ВСІ УРОКИ ФІЗИКИ 11 клас
АКАДЕМІЧНИЙ РІВЕНЬ
2-й семестр
АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА
УРОК 11/88
Тема. Методи реєстрації іонізуючого випромінювання
Мета уроку: ознайомити учнів із сучасними методами виявлення та дослідження заряджених частинок.
Тип уроку: вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань |
1. Період напіврозпаду. 2. Закон радіоактивного розпаду. 3. Зв'язок постійного напіврозпаду з інтенсивністю радіоактивного випромінювання. |
|
Демонстрації |
2. Спостереження треків частинок у камері Вільсона. 3. Фотографії треків заряджених частинок у бульбашковій камері. |
|
Вивчення нового матеріалу |
1. Будова та принцип дії лічильника Гейгера-Мюллера. 2. Іонізаційна камера. 3. Камера Вільсона. 4. Пухирцева камера. 5. Метод товстошарової фотоемульсії. |
|
Закріплення вивченого матеріалу |
1. Якісні питання. 2. Вчимося вирішувати завдання. |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Усі сучасні реєстрації ядерних частинок та випромінювань можна розбити на дві групи:
а) обчислювальні методи, що ґрунтуються на використанні приладів, вважають число частинок того чи іншого типу;
б) трекові методи, що дозволяють відтворити слід частки. Лічильник Гейгер-Мюллер - один з найважливіших приладів для автоматичного рахунку частинок. Дія лічильника заснована на ударній іонізації. Заряджена частка пролітає в газі, відриваючи від атомів електрони і створює позитивні іони та вільні електрони. Електричне поле між анодом та катодом прискорює електрони до енергій, за яких починається іонізація. Лічильник Гейгера-Мюллера застосовують в основному для реєстрації електронів та γ-випромінювань.
Така камера дозволяє вимірювати дози іонізуючого випромінювання. Зазвичай це циліндричний конденсатор між обкладками якого знаходиться газ. Між обкладками прикладають високу напругу. За відсутності іонізуючого випромінювання струм практично відсутній, а у разі опромінення газу в ньому з'являються вільні заряджені частинки (електрони та іони) та протікає слабкий струм. Цей слабкий струм посилюють та вимірюють. Сила струму характеризує іонізуючу дію випромінювання (γ-кванти).
Набагато великі можливості для вивчення мікросвіту дає створена 1912 камера Вільсона. У цій камері швидка заряджена частка залишає слід, який можна спостерігати безпосередньо або фотографувати.
Дія камери Вільсона заснована на конденсації пересиченої пари на іонах з утворенням крапель води. Ці іони створює вздовж своєї траєкторії заряджена частка, що рухається. Крапельки утворюють видимий слід частки, що пролетіла – трек.
Інформація, яку дають треки в камері Вільсона, значно повніша за ту, яку можуть дати лічильники. По довжині треку можна визначити енергію частки, а за кількістю крапельок на одиницю довжини треку оцінюють її швидкість.
Російські фізики П. Л. Капіца та Д. В. Скобельцин запропонували поміщати камеру Вільсона в однорідне магнітне поле. Магнітне поле діє на заряджену частинку, що рухається, з певною силою. Ця сила викривляє траєкторію частки, не змінюючи модуль її швидкості. За кривиною треку можна визначити відношення заряду частки до її маси.
Зазвичай треки частинок у камері Вільсона не лише спостерігають, а й фотографують.
1952 р. американський вчений Д. Глейзер запропонував використовувати для виявлення треків частинок перегріту рідину. У цій рідині на іонах, що утворюються під час руху швидкої зарядженої частинки, виникають бульбашки пари, що дають видимий трек. Камери такого типу були названі бульбашкові.
Перевага бульбашкової камери перед камерою Вільсона обумовлена більшою щільністю робочої речовини. Пробіги частинок внаслідок цього виявляються досить короткими, і частинки навіть більших енергій застрягають в камері. Це дозволяє спостерігати серію послідовних перетворень частинки та зумовлені нею реакції.
Треки в камері Вільсона та бульбашковій камері - одне з головних джерел інформації про поведінку та властивості частинок.
Найбільш дешевим методом реєстрації частинок та випромінювань є фотоемульсійний. Він базується на тому, що заряджена частка, рухаючись у фотоемульсії, руйнує молекули бромистого срібла в тих зернах, через які вона пройшла. Під час прояву в кристалах відновлюється металеве срібло і ланцюжок зерен срібла утворює трек частинки. По довжині та товщині треку можна оцінити енергію та масу частинки.
