Назад напред
внимание! Визуализацията на слайда е само за информационни цели и може да не представя пълния обем на презентацията. Ако се интересувате от тази работа, моля, изтеглете пълната версия.
Тип урок:уроци изучаване на нов материал.
Тип урок:комбинирани.
технология:проблемно-диалогичен.
Целта на урока:организират дейностите на учениците в изучаването и първичното консолидиране на знанията за методите за регистрация на заредени частици.
Оборудване:компютър и мултимедиен проектор, Презентация.
Методи за откриване на заредени частици
Днес изглежда почти неправдоподобно колко открития във физиката атомно ядрое направено с помощта на естествени източници на радиоактивно лъчение с енергия само няколко MeV и най-прости устройства за откриване. Открито е атомното ядро, получени са неговите размери, за първи път е наблюдавана ядрена реакция, открито е явлението радиоактивност, открити са неутронът и протонът, предсказано е съществуването на неутрино и т.н. Основният детектор на частици дълго време беше плоча, покрита с цинков сулфид. Частиците са регистрирани от окото чрез проблясъци на светлина, произведени от тях в цинков сулфид.
С течение на времето експерименталните настройки стават все по-сложни. Бяха разработени техники за ускоряване и откриване на частици и ядрена електроника. Напредъкът в ядрената физика и физиката на елементарните частици все повече се определя от напредъка в тези области. Нобеловите награди по физика често се присъждат за работа в областта на техниката на физически експерименти.
Детекторите служат както за регистриране на самия факт на присъствие на частица, така и за определяне на нейната енергия и импулс, траекторията на частицата и други характеристики. За регистриране на частици често се използват детектори, които са възможно най-чувствителни към регистрацията на определена частица и не усещат големия фон, създаден от други частици.
Обикновено в експериментите с ядрената физика и физиката на елементарните частици е необходимо да се разграничат „необходимите“ събития на фона на гигантски фон от „ненужни“ събития, може би едно на един милиард. За целта се използват различни комбинации от броячи и методи за регистрация.
Регистрация на заредени частицисе основава на явлението йонизация или възбуждане на атомите, което те предизвикват в веществото на детектора. Това е основата за работата на такива детектори като облачна камера, камера с мехурчета, камера с искри, емулсии, газови сцинтилационни и полупроводникови детектори.
1. 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 заредената частица йонизира газа. Получените електрони, движейки се към положителния електрод - нишка, попадайки 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 регистрира преминаването на частица през брояча, но не позволява измерване на енергията на частицата.
2. Облачна камера
Облачната камера е детектор на елементарни заредени частици, при който следата (следата) на частица образува верига от малки капчици течност по траекторията на нейното движение. Изобретен от К. Уилсън през 1912 г. (Нобелова награда през 1927 г.).
Принципът на работа на облачната камера се основава на кондензацията на пренаситени пари и образуването на видими течни капчици върху йони по протежение на пистата на заредена частица, летяща през камерата. За да се създаде свръхнаситена пара, се получава бързо адиабатно разширение на газа с помощта на механично бутало. След заснемане на пистата, газът в камерата се компресира отново, капчиците върху йоните се изпаряват. Електрическото поле в камерата служи за "почистване" на камерата от йони, образувани при предишната газова йонизация. В облачна камера следите от заредени частици стават видими поради кондензацията на свръхнаситени пари върху газовите йони, образувани от заредената частица. Върху йоните се образуват капчици течност, които нарастват до размери, достатъчни за наблюдение (10–3–10–4 cm) и фотографиране при добра светлина. Работната среда най-често е смес от водна пара и алкохол при налягане 0,1-2 атмосфери (водната пара кондензира главно върху отрицателни йони, алкохолната пара върху положителни йони). Пренасищането се постига чрез бързо намаляване на налягането поради разширяване на работния обем. Възможностите на облачната камера се увеличават значително, когато се постави в магнитно поле. Според траекторията на заредена частица, извита от магнитно поле, се определят знакът на нейния заряд и импулс. С помощта на облачна камера през 1932 г. К. Андерсън открива позитрон в космическите лъчи.
3. Балонна камера
балонна камера– пистов детектор на елементарни заредени частици, при който пистата (следата) на частица образува верига от парни мехурчета по траекторията на нейното движение. Изобретен от А. Глейзър през 1952 г. (Нобелова награда през 1960 г.).
