На початку XX ст. було розроблено методи дослідження явище атомної фізики та створено прилади, що дозволили не лише з'ясувати основні питання будови атомів, а й спостерігати перетворення хімічних елементів.

Труднощі створення таких приладів полягала в тому, що використовувані в експериментах заряджені частинки являють собою іонізовані атоми будь-яких елементів або, наприклад, електрони, і прилад повинен реєструвати потрапляння в нього лише однієї частинки або робити видимою траєкторію її руху.

Як один з перших і найпростіших приладів для реєстрації частинок був використаний екран, покритий люмінесцентним складом. У тій точці екрану, куди потрапляє частка з досить великою енергією, виникає спалах – сцинтиляція (від латинського «сцинтиляція» – сяйво, спалах).

Перший основний прилад для реєстрації частинок був винайдений 1908 р. Г. Гейгером. Після того, як цей прилад був удосконалений В. Мюллером, він міг підраховувати кількість частинок, що потрапляють до нього.Дія лічильника Гейгера - Мюллер, а засноване на тому, що пролітають через газ заряджені частинки іонізують атоми газу, що зустрічаються на їх шляху: негативно заряджена частка, відштовхуючи електрони, вибиває їх з атомів, а позитивно заряджена частка притягує електрони і вириває їх з атомів.

Лічильник складається з порожнього металевого циліндра, діаметром близько 3 см (рис. 37.1), з вікном із тонкого скла або алюмінію. По осп циліндра проходить ізольована від стінок металева нитка. Циліндр (камера) заповнюється розрідженим газом, наприклад аргоном. Між стінками циліндра та ниткою створюється напруга близько 1500 В, недостатня для утворення самостійного розряду. Нитка заземляється через великий опірR.При попаданні в камеру частинки з великою енергією відбувається іонізація атомів газу на шляху цієї частки, між стінками і ниткою виникає розряд. Розрядний струм створює велике падіння напруги на опорі R і напруга між ниткою і стінками сильно зменшується. Тому розряд швидко припиняється. Після припинення струму вся напруга знову зосереджується між стінками камери та ниткою, і лічильник підготовлений до реєстрації нової частки. Напруга з опору R подається на вхід підсилювальної лампи, в анодний ланцюг якої включається лічильний механізм.

Здатність частинок великої енергії іонізувати атоми газу використовуються і в одному із найчудовіших приладів сучасної фізики – у камері Вільсона. У 1911 р. англійський вчений Ч. Вільсон побудував прилад, за допомогою якого можна було бачити та фотографувати траєкторії заряджених частинок.

Камера Вільсона (рис. 37.2) складається із циліндра з поршнем; верхня частина циліндра зроблена із прозорого матеріалу. У камеру вводиться невелика кількість води або спирту, і в ній утворюється суміш пар і повітря. При швидкому опусканні поршня суміш адіабатично розширюється і охолоджується, тому повітря в камері пересиченим парами.

Якщо повітря очищено від порошин, то перетворення надлишку пари в рідину утруднене через відсутність центрів конденсації. Проте центрами конденсації можуть і іони. Тому, якщо через камеру пролітає в цей час заряджена частка, іонізуюча на своєму шляху молекули повітря, то на ланцюжку іонів відбувається конденсація парів і траєкторія руху частки всередині камери виходить позначеною ниткою туману, тобто стає видимою.Тепловий рух повітря швидко розмиває нитки туману, і траєкторії частинок видно чітко лише близько 0,1 с, що, однак, достатньо для фотографування.

Вигляд траєкторії на фотознімку часто дозволяє судити про природу частки та величину її енергії. Так, альфа-частинки залишають порівняно товстий суцільний слід, протони – тонший, а електрони – пунктирний слід. Одна з фотографій альфа-частинок у камері Вільсона показана на рис. 37.3.

Щоб підготувати камеру до дії і очистити її від іонів, що залишилися, всередині неї створюють електричне поле, що притягує іони до електродів, де вони нейтралізуються.

Як говорилося вище, в камері Вільсона для отримання слідів частинок використовується конденсація пересиченої пари, тобто перетворення її на рідину. Для цієї ж мети можна використовувати протилежне явище, тобто перетворення рідини на пару. Якщо рідину укласти в замкнуту посудину з поршнем і за допомогою поршня створити підвищений тиск, а потім різким переміщенням поршня зменшити тиск у рідині, то за відповідної температури рідина може опинитися в перегрітому стані. Якщо через таку рідину пролетить заряджена частка, то вздовж її траєкторії рідина закипить, оскільки іони, що утворилися в рідині, служать центрами пароутворення. При цьому траєкторія частки відзначається ланцюжком бульбашок пари, тобто робиться видимою. На цьому принципі заснована дія бульбашкової камери.

При вивченні слідів частинок з великою енергією бульбашкова камера зручніша за камеру Вільсона, так як при русі рідини частка втрачає значно більше енергії, ніж у газі. У багатьох випадках це дозволяє значно точніше визначити напрямок руху частинки та її енергію. В даний час є бульбашкові камери діаметром близько 2 м. Вони заповнюються рідким воднем. Сліди частинок у рідкому водні виходять дуже виразними..

