В началото на 20в. Бяха разработени методи за изследване на феномена на атомната физика и бяха създадени инструменти, които позволиха не само да се изяснят основните въпроси на структурата на атомите, но и да се наблюдават трансформациите на химичните елементи.

Трудността при създаването на такива устройства беше, че заредените частици, използвани в експериментите, са йонизирани атоми на някои елементи или например електрони и устройството трябва да регистрира навлизането само на една частица в него или да направи видима траекторията на нейното движение.

Като едно от първите и най-прости устройства за откриване на частици е използван екран, покрит с луминисцентен състав. В тази точка на екрана, където попада частица с достатъчно висока енергия, възниква светкавица - сцинтилация (от лат. "scintillation" - блясък, светкавица).

Първото основно устройство за откриване на частици е изобретено през 1908 г. от Г. Гайгер. След като това устройство беше подобрено от W. Muller, той можеше да преброи броя на частиците, попадащи в него.Работата на брояча на Гайгер-Мюлер се основава на факта, че заредените частици, летящи през газ, йонизират газови атоми, срещнати по пътя им: отрицателно заредена частица, отблъсквайки електрони, ги избива от атомите, а положително заредена частица привлича електрони и ги изважда от атомите.

Измервателят се състои от кух метален цилиндър с диаметър около 3 cm (фиг. 37.1), с прозорец от тънко стъкло или алуминий. По повърхността на цилиндъра минава метална нишка, изолирана от стените. Цилиндърът (камерата) е пълен с разреден газ, например аргон. Между стените на цилиндъра и нишката се създава напрежение от около 1500 V, което е недостатъчно за образуване на независим разряд. Нишката е заземена чрез голямо съпротивлениеР.Когато високоенергийна частица навлезе в камерата, газовите атоми по пътя на тази частица се йонизират и между стените и нишката възниква разряд. Разрядният ток създава голям спад на напрежението в съпротивлението R и напрежението между нишката и стените е значително намалено. Поради това изхвърлянето бързо спира. След като токът спре, цялото напрежение отново се концентрира между стените на камерата и нишката и броячът е готов да регистрира нова частица. Напрежение със съпротивление R се подава на входа на усилвателната лампа, в чиято анодна верига е включен броещ механизъм.

Способността на високоенергийните частици да йонизират газовите атоми се използва и в един от най-забележителните инструменти на съвременната физика – облачната камера. През 1911 г. английският учен Чарлз Уилсън построява устройство, с което е възможно да се видят и фотографират траекториите на заредените частици.

Камерата на Wilson (фиг. 37.2) се състои от цилиндър с бутало; горната част на цилиндъра е изработена от прозрачен материал. В камерата се вкарва малко количество вода или алкохол и вътре в нея се образува смес от пара и въздух. Когато буталото се спусне бързо, сместа се разширява адиабатично и се охлажда, така че въздухът в камерата става пренаситен с пари.

Ако въздухът е изчистен от прахови частици, тогава превръщането на излишната пара в течност е трудно поради липсата на центрове за кондензация. Йоните обаче могат да служат и като центрове на кондензация. Следователно, ако в този момент заредена частица лети през камерата, йонизирайки молекулите на въздуха по пътя си, тогава се получава кондензация на пара върху веригата от йони и траекторията на частицата вътре в камерата се оказва белязана от нишка от мъгла, т.е. става видимо.Топлинното движение на въздуха бързо размива нишките на мъглата и траекториите на частиците се виждат ясно само за около 0,1 s, което обаче е достатъчно за фотография.

Появата на траекторията на снимка често позволява да се прецени природата на частицата и големината на нейната енергия. Така алфа частиците оставят сравнително дебела непрекъсната следа, протоните оставят по-тънка следа, а електроните оставят пунктирана следа. Една от снимките на алфа частици в облачна камера е показана на фиг. 37.3.

За да се подготви камерата за действие и да се изчисти от останалите йони, вътре в нея се създава електрическо поле, което привлича йоните към електродите, където те се неутрализират.

Както бе споменато по-горе, в облачна камера, за да се получат следи от частици, се използва кондензацията на пренаситени пари, т.е. превръщането им в течност. За същата цел може да се използва обратното явление, т.е. превръщането на течността в пара. Ако течността е затворена в затворен съд с бутало и с помощта на буталото се създава повишено налягане, а след това чрез рязко движение на буталото се намалява налягането в течността, тогава при подходяща температура течността може да бъде в прегрято състояние. Ако заредена частица лети през такава течност, тогава по нейната траектория течността ще кипи, тъй като йоните, образувани в течността, служат като центрове на изпарение. В този случай траекторията на частицата се маркира с верига от парни мехурчета, т.е. става видима. Действието на балонната камера се основава на този принцип.

Когато изучавате следи от частици с висока енергия, мехурчестата камера е по-удобна от камерата на Уилсън, тъй като когато се движи в течност, частицата губи значително повече енергия, отколкото в газ. В много случаи това дава възможност много по-точно да се определи посоката на движение на частицата и нейната енергия. В момента има балонни камери с диаметър около 2 м. Те са пълни с течен водород. Следите от частици в течния водород са много ясни.