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
Перший рівень
1. Чи можна за допомогою камери Вільсона реєструвати незаряджені частинки?
2. Які переваги має бульбашкова камера порівняно з камерою Вільсона?
Другий рівень
1. Чому не реєструються альфа-частинок за допомогою лічильника Гейгера-Мюллера?
2. Які характеристики частинок можна визначити за допомогою камери Вільсона, яка знаходиться в магнітному полі?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1. Як за допомогою камери Вільсона можна визначити природу частки, яка пролетіла в камері, її енергію, швидкість?
2. З якою метою камеру Вільсона іноді перегороджують шаром свинцю?
3. Де більша довжина вільного пробігу-частки: біля Землі чи верхніх шарах атмосфери?
1. На малюнку показаний трек-частинки, що рухається в однорідному магнітному полі з магнітною індукцією 100 мТл, спрямованому перпендикулярно до площини малюнка. Відстань між лініями сітки на малюнку дорівнює 1 см. Яка швидкість частки?
2. Показана малюнку фотографія отримана у камері Вільсона, наповненої водяною парою. Яка частка могла пролетіти через камеру Вільсона? Стрілкою показано напрямок початкової швидкості частинки.
2. Сб: № 17.49; 17.77; 17.78; 17.79; 17.80.
3. Д: підготуватися до самостійної роботи №14.
ЗАВДАННЯ З САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ № 14 «АТОМНЕ ЯДРО. ЯДЕРНІ СИЛИ. РАДІОАКТИВНІСТЬ»
Стався розпад радію 226 88 Ra
Число протонів в ядрі зменшилося на 1.
Утворилося ядро з атомним номером 90.
Утворилося ядро з масовим числом 224.
Г Утворилося ядро атома іншого хімічного елемента.
Для реєстрації заряджених частинок використовують камеру Вільсон.
А Камера Вільсона дозволяє визначити лише кількість часток, що пролетіли.
B За допомогою камери Вільсона можна реєструвати нейтрони.
У заряджену частинку, що пролетіла через камеру Вільсона, викликає кипіння перегрітої рідини.
Г Помістивши камеру Вільсона у магнітне поле, можна визначити знак заряду частинок, що пролітають.
Завдання 3 має на меті встановити відповідність (логічна пара). До кожного рядка, позначеного літерою, підберіть твердження, яке позначається цифрою.
А Протон.
Нейтрон.
В Ізотопи.
Г Альфа-частка.
1 Нейтральна частка, утворена одним протоном та одним нейтроном.
2 Позитивно заряджена частка, утворена двома протонами та двома нейтронами. Ідентична ядру атома Гелія
3 Частка, що не має електричного заряду та має масу 1,67 · 10-27 кг.
4 Частка з позитивним зарядом, дорівнює по модулю заряду електрона та масою 1,67 · 10-27 кг.
5 Ядра з однаковим електричним зарядом, але різної маси.
Який ізотоп утворюється з урану 23992 U після двох β-розпадів та одного-розпаду? Запишіть рівняння реакції.
11 кл.
1 варіант
1.Дія лічильника Гейгера заснована на
А. Розщепленні молекул зарядженої частинкою Б. Ударної іонізації, що рухається.
В. Виділення енергії часткою. Г.Утворенні пари в перегрітій рідині.
Д. Конденсації перенасиченої пари.
2. Прилад для реєстрації елементарних частинок, дія якого ґрунтується на
утворення пухирців пара в перегрітій рідині, називається
А.Товстошарова фотоемульсія. Б. Лічильник Гейгера. Ст. Фотокамера.
Г. Камера Вільсон. Д.Бульбашкова камера.
3. Для вивчення радіоактивних випромінювань використовують камеру Вільсона. Її дія ґрунтується на тому, що при проходженні через неї швидкої зарядженої частинки:
А. в газі з'являється слід із крапель рідини; Б. у газі з'являється імпульс електричного струму;
Ст у пластині утворюється приховане зображення сліду цієї частинки;
Г.в рідині з'являється спалах світла.
4. Що являє собою трек, утворений методом товстошарової фотоемульсії?
А Ланцюжок крапельок води Б. Ланцюжок бульбашок пара
В.Лавіна електронів Г. Ланцюжок зерен срібла
5.Чи можна за допомогою камери Вільсона реєструвати незаряджені частки?