Для реєстрації частинок та отримання їх слідів служить також метод товстошарових фотопластинок. Він заснований на тому, що частинки, що пролітають крізь фотоемульсію, діють на зерна бромистого срібла, тому залишений частинками слід після прояву фотопластинки стає видимим (рис. 37.4) і його можна досліджувати за допомогою мікроскопа. Щоб слід був досить довгим, використовуються товсті шари фотоемульсії.

Джерела елементарних частинок

Для вивчення елементарних частинок потрібні джерела. До створення прискорювачів як такі джерела використовувалися природні радіоактивні елементи та космічні промені. У космічних променях присутні елементарні частинки різних енергій аж до таких, які не можна отримати сьогодні штучним шляхом. Нестача космічних променів як джерела частинок з високими енергіями в тому, що таких часток дуже небагато. Поява частки з високою енергією у зору приладу носить випадковий характер.

Прискорювачі елементарних частинок дають потоки елементарних частинок, що мають однаково високу енергію. Прискорювачі є різних типів: бетатрон, циклотрон, лінійний прискорювач.

Розташована неподалік Женеви Європейська організація з ядерних досліджень (ЦЕРН*) є володарем найбільшого на сьогоднішній день прискорювача елементарних частинок, побудованого в кільцевому тунелі під землею на глибині 100 м. Загальна довжина тунелю становить 27 км. (кільце приблизно 8.6 км у діаметрі). Супер колайдер повинен був бути запущений відповідно до програми у 2007 р. Близько 4000 т металу буде охолоджено до температури всього на 2° вище за абсолютний нуль. В результаті струм 1,8 мільйона ампер проходитиме по надпровідних кабелях майже без втрат.

Прискорювачі елементарних частинок є настільки грандіозними спорудами, що називають пірамідами XX століття.

* Абревіатура CERN походить від фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Європейська Рада з ядерних досліджень). У російській мові зазвичай використовується абревіатура ЦЕРН.

Методи реєстрації елементарних частинок

1. Сцинтиляційні лічильники

Спочатку для реєстрації елементарних частинок використовувалися люмінесцентні екрани – екрани, покриті спеціальною речовиною, люмінофором, здатним перетворювати енергію, що поглинається ними, у світлове випромінювання (люмінесцувати). Елементарна частка при попаданні в такий екран дає слабкий спалах, настільки слабкий, що спостерігати його можна лише у повній темряві. Потрібно було мати неабияке терпіння і увагу, щоб, сидячи в темряві, годинами підраховувати кількість помічених спалахів.

У сучасному сцинтиляційному лічильнику підрахунок спалахів здійснюється автоматично. Лічильник складається з сцинтилятора, фотопомножувача та електронних пристроїв для посилення та підрахунку імпульсів.

Сцинтилятор перетворює енергію частки на кванти видимого світла.

Кванти світла потрапляють у фотоумножитель, який перетворює їх на імпульси струму.

Імпульси посилюються електричною схемою та автоматично обчислюються.

2. Хімічні методи

Хімічні методи засновані на тому, що ядерні випромінювання є каталізаторами деяких хімічних реакцій, тобто прискорюють або створюють можливість протікання.

3. Калориметричні методи

У калориметричних методах реєструють кількість теплоти, що виділяється під час поглинання випромінювання речовиною. Один грам радію, наприклад, виділяє за годину приблизно 585 дж. тепла.

4. Методи, що ґрунтуються на застосуванні ефекту Черенкова

Ніщо в природі не може рухатися швидше за світло. Але коли ми так говоримо, ми маємо на увазі рух світла у вакуумі. У речовині світло поширюється зі швидкістю, де з- швидкість світла у вакуумі, а n- Показник заломлення речовини. Отже, у речовині світло рухається повільніше, ніж у вакуумі. Елементарна частка, рухаючись у речовині, може перевищити швидкість світла у цій речовині, не перевищуючи при цьому швидкість світла у вакуумі. В цьому випадку виникає випромінювання, яке відкрив свого часу Черенков. Випромінювання Черенкова реєструється фотомножниками так само, як і в сцинтиляційному методі. Метод дозволяє реєструвати тільки швидкі, тобто такі, що володіють високими енергіями, елементарні частинки.

Наступні методи дозволяють зареєструвати елементарну частинку, а й побачити її слід.

5. Камера Вільсона

Винайдена Чарльзом Вільсоном у 1912 р., а у 1927 р. він отримав за неї Нобелівську премію. Камера Вільсона – дуже складна інженерна споруда. Ми наводимо лише спрощену схему.

Робочий об'єм камери Вільсона заповнений газом і містить пару води або спирту. При швидкому переміщенні поршня вниз газ різко охолоджується і пар стає перенасиченим. Коли в цьому просторі пролітає частка, що створює на своєму шляху іони, то на цих іонах утворюються крапельки з конденсується пари. У камері виникає слід траєкторії частки (трек) як вузькою смужки крапельок туману. При сильному бічному освітленні трек можна бачити та сфотографувати.

6. Пухирцева камера(винайдена Глезером 1952 р.)

