацию заряженной частицы по результатам сравнения ее трека с треком протона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле; оценить погрешность эксперимента, систематизировать полученные из анализа треков на фотографиях сведения, сформировать выводы и заключения.

Оборудование: готовая фотография двух треков заряженных частиц. I трек- протон, II - частица, которую необходимо идентифицировать.

Пояснения

При выполнении данной лабораторной работы следует помнить, что:

• длина трека тем больше, чем больше энергия частицы (и чем меньше плотность среды);
• толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость;
• при движении заряженной частицы в магнитном поле трек ее получается искривленным, причем радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше ее заряд и модуль индукции магнитного поля.
• частица двигалась от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшим радиусом кривизны (радиус кривизны по мере движения уменьшается, так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы).

1. Ознакомьтесь с фотографией треков двух заряженных частиц. (Трек I принадлежит протону, трек II - частице, которую надо идентифицировать) (см. рис.1) .
2. Измерьте радиусы кривизны треков, на их начальных участках (см. рис. 2).

Здесь будет изображение:

Табличная частица

Относительная погрешность,

6. Дополнительное задание.

а) В каком направлении двигались частицы?

б) Длина треков частиц примерно одинакова. О чем это говорит?

в) Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует?

Здесь будет файл: /data/edu/files/y1445085758.doc (Лариса Белова: Методы регистрации заряженных частиц)

Сегодня мы поговорим об экспериментальных методах исследования частиц. На уроке мы обсудим, как с помощью альфа-частиц, образующихся в результате распада радиоактивного элемента радия, можно изучить внутреннее строение атомов. Также поговорим об экспериментальных методах исследования частиц, входящих в состав атома.

Тема: Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер

Урок 54. Экспериментальные методы исследования частиц

Ерюткин Евгений Сергеевич

Данный урок будет посвящен обсуждению экспериментальных методов регистрации частиц. Ранее мы говорили о том, что в начале ХХ века появился инструмент, с помощью которого можно изучать строение атома и строение ядра. Это a-частицы, которые образуются в результате радиоактивного распада.

Чтобы регистрировать те частицы и излучения, которые образуются в результате ядерных реакций, нужны какие-то новые методы, отличные от использующихся в макромире. Кстати, в опытах Резерфорда уже использовался один такой метод. Он называется методом сцинтилляций (вспышек). В 1903 г. было обнаружено, что если a-частица попадает на сернистый цинк, то в том месте, куда она попала, возникает небольшая вспышка. Это явление и было положено в основу сцинтилляционного метода.

Этот метод был все же несовершенен. Приходилось очень тщательно наблюдать за экраном, чтобы увидеть все вспышки, глаз уставал: ведь приходилось пользоваться микроскопом. Возникла необходимость в новых способах, которые давали бы возможность более четко, быстро и достоверно регистрировать те или иные излучения.

Такой способ впервые бы предложен сотрудником лаборатории, которой руководил Резерфорд, - Гейгером. Он создал прибор, способный «считать» заряженные частицы, попадающие в него, т.н. счетчик Гейгера. После того как немецкий ученый Мюллер усовершенствовал этот самый счетчик, он стал называться счетчиком Гейгера - Мюллера.

Как же он устроен? Счетчик этот газоразрядный, т.е. работает по такому принципу: внутри этого самого счетчика, в главной его части, образуется газовый разряд при пролете частицы. Напомню, что разряд - это протекание электрического тока в газе.

