В начале XX в. были разработаны методы исследования явлении атомной физики и созданы приборы, позволившие не только выяснить основные вопросы строения атомов, но и наблюдать превращения химических элементов.

Трудность создания таких приборов заключалась в том, что используемые в экспериментах заряженные частицы представляют собой ионизированные атомы каких-либо элементов или, например, электроны, и прибор должен регистрировать попадание в него лишь одной частицы или делать видимой траекторию ее движения.

В качестве одного из первых и простейших приборов для регистрации частиц был использован экран, покрытый люминесцирующим составом. В той точке экрана, куда попадает частица с достаточно большой энергией, возникает вспышка - сцинтилляция (от латинского «сцинтилляцио» - сверкание, вспышка).

Первый основной прибор для регистрации частиц был изобретен в 1908 г. Г. Гейгером. После того, как этот прибор был усовершенствован В. Мюллером, он мог подсчитывать число попадающих в него частиц. Действие счетчика Гейгера - Мюллер, а основано на том, что пролетающие через газ заряженные частицы ионизируют встречающиеся на их пути атомы газа: отрицательно заряженная частица, отталкивая электроны, выбивает их из атомов, а положительно заряженная частица притягивает электроны и вырывает их из атомов.

Счетчик состоит из полого металлического цилиндра, диаметром около 3 см (рис. 37.1), с окном из тонкого стекла или алюминия. По осп цилиндра проходит изолированная от стенок металлическая нить. Цилиндр (камера) заполняется разреженным газом, например, аргоном. Между стенками цилиндра и нитью создается напряжение порядка 1500 В, недостаточное для образования самостоятельного разряда. Нить заземляется через большое сопротивление R. При попадании в камеру частицы с большой энергией происходит ионизация атомов газа на пути этой частицы, и между стенками и нитью возникает разряд. Разрядный ток создает большое падение напряжения на сопротивлении R, и напряжение между нитью и стенками сильно уменьшается. Поэтому разряд быстро прекращается. После прекращения тока все напряжение вновь сосредоточивается между стенками камеры и нитью, и счетчик подготовлен к регистрации новой частицы. Напряжение с сопротивления R подается на вход усилительной лампы, в анодную цепь которой включается счетный механизм.

Способность частиц большой энергии ионизировать атомы газа используются и в одном из самых замечательных приборов современной физики - в камере Вильсона. В 1911 г. английский ученый Ч. Вильсон построил прибор, с помощью которого можно было видеть и фотографировать траектории заряженных частиц.

Камера Вильсона (рис. 37.2) состоит из цилиндра с поршнем; верхняя часть цилиндра сделана из прозрачного материала. В камеру вводится небольшое количество воды или спирта, и внутри нее образуется смесь паров и воздуха. При быстром опускании поршня смесь адиабатически расширяется и охлаждается, поэтому воздух в камере оказывается пересыщенным парами.

Если воздух очищен от пылинок, то превращение избытка пара в жидкость затруднено из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому, если через камеру пролетает в это время заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы воздуха, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры получается отмеченной нитью тумана, т. е. становится видимой. Тепловое движение воздуха быстро размывает нити тумана, и траектории частиц видны отчетливо лишь около 0,1 с, что, однако, достаточно для фотографирования.

Вид траектории на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине ее энергии. Так, альфа-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны - более тонкий, а электроны - пунктирный след. Одна из фотографий альфа-частиц в камере Вильсона показана на рис. 37.3.

Чтобы подготовить камеру к действию и очистить ее от оставшихся ионов, внутри нее создают электрическое поле, притягивающее ионы к электродам, где они нейтрализуются.

Как говорилось выше, в камере Вильсона для получения следов частиц используется конденсация пересыщенного пара, т. е. превращение его в жидкость. Для этой же цели можно использовать обратное явление, т. е. превращение жидкости в пар. Если жидкость заключить в замкнутый сосуд с поршнем и при помощи поршня создать повышенное давление, а затем резким перемещением поршня уменьшить давление в жидкости, то при соответствующей температуре жидкость может оказаться в перегретом 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. На этом принципе основано действие пузырьковой камеры.

При изучении следов частиц с большой энергией пузырьковая камера удобнее камеры Вильсона, так как при движении в жидкости частица теряет значительно больше энергии, чем в газе. Во многих случаях это позволяет значительно точнее определить направление движения частицы и ее энергию. В настоящее время имеются пузырьковые камеры диаметром около 2 м. Они заполняются жидким водородом. Следы частиц в жидком водороде получаются очень отчетливыми .