Пухирцева камера діє аналогічно камері Вільсона. Тільки як робоче тіло використовується не переохолоджена пара, а перегріта рідина (пропан, рідкий водень, азот, ефір, ксенон, фреон...). Перегріта рідина, як і переохолоджена пара, перебуває у нестійкому стані. Частина, що пролітає через таку рідину, утворює іони, на яких відразу ж утворюються бульбашки. Рідина бульбашкова камера ефективніша за газову камеру Вільсона. Адже фізикам важливо не тільки спостерігати трек частки, що пролетіла. Важливо, щоб у межах області спостереження частка зіштовхнулася з іншою часткою. Картина взаємодії частинок набагато інформативніша. Пролітаючи через щільнішу рідину, в якій висока концентрація протонів і електронів, частка має набагато більше шансів випробувати зіткнення.

7. Емульсійна камера

Вперше використовувалася радянськими фізиками Мисовським та Ждановим. Фотографічна емульсія виготовляється з урахуванням желатини. Просуваючись у щільній желатині, елементарна частка піддається частим зіткненням. За рахунок цього шлях частинки емульсії часто дуже короткий і його після прояву фотоемульсії вивчають під мікроскопом.

8. Іскрова камера (винахідник Краншау)

В камері Арозташована система сітчастих електродів. На ці електроди подається висока напруга з блоку живлення Б. Коли через камеру пролітає елементарна частка Увона створює іонізований слід. Цим слідом проскакує іскра, яка робить видимим трек частки.

9. Стріммірна камера

Стріммірна камера аналогічна іскровій, тільки відстань між електродами більша (до півметра). Напруга на електроди подається на дуже короткий час з таким розрахунком, щоб справжня іскра не встигла розвинутись. Виникнути встигають лише зачатки іскри – стримери.

10. Лічильник Гейгера

Лічильник Гейгера є, зазвичай, циліндричний катод, вздовж осі, якого натягнутий дріт – анод. Система заповнена газовою сумішшю.

При проходженні через лічильник заряджена частка іонізує газ. Електрони, що утворюються, рухаючись до позитивного електрода - нитки, потрапляючи в область сильного електричного поля, прискорюються і в свою чергу іонізують молекули газу, що призводить до коронного розряду. Амплітуда сигналу досягає кількох вольт і легко реєструється.

Лічильник Гейгера реєструє факт проходження частки через лічильник, але не дозволяє виміряти енергію частки.

Тема урока: Методи спостереження та реєстрації елементарних

частинок.

Мета уроку: Пояснити учням пристрій та принцип дії установок для реєстрації та вивчення елементарних частинок.

Тип уроку: Урок засвоєння нових знань

Епіграф:

… виховання творчих здібностей

у людині ґрунтується на розвитку

самостійного мислення”

П.П. Капиця

Структура уроку:

Організаційний етап.

Привітання учнів та гостей семінару. Перевірка підготовленості уч-ся до навчального заняття

2. Цілі та завдання уроку. (Підготовка учнів до роботи на основному етапі)

Оголошення цілі уроку (Сьогодні на уроці ви дізнаєтеся за допомогою яких приладів здійснюють спостереження та реєстрацію заряджених частинок, як вони влаштовані та їх принцип дії).

Викладення нового матеріалу

Спочатку проведемо фронтальне опитування:

Що таке іонізація?

(Процес розпаду нейтральних атомів на іони та електрони)

Як отримати пересичену пару?

(Відповідь. Різко збільшити об'єм судини. При цьому температура

знизиться і пара стане пересиченою.)

Що станеться з пересиченою парою, якщо в ній з'явиться частка ?

(Відповідь. Вона стане центром конденсації, на ній утворюється роса.)

Як впливає магнітне поле на рух зарядженої частки?

(Відповідь. У полі швидкість частинки змінюється у напрямку, але не по

модулю.)

Як називається сила, з якою магнітне поле діє на заряджену частинку? Куди вона спрямована?

(Відповідь. Це сила Лоренца; вона спрямована до центру кола.)

Вступне слово викладача

Вивчаючи квантову фізику, вже неодноразово згадувалися вирази – атомне ядро ​​та елементарні частинки. Однак елементарні частинки (наприклад, електрони та іони), а також атомні ядра неможливо побачити в жодному мікроскопі, навіть електронному. Тому спочатку ознайомимося з пристроями, завдяки яким виникла та почала розвиватися фізика атомного ядра та елементарних частинок. Саме вони дають людям необхідну інформацію про мікросвіт.

Будь-який пристрій, що реєструє елементарні частинки, подібно до зарядженої рушниці зі зведеним курком. Невелике зусилля при натисканні на гачок рушниці викликає ефект, не порівнянний із витраченим зусиллям, - постріл.

Реєструючий прилад – це більш менш складна макроскопічна система, яка може перебувати в нестійкому стані. При невеликому обуренні, викликаному частинкою, що пролетіла, починається процес переходу системи в новий, більш стійкий стан. Цей процес дозволяє реєструвати частинку. В даний час використовується багато різних методів реєстрації частинок.

Залежно від цілей експерименту та умов, у яких він проводиться, застосовуються ті чи інші реєструючі пристрої, що відрізняються один від одного за основними характеристиками.

Повідомлення № 1

Газорозрядний лічильник Гейгера

Лічильник Гейгера – один із найважливіших приладів. Для автоматичного лічби частинок. Хороші лічильники дозволяють реєструвати до 10000 і більше частинок за секунду. Лічильник складається із скляної трубки, покритої зсередини металевим шаром (катод), і тонкої металевої нитки, що йде вздовж осі трубки (анод).