За регистриране на частици и получаване на техните следи се използва и методът на дебелослойните фотоплаки. Тя се основава на факта, че частиците, летящи през фотографската емулсия, действат върху зърната на сребърния бромид, така че следата, оставена от частиците след проявяване на фотографската плака, става видима (фиг. 37.4) и може да се изследва с помощта на микроскоп. За да се гарантира, че следата е достатъчно дълга, се използват дебели слоеве фотографска емулсия.

Източници на елементарни частици

За изследване на елементарните частици са необходими техните източници. Преди създаването на ускорителите като такива източници са използвани естествени радиоактивни елементи и космически лъчи. Космическите лъчи съдържат елементарни частици с много различни енергии, включително такива, които днес не могат да бъдат получени изкуствено. Недостатъкът на космическите лъчи като източник на високоенергийни частици е, че има много малко такива частици. Появата на високоенергийна частица в зрителното поле на устройството е случайна.

Ускорителите на частици произвеждат потоци от елементарни частици, които имат еднакво висока енергия. Има различни видове ускорители: бетатрон, циклотрон, линеен ускорител.

Разположена близо до Женева, Европейската организация за ядрени изследвания (CERN*) разполага с най-големия ускорител на частици до момента, построен в кръгъл тунел под земята на дълбочина 100 м. Общата дължина на тунела е 27 км. (диаметърът на пръстена е приблизително 8,6 km). Супер колайдерът трябваше да стартира през 2007 г. Около 4000 тона метал ще бъдат охладени до само 2 градуса над абсолютната нула. В резултат на това през свръхпроводящите кабели ще тече ток от 1,8 милиона ампера без почти никакви загуби.

Ускорителите на частици са толкова грандиозни структури, че ги наричат ​​пирамиди на 20 век.

* Абревиатурата CERN идва от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Европейски съвет за ядрени изследвания). На руски обикновено се използва съкращението CERN.

Методи за записване на елементарни частици

1. Сцинтилационни броячи

Първоначално за регистриране на елементарни частици се използват луминесцентни екрани - екрани, покрити със специално вещество, луминофор, способно да преобразува погълнатата от тях енергия в светлинно лъчение (луминесциране). Когато елементарна частица попадне на такъв екран, тя дава слаба светкавица, толкова слаба, че може да се наблюдава само в пълна тъмнина. Беше необходимо да имате доста търпение и внимание, за да седите в пълен мрак и да броите с часове броя на забелязаните проблясъци.

В модерен сцинтилационен брояч светкавиците се броят автоматично. Броячът се състои от сцинтилатор, фотоумножител и електронни устройства за усилване и броене на импулси.

Сцинтилаторът преобразува енергията на частицата в кванти на видимата светлина.

Светлинните кванти влизат във фотоумножителна тръба, която ги преобразува в токови импулси.

Импулсите се усилват от електрическа верига и се отчитат автоматично.

2. Химични методи

Химическите методи се основават на факта, че ядрената радиация е катализатор за определени химични реакции, тоест ускорява или създава възможност за тяхното протичане.

3. Калориметрични методи

При калориметричните методи се записва количеството топлина, което се отделя, когато радиацията се абсорбира от дадено вещество. Един грам радий, например, освобождава приблизително 585 джаула на час. топлина.

4. Методи, базирани на прилагането на ефекта на Черенков

Нищо в природата не може да пътува по-бързо от светлината. Но когато казваме това, имаме предвид движението на светлината във вакуум. В материята светлината се движи със скорост, където се скоростта на светлината във вакуум и п– показател на пречупване на веществото. Следователно светлината се движи по-бавно в материята, отколкото във вакуум. Една елементарна частица, движеща се в вещество, може да превиши скоростта на светлината в това вещество, без да превишава скоростта на светлината във вакуум. В този случай възниква радиация, която е открита от Черенков по негово време. Лъчението на Черенков се регистрира от фотоумножители по същия начин, както при сцинтилационния метод. Методът ви позволява да регистрирате само бързи, тоест високоенергийни елементарни частици.

Следващите методи ви позволяват не само да регистрирате елементарна частица, но и да видите нейната следа.

5. Камера на Уилсън

Изобретен от Чарлз Уилсън през 1912 г., той получава Нобелова награда за него през 1927 г. Облачната камера е много сложна инженерна конструкция. Представяме само опростена диаграма.

Работният обем на облачната камера е пълен с газ и съдържа водни или алкохолни пари. Когато буталото се движи бързо надолу, газът се охлажда рязко и парата става пренаситена. Когато частица лети през това пространство, създавайки йони по пътя си, тогава върху тези йони се образуват капчици кондензирана пара. В камерата се появява следа от траекторията на частицата (писта) под формата на тясна ивица от капчици мъгла. При силно странично осветление пистата може да се види и снима.

6. Балонна камера(изобретен от Glaeser през 1952 г.)

