Тема урока : Методы наблюдения и регистрации элементарных
частиц.
Цель урока : Объяснить учащимся устройство и принцип действия установок для регистрации и изучения элементарных частиц.
Тип урока : Урок усвоения новых знаний.
Эпиграф :
“ ….. воспитание творческих способностей
в человеке основывается на развитии
самостоятельного мышления”
П.П. Капица
Структура урока :
Организационный этап.
Приветствие учеников и гостей семинара. Проверка подготовленности уч-ся к учебному занятию
2. Цели и задачи урока. (Подготовка учащихся к работе на основном этапе)
Объявление цели урока (Сегодня на уроке вы узнаете с помощью каких приборов осуществляют наблюдение и регистрацию заряженных частиц, как они устроены и их принцип действия).
Изложение нового материала
Вначале проведем фронтальный опрос:
Что такое ионизация?
(Процесс распада нейтральных атомов на ионы и электроны)
Как получить пересыщенный пар?
(Ответ. Резко увеличить объём сосуда. При этом температура
понизится и пар станет пересыщенным.)
Что произойдёт с пересыщенным паром, если в нём появится частица?
(Ответ. Она явится центром конденсации, на ней образуется роса.)
Как влияет магнитное поле на движение заряженной частицы?
(Ответ. В поле скорость частицы меняется по направлению, но не по
модулю.)
Как называется сила, с которой магнитное поле действует на заряженную частицу? Куда она направлена?
(Ответ. Это сила Лоренца; она направлена к центру окружности.)
Вступительное слово преподавателя
Изучая квантовую физику, уже неоднократно упоминались выражения - атомное ядро и элементарные частицы. Однако элементарные частицы (например, электроны и ионы), а также атомные ядра невозможно увидеть ни в один микроскоп, даже электронный. Поэтому вначале ознакомимся с устройствами, благодаря которым возникла и начала развиваться физика атомного ядра и элементарных частиц. Именно они дают людям необходимую информацию о микромире.
Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы, подобно заряженному ружью со взведенным курком. Небольшое усилие при нажатии на спусковой крючок ружья вызывает эффект, не сравнимый с затраченным усилием, – выстрел.
Регистрирующий прибор – это более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу. В настоящее время используется много различных методов регистрации частиц.
В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам.
Сообщение № 1
Газоразрядный счетчик Гейгера
Счетчик Гейгера – один из важнейших приборов. Для автоматического счета частиц. Хорошие счетчики позволяют регистрировать до 10000 и более частиц в секунду. Счетчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод).
Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица, пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении нагрузки образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.
Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и у-квантов (фотонов большой энергии). При регистрации электронов эффективность счетчика порядка 100%, а при регистрации у-квантов – лишь около 1 %. Регистрация тяжелых частиц (например, а-частиц) затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.
Дополнение...
Усовершенствован был счетчик другим немецким физиком В. Мюллером, поэтому иногда этот счетчик называют счетчиком Гейгера-Мюллера.
Сообщение № 2
Камера Вильсона
Счетчики позволяют лишь, регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые ее характеристики. В камере же Вильсона быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или фотографировать. Этот прибор можно назвать «окном» в микромир.
Камера Вильсона состоит из невысокого стеклянного цилиндра со стеклянной крышкой. Внутри цилиндра может двигаться поршень. На дне камеры находится черная ткань. Благодаря тому, что ткань увлажнена смесью воды со спиртом, воздух в камере насыщен парами этих жидкостей.
Действие камеры Вильсона, созданной в 1912 г., основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах,
образующихся в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы.
Изучаемые частицы впускаются в камеру через тонкое окошко (иногда источник частиц помещают внутри камеры).При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под поршнем, пар в камере расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение и пар становится пересыщенным. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или после него, те ионы, которые она образует, будут действовать как центры конденсации. Возникающие на них капельки воды образуют след пролетевшей частицы - трек. Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счетчики. По длине треки можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оценивается ее скорость.