Для регистрации частиц и получения их следов служит также метод толстослойных фотопластинок. Он основан на том, что пролетающие сквозь фотоэмульсию частицы действуют на зерна бромистого серебра, поэтому оставленный частицами след после проявления фотопластинки становится видимым (рис. 37.4) и его можно исследовать с помощью микроскопа. Чтобы след был достаточно длинным, используются толстые слои фотоэмульсии.

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.

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) _____________________________________________________________

Методы наблюдения элементарных частиц

Элементарные частицы удаётся наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своём прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, её энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порождёнными ими заряженными частицами.

Приборы, применяемые для регистрации ионизирующих частиц, подразделяются на две группы. К первой группе относятся устройства, которые регистрируют факт пролёта частицы и позволяют судить об её энергии. Вторую группу образуют трековые приборы, т. е. приборы, позволяющие наблюдать следы частиц в веществе. К числу регистрирующих приборов относятся ионизационные камеры и газоразрядные счётчики. Широкое распространение получили черенковские счётчики и сцинтилляционные счётчики.

Заряженная частица, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет. Вещества, в которых заряженные частицы возбуждают заметную световую вспышку (сцинтилляцию), называют фосфорами. Фосфоры бывают органические и неорганические.

Сцинтилляционный счетчик состоит из фосфора, от которого свет подается по специальному светопроводу к фотоумножителю. Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету. Определяется также амплитуда импульсов (которая пропорциональна интенсивности световых вспышек), что дает дополнительную информацию о регистрируемых частицах.

Счетчики часто объединяются в группы и включаются так, чтобы регистрировались только такие события, которые отмечаются одновременно несколькими приборами, либо только одним ним из них. В первом случае говорят, что счетчики включены по схеме совпадений, во втором -- по схеме антисовпадений.

К числу трековых приборов относится камеры Вильсона, пузырьковые камеры, искровые камеры и эмульсионные камеры.

Камера Вильсона. Так называют прибор, созданный английским физиком Ч. Вильсоном в 1912 г. Дорожка из ионов, проложенная летящей заряженной частицей, становится видимой в камере Вильсона, потому что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой-либо жидкости. Прибор работает не непрерывно, а циклами. Сравнительно короткое время чувствительности камеры чередуется с мертвым временем (в 100--1000 раз большим), в течение которого камера готовится к следующему рабочему циклу. Пересыщение достигается за счет внезапного охлаждения, вызываемого резким (адиабатическим) расширением рабочей смеси, состоящей из неконденсирующегося газа (гелия, азота, аргона) и паров воды, этилового спирта и т. п. В этот же момент производится стереоскопическое (т. е. с нескольких точек) фотографирование рабочего объема камеры. Стереофотографии позволяют воссоздать пространственную картину зафиксированного явления. Так как отношение времени чувствительности к мертвому времени очень мало, приходится иногда делать десятки тысяч снимков, прежде чем будет зафиксировано какое-либо событие, обладающее небольшой вероятностью. Чтобы увеличить вероятность наблюдения редких явлений, используются управляемые камеры Вильсона, у которых работой расширительного механизма управляют счетчики частиц, включенные в электронную схему, выделяющую нужное событие.

Пузырьковая камера. В изобретенной Д. А. Глезером в 1952 г. пузырьковой камере пересыщенные пары заменены прозрачной перегретой жидкостью (т. е. жидкостью, находящейся под внешним давлением, меньшим давления ее насыщенных паров). Пролетевшая через камеру ионизирующая частица вызывает бурное вскипание жидкости, вследствие чего след частицы оказывается обозначенным цепочкой пузырьков пара -- образуется трек. Пузырьковая камера, как и камера Вильсона, работает циклами. Запускается камера резким снижением (сбросом) давления, вследствие чего рабочая жидкость переходит в метастабильное перегретое состояние. В качестве рабочей жидкости, которая одновременно служит мишенью для пролетающих через нее частиц, применяются жидкий водород (в этом случае нужны низкие температуры).

Искровые камеры. В 1957 г. Краншау и де-Биром был сконструирован прибор для регистрации траекторий заряженных частиц, названный искровой камерой. Прибор состоит из системы плоских параллельных друг другу электродов, выполненных в виде каркасов с натянутой на них металлической фольгой либо в виде металлических пластин. Электроды соединяются через один. Одна группа электродов заземляется, а на другую периодически подается кратковременный (длительностью 10 -7 сек) высоковольтный импульс (10-- 15 кВ). Если в момент подачи импульса через камеру пролетит ионизирующая частица, её путь будет отмечен цепочкой искр, проскакивающих между электродами. Прибор запускается автоматически с помощью включенных по схеме совпадений дополнительных счетчиков, регистрирующих прохождение через рабочий объем камеры исследуемых частиц. В камерах, наполненных инертными газами, межэлектродное расстояние может достигать нескольких сантиметров. Если направление полета частицы образует с нормалью к электродам угол, не превышающий 40°, разряд в таких камерах развивается по направлению трека частицы.