Рис. 1. Принципиальная схема счетчика Гейгера-Мюллера

Стеклянный баллон, внутри которого расположены анод и катод. Катод представлен в виде цилиндра, а внутри этого цилиндра протянут анод. Между катодом и анодом за счет источника тока создается достаточно высокое напряжение. Между электродами, внутри вакуумного баллона находится, как правило, инертный газ. Делается это специально, чтобы создать в дальнейшем тот самый электрический разряд. Кроме этого, в схеме присутствует высокое (R~10 9 Ом) сопротивление. Нужно оно, чтобы погасить ток, протекающий в этой цепи. А работа счетчика происходит следующим образом. Как мы знаем, частицы, которые образуются в результате ядерных реакций, обладают достаточно большой проникающей способностью. Поэтому стеклянный баллон, внутри которого находятся указанные элементы, не представляет для них какой-либо преграды. В результате частица проникает внутрь этого газоразрядного счетчика, ионизирует газ, который находится внутри. В результате такой ионизации образуются энергичные ионы, которые в свою очередь сталкиваются и создают, сталкиваясь между собой, лавину заряженных частиц. Эта лавина заряженных частиц будет состоять из ионов отрицательных, положительно заряженных, а также из электронов. И когда проходит эта лавина, мы можем зафиксировать электрический ток. Это и даст нам возможность понять, что через газоразрядный счетчик прошла частица.

Удобен тем, что в одну секунду такой счетчик может регистрировать приблизительно 10000 частиц. После некоторого усовершенствования этот счетчик стал регистрировать еще и g-лучи.

Конечно, счетчик Гейгера - удобная вещь, которая дает возможность определить существование вообще радиоактивности. Однако определить параметры частицы, провести с этими частицами какие-либо исследования, счетчик Гейгера - Мюллера не позволяет. Для этого нужны совсем другие способы, совсем другие методы. Вскоре после создания счетчика Гейгера, появились такие методы, такие устройства. Одно из самых известных и распространенных - камера Вильсона.

Рис. 2. Камера Вильсона

Обратите внимание на устройство камеры. Цилиндр, внутри которого располагается поршень, который может ходить вверх-вниз. Внутри на этом поршне находится темная ткань, смоченная спиртом и водой. Верхняя часть цилиндра закрыта прозрачным материалом, как правило, это достаточно плотное стекло. Над ним располагается фотоаппарат, чтобы производить фотографирование того, что будет происходить внутри камеры Вильсона. Чтобы все это было видно очень хорошо, с левой стороны производится подсветка. Через окошко, справа, направляется поток частиц. Эти частицы, попадая внутри в среду, которая состоит из воды и спирта, будут с частицами воды и частицами спирта взаимодействовать. Тут как раз и кроется самое интересное. Пространство между стеклом и поршнем заполнено парами воды и спирта, образующимися в результате испарения. Когда поршень резко опускается вниз, то давление понижается и пары, которые здесь находятся, приходят в очень неустойчивое состояние, т.е. готовы перейти в жидкость. Но поскольку в это пространство помещаются чистые спирт и вода, без примесей, то какое-то время (оно может быть и достаточно большим) такое неравновесное состояние сохраняется. В момент, когда в область такого перенасыщения попадают заряженные частицы, они и становятся теми центрами, на которых начинается конденсация пара. Причем, если попадают отрицательные частицы, они взаимодействуют с одними ионами, а если положительные - то с ионами другого вещества. Там, где эта частица пролетела, остается так называемый трек, проще говоря, след. Если камеру Вильсона теперь поместить в магнитное поле, то частицы, которые обладают зарядами, начинают в магнитном поле отклоняться. А дальше все очень просто: если частица положительно заряженная, то она отклоняется в одну сторону. Если отрицательная - в другую. Так мы можем определить знак заряд, а по радиусу того самого закругления, по которому частица движется, мы можем определить или оценить массу этой частицы. Теперь можно говорить о том, что мы можем получить полноценную информацию о частицах, из которых состоит то или иное излучение.

Рис. 3. Треки частиц в камере Вильсона

У камеры Вильсона есть один недостаток. Те самые треки, которые образуются в результате прохождения частиц, недолговечны. Каждый раз приходится снова готовить камеру, чтобы получить новую картину. Поэтому сверху над камерой и располагается фотоаппарат, который регистрирует те самые треки.