А.Можна, якщо вони мають невелику масу (електрона)
Б.Можна, якщо вони мають невеликий імпульс
В. Можна, якщо вони мають велику масу (нейтрони)
Г.Можна, якщо вони мають великий імпульс Д. Не можна
6. Чим заповнена камера Вільсона
А.Парамі води чи спирту. Б.Газом, зазвичай аргоном. В.Хімічними реагентами
Г. Нагрітим майже до кипіння рідким воднем чи пропаном
7. Радіоактивність - це...
А.Здатність ядер мимоволі випускати частинки, перетворюючись при цьому на ядра інших
хімічних елементів
Б. Здатність ядер випускати частинки, перетворюючись при цьому на ядра інших хімічних речовин.
елементів
В. Здатність ядер мимоволі випускати частки
Г. Здатність ядер випускати частинки
8. Альфа - випромінювання– це
9. Гамма - випромінювання– це
А. Потік позитивних частинок Б. Потік негативних частинок В. Потік нейтральних частинок
10. Що являє собою бета-випромінювання?
11. При α-розпаді ядро...
А.Перетворюється на ядро іншого хімічного елемента, який знаходиться на дві клітинки ближче до
початку таблиці Менделєєва
Б. Перетворюється на ядро іншого хімічного елемента, який знаходиться на одну клітинку далі
від початку таблиці Менделєєва
Г. Залишається ядром того самого елемента зі зменшеним на одиницю масовим числом.
12. Детектор радіоактивних випромінювань поміщений у закриту картонну коробку з товщиною стінок понад 1 мм. Які випромінювання може зареєструвати?
13. На що перетворюється уран-238 післяα - і двохβ - Розпадів?
14. Який елемент має стояти замість Х?
204 79 Au X + 0 -1 e
11 кл.
Тест «Методи реєстрації елементарних частинок. Радіоактивність».
Варіант 2.
1. Прилад для реєстрації елементарних частинок, дія якого ґрунтується на
конденсації перенасиченої пари, називається
А.Фотокамера Б.Камера Вільсона В.Товстошарова фотоемульсія
Г. Лічильник Гейгера Д. Пухирцева камера
2.Прилад для реєстрації ядерних випромінювань, в якому проходження швидкої зарядженої
частинки викликає поява сліду з крапель рідини в газі, що називається
А. Лічильник Гейгера Б. Камера Вільсона В.Товстошарова фотоемульсія
Г. Пухирцева камера Д.Екран, покритий сірчистим цинком
3.У якому з наведених нижче приладів для реєстрації ядерних випромінювань
проходження швидкої зарядженої частинки викликає появу імпульсу електричного
струму у газі?
А.У лічильнику Гейгера Б.У камері Вільсона В. У фотоемульсії
Г. У сцинтиляційному лічильнику.
4. Фотоемульсійний метод реєстрації заряджених частинок заснований на
А. Ударної іонізації. Б. Розщепленні молекул зарядженої частинкою, що рухається.
В. Утворенні пари в перегрітій рідині. Г. Конденсації перенасиченої пари.
Д. Виділення енергії часткою
5. Заряджена частка викликає появу сліду з бульбашок пари рідини в
А. Лічильнику Гейгера. Б.Камері Вільсона В. Фотоемульсії.
Г. Сцинтиляційний лічильник. Д. Пухирцевій камері
6. Чим заповнена бульбашкова камера
А.Парамі води чи спирту. Б. Газом, зазвичай Аргоном. В. Хімічними реагентами.
Г. Нагрітим майже до кипіння рідким воднем чи пропаном.
7
. Контейнер з радіоактивною речовиною поміщають у
магнітне поле, внаслідок чого пучок
радіоактивного випромінювання розпадається на три
компоненти (див. рисунок). Компоненти (3)
відповідає
А.Гамма-випромінювання Б. Альфа-випромінювання
В. Бета-випромінювання
8. Бета - випромінювання– це
А. Потік позитивних частинок Б. Потік негативних частинок В. Потік нейтральних частинок
9. Що являє собою альфа-випромінювання?
А. Потік ядер гелію Б. Потік протонів В.. Потік електронів
Г. Електромагнітні хвилі великої частоти
10. Що є гамма - випромінювання?
А. Потік ядер гелію Б. Потік протонів В.. Потік електронів
Г. Електромагнітні хвилі великої частоти
11. При β-розпаді ядро...