Трубка заповнюється газом, зазвичай аргоном. Дія лічильника ґрунтується на ударній іонізації. Заряджена частка, пролітаючи в газі, відриває від атомів електрони та створює позитивні іони та вільні електрони. Електричне поле між анодом і катодом (до них підводиться висока напруга) прискорює електрони до енергій, за яких починається ударна іонізація. Виникає лавина іонів, і струм через лічильник різко зростає. При цьому на опорі навантаження утворюється імпульс напруги, який подається в пристрій, що реєструє.

Лічильник Гейгера застосовується в основному для реєстрації електронів та у-квантів (фотонів великої енергії). При реєстрації електронів ефективність лічильника близько 100%, а при реєстрації у квантів - лише близько 1%. Реєстрація важких частинок (наприклад, а-частинок) утруднена, тому що складно зробити в лічильнику досить тонке віконце, прозоре для цих частинок.

Доповнення...
Удосконалено був лічильник іншим німецьким фізиком В. Мюллером, тому іноді цей лічильник називають лічильником Гейгера-Мюллера.

Повідомлення № 2

Камера Вільсона

Лічильники дозволяють лише реєструвати факт проходження через них частинки і фіксувати деякі її характеристики. У камері ж Вільсона швидка заряджена частка залишає слід, який можна спостерігати безпосередньо або фотографувати. Цей прилад можна назвати вікном у мікросвіт.
Камера Вільсона складається із невисокого скляного циліндра зі скляною кришкою. Усередині циліндра може рухатися поршень. На дні камери знаходиться темна тканина. Завдяки тому, що тканина зволожена сумішшю води зі спиртом, повітря в камері насичене парами цих рідин.
Дія камери Вільсона, створеної в 1912 р., заснована на конденсації перенасиченої пари на іонах,утворюються в робочому об'ємі камери вздовж траєкторії зарядженої частки.
Частки, що вивчаються, впускаються в камеру через тонке віконце (іноді джерело частинок поміщають всередині камери). При різкому опусканні поршня, викликаному зменшенням тиску під поршнем, пара в камері розширюється. Внаслідок цього відбувається охолодження та пара стає пересиченою. Якщо частка проникає в камеру безпосередньо перед розширенням або після нього, ті іони, які вона утворює, діятимуть як центри конденсації. Крапельки води, що виникають на них, утворюють слід частки, що пролетіла - трек. Інформація, яку дають треки в камері Вільсона, значно багатша за ту, яку можуть дати лічильники. По довжині треки можна визначити енергію частки, а за кількістю крапельок на одиницю довжини треку оцінюється її швидкість.

Поміщаючи камеру в однорідне магнітне поле (метод, запропонований радянськими фізиками П. Л. Капіцей і Д. В. Скобельціним), можна за напрямом вигину траєкторії та її кривизні визначити знак заряду та відношення заряду до маси або імпульс частки (якщо її заряд відомий) .

Треки існують у камері недовго, оскільки повітря нагрівається, отримуючи тепло від стінок камери, і крапельки випаровуються. Щоб отримати нові сліди, необхідно видалити наявні іони за допомогою електричного поля, стиснути повітря поршнем, почекати, поки повітря в камері, що нагрілося при стисненні, охолоне, і зробити нове розширення.

Зазвичай треки частинок у камері Вільсона не лише спостерігають, а й фотографують. При цьому камеру висвітлюють збоку потужним пучком світлових променів.

Доповнення...

Окрім назви вікно у мікросвіт, камеру Вільсона називали «туманна камера»

У 1932 році саме за допомогою цієї камери Андерсон відкрив позитрон-антиелектрон.

Повідомлення № 3

Пухирцева камера

У 1952 р. американським ученим Д. Глейзер було запропоновано використовувати для виявлення треків частинок перегріту рідину. Вони складаються із скляного циліндра, заповненого рідиною і трохи нагадують камеру Вільсона. У такій рідині на іонах,що утворюються під час руху швидкої зарядженої частинки, виникають бульбашки пари, що дають видимий трек.Камери такого типу були названі бульбашковими.

У вихідному стані рідина в камері знаходиться під високим тиском, що оберігає її від закипання. При різкому зниженні тиску рідина перегріта і протягом невеликого часу вона перебуватиме в нестійкому стані. Заряджені частинки, що пролітають саме в цей час, викликають появу треків складаються з бульбашок пара.Як рідини використовуються головним чином рідкий водень і пропан.

Таким чином, дія бульбашкової камери ґрунтується на скипанні перегрітої рідини.

Тривалість робочого циклу бульбашкової камери невелика – близько 0,1с. Перевага бульбашкової камери перед камерою Вільсона зумовлена ​​більшою щільністю робочої речовини. Пробіги частинок унаслідок цього виявляються досить короткими, і частинки навіть більших енергій застряють у камері. Це дозволяє спостерігати серію послідовних перетворень частки і викликані нею реакції.

Треки в камері Вільсона та бульбашковій камері – одне з головних джерел інформації про поведінку та властивості частинок.

Доповнення...

Розміри бульбашкових камер бувають від кількох десятків сантиметрів до кількох метрів.