Балонната камера работи подобно на облачната камера. Само работният флуид не е преохладена пара, а прегрята течност (пропан, течен водород, азот, етер, ксенон, фреон...). Прегрятата течност, като преохладената пара, е в нестабилно състояние. Частица, летяща през такава течност, образува йони, върху които веднага се образуват мехурчета. Камерата с течни мехурчета е по-ефективна от камерата с газови облаци. За физиците е важно не само да наблюдават траекторията на летяща частица. Важно е в областта на наблюдение частицата да се сблъска с друга частица. Картината на взаимодействието на частиците е много по-информативна. Като лети през по-плътна течност, която има висока концентрация на протони и електрони, частицата има много по-голям шанс да претърпи сблъсък.

7. Емулсионна камера

За първи път е използван от съветските физици Мисовски и Жданов. Фотографската емулсия се прави от желатин. Движейки се през плътен желатин, елементарната частица претърпява чести сблъсъци. Поради това пътят на частицата в емулсията често е много кратък и след проявяване на фотографската емулсия тя се изследва под микроскоп.

8. Искрова камера (изобретател Краншоу)

В клетката Ае разположена система от мрежести електроди. Тези електроди се захранват с високо напрежение от захранването б. Когато елементарна частица прелети през камерата IN, създава йонизирана следа. По тази следа прескача искра, което прави следата на частиците видима.

9. Стриймър камера

Стримерната камера е подобна на искровата камера, само че разстоянието между електродите е по-голямо (до половин метър). Напрежението се прилага към електродите за много кратко време по такъв начин, че истинската искра няма време да се развие. Само рудименти на искра - стримери - имат време да се появят.

10. Гайгеров брояч

Броячът на Гайгер е като правило цилиндричен катод, по оста на който е опъната жица - анод. Системата е пълна с газова смес.

При преминаване през брояча заредена частица йонизира газа. Получените електрони, движейки се към положителния електрод - нишката, навлизайки в областта на силно електрическо поле, се ускоряват и от своя страна йонизират газовите молекули, което води до коронен разряд. Амплитудата на сигнала достига няколко волта и лесно се записва.

Броячът на Гайгер записва факта, че една частица преминава през брояча, но не измерва енергията на частицата.

Тема на урока: Методи за наблюдение и записване на елементарни

частици.

Цел на урока: Обяснява на студентите устройството и принципа на работа на инсталациите за запис и изследване на елементарни частици.

Тип урок: Урок за усвояване на нови знания.

Епиграф:

„….. подхранване на креативността

в човека се основава на развитието

независимо мислене"

П.П. Капица

Структура на урока:

Организационен етап.

Поздрав към студентите и гостите на семинара. Проверка на готовността на ученика за тренировка

2. Цели и задачи на урока. (Подготовка на учениците за работа на основния етап)

Обявяване на целта на урока (Днес в урока ще научите какви инструменти се използват за наблюдение и регистриране на заредени частици, как са устроени и принципа им на действие).

Представяне на нов материал

Първо, нека проведем фронтално проучване:

Какво е йонизация?

(Процесът на разпадане на неутрални атоми в йони и електрони)

Как да се получи свръхнаситена пара?

(Отговор: Увеличете рязко обема на съда. В същото време температурата

ще намалее и парата ще стане пренаситена.)

Какво ще се случи с пренаситената пара, ако в нея се появи частица? ?

(Отговор: Това ще бъде центърът на конденза и върху него ще се образува роса.)

Как магнитното поле влияе върху движението на заредена частица?

(Отговор: В поле скоростта на частицата се променя по посока, но не и навътре

модул.)

Как се нарича силата, с която магнитното поле действа върху заредена частица? Накъде се насочва?

(Отговор: Това е силата на Лоренц; тя е насочена към центъра на кръга.)

Встъпително слово на учителя

При изучаването на квантовата физика вече многократно се споменават изразите - атомно ядро ​​и елементарни частици. Елементарните частици (например електрони и йони), както и атомните ядра обаче не могат да се видят с никакъв микроскоп, дори и с електронен. Затова първо ще се запознаем с устройствата, благодарение на които е възникнала и започнала да се развива физиката на атомното ядро ​​и елементарните частици. Те са тези, които дават на хората необходимата информация за микросвета.

Всяко устройство, което регистрира елементарни частици, е като зареден пистолет с наведен чук. Малка сила при натискане на спусъка на пистолет предизвиква ефект, който не е сравним с изразходваното усилие - изстрел.

Записващото устройство е повече или по-малко сложна макроскопична система, която може да е в нестабилно състояние. С малко смущение, причинено от преминаваща частица, започва процесът на преход на системата към ново, по-стабилно състояние. Този процес прави възможно регистриране на частица. В момента се използват много различни методи за откриване на частици.

В зависимост от целите на експеримента и условията, в които се провежда, се използват определени записващи устройства, различаващи се помежду си по основните си характеристики.

Съобщение #1

Газоразряден брояч на Гайгер

Броячът на Гайгер е едно от най-важните устройства. За автоматично броене на частици. Добрите броячи могат да регистрират до 10 000 или повече частици в секунда. Броячът се състои от стъклена тръба, покрита отвътре с метален слой (катод) и тънка метална нишка, преминаваща по оста на тръбата (анод).