Принципът на действие се основава на кипене на прегрята течност по пътя на заредена частица. Балонната камера е съд, пълен с прозрачна прегрята течност. При бързо намаляване на налягането по пътя на йонизиращата частица се образува верига от мехурчета пара, които се осветяват от външен източник и се фотографират. След заснемане на следата, налягането в камерата се повишава, газовите мехурчета се свиват и камерата отново е готова за работа. Като работна течност в камерата се използва течен водород, който едновременно служи като водородна мишена за изследване на взаимодействието на частиците с протоните.
Облачната камера и камерата с мехурчета имат голямото предимство да могат директно да наблюдават всички заредени частици, произведени при всяка реакция. За да се определи вида на частицата и нейния импулс, облачните камери и камерите с мехурчета се поставят в магнитно поле. Балонната камера има по-висока плътност на материала на детектора в сравнение с облачната камера и следователно пътищата на заредените частици са напълно затворени в обема на детектора. Дешифрирането на снимки от балонни камери представлява отделен трудоемък проблем.
4. Ядрени емулсии
По същия начин, както се случва в обикновената фотография, заредена частица нарушава структурата на кристалната решетка на зърната от сребърен халид по пътя си, което ги прави способни да се развиват. Ядрената емулсия е уникален инструмент за регистриране на редки събития. Купчините ядрени емулсии позволяват откриването на частици с много висока енергия. Те могат да се използват за определяне на координатите на следата на заредена частица с точност до ~1 микрон. Ядрените емулсии се използват широко за откриване на космически частици върху балони и космически превозни средства.
Фотоемулсиите като детектори на частици са донякъде подобни на облачните камери и камерите с мехурчета. Те са използвани за първи път от английския физик С. Пауъл за изследване на космическите лъчи. Фотоемулсията е слой от желатин с диспергирани в него зърна от сребърен бромид. Под действието на светлината в зърната на сребърен бромид се образуват латентни центрове на изображението, които допринасят за редуцирането на сребърния бромид до метално сребро при проявяване с конвенционален фотографски проявител. Физическият механизъм за образуването на тези центрове е образуването на метални сребърни атоми поради фотоелектричния ефект. Йонизацията, произведена от заредени частици, дава същия резултат: получава се следа от чувствителни зърна, която след проявяване може да се види под микроскоп.
5. Сцинтилационен детектор
Сцинтилационният детектор използва свойството на определени вещества да светят (сцинтилират), когато през тях преминава заредена частица. Светлинните кванти, генерирани в сцинтилатора, след това се записват с помощта на фотоумножители.
Съвременните измервателни съоръжения във физиката на високите енергии са сложни системи, които включват десетки хиляди броячи, сложна електроника и са в състояние едновременно да регистрират десетки частици, произведени в един сблъсък.
Инструментите, използвани за откриване на ядрена радиация, се наричат детектори на ядрена радиация. Най-широко използвани са детекторите, които регистрират ядрени лъчения чрез йонизацията и възбуждането на атомите на материята. Газоразрядният брояч е изобретен от немския физик Г. Гайгер, след което е подобрен заедно с В. Мюлер. Поради това газоразрядните броячи често се наричат броячи на Гайгер-Мюлер. Цилиндричната тръба служи като тяло на брояча, по оста му е опъната тънка метална нишка. Резбата и тялото на тръбата са разделени с изолатор. Работният обем на брояча се запълва със смес от газове, като аргон с примес на пари на метилов алкохол, при налягане около 0,1 atm.
За да се регистрират йонизиращи частици, се прилага високо постоянно напрежение между корпуса на брояча и нишката, като нишката е анод. Бърза заредена частица, прелитаща през работния обем на брояча
произвежда по пътя си йонизацията на атомите на запълващия газ. Под действието на електрическо поле свободните електрони се движат към анода, положителните йони се движат към катода. Силата на електрическото поле в близост до противоанода е толкова висока, че свободните електрони, когато се приближават до него по пътя между два сблъсъка с неутрални атоми, придобиват енергия, достатъчна за тяхната йонизация. В брояча възниква коронен разряд, който спира след кратък период от време.