Повідомлення № 4

Метод товстошарових фотоемульсій

Для реєстрації частинок поряд з камерами Вільсона застосовуються товстошарові фотоемульсії. Цей метод роблять за допомогою фотопластини покритої фотоемульсією. Іонізуюча дія швидких заряджених частинок на емульсію фотопластинки дозволило французькому фізику А. Беккерелю відкрити 1896р. радіоактивність. Метод фотоемульсії був розвинений радянськими фізиками Л. В. Мисовським. А. П. Ждановим та ін.

Дія цього методу ґрунтується на фотохімічних реакціях.

Фотоемульсія містить велику кількість мікроскопічних кристаликів броміду срібла. Швидка заряджена частка пронизуючи, відриває електрони від окремих атомів брому. Ланцюжок таких кристаликів утворює приховане зображення. При прояві у цих кристалах відновлюється металеве срібло, і ланцюжок зерен срібла утворює трек частинки.По довжині та товщині треку можна оцінити енергію та масу частинки. Через велику щільність фотоемульсії треки виходять дуже короткими.

Перевага фотоемульсій полягає в безперервній підсумовувальній дії. Це дозволяє реєструвати рідкісні явища. Важливо й те, що завдяки високій здатності фотоемульсій, що гальмує, збільшується число спостерігаються цікавих реакцій між частинками і ядрами.

Доповнення...

Товщина шару фотоемульсії дуже мала лише 200 мкм.

Саме цим методом використовують на космічних кораблях на дослідження космічних променів.

Доповнення викладача
Крім цих методів, існують деякі інші:

Іскрова камера.У 1959р. С. Фукуї та С. Міямото сконструювали іскрову камеру, в якій трек частки реєструється за іскровим розрядом у неоні, аргоні. Вага її сягає 10 тонн.

Сцинтиляційні лічильники.Сцинтиляція – це мерехтіння. Заряджена частка, ударяючись об екран, викликає спалах світла. Спостерігаючи мікроскоп за екраном, ведеться підрахунок спалахів.

Закріплення вивченого матеріалу

5 . Підбиття підсумків уроку.

Отже, сьогодні ми з вами познайомились із методами реєстрації частинок.

Ми розповіли далеко не про всі прилади, які реєструють елементарні частки. Сучасні прилади для виявлення часто зустрічаються і дуже мало живуть часток дуже складні. У їхньому спорудженні беруть участь сотні людей.

А тепер проведемо тест на закріплення матеріалу (слайди)

1.Дія лічильника Гейгера заснована на

Ударної іонізації.

Виділення енергії часткою.

2.Прилад для реєстрації елементарних частинок, дія якого заснована на утворенні бульбашок пари в перегрітій рідині, називається

Товстошарова фотоемульсія.

Лічильник Гейгера.

Фотокамери.

Камера Вільсон.

Пухирцева камера.

3.Чи можна за допомогою камери Вільсона реєструвати незаряджені частки?

Можна, якщо вони мають невелику масу (електрона)

Можна, якщо вони мають велику масу (нейтрони)

Можна, якщо вони мають невеликий імпульс

Можна, якщо вони мають великий імпульс

Не можна

4. Фотоемульсійний метод реєстрації заряджених частинок заснований на

Ударної іонізації.

Розщепленні молекул зарядженої частинкою, що рухається.

Утворення пари в перегрітій рідині.

Конденсації перенасиченої пари.

Виділення енергії часткою.

5. Прилад для реєстрації елементарних частинок, дія якого заснована на конденсації перенасиченої пари, називається

Фотокамера

Камера Вільсона

Товстошарова фотоемульсія

Лічильник Гейгера

Пухирцева камера

6. Чим заповнена камера Вільсона

Парами води чи спирту.

Газом зазвичай аргоном.

нагрітим майже до кипіння рідким воднем чи пропаном

Хімічними реагентами

7.що являє собою трек, утворений методом товстошарової фотоемульсії?

Ланцюжок крапельок води

Ланцюжок бульбашок пара

Лавина електронів

Ланцюжок зерен срібла

6 . Домашнє завдання.

п. 97 лабораторна робота з фізики

Тема:Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями

Цілі:пояснити характер руху заряджених частинок

Прилади та матеріали:фотографії треків заряджених частинок, отриманих у камері Вільсона, бульбашкової камери та фотоемульсії

Пам'ятайте, що:

довжина треку тим більше, чим більша енергія частинки і чим менша щільність середовища)

товщина треку тим більша, чим більший заряд частки і чим менша її швидкість

при русі зарядженої частинки в магнітному полі трек її виходить викривленим, причому радіус кривизни треку тим більше, чим більша маса і швидкість частинки і чим менший її заряд і модуль індукції магнітного поля

частка рухалася від кінця треку з більшим радіусом до кінця треку з меншим радіусом кривизни (радіус кривизни в міру руху зменшення, тому що через опір середовища зменшується швидкість частинки)

Завдання:

I - треки α-часток, II - треки α-часток III - трек електрона

рухалися в камері Вільсона, в бульбашковій камері, в камері Вільсона, що знаходилася в магнітному полі, що знаходилася в магнітному полі

Розгляньте фотографію I, та дайте відповідь на запитання:

у якому напрямі рухалися α-частинки? _________________________________

довжина треків α-часток приблизно однакова. Про що це каже? _______________ _______________________________________________________________________

як змінювалася товщина треку у міру руху частинок? ____________________ що з цього випливає? ____________________________________________________