Тръбата е пълна с газ, обикновено аргон. Броячът работи на базата на ударна йонизация. Заредена частица, летяща през газ, отделя електрони от атоми и създава положителни йони и свободни електрони. Електрическото поле между анода и катода (към тях се прилага високо напрежение) ускорява електроните до енергии, при които започва ударна йонизация. Получава се лавина от йони и токът през брояча рязко се увеличава. В този случай на съпротивлението на натоварване се формира импулс на напрежение, който се подава към записващото устройство.

Броячът на Гайгер се използва главно за запис на електрони и у-кванти (високоенергийни фотони). При регистриране на електрони ефективността на брояча е около 100%, а при регистриране на у-кванти е само около 1%. Регистрацията на тежки частици (например алфа частици) е трудна, тъй като е трудно да се направи достатъчно тънък „прозорец“ в брояча, който да е прозрачен за тези частици.

Допълнение...
Броячът е подобрен от друг немски физик W. Muller, така че понякога този брояч се нарича брояч на Geiger-Muller.

Съобщение #2

Камера на Уилсън

Броячите ви позволяват само да регистрирате факта на преминаване на частица през тях и да записвате някои от неговите характеристики. В облачна камера бързо заредена частица оставя следа, която може да бъде наблюдавана директно или фотографирана. Това устройство може да се нарече „прозорец“ в микросвета.
Облачната камера се състои от нисък стъклен цилиндър със стъклен капак. Буталото може да се движи вътре в цилиндъра. В дъното на камерата има черен плат. Поради факта, че тъканта е навлажнена със смес от вода и алкохол, въздухът в камерата е наситен с изпарения от тези течности.
Действието на облачната камера, създадена през 1912 г., се основава на кондензацията на пренаситена пара върху йони,образувани в работния обем на камерата по траекторията на заредена частица.
Изследваните частици се въвеждат в камерата през тънък прозорец (понякога източникът на частици се поставя вътре в камерата, когато буталото се спусне внезапно, причинено от намаляване на налягането под буталото, парата в камерата се разширява). В резултат на това се получава охлаждане и парата се пренасища. Ако частица навлезе в камерата точно преди или след разширяването, йоните, които тя произвежда, ще действат като ядра на кондензация. Капките вода, които се появяват върху тях, образуват следа от летящата частица - следа. Информацията, която пистите в облачната камера предоставят, е много по-богата от тази, която могат да предоставят броячите. По дължината на пистата можете да определите енергията на частицата, а по броя на капчиците на единица дължина на пистата се оценява нейната скорост.

Чрез поставяне на камерата в еднородно магнитно поле (методът, предложен от съветските физици П. Л. Капица и Д. В. Скобелцин), е възможно да се определи знакът на заряда и съотношението заряд/маса или импулсът на частицата (ако нейният зарядът е известен) от посоката на завоя на траекторията и нейната кривина.

Следите не съществуват дълго в камерата, тъй като въздухът се нагрява, получава топлина от стените на камерата и капчиците се изпаряват. За да се получат нови следи, е необходимо да се отстранят съществуващите йони с помощта на електрическо поле, да се компресира въздухът с бутало, да се изчака, докато въздухът в камерата, нагрят по време на компресията, се охлади и да се извърши ново разширение.

Обикновено следите от частици в облачна камера не само се наблюдават, но и се фотографират. В този случай камерата се осветява отстрани с мощен сноп светлинни лъчи.

Допълнение...

Освен че е наречена прозорец към микросвета, камерата на Уилсън е наречена „мъглива камера“

През 1932 г. именно с помощта на тази камера Андерсън открива позитрон-антиелектрон.

Съобщение #3

Балонна камера

През 1952 г. американският учен Д. Глейзър предлага използването на прегрята течност за откриване на следи от частици. Те се състоят от стъклен цилиндър, пълен с течност и приличат малко на облачна камера. В такава течност на основата на йони,образувани по време на движението на бързо заредена частица, се появяват парни мехурчета, оставяйки видима следа.Камерите от този тип се наричат ​​балонни камери.

В първоначалното състояние течността в камерата е под високо налягане, което предотвратява кипенето ѝ. При рязко намаляване на налягането течността се прегрява и за кратко време ще бъде в нестабилно състояние. Летящите точно по това време заредени частици предизвикват появата на писти, състоящи се от парни мехурчета.Използваните течности са основно течен водород и пропан.

По този начин действието на мехурчестата камера се основава на кипене на прегрята течност.

Работният цикъл на балонната камера е кратък - около 0,1 s. Предимството на балонната камера пред камерата на Уилсън се дължи на по-високата плътност на работното вещество. В резултат на това пътищата на частиците се оказват доста къси и частици дори с висока енергия се забиват в камерата. Това позволява да се наблюдават серия от последователни трансформации на частица и реакциите, които предизвиква.

Следите в облачна камера и камера с мехурчета са един от основните източници на информация за поведението и свойствата на частиците.

Допълнение...

Размерите на балонните камери варират от няколко десетки сантиметра до няколко метра.

Съобщение #4

Метод на емулсия с дебел слой

За откриване на частици се използват дебелослойни фотографски емулсии заедно с облачни камери. Този метод се извършва с помощта на фотографска плака, покрита с фотоемулсия. Йонизиращият ефект на бързо заредените частици върху емулсията на фотографска плака позволява на френския физик А. Бекерел да открие през 1896г. радиоактивност. Методът на фотоемулсията е разработен от съветските физици Л. В. Мисовски. А. П. Жданов и др.