Помещая камеру в однородное магнитное поле (метод, предложенный советскими физиками П. Л. Капицей и Д. В. Скобельциным), можно по направлению изгиба траектории и ее кривизне определить знак заряда и отношение заряда к массе или импульс частицы (если ее заряд известен).
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.
Дополнение...
Кроме названия окно в микромир, камеру Вильсона называли «туманная камера»
В 1932 г. именно при помощи этой камеры Андерсон открыл позитрон-антиэлектрон.
Сообщение № 3
Пузырьковая камера
В 1952 г. американским ученым Д. Глейзером было предложено использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. Они состоят из стеклянного цилиндра, заполненного жидкостью и немного напоминают камеру Вильсона. В такой жидкости на ионах, образующихся при движении быстрой заряженной частицы, возникают пузырьки пара, дающие видимый трек. Камеры такого типа были названы пузырьковыми.
В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженные частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков состоящих из пузырьков пара. В качестве жидкостей используются главным образом жидкий водород и пропан.
Таким образом, действие пузырьковой камеры основано на вскипании перегретой жидкости.
Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры невелика - около 0,1с. 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.
Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере – один из главных источников информации о поведении и свойствах частиц.
Дополнение...
Размеры пузырьковых камер бывают от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров.
Сообщение № 4
Метод толстослойных фотоэмульсий
Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона применяются толстослойные фотоэмульсии. Этот метод проделывают при помощи фотопластины покрытой фотоэмульсией. Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Беккерелю открыть 1896г. радиоактивность. Метод фотоэмульсии был развит советскими физиками Л. В. Мысовским. А. П. Ждановым и др.
Действие этого метода основано на фотохимических реакциях.
Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряженная частица пронизывая, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро, и цепочка зерен серебра образует трек частицы. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими.
Преимущество фотоэмульсий состоит в непрерывном суммирующем действии. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря высокой тормозящей способности фотоэмульсий увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами. 
Дополнение...
Толщина слоя фотоэмульсии очень мала всего 200 мкм.
Именно этим методом используют на космических кораблях для исследования космических лучей.
Дополнение преподавателя
Кроме этих методов существуют некоторые другие:
Искровая камера. В 1959г. С. Фукуи и С. Миямото сконструировали искровую камеру, в которой трек частицы регистрируется по искровому разряду в неоне, аргоне. Вес ее достигает 10 тонн.
Сцинтилляционные счетчики. Сцинтилляция – это мерцание. Заряженная частица, ударяясь об экран, вызывает вспышку света. Наблюдая в микроскоп за экраном, ведется подсчет вспышек.
Закрепление изученного материала
5 . Подведение итогов урока .
Итак, сегодня мы с вами познакомились с методами регистрации частиц.
Мы рассказали далеко не о всех приборах, регистрирующих элементарные частицы. Современные приборы для обнаружения редко встречающихся и очень мало живущих частиц очень сложны. В их сооружении принимают участие сотни людей.
А теперь проведем тест на закрепление материала(слайды)
1.Действие счетчика Гейгера основано на
Ударной ионизации .
Выделении энергии частицей.
2.Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на образовании пузырьков пара в перегретой жидкости, называется
Толстослойная фотоэмульсия.
Счетчик Гейгера.
Фотокамера.
Камера Вильсона.
Пузырьковая камера.
3.Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы?
Можно, если они имеют маленькую массу (электрона)
Можно, если они имеют большую массу (нейтроны)
Можно, если они имеют маленький импульс
Можно, если они имеют большой импульс
Нельзя
4. Фотоэмульсионный метод регистрации заряженных частиц основан на
Ударной ионизации .
Расщеплении молекул движущейся заряженной частицей.
Образовании пара в перегретой жидкости.
Конденсации перенасыщенных паров.
Выделении энергии частицей.
5. Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на конденсации перенасыщенного пара, называется
Фотокамера
Камера Вильсона
Толстослойная фотоэмульсия
Счетчик Гейгера
Пузырьковая камера
6. Чем заполнена камера Вильсона
Парами воды или спирта .
Газом, обычно аргоном.