Естественно, - это не последнее устройство, которое используют для регистрации частиц. В 1952 г. было изобретено устройство, которое получило название пузырьковой камеры. Принцип работы у нее примерно такой же, как у камеры Вильсона; только работа проводится с перегретой жидкостью, т.е. в состоянии, когда жидкость вот-вот готова закипеть. В этот момент через такую жидкость пролетают частицы, которые и создают центры образования пузырьков. Треки, образованные в такой камере, сохраняются гораздо дольше, и этим камера удобнее.

Рис. 4. Внешний вид пузырьковой камеры

В России был создан еще один метод наблюдения за радиоактивными различными частицами, распадами, реакциями. Это метод толстослойных фотоэмульсий. Частицы попадают в эмульсии, приготовленные определенным образом. Взаимодействуя с частицами эмульсий, они не просто создают треки, но треки, которые уже сами по себе представляют фотографию, которую мы получаем, когда фотографируем треки в камере Вильсона или в пузырьковой камере. Это гораздо удобнее. Но и здесь есть один важный недостаток. Чтобы фотоэмульсионный метод работал довольно долгое время, должно происходить постоянное проникновение, попадание образовавшихся новых частиц или излучений, т.е. регистрировать кратковременные импульсы таким способом проблематично.

Можно говорить и о других методах: например, есть такой метод, как искровая камера. Там в результате протекания радиоактивных реакций по следу движения частицы образуются искры. Их тоже хорошо видно и легко регистрировать.

На сегодняшний день чаще всего используют полупроводниковые датчики, которые и компактны, и удобны, и дают достаточно хороший результат.

О том, какие же открытия удалось сделать при помощи описанных выше методов, мы поговорим на следующем уроке.

Список дополнительной литературы

1. Боровой А.А. Как регистрируют частицы (по следам нейтрино). «Библиотечка “Квант”». Вып. 15. М.: Наука, 1981
2. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
4. Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
5. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа

Для дальнейшего развития ядерной физики (в частности, для исследования строения атомных ядер) необходимы были специальные устройства, с помощью которых можно было бы регистрировать ядра и различные частицы, а также изучать их взаимодействия.

Один из известных вам методов регистрации частиц - метод сцинтилляций - не даёт необходимой точности, так как результат подсчёта вспышек на экране в большой степени зависит от остроты зрения наблюдателя. Кроме того, длительное наблюдение оказывается невозможным, так как глаз быстро устаёт.

Более совершенным прибором для регистрации частиц является так называемый счётчик Гейгера, изобретённый в 1908 г. немецким физиком Гансом Гейгером.

Для рассмотрения устройства и принципа действия этого прибора обратимся к рисунку 159. Счётчик Гейгера состоит из металлического цилиндра, являющегося катодом (т. е. отрицательно заряженным электродом), и натянутой вдоль его оси тонкой проволочки - анода (т. е. положительного электрода). Катод и анод через сопротивление R присоединены к источнику высокого напряжения (порядка 200-1000 В), благодаря чему в пространстве между электродами возникает сильное электрическое поле. Оба электрода помещают в герметичную стеклянную трубку, заполненную разреженным газом (обычно аргоном).

Рис. 159. Схема устройства счётчика Гейгера

Пока газ не ионизирован, ток в электрической цепи источника напряжения отсутствует. Если же в трубку сквозь её стенки влетает какая-нибудь частица, способная ионизировать атомы газа, то в трубке образуется некоторое количество электрон-ионных пар. Электроны и ионы начинают двигаться к соответствующим электродам.

Если напряжённость электрического поля достаточно велика, то электроны на длине свободного пробега (т. е. между соударениями с молекулами газа) приобретают достаточно большую энергию и тоже ионизируют атомы газа, образуя новое поколение ионов и электронов, которые тоже могут принять участие в ионизации, и т. д. В трубке образуется так называемая электронно-ионная лавина, в результате чего происходит кратковременное и резкое возрастание силы тока в цепи и напряжения на сопротивлении R. Этот импульс напряжения, свидетельствующий о попадании в счётчик частицы, регистрируется специальным устройством.