Визначте за фотографією II:

чому змінювалися радіус кривизни та товщина треків у міру руху α-часток? _______________________________________________________________________

у який бік рухалися частки? _______________________________________

Визначте за фотографією III:

Чому трек має форму спіралі? _________________________________________

що могло статися причиною того, що трек електрона (III) набагато довший за треки α-часток (II) _____________________________________________________________

Методи спостереження елементарних частинок

Елементарні частинки вдається спостерігати завдяки тим слідам, які вони залишають при своєму проходженні через речовину. Характер слідів дозволяє судити про знак заряду частинки, її енергії, імпульс і т. п. Заряджені частинки викликають іонізацію молекул на своєму шляху. Нейтральні частинки слідів не залишають, але вони можуть виявити себе в момент розпаду на заряджені частинки або в момент зіткнення з ядром. Отже, нейтральні частинки також виявляються з іонізації, викликаної породженими ними зарядженими частинками.

Прилади, що застосовуються для реєстрації іонізуючих частинок, поділяються на дві групи. До першої групи належать пристрої, які реєструють факт прольоту частки і дозволяють судити про її енергію. Другу групу утворюють трекові прилади, тобто прилади, що дозволяють спостерігати сліди частинок речовини. До реєструючих приладів відносяться іонізаційні камери і газорозрядні лічильники. Широкого поширення набули черенківські лічильники та сцинтиляційні лічильники.

Заряджена частка, що пролітає через речовину, викликає як іонізацію, а й збудження атомів. Повертаючись у нормальний стан, атоми випромінюють видиме світло. Речовини, в яких заряджені частинки збуджують помітний світловий спалах (сцинтиляцію), називають фосфорами. Фосфори бувають органічні та неорганічні.

Сцинтиляційний лічильник складається з фосфору, від якого світло подається спеціальним світлопроводом до фотопомножувача. Імпульси, що виходять на виході фотоумножителя, піддаються рахунку. Визначається також амплітуда імпульсів (яка пропорційна інтенсивності світлових спалахів), що дає додаткову інформацію про частинки, що реєструються.

Лічильники часто об'єднуються в групи і включаються так, щоб реєструвалися лише такі події, які відзначаються одночасно декількома приладами, або лише одним із них. У першому випадку кажуть, що лічильники включені за схемою збігів, у другому – за схемою антизбігів.

До трекових приладів відноситься камери Вільсона, бульбашкові камери, іскрові камери і емульсійні камери.

Камера Вільсон. Так називають прилад, створений англійським фізиком Ч. Вільсоном в 1912 р. Доріжка з іонів, прокладена зарядженою частинкою, що летить, стає видимою в камері Вільсона, тому що на іонах відбувається конденсація пересичених пар будь-якої рідини. Прилад працює не безперервно, а циклами. Порівняно короткий час чутливості камери чергується з мертвим часом (в 100-1000 разів більшим), протягом якого камера готується до наступного робочого циклу. Пересичення досягається за рахунок раптового охолодження, що викликається різким (адіабатичним) розширенням робочої суміші, що складається з газу, що не конденсується (гелію, азоту, аргону) і парів води, етилового спирту і т. п. У цей же момент проводиться стереоскопічне (т. е. с. декількох точок) фотографування робочого об'єму камери. Стереофотографії дають змогу відтворити просторову картину зафіксованого явища. Так як відношення часу чутливості до мертвого часу дуже мало, доводиться іноді робити десятки тисяч знімків, перш ніж буде зафіксовано будь-яку подію, що має невелику ймовірність. Щоб збільшити ймовірність спостереження рідкісних явищ, використовуються керовані камери Вільсона, у яких роботою розширювального механізму керують лічильники частинок, включені до електронної схеми, що виділяє потрібну подію.

Пухирцева камера. У винайденій Д. А. Глезером в 1952 р. бульбашковій камері пересичені пари замінені прозорою перегрітою рідиною (тобто рідиною, що знаходиться під зовнішнім тиском, меншим тиску її насиченої пари). Іонізуюча частка, що пролетіла через камеру, викликає бурхливе закипання рідини, внаслідок чого слід частки виявляється позначеним ланцюжком бульбашок пари - утворюється трек. Бульбашкова камера, як і камера Вільсона, працює циклами. Запускається камера різким зниженням (скиданням) тиску, внаслідок чого робоча рідина перетворюється на метастабільний перегрітий стан. В якості робочої рідини, яка одночасно служить мішенню для часток, що пролітають через неї, застосовуються рідкий водень (в цьому випадку потрібні низькі температури).

Іскрові камери. У 1957 р. Краншау та де-Біром був сконструйований прилад для реєстрації траєкторій заряджених частинок, названий іскровою камерою. Прилад складається із системи плоских паралельних електродів, виконаних у вигляді каркасів з натягнутою на них металевою фольгою або у вигляді металевих пластин. Електроди поєднуються через один. Одна група електродів заземляється, але в іншу періодично подається короткочасний (тривалістю 10 -7 сек) високовольтний імпульс (10- 15 кВ). Якщо в момент подачі імпульсу через камеру пролетить іонізуюча частка, її шлях буде відзначений ланцюжком іскор, що проскакують між електродами. Прилад запускається автоматично за допомогою включених за схемою збігів додаткових лічильників, що реєструють проходження через об'єм камери досліджуваних частинок. У камерах, наповнених інертними газами, міжелектродна відстань може досягати кількох сантиметрів. Якщо напрямок польоту частинки утворює з нормаллю до електродів кут, що не перевищує 40°, розряд у таких камерах розвивається у напрямку треку частинки.