Действието на този метод се основава на фотохимични реакции.

Фотографската емулсия съдържа голям брой микроскопични кристали от сребърен бромид. Бързо заредена частица, проникваща, премахва електрони от отделни бромни атоми. Верига от такива кристали образува латентен образ. Когато се развие, металното съдържание в тези кристали се възстановява. сребро, а верига от сребърни зърна образува следа от частици.Дължината и дебелината на следата могат да се използват за оценка на енергията и масата на частицата. Поради високата плътност на фотографската емулсия, следите са много къси.

Предимството на фотографските емулсии е тяхното непрекъснато сумиращо действие. Това позволява да се записват редки събития. Също така е важно, че поради високата инхибиторна способност на фотоемулсиите, броят на наблюдаваните интересни реакции между частици и ядра се увеличава.

Допълнение...

Дебелината на фотоемулсионния слой е много малка, само 200 микрона.

Това е методът, използван в космическите кораби за изследване на космическите лъчи.

Допълнение на учителя
В допълнение към тези методи има и други:

Искрова камера.През 1959г S. Fukui и S. Miyamoto проектират искрова камера, в която следата на частица се записва чрез искров разряд в неон и аргон. Теглото му достига 10 тона.

Сцинтилационни броячи.Сцинтилацията трепти. Заредена частица, която удря екрана, предизвиква светкавична светкавица. Гледайки екрана през микроскоп, светкавиците се броят.

Затвърждаване на научения материал

5 . Обобщаване на урока.

И така, днес се запознахме с методите за регистрация на частици.

Не сме говорили за всички устройства, които регистрират елементарни частици. Съвременните инструменти за откриване на редки и много малко живи частици са много сложни. В изграждането им участват стотици хора.

Сега нека направим тест за фиксиране на материала (слайдове)

1. Работата на брояча на Гайгер се основава на

Ударна йонизация.

Освобождаване на енергия от частица.

2. Устройство за регистриране на елементарни частици, чието действие се основава на образуването на парни мехурчета в прегрята течност, се нарича

Емулсия с дебел слой.

Гайгеров брояч.

Камера.

Камера на Уилсън.

Балонна камера.

3. Възможно ли е да се открият незаредени частици с помощта на облачна камера?

Възможно е, ако имат малка маса (електрон)

Възможно е, ако имат голяма маса (неутрони)

Възможно е, ако имат малък импулс

Да, ако имат много импулс.

Забранено е

4. Фотоемулсионният метод за запис на заредени частици се основава на

Ударна йонизация.

Разделянето на молекули от движеща се заредена частица.

Образуване на пара в прегрята течност.

Кондензация на пренаситени пари.

Освобождаване на енергия от частица.

5. Устройство за записване на елементарни частици, чиято работа се основава на кондензация на пренаситена пара, се нарича

Камера

Камера на Уилсън

Емулсия с дебел слой

Гайгеров брояч

Балонна камера

6. С какво е пълна камерата на Wilson?

Водни или алкохолни пари.

Газ, обикновено аргон.

течен водород или пропан, загрят почти до кипене

Химически реактиви

7.Какво представлява пътека, образувана чрез метода на дебелослойна фотографска емулсия?

Верига от водни капки

Верига от парни мехурчета

Лавина от електрони

Верижка от сребърни зърна

6 . домашна работа.

параграф 97 лабораторна работа по физика

Тема:Изучаване на следи от заредени частици с помощта на готови снимки

Цели:обяснете естеството на движението на заредените частици

Уреди и материали:снимки на следи от заредени частици, получени в облачна камера, мехурчеста камера и фотографска емулсия

Запомнете, че:

Колкото по-голяма е дължината на следата, толкова по-висока е енергията на частицата и толкова по-ниска е плътността на средата)

Колкото по-голям е зарядът на частицата и колкото по-ниска е нейната скорост, толкова по-голяма е дебелината на пистата

Когато заредена частица се движи в магнитно поле, нейната следа се оказва извита и радиусът на кривината на пистата е по-голям, колкото по-голяма е масата и скоростта на частицата и по-малък е нейният заряд и модулът на индукция на магнитното поле

частицата се премести от края на пистата с голям радиус до края на пистата с по-малък радиус на кривина (радиусът на кривина намалява, докато се движи, тъй като скоростта на частицата намалява поради съпротивлението на средата)

Упражнение:

I - следи от α-частици, II - следи от α-частици III - следи от електрони

движещ се в облачна камера, в мехурчеста камера, в облачна камера, разположена в магнитно поле, разположена в магнитно поле

Вижте снимка I и отговорете на въпросите:

В каква посока са се движили α частиците? _________________________________

дължините на следите на α-частиците са приблизително еднакви. какво значи това _______________ _________________________________________________________________________________

Как се променя дебелината на пистата, докато частиците се движат? ____________________ какво следва от това? _________________________________________________

Определете от снимка II:

Защо радиусът на кривината и дебелината на следите се променят при движението на α частиците? _______________________________________________________________________

в каква посока са се движили частиците? _______________________________________

Определете от снимка III:

защо пистата е оформена като спирала? _______________________________________

каква може да е причината следите на електроните (III) да са много по-дълги от следите на α-частиците (II) ________________________________________________________________

Методи за наблюдение на елементарни частици

Елементарните частици могат да бъдат наблюдавани благодарение на следите, които оставят при преминаването си през материята. Естеството на следите ни позволява да преценим знака на заряда на частицата, нейната енергия, импулс и т.н. Заредените частици причиняват йонизация на молекулите по пътя си. Неутралните частици не оставят следи, но могат да се разкрият в момента на разпадане на заредени частици или в момента на сблъсък с всяко ядро. Следователно неутралните частици се откриват и чрез йонизацията, причинена от генерираните от тях заредени частици.