На входа на записващото устройство се подава импулс на напрежение от резистор, свързан последователно с брояча. Схематична диаграма на включване на газоразряден брояч за регистриране на ядрено лъчение е показана на фигура 314. Според показанията на електронно преброяващо устройство се определя броят на бързите заредени частици, регистрирани от брояча.
сцинтилационни броячи.
Устройството на най-простото устройство, предназначено за откриване на алфа частици, спинтарископът, е показано на фигура 302. Основните части на спинтарископа са екран 3, покрит със слой цинков сулфид, и късофокусна лупа 4. Алфа радиоактивен препаратът се поставя в края на прът 1 приблизително срещу средата на екрана. Когато алфа частица удари кристалите на цинковия сулфид, възниква светкавичен проблясък, който може да се регистрира при гледане през лупа.
Процесът на преобразуване на кинетичната енергия на бързо заредена частица в енергията на светлинна светкавица се нарича сцинтилация. Сцинтилацията е една от разновидностите на явлението луминесценция. В съвременните сцинтилационни броячи светлинните проблясъци се регистрират с помощта на фотоклетки, които преобразуват енергията на светлинен проблясък в кристал в енергия на импулс на електрически ток. Токовите импулси на изхода на фотоклетката се усилват и след това се записват.
Камера на Уилсън.
Един от най-забележителните инструменти на експерименталната ядрена физика е облачната камера. Външен виддемонстрационна училищна облачна камера е показана на фигура 315. В цилиндрична
съд с плосък стъклен капак съдържа въздух с наситени пари на алкохол. Работният обем на камерата е свързан с гумена круша чрез тръба. Вътре в камерата радиоактивен препарат е фиксиран върху тънък прът. За да задействате камерата, крушата първо се стиска леко, след което рязко се отпуска. При бързо адиабатно разширение въздухът и парите в камерата се охлаждат, парите преминават в състояние на свръхнасищане. Ако в този момент алфа частица излети от препарата, по пътя на нейното движение в газа се образува колона от йони. Свръхнаситената пара кондензира в течни капчици, а капчиците се образуват предимно върху йони, които служат като центрове на кондензация на парите. Колона от капчици, кондензирани върху йони по протежение на траекторията на частица, се нарича следа на частица.
За точни измервания физически характеристикикамерата за облак с регистрирани частици се поставя в постоянно магнитно поле. Следите от частици, движещи се в магнитно поле, се оказват извити. Радиусът на кривината на пистата зависи от скоростта на частицата, нейната маса и заряд. С известна индукция магнитно полетези характеристики на частиците могат да бъдат определени от измерените радиуси на кривина на следите на частиците.
Първите снимки на следи от алфа частици в магнитно поле са направени от съветския физик П. Л. Капица през 1923 г.
Методът за използване на облачна камера в постоянно магнитно поле за изследване на спектрите на бета и гама лъчение и изследвания елементарни частицие разработена за първи път от съветския физик академик Дмитрий Владимирович Скобелцин.
балонна камера.
Принципът на работа на балонната камера е следният. Камерата съдържа течност с температура, близка до точката на кипене. Бързите заредени частици проникват през тънък прозорец в стената на камерата в нейния работен обем и предизвикват йонизация и възбуждане на течни атоми по пътя си. В момента, когато частиците проникнат в работния обем на камерата, налягането вътре в нея рязко намалява и течността преминава в прегрято състояние. Йоните, които се появяват по пътя на частицата, имат излишък от кинетична енергия. Тази енергия води до повишаване на температурата на течността в микроскопичен обем близо до всеки йон, нейното кипене и образуването на мехурчета от пара. Верига от мехурчета пара, които възникват по пътя на бързо заредена частица през течност, образува следа от тази частица.
В мехурчеста камера плътността на всяка течност е много по-висока от плътността на газ в облачна камера; следователно е възможно по-ефективно да се изследват взаимодействията на бързо заредени частици с атомни ядра в нея. Течен водород, пропан, ксенон и някои други течности се използват за пълнене на балонни камери.
метод на фотографска емулсия.
Фотографският метод е исторически първият експериментален метод за откриване на ядрена радиация, тъй като явлението радиоактивност е открито от Бекерел с помощта на този метод.