Метод фотоемульсії. Радянські фізики Л. В. Мисовський та А. П. Жданов вперше застосували для реєстрації елементарних частинок фотопластинки. Заряджена частка, проходячи через фотоемульсію, викликає таку саму дію, як і фотони. Тому після прояву платівки в емульсії утворюється видимий слід (трек) частки, що пролетіла. Недоліком методу фотопластинок була мала товщина емульсійного шару, внаслідок чого виходили повністю лише треки частинок площини шару, що летять паралельно. В емульсійних камерах опромінення піддаються товсті пачки (вагою до кількох десятків кілограмів), складені з окремих шарів фотоемульсії (без підкладки). Після опромінення пачка розбирається на шари, кожен з яких проявляється та проглядається під мікроскопом. Для того, щоб можна було простежити шлях частинки при переході з одного шару в інший, перед розбиранням пачки на всі шари наноситься за допомогою рентгенівських променів однакова координатна сітка.

Атомістична концепція будови світу

Квантова модель атома передбачає, що ядро ​​атома складається з позитивно заряджених протонів та нейтронів, які не мають заряду. Також ядро ​​оточене електронами, які мають негативний заряд.

Найпростіший вид цього джерела APPJ складається з діелектричної труби з двома трубчастими металевими електродами і деякого благородного газу (He, Ar), що протікає через неї. Для демонстрації того...

Вакуумна плазмова технологія високих енергій

Існує не так багато методів проведення діагностики APP (плазми атмосферного тиску). Один дуже потужний інструмент – це ICCD-камера (посилене навантаження з'єднувальних пристроїв).

Дослідження процесів випаровування та конденсації рідких крапель

Окремі частинки характеризуються так званими морфологічними ознаками: розмір, щільність, форма, структура, хімічний склад.

Пошуки частинок темної матерії

Для детектування заряджених масивних частинок ТМ запропоновано використовувати методи радіаційної акустики.

Розробка лабораторної роботи "броунівський рух"

2.1 Аналіз робіт з броунівського руху У газеті «1 вересня» Фізика №16/08 опубліковано статтю «Броунівський рух «очима» цифрового мікроскопа». У ній автор /Царьков І.С./ розповідає про досвід МОУ ЗОШ № 29 міста...

Фази потенціалу дії. Радіоактивні випромінювання

Різні реєструючі пристрої дозволяють вивчати переважно заряджені частинки, які викликають іонізацію середовища, тобто. при зіткненні виривають електрон з атомів частинок середовища, повідомляючи йому енергію іонізації Ei. Однак незаряджені частинки...

Фізичні основи космології та астрофізики

Достаток типів елементарних частинок поставило перед фізиками важкі питання: що лежить основу будови речовини, чи є якась загальна схема, систематика...

Елементарні частки

Елементарні частки

Під елементарними частинками розуміють такі мікрочастинки, внутрішню структуру яких на сучасному рівні розвитку фізики не можна уявити як поєднання інших частинок.

Елементарні частки

Для того, щоб зрозуміти, що навело вчених на думку про те, що адрони складаються з кварків, потрібно спочатку зрозуміти, що пов'язує протони і нейтрони в ядро ​​атома. Пройти разом з ними їхній шлях у надра матерії.

Елементарні частки

Ядерні сили

У 1932 р. у складі космічного випромінювання було виявлено позитрон, існування якого було передбачено теорією Дірака ще 1929 р. Цей факт мав дуже велике значення як для підтвердження правильності теорії Дірака, а й тому...