А. Перетворюється на ядро іншого хімічного елемента, який знаходиться на одну клітинку далі
від початку таблиці Менделєєва
Б. Перетворюється на ядро іншого хімічного елемента, який знаходиться на дві клітинки ближче до
початку таблиці Менделєєва
В. Залишається ядром того самого елемента з тим же масовим числом
Г. Залишається ядром того самого елемента зі зменшеним на одиницю масовим числом
12 Який із трьох типів випромінювань має найбільшу проникаючу здатність?
А.Гамма-випромінювання Б. Альфа-випромінювання В. Бета-випромінювання
13. Ядро якого хімічного елемента є продуктом одного альфа-розпаду
та двох бета-розпадів ядра даного елемента 214 90 Th?
14.Який елемент повинен стояти замістьX?
Спочатку ознайомимося з пристроями, завдяки яким виникла та почала розвиватися фізика атомного ядра та елементарних частинок. Це пристрої для реєстрації та вивчення зіткнень та взаємних перетворень ядер та елементарних частинок. Саме вони дають необхідну інформацію про події у мікросвіті. Принцип дії приладів реєстрації елементарних частинок. Будь-який пристрій, що реєструє елементарні частинки або атомні ядра, що рухаються, подібно до зарядженої рушниці зі зведеним курком. Невелике зусилля при натисканні на спусковий 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. Газорозрядний лічильник Гейгера. Лічильник Гейгера - один із найважливіших приладів для автоматичного підрахунку частинок. Лічильник (рис. 253) складається зі 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 (електрон, а-частка і т.д.), 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 навантажувальному резистори R утворюється імпульс напруги, який подається в реєструючий пристрій. Для того щоб лічильник міг реєструвати наступну частину, що потрапила в нього, лавинний розряд необхідно погасити. Це відбувається автоматично. Так як у момент появи імпульсу струму падіння напруги на навантажувальному резистори R велике, то напруга між анодом і катодом різко зменшується - настільки, що розряд припиняється. Лічильник Гейгера застосовується в основному для реєстрації електронів та у-квантів (фотонів великої енергії). Однак безпосередньо у-кванти внаслідок їх малої іонізуючої здатності не реєструються. Для їх виявлення внутрішню стінку трубки покривають матеріалом, з якого у-кванти вибивають електрони. Лічильник реєструє майже всі електрони, що потрапляють до нього; Що ж до у-квантів, то він реєструє приблизно лише один у-квант зі ста. Реєстрація важких частинок (наприклад, а-частинок) утруднена, так як складно зробити в лічильнику досить тонке віконце прозоре для цих частинок. Нині створено лічильники, які працюють на інших принципах, ніж лічильник Гейгера. Камера Вільсон. Лічильники дозволяють лише реєструвати факт проходження через них частинки та фіксувати деякі її характеристики. У камері Вільсона, створеної в 1912 р., швидка заряджена частка залишає слід, який можна спостерігати безпосередньо або сфотографувати. Цей прилад можна назвати вікном в мікросвіт, тобто світ елементарних частинок і систем, що складаються з них. Дія камери Вільсона заснована на конденсації перенасиченої пари на іонах з утворенням крапель води. Ці іони створює вздовж своєї траєкторії заряджена частка, що рухається. Камера Вільсона є герметично закритою посудиною, заповненою парами води або спирту, близькими до насичення (рис. 254). При різкому опусканні поршня, викликаному зменшенням тиску під ним, пара камери адіабатично розширюється. Внаслідок цього відбувається охолодження, і пара стає перенасиченою. Це нестійкий стан пари: пар легко конденсується. Центрами конденсації стають іони, які утворює в робочому просторі камери частинка, що пролетіла. Якщо частка проникає в камеру безпосередньо перед розширенням або відразу після нього, то на її шляху з'являються крапельки води. Ці крапельки утворюють видимий слід частки, що пролетіла - трек (рис. 255). Потім камера повертається у вихідний стан і видаляються іони електричним полем. Залежно від розмірів камери, час відновлення робочого режиму коливається від декількох секунд до десятків хвилин. Інформація, яку дають треки в камері Вільсона, значно багатша за ту, яку можуть дати лічильники. По довжині треку можна визначити енергію частки, а за кількістю крапельок на одиницю довжини треку – оцінити її швидкість. Чим довше трек частки, тим більша її енергія. А чим більше крапельок води утворюється на одиницю довжини треку, тим менша її швидкість. Частинки із великим зарядом залишають трек більшої