Уредите, използвани за регистриране на йонизиращи частици, се разделят на две групи. Първата група включва устройства, които записват преминаването на частица и позволяват да се прецени нейната енергия. Втората група се състои от следови устройства, т.е. устройства, които позволяват да се наблюдават следи от частици в материята. Записващите инструменти включват йонизационни камери и газоразрядни броячи. Широко разпространение са получили броячите на Черенков и сцинтилационните броячи.

Заредена частица, летяща през вещество, причинява не само йонизация, но и възбуждане на атоми. Връщайки се в нормалното си състояние, атомите излъчват видима светлина. Веществата, в които заредените частици възбуждат забележима светкавица (сцинтилация), се наричат ​​луминофори. Фосфорът може да бъде органичен или неорганичен.

Сцинтилационният брояч се състои от фосфор, от който се подава светлина през специален световод към фотоумножителна тръба. Отчитат се импулсите, получени на изхода на фотоумножителя. Определя се и амплитудата на импулсите (която е пропорционална на интензитета на светлинните проблясъци), което дава допълнителна информация за засечените частици.

Броячите често се комбинират в групи и се включват, така че да се записват само събития, които се записват едновременно от няколко устройства или само от едно от тях. В първия случай те казват, че броячите са включени по схема за съвпадение, във втория - по схема против съвпадение.

Инструментите за проследяване включват облачни камери, камери с мехурчета, искрови камери и емулсионни камери.

Камера на Уилсън. Това е името на устройството, създадено от английския физик Чарлз Уилсън през 1912 г. Пътека от йони, положена от летяща заредена частица, става видима в облачна камера, защото върху йоните се кондензира пренаситена пара от течност. Устройството не работи непрекъснато, а на цикли. Сравнително краткото време на чувствителност на камерата се редува с мъртво време (100-1000 пъти по-дълго), през което камерата се подготвя за следващия работен цикъл. Свръхнасищането се постига поради внезапно охлаждане, причинено от рязко (адиабатно) разширение на работната смес, състояща се от некондензиращ газ (хелий, азот, аргон) и водни пари, етилов алкохол и др. В същия момент стереоскопични (т.е. с няколко точки) снимане на работния обем на камерата. Стерео снимките ви позволяват да пресъздадете пространствената картина на записано явление. Тъй като съотношението на времето на чувствителност към мъртвото време е много малко, понякога е необходимо да се направят десетки хиляди снимки, преди да бъде записано всяко събитие с малка вероятност. За да се увеличи вероятността за наблюдение на редки събития, се използват контролирани облачни камери, в които работата на механизма за разширяване се контролира от броячи на частици, включени в електронна схема, която изолира желаното събитие.

Балонна камера. В мехурчестата камера, изобретена от D. A. Glezer през 1952 г., свръхнаситените пари се заменят с прозрачна прегрята течност (т.е. течност под външно налягане, по-малко от налягането на нейните наситени пари). Йонизираща частица, летяща през камерата, предизвиква бурно кипене на течността, в резултат на което следата на частицата се обозначава с верига от мехурчета пара - образува се следа. Балонната камера, подобно на камерата на Уилсън, работи в цикли. Камерата се стартира чрез рязко намаляване (облекчаване) на налягането, в резултат на което работният флуид преминава в метастабилно прегрято състояние. Течният водород се използва като работен флуид, който едновременно служи като мишена за частиците, летящи през него (в този случай са необходими ниски температури).

Искрови камери. През 1957 г. Краншау и де Беер проектират устройство за записване на траекториите на заредени частици, наречено искрова камера. Устройството се състои от система от успоредни един на друг плоски електроди, изработени под формата на рамки с опънато върху тях метално фолио или под формата на метални пластини. Електродите са свързани през един. Едната група електроди е заземена, а към другата периодично се подава краткотраен (с продължителност 10 -7 секунди) импулс с високо напрежение (10-15 kV). Ако в момента на прилагане на импулса йонизираща частица прелети през камерата, нейният път ще бъде маркиран от верига от искри, прескачащи между електродите. Устройството стартира автоматично с помощта на включени по схемата на съвпадения допълнителни броячи, които отчитат преминаването на изследваните частици през работния обем на камерата. В камери, пълни с инертни газове, междуелектродното разстояние може да достигне няколко сантиметра. Ако посоката на полета на частицата образува ъгъл с нормалата към електродите, който не надвишава 40 °, разрядът в такива камери се развива по посока на пистата на частицата.