нагретым почти до кипения жидким водородом или пропаном
Химическими реагентами
7.что представляет собой трек, образованный методом толстослойной фотоэмульсии?
Цепочка капелек воды
Цепочка пузырьков пара
Лавина электронов
Цепочка зерен серебра
6 . Домашнее задание.
п. 97 лабораторная работа по физике
Тема: Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям
Цели: объяснить характер движения заряженных частиц
Приборы и материалы: фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона, пузырьковой камере и фотоэмульсии
Помните, 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 её скорость
при движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривлённым, причём радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше её заряд и модуль индукции магнитного поля
частица двигалась от конца трека с большим радиусом к концу трека с меньшим радиусом кривизны (радиус кривизны по мере движения уменьшения, так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы)
Задание:
I - треки α-частиц, II - треки α-частиц III - трек электрона
двигавшихся в камере Вильсона, в пузырьковой камере, в камере Вильсона находившейся в магнитном поле находившейся в магнитном поле
Рассмотрите фотографию I, и ответьте на вопросы:
в каком направлении двигались α-частицы? _________________________________
длина треков α-частиц примерно одинакова. О чём это говорит? _______________ _______________________________________________________________________
как менялась толщина трека по мере движения частиц? ____________________ что из этого следует? ____________________________________________________
Определите по фотографии II:
почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движения α-частиц? _______________________________________________________________________
в какую сторону двигались частицы? _______________________________________
Определите по фотографии III:
почему трек имеет форму спирали? _________________________________________
что могло случиться причиной того, что трек электрона (III) гораздо длиннее треков α-частиц (II) _____________________________________________________________
Доклад:
Методы регистрации элементарных частиц
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,£- 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. Так как в момент появления импульса тока падение напряжения на разгрузочном резисторе R велико, то напряжение между анодом и катодом резко уменьшается – настолько,что разряд прекращается.
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 касается Y- квантов,то он регистрирует приблизительно только один Y-квант из ста. Регистрация тяжёлых частиц (например, £-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. В цилиндре находятся насыщенные пары воды или спирта. В камеру вводится исследуемый радиоактивный препарат 3, который образует ионы в рабочем объеме камеры. При резком опускании поршня вниз, т.е. при адиабатном расширении, происходит охлаждение пара и он становится перенасыщенным. В этом состоянии пар легко конденсируется. Центрами конденсации становятся ионы, образованные пролетевшей в это время частицей. Так в камере появляется туманный след (трек) (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.
- 12 класс.
- Объяснить учащимся устройство и принцип действия установок для регистрации и изучения элементарных частиц.
- Что такое «атом» ?
- Каковы его размеры?
- Какую модель атома предложил Томсон?
- Какую модель атома предложил Резерфорд?
- Почему модель Резерфорда назвали «Планетарной моделью строения атома»?
- Каково строение атомного ядра?
- Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.
- Атом – «неделимый» (Демокрит).
- Молекула
- вещество
- микромир
- макромир
- мегамир
- Классическая физика
- Квантовая физика
- Проблема!
- Проблема!
- Мы начинаем с вами изучать физику атомного ядра, рассмотрим их различные превращения и ядерных (радиоактивных) излучений. Эта область знаний имеет большое научное и практическое значение.
- Многообразные применения в науке, медицине, технике, сельском хозяйстве получили радиоактивные разновидности атомных ядер.
- Сегодня мы рассмотрим устройства и методы регистрации, которые позволяют обнаружить микрочастицы, изучить их столкновения и превращения, т е. дают всю информацию о микромире, а на основе этого и о мерах защиты от облучения.
- Они дают нам информацию о поведении и характеристиках частиц: знак и величину электрического заряда, массу этих частиц, её скорость, энергию и т.д. С помощью регистрирующих приборов учёные смогли получить знания о «микромире».
- Регистрирующий прибор – это сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу.
- В настоящее время используется много разнообразных методов регистрации частиц.