Способността на бързо заредените частици да създават латентно изображение във фотографска емулсия се използва широко в ядрената физика в момента. Ядрените фотографски емулсии се използват особено успешно в изследванията в областта на физиката на елементарните частици и космическите лъчи. Бързо заредена частица, движеща се във фотоемулсионен слой, създава латентни центрове на изображение по пътя на движение. След проявяване се появява изображение на следи от първичната частица и всички заредени частици, които се появяват в емулсията в резултат на ядрени взаимодействия на първичната частица.
Изучаването на структурата на атомното ядро е неразривно свързано с разглеждането на явленията на спонтанен или принуден разпад на атомното ядро и ядрените частици. Чрез изследване на фрагментите от унищоженото атомно ядро, проследяване на съдбата на тези фрагменти, ние можем да направим заключения за структурата на ядрото и за ядрените сили.
Съвсем естествено е, че първоначално явленията на спонтанния ядрен разпад, т.е. радиоактивните явления, са били подробно изследвани. Успоредно с това започва изучаването на космическите лъчи – радиация, която има изключителна проникваща способност и идва при нас от космоса. Взаимодействайки с материята, частиците на космическата радиация играят ролята на частици-снаряди. Дълго време изследването на космическите лъчи беше най-важният метод за изследване на взаимопреобразуемостта на елементарните частици и дори до известна степен метод за изследване на атомното ядро. Понастоящем изследванията на разрушаването на атомното ядро чрез бомбардиране от потоци частици, създадени в ускорителите, са от първостепенно значение.
Експериментални методи, които ще бъдат обсъдени сега, са еднакво приложими за изследването на космически лъчи и частици, произтичащи от ядреното бомбардиране на определени цели.
Следови камери.
Облачната камера беше първото устройство, което позволяваше да се види следата (следата) на частица. Ако бърза частица лети през камера, съдържаща свръхнаситена водна пара, създавайки йони по пътя си, тогава такава частица оставя следа, много подобна на „опашката“, която понякога остава в небето след самолет. Тази следа се създава от кондензирана пара. Йоните, маркиращи пътя на частицата, са центровете на кондензация на парите - това е причината за появата на ясно видима следа. Следата от частица може както да се наблюдава директно, така и да се снима.
За да се регулира състоянието на парата в камерата, обемът на камерата се променя чрез движението на буталото. Бързото адиабатно разширение на парата води до състояние на свръхнасищане.
Ако камерата за проследяване се постави в магнитно поле, тогава кривината на траекторията може да се използва за определяне или на скоростта на частицата при известно съотношение, или, обратно, при известна скорост(вижте формулите на страница 406).
Облачната камера вече принадлежи на историята. Тъй като камерата е пълна с газ, сблъсъците са редки. Времето за „почистване“ на камерата е много дълго: снимките могат да се правят само след 20 секунди. И накрая, следата живее за време от порядъка на секунда, което може да доведе до промяна в моделите.
През 1950 г. е предложена балонна камера, която свири голяма ролявъв физиката на елементарните частици. Субстанцията на камерата е прегрята течност. Заредена частица образува йони и около йоните се създават мехурчета, които правят следата видима. С такава камера можете да направите 10 снимки в секунда. Най-големият недостатък на камерата е невъзможността да се контролира нейното включване. Поради това често са необходими хиляди снимки, за да се избере такава, която улавя изследваното явление.
От голямо значение са искровите камери, базирани на различен принцип. Ако се приложи високо напрежение към плосък кондензатор, между плочите ще прескочи искра. Ако има йони в междината, тогава искрата ще скочи при по-ниско напрежение. По този начин йонизираща частица, която лети между плочите, създава искра.
В искровата камера самата частица включва високо напрежение между пластините на кондензатора за една милионна от секундата. Предимствата обаче по отношение на възможността за включване в точния момент са отслабени от недостатъци: видими са само частици, образуващи ъгъл не повече от 45 ° с плочите, следата е много кратка и не всички вторични явления имат време да се проявят.
Наскоро съветски изследователи предложиха нов тип камера за проследяване (т.нар. стримерна камера), която вече намери широко приложение. Блоковата схема на такава камера е показана на фиг. 237. Частица, падаща между плочи, разположени, за разлика от искровата камера, на голямо разстояние една от друга, се открива от брояч. Електронно логическо устройство
разграничава първичните събития и избира това, което интересува експериментатора. В този момент върху плочите се прилага високо напрежение за кратко време. Йоните, образувани по пътя на частицата, образуват чертички (стримери), които се фотографират. Пътят на частицата е очертан от тези чертички.