Фотоемулсионен метод. Съветските физици Л. В. Мисовски и А. П. Жданов са първите, които използват фотографски плаки за запис на елементарни частици. Заредена частица, преминаваща през фотографска емулсия, предизвиква същия ефект като фотоните. Следователно след проявяване на пластинката в емулсията се образува видима следа (писта) от летящата частица. Недостатъкът на метода на фотографската плака е малката дебелина на емулсионния слой, в резултат на което се получават само следи от частици, летящи успоредно на равнината на слоя. В емулсионните камери се подлагат на облъчване дебели опаковки (с тегло до няколко десетки килограма), съставени от отделни слоеве фотографска емулсия (без подложка). След облъчване опаковката се разглобява на слоеве, всеки от които се проявява и разглежда под микроскоп. За да може да се проследи пътя на частица при преминаването й от един слой в друг, преди разглобяване на опаковката, една и съща координатна мрежа се прилага към всички слоеве с помощта на рентгенови лъчи.

Атомистична концепция за устройството на света

Квантовият модел на атома предполага, че ядрото на атома се състои от положително заредени протони и неутрони, които нямат заряд. Ядрото също е заобиколено от електрони, които от своя страна имат отрицателен заряд...

Най-простата форма на този източник на APPJ се състои от диелектрична тръба с два тръбни метални електрода и някакъв благороден газ (He, Ar), протичащ през нея. За да докаже, че...

Високоенергийна вакуумна плазмена технология

Няма много методи за извършване на диагностика на АРР (плазма при атмосферно налягане). Един много мощен инструмент е камерата ICCD (intensified interconnect device load)...

Изследване на процесите на изпаряване и кондензация на течни капки

Индивидуалните частици се характеризират с така наречените морфологични характеристики: размер, плътност, форма, структура, химичен състав...

Търсенето на частици тъмна материя

Акустично откриване на масивни заредени частици тъмна материя в експерименти върху сателити За откриване на заредени масивни частици тъмна материя се предлага да се използват методи на радиационна акустика...

Разработване на лабораторна работа "Брауново движение"

2.1 Анализ на трудовете по Брауново движение Статията „Брауновото движение през „очите” на дигитален микроскоп” е публикувана във вестник „1 септември” Физика бр.16/08. В него авторът /Царков И.С./ разказва за опита на Общинско образователно учреждение Средно училище № 29 в град Подолск...

Фази на потенциала за действие. Радиоактивно излъчване

Различни записващи устройства позволяват да се изследват главно заредени частици, които причиняват йонизация на средата, т.е. при сблъсък те изтръгват електрон от атомите на частиците на средата, предавайки йонизационната енергия Ei. Незаредените частици обаче...

Физически основи на космологията и астрофизиката

Изобилието от видове елементарни частици повдига трудни въпроси пред физиците: какво стои в основата на структурата на материята, има ли обща схема, систематика...

Елементарни частици

Елементарни частици

Под елементарни частици се разбират микрочастици, чиято вътрешна структура на сегашното ниво на развитие на физиката не може да се представи като комбинация от други частици...

Елементарни частици

За да разберете какво е довело учените до идеята, че адроните се състоят от кварки, първо трябва да разберете какво свързва протоните и неутроните в ядрото на атома и да тръгнете с тях по пътя им в дълбините на материята...

Елементарни частици

Ядрени сили

През 1932 г. в космическото излъчване е открит позитрон, чието съществуване е предсказано от теорията на Дирак още през 1929 г. Този факт е много важен не само за потвърждаване на правилността на теорията на Дирак, но и защото...