- Счётчик Гейгера
- Камера Вильсона
- Пузырьковая камера
- Фотографические
- эмульсии
- Сцинтилляционный
- метод
- Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц
- Искровая камера
- В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводиться, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам.
|
|
|
|
- Используйте Ф – 12 класс, § 33, А.Е.Марон, Г.Я. Мякишев, Э Г Дубицкая
- служит для подсчета количества радиоактивных частиц (в основном электронов).
- Это стеклянная трубка, заполненная газом (аргоном), с двумя электродами внутри (катод и анод). При пролете частицы возникает ударная ионизация газа и возникает импульс электрического тока.
- Устройство:
- Назначение:
- Достоинства: -1. компактность -2. эффективность -3. быстродействие -4. высокая точность (10ООО частиц/с).
- Катод.
- Стеклянная трубка
- Где используется: - регистрация радиоактивных загрязнений на местности, в помещениях, одежды, продуктов и т.д. - на объектах хранения радиоактивных материалов или с работающими ядерными реакторами - при поиске залежей радиоактивной руды (U - уран, Th - торий).
- Счётчик Гейгера.
- 1882г. нем физик Вильгельм Гейгер.
- Различные виды счётчиков Гейгера.
- служит для наблюдения и фотографирования следов от пролета частиц (треков).
- Назначение:
- Внутренний объем камеры заполнен парами спирта или воды в перенасыщенном состоянии: при опускании поршня уменьшается давление внутри камеры и понижается температура, в результате адиабатного процесса образуется перенасыщенный пар. По следу пролета частицы конденсируются капельки влаги и образуется трек – видимый след.
- Стеклянная пластина
- Изобрёл прибор в 1912 году английский физик Вильсон для наблюдения и фотографирования следов заряженных частиц. Ему в 1927 году присуждена Нобелевская премия.
- Советские физики П.Л.Капица и Д.В.Скобельцин предложили помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле.
- При помещении камеры в магнитное поле по треку можно определить: энергию, скорость, массу и заряд частицы. По длине и толщине трека, по его искривлению в магнитном поле определяют характеристики пролетевшей радиоактивной частицы . Например, 1. альфа-частица дает сплошной толстый трек, 2. протон - тонкий трек, 3. электрон - пунктирный трек.
- Различные виды камер Вильсона и фотографии треков частиц.
- Вариант камеры Вильсона.
- При резком понижении поршня жидкость, находящаяся под высоким давлением, переходит в перегретое состояние. При быстром движении частицы по следу образуются пузырьки пара, т. е. жидкость закипает, виден трек.
- Преимущества перед камерой Вильсона: - 1. большая плотность среды, следовательно короткие треки - 2. частицы застревают в камере и можно проводить дальнейшее наблюдение частиц -3. большее быстродействие.
- 1952 год. Д.Глейзер.
- Различные виды пузырьковой камеры и фотографии треков частиц.
- 20-е г.г. Л.В.Мысовский, А.П.Жданов.
- - служит для регистрации частиц - позволяет регистрировать редкие явления из-за большого время экспозиции . Фотоэмульсия содержит большое количество микрокристаллов бромида серебра. Влетающие частицы ионизируют поверхность фотоэмульсий. Кристаллики AgВr (бромида серебра) распадаются под действием заряженных частиц и при проявлении выявляется след от пролета частицы - трек. По длине и толщине трека можно определить энергию и массу частиц.
- метод имеет такие преимущества:
- 1. Им можно регистрировать траектории всех частиц, пролетевших сквозь фотопластинку за время наблюдения.
- 2. Фотопластинка всегда готова для применения, (эмульсия не требует процедур, которые приводили бы ее в рабочее состояние).
- 3. Эмульсия обладает большой тормозящей способностью, обусловленной большой плотностью.
- 4. Он дает неисчезающий след частицы, которую потом можно, тщательно изучать.
- Недостатки метода: 1. длительность и 2. сложность химической обработки фотопластинок и 3. главное - много времени требуется для рассмотрения каждой пластинки в сильном микроскопе.
- В этом методе (Резерфорда) для регистрации используются кристаллы. Прибор состоит из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и электронной системы.