товщини. Радянські фізики П. Л. Капіца та Д. В. Скобельцин запропонували поміщати камеру Вільсона в однорідне магнітне поле. Магнітне поле діє на заряджену частинку, що рухається, з певною силою (силою Лоренца). Ця сила викривляє траєкторію частки, не змінюючи модуль її швидкості. Трек має тим більшу кривизну, що більший заряд частки і що менше її маса. По кривизні треку можна визначити ставлення заряду частки до її маси. Якщо відома одна з цих величин, можна обчислити іншу. Наприклад, за зарядом частинки та кривизні її треку обчислити масу. Пухирцева камера. У 1952 р. американським ученим Д. Глейзером було запропоновано використовувати для виявлення треків частинок перегріту рідину. У такій рідині на іонах, що утворюються під час руху швидкої зарядженої частинки, з'являються бульбашки пари, що дають видимий трек. Камери даного типу були названі бульбашковими. У вихідному стані рідина в камері знаходиться під високим тиском, що оберігає її від закипання, незважаючи на те, що температура рідини вище температури кипіння при атмосферному тиску. 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, що складаються з бульбашок пари (рис. 256). Як рідина використовуються головним чином рідкий водень і пропан. Тривалість робочого циклу бульбашкової камери невелика – близько 0,1 с. Перевага бульбашкової камери перед камерою Вільсона обумовлена 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. Спостереження слідів елементарних частинок справляє сильне враження, створює відчуття безпосереднього зіткнення з мікросвітом. Метод товстошарових фотоемульсій. Для реєстрації частинок поряд з камерами Вільсона та бульбашковими камерами застосовуються товстошарові фотоемульсії. Іонізуюча дія швидких заряджених частинок на емульсію фотопластинки дозволила французькому фізику А. Беккерелю відкрити 1896 р. радіоактивність. Метод фотоемульсії був розвинений радянськими фізиками Л. В. Мисовським, А. П. Ждановим та ін. Фотоемульсія містить велику кількість мікроскопічних кристаликів броміду срібла. Швидка заряджена частка, пронизуючи кристалик, відриває електрони від окремих атомів брому. Ланцюжок таких кристаликів утворює приховане зображення. При прояві цих кристаликах відновлюється металеве срібло і ланцюжок зерен срібла утворює трек частки (рис. 257). По довжині та товщині треку можна оцінити енергію та масу частинки. Через велику щільність фотоемульсії треки виходять дуже короткими (порядку 1(Г3 см для а-часток, що випускаються радіоактивними елементами), але при фотографуванні їх можна збільшити. Перевага фотоемульсій полягає в тому, що час експозиції може бути більшим. Це дозволяє. реєструвати рідкісні явища. Важливо і те, що завдяки великій гальмівній здатності фотоемульсій збільшується кількість цікавих реакцій, що спостерігаються, між частинками і ядрами. їх спорудженні беруть участь сотні людей. 1. Чи можна за допомогою камери Вільсона реєструвати незаряджені частки!
Камера Вільсона – трековий детектор елементарних заряджених частинок, у якому трек (слід) частки утворює ланцюжок дрібних крапельок рідини вздовж траєкторії її руху. Винайдена Ч. Вільсоном 1912 р. (Нобелівська премія 1927 р.). У камері Вільсона (див. рис. 7.2) треки заряджених частинок стають видимими завдяки конденсації перенасиченої пари на іонах газу, утворених зарядженою частинкою. На іонах утворюються краплі рідини, які виростають до достатніх розмірів для спостереження (10 -3 -10 -4 см) і фотографування при хорошому освітленні. Просторова роздільна здатність камери Вільсона зазвичай 0.3 мм. Робочим середовищем найчастіше є суміш пар води і спирту під тиском 0.1-2 атмосфери (водяна пара конденсується головним чином на негативних іонах, пари спирту - на позитивних). Перенасичення досягається швидким зменшенням тиску рахунок розширення робочого об'єму. Час чутливості камери, протягом якого перенасичення залишається достатнім для конденсації на іонах, а сам об'єм прийнятно прозорим (не перевантаженим крапельками, у тому числі фоновими), змінюється від сотих часток секунди до декількох секунд. Після цього необхідно очистити робочий об'єм камери та відновити її чутливість. Таким чином, камера Вільсона працює у циклічному режимі. Повний час циклу зазвичай > 1 хв.
Можливості камери Вільсона значно зростають при розміщенні їх у магнітне поле. За викривленою магнітним полем траєкторії зарядженої частки визначають знак її заряду та імпульс. За допомогою камери Вільсона в 1932 р. Андерсон виявив в космічних променях позитрон.