Вивчаючи дію люмінесцентних речовин на фотоплівку, французький фізик Антуан Беккерель виявив невідоме випромінювання. Він виявив фотопластинку, на якій у темряві якийсь час знаходився мідний хрест, вкритий сіллю урану. На фотопластинці вийшло зображення у вигляді чіткої тіні хреста. Це означало, що сіль урану мимоволі випромінює. За відкриття явища природної радіоактивності Беккерель у 1903 році був удостоєний Нобелівської премії. РАДІОАКТИВНІСТЬ - це здатність деяких атомних ядер мимоволі перетворюватися на інші ядра, випускаючи при цьому різні частинки: Будь-який мимовільний радіоактивний розпад екзотермічний, тобто відбувається з виділенням тепла.
АЛЬФА-ЧАСТИНА(a-частка) – ядро ​​атома гелію. Містить два протони і два нейтрони. Випусканням a-часток супроводжується одне з радіоактивних перетворень (альфа-розпад ядер) деяких хімічних елементів.
БЕТА-ЧАСТИНА –електрон, що випускається при бета-розпаді. Потік бета-часток є одним з видів радіоактивних випромінювань з проникаючою здатністю, більшою, ніж у альфа-часток, але меншою, ніж у гамма-випромінювання. ГАММА-ВИПРОМІНЮВАННЯ (гамма-кванти) – короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі менше 2×10–10 м. Через малу довжину хвилі хвильові властивості гамма-випромінювання виявляються слабо, і на перший план виступають корпускулярні властивості, у зв'язку з чим його представляють як потоку гамма-квантов (фотонів). Час, протягом якого розпадається половина з початкового числа радіоактивних атомів, називають періодом напіврозпаду. За цей час активність радіоактивної речовини зменшується вдвічі. Період напіврозпаду визначається тільки родом речовини і може приймати різні значення - від декількох хвилин до декількох мільярдів років. ІЗОТОПИ– це різновиди даного хімічного елемента, які різняться масовим числом своїх ядер. Ядра ізотопів одного елемента містять однакову кількість протонів, але різне число нейтронів. Маючи однакову будову електронних оболонок, ізотопи мають практично однакові хімічні властивості. Однак за фізичними властивостями ізотопи можуть відрізнятися дуже різко. Усі три складові радіоактивного випромінювання, проходячи через середовище, взаємодіють із атомами середовища. Результатом цієї взаємодії є збудження або навіть іонізація атомів середовища, що ініціює протікання різних хімічних реакцій. Тому радіоактивне випромінювання має хімічну дію. Якщо радіоактивному випромінюванню піддати клітини живого організму, то перебіг реакцій, ініційованих радіоактивним випромінюванням, може призвести до утворення речовин, згубних для даного організму і в кінцевому підсумку - до руйнування тканин. Тому вплив радіоактивного випромінювання на живі організми згубно. Великі дози випромінювання можуть призвести до серйозних захворювань або навіть смерті. 3. Ядерні реакції
ЯДЕРНІ РЕАКЦІЇ - це перетворення атомних ядер в результаті взаємодії один з одним або елементарними частинками. Для здійснення ядерної реакції необхідно, щоб частинки, що зіштовхуються, зблизилися на відстань близько 10–15 м. Ядерні реакції підпорядковуються законам збереження енергії, імпульсу, електричного та барійного зарядів. Ядерні реакції можуть протікати як з виділенням, так і з поглинанням кінетичної енергії, причому ця енергія приблизно в 106 разів перевищує енергію, що поглинається або виділяється при хімічних реакціях.

Відкриття нейтрона Д.Чедвіком 1932 року

У 1932 році німецький фізик В. Гейзенберг та радянський фізик Д.Д. Іваненко запропонували протонно-нейтронну модель атомного ядраВідповідно до цієї моделі, атомні ядра складаються з елементарних частинок – протонів та нейтронів.

Ядерні сили дуже потужні, але дуже швидко зменшуються зі збільшенням відстані. Вони є проявом так званої сильної взаємодії. Особливістю ядерних сил є їх короткодіючий характер: вони виявляються на відстанях порядку розміру самого ядра. Фізики жартома називають ядерні сили "багатирем з короткими руками". Мінімальну енергію, необхідну повного розщеплення ядра деякі нуклони, називають енергією зв'язку ядра. Ця енергія дорівнює різниці сумарної енергії вільних нуклонів та повної енергії ядра. Таким чином, сумарна енергія вільних нуклонів більша за повну енергію ядра, що складається з цих нуклонів. Дуже точні вимірювання дозволили зафіксувати той факт, що маса спокою ядра завжди менше суми мас спокою складових його н ухилів на деяку величину, яка називається дефектом маси. Питома енергія зв'язку характеризує стійкість ядер. Питома енергія зв'язку дорівнює відношенню енергії зв'язку масового числу і характеризує стійкість ядра. Чим більша питома енергія зв'язку, тим стійкішим є ядро. Графік залежності питомої енергії зв'язку від кількості нуклонів в ядрі має слабко виражений максимум в інтервалі від 50 до 60. Це говорить про те, що ядра із середніми значеннями масових чисел, такі як залізо, є найстійкішими. Легкі ядра мають тенденцію до злиття, а важкі до поділу.

Приклад ядерних реакцій.

Ланцюгові ядерні реакції. Термоядерні реакції – це ядерні реакції між легкими атомними ядрами, що протікають за дуже високих температур (~108 К і вище). При цьому речовина перебуває у стані повністю іонізованої плазми. Необхідність високих температур пояснюється тим, що для злиття ядер у термоядерній реакції необхідно, щоб вони зблизилися на малу відстань і потрапили до сфери дії ядерних сил. Цьому зближенню перешкоджають кулонівські сили відштовхування, які діють між однойменно зарядженими ядрами. Щоб їх подолати, ядра повинні мати дуже велику кінетичну енергію. Після початку протікання термоядерної реакції вся енергія, витрачена на розігрів суміші, компенсується енергією, що виділяється в ході реакції.
4. Ядерна енергетика. Використання ядерної енергії – важливе науково-практичне завдання. Пристрій, що дозволяє здійснювати керовану ядерну реакцію, називають ядерним реактором. Коефіцієнт розмноження нейтронів в реакторі підтримується рівним одиниці за допомогою введення або виведення з реактора стрижнів, що регулюють. Ці стрижні виготовляють із речовини, що добре поглинає нейтрони, - з кадмію, бору чи графіту.
Основними елементами ядерного реактора є: - Ядерне пальне: уран-235, плутоній-239; - Уповільнювач нейтронів: важка вода або графіт; – теплоносій для відведення енергії, що виділяється; - Регулятор швидкості ядерної реакції: речовина, що поглинає нейтрони (бор, графіт, кадмій).