- Метод сцинтилляций
- Метод ударной ионизации
- Конденсация пара на ионах
- Метод толстослойных фотоэмульсий
- Частицы, попадающие на экран, покрытый специальным слоем, вызывают вспышки, которые можно наблюдать с помощью микроскопа.
- Газоразрядный счётчик Гейгера
- Камера Вильсона и пузырьковая камера
- Ионизирует поверхность фотоэмульсий
- Повторим:
- 1. Какую тему урока мы сегодня изучали?
- 2 Какую цели мы поставили перед изучением темы?
- 3. Мы с вами достигли поставленной цели?
- 4. В чём смысл девиза, который мы взяли к уроку нашему?
- 5. Вам тема урока понятна, для чего мы с ней знакомились?
- 1. Проверяем вместе вашу работу по таблице, оцениваем вместе, ставим оценку, учитывая вашу работу на уроке.
- 1. интернет – ресурсы.
- 2. Ф -12 кл,А.Е.Мякишев, Г.Я.Мякишев, Э.Г.Дубицкая.
Источники элементарных частиц
Для изучения элементарных частиц требуются их источники. До создания ускорителей в качестве таких источников использовались природные радиоактивные элементы и космические лучи. В космических лучах присутствуют элементарные частицы самых разных энергий вплоть до таких, которые нельзя получить сегодня искусственным путем. Недостаток космических лучей как источника частиц с высокими энергиями в том, что таких частиц очень немного. Появление частицы с высокой энергией в поле зрения прибора носит случайный характер.
Ускорители элементарных частиц дают потоки элементарных частиц, обладающих одинаково высокой энергией. Ускорители существуют различных типов: бетатрон, циклотрон, линейный ускоритель.
Расположенная недалеко от Женевы Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН *) является обладателем самого большого на сегодняшний день ускорителя элементарных частиц, построенного в кольцевом туннеле под землей на глубине 100 м. Общая длина туннеля составляет 27 км. (кольцо примерно 8.6 км в диаметре). Супер коллайдер должен был быть запущен в соответствии с программой в 2007 г. Около 4000 т металла будет охлаждено до температуры всего на 2° выше абсолютного нуля. В результате ток в 1,8 миллиона ампер будет проходить по сверхпроводящим кабелям почти без потерь.
Ускорители элементарных частиц являются настолько грандиозными сооружениями, что их называют пирамидами XX века.
* Аббревиатура CERN произошла от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Европейский Совет по Ядерным Исследованиям). В русском языке обычно используется аббревиатура ЦЕРН.
Методы регистрации элементарных частиц
1. Сцинтилляционные счетчики
Первоначально для регистрации элементарных частиц использовались люминесцентные экраны – экраны, покрытые специальным веществом, люминофором, способным преобразовывать поглощаемую ими энергию в световое излучение (люминесцировать). Элементарная частица при попадании в такой экран дает слабую вспышку, настолько слабую, что наблюдать ее можно только в полной темноте. Необходимо было иметь изрядные терпение и внимание, чтобы, сидя в полной темноте, часами подсчитывать количество замеченных вспышек.
В современном сцинтилляционном счетчике подсчет вспышек производится автоматически. Счетчик состоит из сцинтиллятора, фотоумножителя и электронных устройств для усиления и подсчета импульсов.
Сцинтиллятор преобразует энергию частицы в кванты видимого света.
Кванты света попадают в фотоумножитель, который преобразует их в импульсы тока.
Импульсы усиливаются электрической схемой и автоматически сосчитываются.
2. Химические методы
Химические методы основаны на том, что ядерные излучения являются катализаторами некоторых химических реакций, то есть ускоряют или создают возможность их протекания.
3. Калориметрические методы
В калориметрических методах регистрируют количество теплоты, которая выделяется при поглощении излучения веществом. Один грамм радия, например, выделяет в час примерно 585 дж. тепла.