Важливим удосконаленням, удостоєним 1948 р. Нобелівської премії (П. Блекетт), стало створення керованої камери Вільсона. Спеціальні лічильники відбирають події, які мають бути зареєстровані камерою Вільсона, і запускають камеру лише для спостереження таких подій. Ефективність камери Вільсона, яка працює в такому режимі, багаторазово зростає. "Керування" камери Вільсона пояснюється тим, що можна забезпечити дуже високу швидкість розширення газового середовища і камера встигає відреагувати на сигнал зовнішніх лічильників, що запускає.
Методи реєстрації та Детектори частинок
§ Калориметричний (по енергії, що виділяється)
§ Фотоемульсійні
§ Пухирцеві та іскрові камери
§ Сцинтиляційні детектори
§ Напівпровідникові детектори
Сьогодні здається майже неправдоподібним, скільки відкриттів у фізиці атомного ядра було зроблено з використанням природних джерел радіоактивного випромінювання з енергією лише кілька МеВ і найпростіших пристроїв, що детектують. Відкрито атомне ядро, отримано його розміри, вперше спостерігалася ядерна реакція, виявлено явище радіоактивності, відкрито нейтрон та протон, передбачено існування нейтрино тощо. Основним детектором частинок довгий час була пластинка з нанесеним на неї шаром сірчистого цинку. Частинки реєструвалися оком по вироблених ними у сірчистому цинку спалахів світла. Черенківське випромінювання вперше спостерігалося візуально. Перша бульбашкова камера, в якій Глезер спостерігав треки-частинок, була величиною з наперсток. Джерелом частинок високих енергій на той час були космічні промені - частки, що утворюються у світовому просторі. У космічних променях уперше спостерігалися нові елементарні частки. 1932 - відкритий позитрон (К. Андерсон), 1937 - відкритий мюон (К. Андерсон, С. Недермейєр), 1947 - відкритий -мезон (Пауел), 1947 - виявлені дивні частинки (Дж. Рочестер, К. Батлер ).
Згодом експериментальні установки ставали дедалі складнішими. Розвивалася техніка прискорення та детектування частинок, ядерна електроніка. Успіхи у фізиці ядра та елементарних частинок все більшою мірою визначаються прогресом у цих галузях. Нобелівські премії з фізики часто присуджуються за роботи у галузі техніки фізичного експерименту.
Детектори служать як реєстрації самого факту наявності частки так визначення її енергії та імпульсу, траєкторії руху частки та інших характеристик. Для реєстрації частинок часто використовують детектори, які максимально чутливі до реєстрації певної частинки і не відчувають велике тло створюване іншими частинками.
Зазвичай в експериментах з фізики ядра і частинок необхідно виділяти "потрібні" події на гігантському фоні "непотрібних" подій, може бути одна з мільярдів. Для цього використовують різні комбінації лічильників та методів реєстрації, використовують схеми збігів або антизбігів між подіями, зареєстрованими різними детекторами, відбір подій за амплітудою та формою сигналів тощо. Часто використовується селекція частинок за часом прольоту певної відстані між детекторами, магнітний аналіз та інші методи, які дозволяють надійно виділити різні частинки.
Реєстрація заряджених частинок полягає в явище іонізації чи збудженні атомів, що вони викликають у речовині детектора. На цьому засновано роботу таких детекторів як камера Вільсона, бульбашкова камера, іскрова камера, фотоемульсії, газові сцинтиляційні та напівпровідникові детектори. Незаряджені частинки (-кванти, нейтрони, нейтрино) детектуються за вторинними зарядженими частинками, що виникають внаслідок їх взаємодії з речовиною детектора.
Нейтрино безпосередньо не реєструється детектором. Вони несуть із собою певну енергію та імпульс. Нестачу енергії та імпульсу можна виявити, застосовуючи закон збереження енергії та імпульсу до інших зареєстрованих у результаті реакції частинок.
Частки, що швидко розпадаються, реєструються за їх продуктами розпаду. Велике застосування знайшли детектори, що дозволяють безпосередньо спостерігати траєкторії частинок. Так за допомогою камери Вільсона, поміщеної в магнітне поле, були відкриті позитрон, мюон і -мезони, за допомогою бульбашкової камери - багато дивних частинок, за допомогою іскрової камери реєструвалися нейтринні події і т.д.
1. 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.