Докато изучава ефекта на луминисцентни вещества върху фотографски филм, френският физик Антоан Бекерел открива неизвестно лъчение. Той разработи фотографска плака, върху която известно време на тъмно се намираше меден кръст, покрит с уранова сол. Фотографската плака създава изображение под формата на отчетлива сянка на кръст. Това означаваше, че урановата сол спонтанно излъчва. За откриването на феномена на естествената радиоактивност Бекерел е удостоен с Нобелова награда през 1903 г. РАДИОАКТИВНОСТТА е способността на някои атомни ядра спонтанно да се превръщат в други ядра, излъчвайки различни частици: Всяко спонтанно радиоактивно разпадане е екзотермично, т.е. протича с отделяне на топлина.
АЛФА ЧАСТИЦА(a-частица) – ядрото на атома на хелия. Съдържа два протона и два неутрона. Излъчването на a-частици е придружено от едно от радиоактивните превръщания (алфа-разпадане на ядра) на някои химични елементи.
БЕТА ЧАСТИЦА –електрон, излъчен по време на бета разпада. Поток от бета частици е вид радиоактивно лъчение с проникваща способност, по-голяма от тази на алфа частиците, но по-малка от тази на гама лъчение. ГАМА-ИЗЛУЧЕНИЕ (гама-кванти) е късовълново електромагнитно лъчение с дължина на вълната по-малка от 2 × 10–10 m Поради късата дължина на вълната вълновите свойства на гама-излъчването са слабо проявени и корпускулярните свойства излизат на преден план и следователно. представя се като поток от гама кванти (фотони). Времето, през което половината от първоначалния брой радиоактивни атоми се разпада, се нарича период на полуразпад. През това време активността на радиоактивното вещество намалява наполовина. Времето на полуразпад се определя само от вида на веществото и може да приема различни стойности - от няколко минути до няколко милиарда години. ИЗОТОПИ- това са разновидности на даден химичен елемент, различаващи се по масовия брой на ядрата си. Ядрата на изотопи на един и същи елемент съдържат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони. Имайки еднаква структура на електронни обвивки, изотопите имат почти идентични химични свойства. Изотопите обаче могат да се различават доста драматично по своите физични свойства. И трите компонента на радиоактивното излъчване, преминавайки през средата, взаимодействат с атомите на средата. Резултатът от това взаимодействие е възбуждането или дори йонизацията на атомите на средата, което от своя страна инициира протичането на различни химични реакции. Следователно радиоактивното излъчване има химичен ефект. Ако клетките на живия организъм са изложени на радиоактивно лъчение, тогава възникването на реакции, инициирани от радиоактивно лъчение, може да доведе до образуването на вещества, които са вредни за дадения организъм и в крайна сметка до разрушаване на тъканите. Поради тази причина въздействието на радиоактивното лъчение върху живите организми е разрушително. Големите дози радиация могат да причинят сериозно заболяване или дори смърт. 3. Ядрени реакции
ЯДРЕНИТЕ РЕАКЦИИ са трансформации на атомни ядра в резултат на взаимодействие помежду си или с елементарни частици. За да се осъществи ядрена реакция, е необходимо сблъскващите се частици да се доближат една до друга на разстояние около 10–15 m. Ядрените реакции се подчиняват на законите за запазване на енергията, импулса, електрическия и барионния заряд. Ядрените реакции могат да протичат както с освобождаване, така и с поглъщане на кинетична енергия и тази енергия е приблизително 106 пъти по-голяма от енергията, погълната или освободена по време на химичните реакции.

Откриването на неутрона от Д. Чадуик през 1932 г

През 1932 г. немският физик В. Хайзенберг и съветският физик Д.Д. Иваненко беше предложен протонно-неутронен модел на атомното ядро.Според този модел атомните ядра се състоят от елементарни частици - протони и неутрони.

Ядрените сили са много мощни, но намаляват много бързо с увеличаване на разстоянието. Те са проява на т. нар. силно взаимодействие. Особеност на ядрените сили е тяхната природа с малък обсег: те се проявяват на разстояния от порядъка на размера на самото ядро. Физиците шеговито наричат ​​ядрените сили „герой с къси ръце“. Минималната енергия, необходима за пълното разделяне на ядрото на отделни нуклони, се нарича ядрена енергия на свързване. Тази енергия е равна на разликата между общата енергия на свободните нуклони и общата енергия на ядрото. По този начин общата енергия на свободните нуклони е по-голяма от общата енергия на ядрото, състоящо се от тези нуклони. Много прецизни измервания позволиха да се регистрира фактът, че масата на покой на ядрото винаги е по-малка от сумата на масите на покой на неговите съставни части. наклони с определена стойност, наречена масов дефект. Специфичната енергия на свързване характеризира стабилността на ядрата. Специфичната енергия на свързване е равна на отношението на енергията на свързване към масовото число и характеризира стабилността на ядрото. Колкото по-висока е специфичната енергия на свързване, толкова по-стабилно е ядрото. Графиката на зависимостта на специфичната енергия на свързване от броя на нуклоните в ядрото има слаб максимум в диапазона от 50 до 60. Това предполага, че ядрата със средни масови числа, като желязото, са най-стабилни. Леките ядра са склонни да се сливат, докато тежките са склонни да се разделят.

Примери за ядрени реакции.

Верижни ядрени реакции. Термоядрените реакции са ядрени реакции между леки атомни ядра, които протичат при много високи температури (~108 K и повече). В този случай веществото е в състояние на напълно йонизирана плазма. Необходимостта от високи температури се обяснява с факта, че за сливането на ядрата при термоядрена реакция е необходимо те да се доближат на много малко разстояние и да попаднат в сферата на действие на ядрените сили. Този подход се предотвратява от силите на отблъскване на Кулон, действащи между еднакво заредени ядра. За да ги преодолеят, ядрата трябва да имат много висока кинетична енергия. След началото на термоядрената реакция цялата енергия, изразходвана за нагряване на сместа, се компенсира от енергията, освободена по време на реакцията.
4. Ядрена енергия. Използването на ядрената енергия е важна научна и практическа задача. Устройство, което позволява протичането на контролирана ядрена реакция, се нарича ядрен реактор. Коефициентът на размножаване на неутрони в реактора се поддържа равен на единица чрез въвеждане или премахване на управляващи пръти от реактора. Тези пръти са направени от вещество, което добре абсорбира неутроните - кадмий, бор или графит.
Основните елементи на ядрения реактор са: – ядрено гориво: уран-235, плутоний-239; – забавител на неутрони: тежка вода или графит; – охлаждаща течност за отвеждане на освободената енергия; – регулатор на скоростта на ядрената реакция: вещество, което абсорбира неутрони (бор, графит, кадмий).