4. Методы, основанные на применении эффекта Черенкова
Ничто в природе не может двигаться быстрее света. Но когда мы так говорим, мы имеем в виду движение света в вакууме. В веществе свет распространяется со скоростью , где с – скорость света в вакууме, а n – показатель преломления вещества. Следовательно, в веществе свет движется медленнее, чем в вакууме. Элементарная частица, двигаясь в веществе, может превысить скорость света в этом веществе, не превосходя при этом скорость света в вакууме. В этом случае возникает излучение, которое открыл в свое время Черенков. Излучение Черенкова регистрируется фотоумножителями так же, как и в сцинтилляционном методе. Метод позволяет регистрировать только быстрые, то есть обладающие высокими энергиями, элементарные частицы.
Следующие методы не только позволяют зарегистрировать элементарную частицу, но и увидеть ее след.
5. Камера Вильсона
Изобретена Чарльзом Вильсоном в 1912 г., а в 1927 г. он получил за нее Нобелевскую премию. Камера Вильсона – это очень сложное инженерное сооружение. Мы приводим только упрощенную схему.
Рабочий объем камеры Вильсона заполнен газом и содержит в себе пар воды или спирта. При быстром перемещении поршня вниз газ резко охлаждается и пар становится перенасыщенным. Когда в этом пространстве пролетает частица, создающая на своем пути ионы, то на этих ионах образуются капелькисконденсировавшегося пара. В камере возникает след траектории частицы (трек) в виде узкой полоски капелек тумана. При сильном боковом освещении трек можно видеть и сфотографировать.
6. Пузырьковая камера (изобретена Глезером в 1952 г.)
Пузырьковая камера действует аналогично камере Вильсона. Только в качестве рабочего тела используется не переохлажденный пар, а перегретая жидкость (пропан, жидкий водород, азот, эфир, ксенон, фреон...). Перегретая жидкость, так же как и переохлажденный пар, находится в неустойчивом состоянии. Пролетающая через такую жидкость частица образует ионы, на которых сразу же образуются пузырьки. Жидкостная пузырьковая камера эффективнее газовой камеры Вильсона. Физикам ведь важно не только наблюдать трек пролетевшей частицы. Важно, чтобы в пределах области наблюдения частица столкнулась с другой частицей. Картина взаимодействия частиц гораздо более информативна. Пролетая через более плотную жидкость, в которой высокая концентрация протонов и электронов, частица имеет гораздо больше шансов испытать столкновение.
7. Эмульсионная камера
Впервые использовалась советскими физиками Мысовским и Ждановым. Фотографическая эмульсия изготавливается на основе желатины. Продвигаясь в плотной желатине, элементарная частица подвергается частым столкновениям. За счет этого путь частицы в эмульсии часто очень короткий и его после проявления фотоэмульсии изучают под микроскопом.
8. Искровая камера (изобретатель Краншау)
В камере А расположена система сетчатых электродов. На эти электроды подается высокое напряжение с блока питания Б . Когда через камеру пролетает элементарная частица В , она создает ионизированный след. По этому следу проскакивает искра, которая и делает видимым трек частицы.
9. Стриммерная камера
Стриммерная камера аналогична искровой, только расстояние между электродами больше (до полуметра). Напряжение на электроды подается на очень короткое время с таким расчетом, чтобы настоящая искра не успела бы развиться. Возникнуть успевают только зачатки искры – стриммеры.
10. Счетчик 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.
- приборы, позволяющие регистрировать прохождение частицы через определенный участок пространства и в некоторых случаях определять ее характеристики, например, энергию (сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик );
- приборы, позволяющие наблюдать, например, фотографировать следы (треки) частиц в веществе (камера Вильсона, диффузтонная камера, пузырьковая камера, ядерные фотоэмульсии ).
Детектор ядерных частиц, основными элементами которого являются сцинтиллятор (кристаллофосфор, излучающий вспышки света при попадании в него частиц) и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), позволяющий преобразовать слабые световые вспышки в электрические импульсы, которые регистрируются электронной аппаратурой. Обычно в качестве сцинтилляторов используются кристаллы некоторых неорганических (ZnS - для α-частиц; NaI-Tl, CsI-Tl - для β-частиц и γ-квантов) или органических (антрацен, пластмассы для γ-квантов) веществ. Очень подробно и детально о конструкции и принципе работы изложено .