2. Пропорційний лічильник.Пропорційний лічильник має таку саму конструкцію, як і лічильник Гейгера. Однак за рахунок підбору напруги живлення і складу газової суміші в пропорційному лічильнику при іонізації газу зарядженою частинкою, що пролетіла, не відбувається коронного розряду. Під дією електричного поля створюваного поблизу позитивного електрода первинні частинки виробляють вторинну іонізацію і створюють електричні лавини, що призводить до посилення первинної іонізації створеної частки, що пролетіла через лічильник, в 10 3 - 10 6 разів. Пропорційний лічильник дозволяє реєструвати енергію частинок.
3. Іонізаційна камера.Так само як у лічильнику Гейгера та пропорційному лічильнику в іонізаційній камері використовується газова суміш. Однак, порівняно з пропорційним лічильником, напруга живлення в іонізаційній камері менша і посилення іонізації в ній не відбувається. Залежно від вимог експерименту для вимірювання енергії частинок використовується або електронна компонента струмового імпульсу, або електронна та іонна.
4. Напівпровідниковий детектор. Пристрій напівпровідникового детектора, які зазвичай виготовляються з кремнію або германію, аналогічно до пристрою іонізаційної камери. Роль газу напівпровідниковому детекторі грає певним чином створена чутлива область, у якій звичайному стані немає вільних носіїв заряду. Потрапивши в цю область заряджена частка викликає іонізацію, відповідно в зоні провідності з'являються електрони, а в валентній зоні - дірки. Під дією прикладеного до напилених на поверхню чутливої зони електродів напруги виникає рух електронів і дірок, формується імпульс струму. Заряд імпульсу струму несе інформацію про кількість електронів та дірок і відповідно про енергію, яку заряджена частка втратила в чутливій області. І, якщо частка повністю втратила енергію в чутливій області, проінтегрувавши струмовий імпульс отримують інформацію про енергії частинки. Напівпровідникові детектори мають високу енергетичну роздільну здатність.
Число пар іонів nion у напівпровідниковому лічильнику визначається формулою N іон = E/W,
де E – кінетична енергія частинки, W – енергія, необхідна для утворення однієї пари іонів. Для германію та кремнію W ~ 3-4 еВ і дорівнює енергії необхідної для переходу електрона з валентної зони до зони провідності. Мала величина W визначає високу роздільну здатність напівпровідникових детекторів, в порівнянні з іншими детекторами, в яких енергія первинної частки витрачається на іонізацію (Еіон >> W).
5. Камера Вільсона.Принцип роботи камери Вільсона заснований на конденсації пересиченої пари та утворенні видимих крапель рідини на іонах уздовж сліду зарядженої частинки, що пролетіла через камеру. Для створення пересиченої пари відбувається швидке адіабатичне розширення газу за допомогою механічного поршня. Після фотографування треку газ у камері знову стискається, крапельки на іонах випаровуються. Електричне поле в камері служить для "очищення" камери від іонів, що утворилися при попередній іонізації газу
6. Пухирцева камера.Принцип дії ґрунтується на скипанні перегрітої рідини вздовж треку зарядженої частинки. Пухирцева камера є посудиною, заповненою прозорою перегрітою рідиною. При швидкому зниженні тиску, вздовж треку іонізуючої частинки утворюється ланцюжок бульбашок пари, які висвітлюються зовнішнім джерелом та фотографуються. Після фотографування сліду тиск у камері підвищується, бульбашки газу хлопаються і камера знову готова до роботи. Як робочої рідини в камері використовується рідкий водень одночасно водневої мішенню для дослідження взаємодії частинок з протонами.
Камера Вільсона та бульбашкова камера мають величезну перевагу, яка полягає в тому, що можна безпосередньо спостерігати всі заряджені частинки, що утворюються у кожному акті реакції. Для того, щоб визначити тип частинки та її імпульс камери Вільсона та бульбашкові камери поміщають у магнітне поле. Бульбашкова камера має велику щільність речовини детектора в порівнянні з камерою Вільсона і тому пробіги заряджених частинок повністю укладені в об'ємі детектора. Розшифровка фотографій з бульбашкових камер є окремою трудомісткою проблемою.
7. Ядерні емульсії.Аналогічно, як це відбувається у звичайній фотографії, заряджена частка порушує вздовж свого шляху структуру кристалічної решітки зерен галоїдного срібла роблячи їх здатними до прояву. Ядерна емульсія є унікальним засобом реєстрації рідкісних подій. Стопки ядерних емульсій дозволяють реєструвати частки дуже великих енергій. З їхньою допомогою можна визначити координати треку зарядженої частинки з точністю ~1 мікрона. Ядерні емульсії широко використовуються для реєстрації космічних частинок на кулях-зондах та космічних апаратах.