Метод фотоэмульсий. Советские физики Л. В. Мысовский и А. П. Жданов впервые применили для регистрации элементарных частиц фотопластинки. Заряженная частица, проходя через фотоэмульсию, вызывает такое же действие, как и фотоны. Поэтому после проявления пластинки в эмульсии образуется видимый след (трек) пролетевшей частицы. Недостатком метода фотопластинок была малая толщина эмульсионного слоя, вследствие чего получались полностью лишь треки частиц летящих параллельно плоскости слоя. В эмульсионных камерах облучению подвергаются толстые пачки (весом до нескольких десятков килограммов), составленные из отдельных слоев фотоэмульсии (без подложки). После облучения пачка разбирается на слои, каждый из которых проявляется и просматривается под микроскопом. Для того чтобы можно было проследить путь частицы при переходе из одного слоя в другой, перед разборкой пачки на все слои наносится с помощью рентгеновских лучей одинаковая координатная сетка.

Атомистическая концепция строения мира

Квантовая модель атома предполагает, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов, не имеющих заряда. Также ядро окружено электронами, которые в свою очередь имеют отрицательный заряд...

Самый простой вид этого APPJ источника состоит из диэлектрической трубы с двумя трубчатыми металлическими электродами и некоторого благородного газа (He, Ar), протекающего через нее. Для демонстрации того...

Вакуумная плазменная технология высоких энергий

Существует не так много методов проведения диагностики APP (плазмы атмосферного давления). Один очень мощный инструмент - это ICCD-камера (усиленная нагрузка соединительных устройств)...

Исследование процессов испарения и конденсации жидких капель

Отдельные частицы характеризуются так называемыми морфологическими признаками: размер, плотность, форма, структура, химический состав...

Поиски частиц темной материи

Акустическая регистрация массивных заряженных частиц темной материи в экспериментах на спутниках Для детектирования заряженных массивных частиц ТМ предложено использовать методы радиационной акустики...

Разработка лабораторной работы "броуновское движение"

2.1 Анализ работ по броуновскому движению В газете «1 сентября» Физика №16/08 опубликована статья «Броуновское движение «глазами» цифрового микроскопа». В ней автор /Царьков И.С./ рассказывает об опыте МОУ СОШ № 29 города Подольска...

Фазы потенциала действия. Радиоактивные излучения

Различные регистрирующие устройства позволяют изучать в основном заряженные частицы, которые вызывают ионизацию среды, т.е. при соударении вырывают электрон из атомов частиц среды, сообщая ему энергию ионизации Ei. Однако незаряженные частицы...

Физические основания космологии и астрофизики

Изобилие типов элементарных частиц поставило перед физиками трудные вопросы: что же лежит в основе строения вещества, есть ли какая-нибудь общая схема, систематика...

Элементарные частицы

Элементарные частицы

Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц...

Элементарные частицы

Для того, чтобы понять, что навело учёных на мысль о том, что адроны состоят из кварков, нужно сначала понять, что связывает протоны и нейтроны в ядро атома., пройти вместе с ними их путь в недра материи...

Элементарные частицы

Ядерные силы

В 1932 г. в составе космического излучения был обнаружен позитрон, существование которого было предсказано теорией Дирака еще в 1929 г. Этот факт имел очень большое значение не только для подтверждения правильности теории Дирака, но и потому...