Поскольку сопротивление R очень велико (порядка 10 9 Ом), то в момент протекания тока основная доля напряжения источника падает именно на нём, в результате чего напряжение между катодом и анодом резко уменьшается и разряд автоматически прекращается (так как это напряжение становится недостаточным для образования новых поколений электронн-ионных пар). Прибор готов к регистрации следующей частицы.

Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов, но существуют модели, пригодные и для регистрации γ-квантов.

Счётчик позволяет только регистрировать тот факт, что через него пролетает частица. Гораздо большие возможности для изучения микромира даёт прибор, изобретённый шотландским физиком Чарлзом Вильсоном в 1912 г. и называемый камера Вильсона.

Камера Вильсона (рис. 160) состоит из невысокого стеклянного цилиндра СС со стеклянной крышкой LL (на рисунке цилиндр показан в разрезе). Внутри цилиндра может двигаться поршень Р. На дне камеры находится чёрная ткань FF. Благодаря тому что ткань увлажнена смесью воды с этиловым спиртом, воздух в камере насыщен парами этих жидкостей.

Рис. 160. Схема устройства камеры Вильсона

При быстром движении поршня вниз находящиеся в камере воздух и пары жидкостей расширяются, их внутренняя энергия уменьшается, температура понижается.

В обычных условиях это вызвало бы конденсацию паров (появление тумана). Однако в камере Вильсона этого не происходит, так как из неё предварительно удаляются так называемые ядра конденсации (пылинки, ионы и пр.). Поэтому в данном случае при понижении температуры в камере пары жидкостей становятся пересыщенными, т. е. переходят в крайне неустойчивое состояние, при котором они будут легко конденсироваться на любых образующихся в камере ядрах конденсации, например на ионах.

Изучаемые частицы впускаются в камеру через тонкое окошко (иногда источник частиц помещают внутри камеры). Пролетая с большой скоростью через газ, частицы создают на своём пути ионы. Эти ионы и становятся ядрами конденсации, на которых пары жидкостей конденсируются в виде маленьких капелек (водяной пар конденсируется преимущественно на отрицательных ионах, пары этилового спирта - на положительных). Вдоль всего пути частицы возникает тонкий след из капелек (трек), благодаря чему её траектория движения становится видимой.

Если поместить камеру Вильсона в магнитное поле, то траектории заряженных частиц искривляются. По направлению изгиба следа можно судить о знаке заряда частицы, а по радиусу кривизны определять её массу, энергию, заряд.

Треки существуют в камере недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капельки испаряются. Чтобы получить новые следы, необходимо удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать воздух поршнем, выждать, пока воздух в камере, нагревшийся при сжатии, охладится, и произвести новое расширение.

Обычно треки частиц в камере Вильсона не только наблюдают, но и фотографируют. При этом камеру освещают сбоку мощным пучком световых лучей, как показано на рисунке 160.

С помощью камеры Вильсона был сделан ряд важнейших открытий в области ядерной физики и физики элементарных частиц.

Одной из разновидностей камеры Вильсона является изобретённая в 1952 г. пузырьковая камера. Она действует примерно по тому же принципу, что и камера Вильсона, но вместо пересыщенного пара в ней используется перегретая выше точки кипения жидкость (например, жидкий водород). При движении в этой жидкости заряженной частицы вдоль её траектории образуется ряд пузырьков пара. Пузырьковая камера обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.

Вопросы

1. По рисунку 159 расскажите об устройстве и принципе действия счётчика Гейгера.
2. Для регистрации каких частиц применяется счётчик Гейгера?
3. По рисунку 160 расскажите об устройстве и принципе действия камеры Вильсона.
4. Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле?
5. В чём преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона? Чем отличаются эти приборы?