8. Іскрова камера.Іскрова камера складається з кількох плоских іскрових проміжків, об'єднаних в одному обсязі. Після проходження зарядженої частки через іскрову камеру на електроди подається короткий високовольтний імпульс напруги. В результаті вздовж треку утворюється видимий іскровий канал. Іскрова камера, поміщена в магнітне поле, дозволяє не тільки детектувати напрямок руху частинки, але й за викривленням траєкторії визначати тип частинки та її імпульс. Розміри електродів іскрових камер можуть сягати кількох метрів.
9. Стріммірна камера.Це аналог іскрової камери, з великою міжелектродною відстанню ~0.5 м. Тривалість високовольтного розряду подається на іскрові проміжки становить ~10 -8 с. Тому утворюється не іскровою пробою, а окремі короткі світлові канали, що світяться - стримери. У стримерній камері можна реєструвати одночасно кілька заряджених частинок.
10. Пропорційна камера.Пропорційна камера зазвичай має плоску або циліндричну форму і в якомусь сенсі є аналогом пропорційного багатоелектродного лічильника. Високовольтні дротяні електроди відстоять один від одного на відстані кількох мм. Заряджені частинки, проходячи через систему електродів, створюють на дротах імпульс струму тривалістю ~10 -7 с. Реєструючи ці імпульси з окремих зволікань можна з точністю до кількох мікрон відновити траєкторію частинок. Дозвільний час пропорційної камери становить кілька мікросекунд. Енергетична роздільна здатність пропорційної камери ~5-10%.
11. Дрейфова камера.Це аналог пропорційної камери, що дозволяє ще більшою точністю відновити траєкторію частинок.
Іскрова, стримерна, пропорційна і дрейфова камери володіючи багатьма перевагами бульбашкових камер, дозволяють запускати їх від події, що цікавить, використовуючи їх на збіги зі сцинтиляційними детекторами.
12. Сцинтиляційний детектор. Сцинтиляційний детектор використовує властивість деяких речовин світитися під час проходження зарядженої частки. Кванти світла, що утворюються в сцинтиляторі, реєструються за допомогою фотопомножувачів. Використовуються як кристалічні сцинтилятори, наприклад NaI, BGO, так і пластикові і рідкі. Кристалічні сцинтилятори в основному використовуються для реєстрації гамма-квантів та рентгенівського випромінювання, пластикові та рідкі – для реєстрації нейтронів та тимчасових вимірювань. Великі обсяги сцинтиляторів дозволяють створювати детектори дуже високої ефективності для реєстрації частинок з малим перерізом взаємодії з речовиною.
13. Калориметри.Калориметри являють собою шари речовини, що чергуються, в якому гальмуються частинки високих енергій (зазвичай це шари заліза і свинцю) і детектори, в якості яких використовують іскрові і пропорційні камери або шари сцинтиляторів. Іонізуюча частка високої енергії (E > 1010 еВ), проходячи через калориметр, створює велику кількість вторинних частинок, які, взаємодіючи з речовиною калориметра, у свою чергу створюють вторинні частинки - утворюють зливу частинок у напрямку руху первинної частинки. Вимірюючи іонізацію в іскрових чи пропорційних камерах або світловий вихід сцинтиляторів, можна визначити енергію та тип частинки.
14. Черенківський лічильник.Робота черенківського лічильника заснована на реєстрації випромінювання Черенкова - Вавілова, що виникає при русі частинки в середовищі зі швидкістю v перевищує швидкість поширення світла в середовищі (v > c/n). Світло черенківського випромінювання спрямоване вперед під кутом у напрямку руху частки.
Світлове випромінювання реєструється за допомогою фотоумножувача. За допомогою черенківського лічильника можна визначити швидкість частинки та відібрати частки за швидкостями.
Найбільшим водяним детектором, у якому частки детектуються за допомогою черенківського випромінювання, є детектор Суперкаміоканде (Японія). Детектор має циліндричну форму. Діаметр робочого об'єму детектора 39.3 м., висота 41.4 м. Маса детектора становить 50 ктон, робочий об'єм для реєстрації сонячних нейтрино 22 ктон. Детектор Суперкаміоканде має 11000 фотопомножувачів, що переглядають ~40% поверхні детектора.