Изучая действие люминесцирующих веществ на фотопленку, французский физик Антуан Беккерель обнаружил неизвестное излучение. Он проявил фотопластинку, на которой в темноте некоторое время находился медный крест, покрытый солью урана. На фотопластинке получилось изображение в виде отчетливой тени креста. Это означало, что соль урана самопроизвольно излучает. За открытие явления естественной радиоактивности Беккерель в 1903 году был удостоен Нобелевской премии. РАДИОАКТИВНОСТЬ – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, испуская при этом различные частицы: Всякий самопроизвольный радиоактивный распад экзотермичен, то есть происходит с выделением тепла.
АЛЬФА-ЧАСТИЦА (a-частица) – ядро атома гелия. Содержит два протона и два нейтрона. Испусканием a-частиц сопровождается одно из радиоактивных превращений (альфа-распад ядер) некоторых химических элементов.
БЕТА-ЧАСТИЦА – испускаемый при бета-распаде электрон. Поток бета-частиц является одним из видов радиоактивных излучений с проникающей способностью, большей, чем у альфа-частиц, но меньшей, чем у гамма-излучения. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ (гамма-кванты) – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны меньше 2×10–10 м. Из-за малой длины волны волновые свойства гамма-излучения проявляются слабо, и на первый план выступают корпускулярные свойства, в связи с чем его представляют в виде потока гамма-квантов (фотонов). Время, за которое распадается половина из начального числа радиоактивных атомов, называют периодом полураспада. За это время активность радиоактивного вещества уменьшается вдвое. Период полураспада, определяется только родом вещества и может принимать разные значения - от нескольких минут до нескольких миллиардов лет. ИЗОТОПЫ – это разновидности данного химического элемента, различающиеся массовым числом своих ядер. Ядра изотопов одного элемента содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Имея одинаковое строение электронных оболочек, изотопы обладают практически одинаковыми химическими свойствами. Однако по физическим свойствам изотопы могут различаться весьма резко. Все три составляющие радиоактивного излучения, проходя через среду, взаимодействуют с атомами среды. Результатом этого взаимодействия является возбуждение или даже ионизация атомов среды, что в свою очередь инициирует протекание различных химических реакций. Поэтому радиоактивное излучение обладает химическим действием. Если же радиоактивному излучению подвергнуть клетки живого организма, то протекание реакций, инициированных радиоактивным излучением, может привести к образованию веществ, губительных для данного организма и в конечном итоге – к разрушению тканей. По этой причине воздействие радиоактивного излучения на живые организмы губительно. Большие дозы излучения могут привести к серьезным заболеваниям или даже к смерти. 3. Ядерные реакции
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ – это превращения атомных ядер в результате взаимодействия друг с другом или какими-либо элементарными частицами. Для осуществления ядерной реакции необходимо, чтобы сталкивающиеся частицы сблизились на расстояние порядка 10–15 м. Ядерные реакции подчиняются законам сохранения энергии, импульса, электрического и барионного зарядов. Ядерные реакции могут протекать как с выделением, так и с поглощением кинетической энергии, причем эта энергия примерно в 106 раз превышает энергию, поглощаемую или выделяемую при химических реакциях.

Открытие нейтрона Д.Чедвиком в 1932 году

В 1932 году немецкий физик В. Гейзенберг и советский физик Д.Д. Иваненко предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели, атомные ядра состоят из элементарных частиц – протонов и нейтронов.

Ядерные силы очень мощные, но очень быстро убывают с увеличением расстояния. Они являются проявлением так называемого сильного взаимодействия. Особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер: они проявляются на расстояниях порядка размера самого ядра. Физики в шутку называют ядерные силы "богатырем с короткими руками". Минимальную энергию, необходимую для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называют энергией связи ядра. Эта энергия равна разности суммарной энергии свободных нуклонов и полной энергии ядра. Таким образом, суммарная энергия свободных нуклонов больше полной энергии ядра, состоящего из этих нуклонов. Очень точные измерения позволили зафиксировать тот факт, что масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя составляющих его нуклонов на некоторую величину, называемую дефектом массы. Удельная энергия связи характеризует устойчивость ядер. Удельная энергия связи равна отношению энергии связи к массовому числу и характеризует устойчивость ядра. Чем больше удельная энергия связи, тем более устойчивым является ядро. График зависимости удельной энергии связи от количества нуклонов в ядре имеет слабо выраженный максимум в интервале от 50 до 60. Это говорит о том, что ядра со средними значениями массовых чисел, такие как железо, являются самыми устойчивыми. Легкие ядра обладают тенденцией к слиянию, а тяжелые к разделению.

Примеры ядерных реакций.

Цепные ядерные реакции. Термоядерные реакции – это ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (~108 К и выше). При этом вещество находится в состоянии полностью ионизованной плазмы. Необходимость высоких температур объясняется тем, что для слияния ядер в термоядерной реакции необходимо, чтобы они сблизились на очень малое расстояние и попали в сферу действия ядерных сил. Этому сближению препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между одноименно заряженными ядрами. Чтобы их преодолеть, ядра должны обладать очень большой кинетической энергией. После начала протекания термоядерной реакции вся энергия, потраченная на разогрев смеси, компенсируется энергией, выделяющейся в ходе протекания реакции.
4. Ядерная энергетика. Использование ядерной энергии – важная научно-практическая задача. Устройство, позволяющее осуществлять управляемую ядреную реакцию, называют ядерным реактором. Коэффициент размножения нейтронов в реакторе поддерживается равным единице посредством введения или выведения из реактора регулирующих стержней. Эти стержни изготавливают из вещества, хорошо поглощающего нейтроны, - из кадмия, бора или графита.
Основными элементами ядерного реактора являются: – ядерное горючее: уран-235, плутоний-239; – замедлитель нейтронов: тяжелая вода или графит; – теплоноситель для отвода выделяющейся энергии; – регулятор скорости ядерной реакции: вещество, поглощающее нейтроны (бор, графит, кадмий).