Самый большой из когда либо созданных сцинтилляционных детекторов установка . На ней зарегистрирован дефицит антинейтрино от реакторов, расположенных от него на среднем расстоянии в 180 км . Этот результат в сочетании с измерениями потоков солнечных нейтрино может свидетельствовать в пользу существования нейтринных осцилляций. Подробности эксперимента можно посмотреть в статье .
Установка KamLAND (Kam ioka L iquid Scintillator A nti-N eutrino D etector) создана на месте разрушенной в результате аварии установки Kamiokande. В нем используется 1000 т жидкого сцинтиллятора который просматривается 1879 фотоумножителями диаметром 50 см . Первая задача, которая решалась на этой установке - измерение потоков антинейтрино от японских и южнокорейских ректоров.
Как видно из рисунка 4.17, в предыдущих экспериментах с реакторными нейтрино их дефицита не было обнаружено. Однако эксперименты с солнечными нейтрино свидетельствовали, что расстояния ~1 км слишком малы для его обнаружения. Размеры KamLAND и его расположение в 100-200 км от реакторов делает его весьма чувствительным к эффекту, что и привело к его обнаружению.
С помощью метода задержанных совпадений детектировались позитроны и γ-кванты с энергией 2.2 МэВ от захвата нейтронов протонами.
Ионизационные счетчикиДетекторы частиц (заполненные газом электрические конденсаторы), основанные на способности заряженных частиц вызывать ионизацию газа, с последующим разделением продуктов ионизации в электрическом поле. Если счетчик регистрирует только ионы, образовавшиеся непосредственно под действием частиц, то такой счетчик называются импульсной ионизационной камерой. Подробная и детальная информация лежит .
Счетчики, в которых основную роль играет вторичная ионизация обусловленная столкновениями первичных ионов с атомами и молекулами газа, в результате чего возникает разряд в газе, называются газоразрядными счетчиками. Пример газоразрядного счетчика - счетчик Гейгера-Мюллера . Газоразрядный счетчик обычно выполняется в виде наполненного газом металлического цилиндра (катод ) с тонкой проволокой (анод ), натянутой по его оси.
Полупроводниковые счетчикиПолупроводниковые диоды, прохождение через которые регистрируемых частиц, приводит к появлению электрического тока через диод. Малая толщина рабочей области полупроводниковых счетчиков не позволяет применять их для измерения высокоэнергетических частиц. Более подробная информация лежит .
Камера ВильсонаСтеклянный цилиндр с плотно прилегающим поршнем, заполненный нейтральным газом (аргон или гелий), насыщенным парами воды и спирта. При резком (адиабатическом) расширении газ становится пересыщенным и на траекториях частиц, пролетевших через камеру, образуются треки из тумана, которые фотографируются. По характеру и геометрии треков можно судить о типе прошедших через камеру частиц. О конструкции и принципе работы очень подробно и детально изложено .
Пузырьковая камера Ядерные фотоэмульсииТолстослойные фотографические эмульсии, прохождение заряженных частиц через которые вызывает ионизацию, приводящую к образованию скрытого изображения в эмульсии. После проявления следы заряженных частиц обнаруживаются в виде цепочки зерен металлического серебра. Так как эмульсия - среда более плотная, чем газ или жидкость, используемые в вильсоновской и пузырьковой камерах, то при прочих равных условиях длина трека в эмульсиях более короткая. Поэтому фотоэмульсии применяются для изучении реакций, вызываемых частицами в ускорителях сверхвысоких энергий и космических лучах. Для исследований высокоэнергетичных частиц используются также так называемые стопы - большое число маркированных фотоэмульсионных пластинок, помещаемых на пути частиц и после проявления промеряемых под микроскопом. Более подробная информация лежит . С некоторыми возможностями измерения треков, можно ознакомиться .