Ако снимката е направена по посока на тиретата, тогава пътят на частицата изглежда като пунктирана линия.
Успехът на стримерната камера зависи от правилната корелация на образуването на електронна лавина от първичния йон с параметрите на високоволтовия импулс. В смес от 90% неон и 10% хелий с разстояние между плочите 30 cm добри резултати се получават при напрежение 600 000 V и време на импулса.В този случай импулсът трябва да се насложи не по-късно от s след първичното йонизационно събитие. Задна камера от този тип е сложна, скъпа настройка, която е толкова далеч от облачна камера, колкото съвременните ускорители на частици са от електронна тръба.
Йонизационни броячи и йонизационни камери.
Устройство за йонизация, предназначено да работи с радиация, е предимно цилиндричен кондензатор, пълен с газ; единият електрод е цилиндрична облицовка, а другият е резба или точка, минаваща по оста на цилиндъра (фиг. 237а). Напрежението, приложено към кондензатора, и налягането на газа, запълващ измервателния уред, трябва да бъдат избрани по специален начин, в зависимост от постановката на проблема. В обичайна разновидност на това устройство, наречено брояч на Гайгер, напрежението на пробив се прилага към цилиндъра и нишката. Ако през стената или през края на такъв плот влезе в него
йонизираща частица, токовият импулс ще премине през кондензатора, продължавайки, докато първичните електрони и създадените от тях електрони и йони от саморазряд стигнат до положителната пластина на кондензатора. Този токов импулс може да бъде усилен чрез конвенционални радиотехнически методи и преминаването на частицата през брояча може да бъде открито или чрез щракване, или чрез светлинен проблясък, или накрая чрез цифров брояч.
Такова устройство може да преброи броя на частиците, влизащи в инструмента. За това е необходимо само едно нещо: текущият импулс трябва да спре до момента, в който следващата частица влезе в брояча. Ако режимът на работа на глюкомера е избран неправилно, глюкомерът започва да се „задушава“ и да брои неправилно. Разделителната способност на йонизационния брояч е ограничена, но все пак доста висока: до частици в секунда.
Възможно е да се намали напрежението и да се постигне такъв режим, при който през кондензатора да преминава токов импулс, пропорционален на броя на образуваните йони (пропорционален брояч). За това е необходимо да се работи в района на несамостоятелен газоразряд. Първичните електрони, движещи се в електрическото поле на кондензатора, получават енергия. Започва ударна йонизация, създават се нови йони и електрони. Първоначалните двойки йони, създадени от частицата, която е влетяла в брояча, се превръщат в двойки йони. При работа в режим на несамостоятелно разреждане печалбата ще бъде постоянна стойноста пропорционалните броячи не само ще установят факта на преминаване на частица през брояча, но и ще измерват нейната йонизираща сила.
Разрядът в пропорционалните броячи, както и в описаните по-горе броячи на Гайгер, изгасва с прекратяване на йонизацията. Разликата на брояча на Гайгер е, че при него входящата частица действа като тригер и времето на разпадане не е свързано с първоначалната йонизация.
Тъй като пропорционалните броячи отговарят на йонизиращата сила на дадена частица, режимът на работа на брояча може да бъде избран така, че да брои само определени видове частици.
Ако устройството работи в режим на ток на насищане (което може да се постигне чрез понижаване на напрежението), тогава токът през него е мярка за енергията на излъчване, погълната от обема на устройството за единица време. В този случай устройството се нарича йонизационна камера. Печалбата е равна на единица в този случай. Предимство на йонизационната камера е по-голямата стабилност на работа. Дизайнът на йонизационната камера може да варира значително. Пълнежът на камерата, материалите на стените, броят и формата на електродите варират в зависимост от целта на изследването. Наред с миниатюрни камери с обем от порядъка на кубичен милиметър трябва да се работи и с камери с обем до стотици метри. Под действието на постоянен източник на йонизация в камерите възникват токове от до
сцинтилационни броячи.
Методът за броене на проблясъци на флуоресцентно вещество (сцинтилации) като средство за броене на елементарни частици е използван за първи път от Ръдърфорд за неговите класически изследвания на структурата на атомното ядро. Съвременното въплъщение на тази идея почти не прилича на простото устройство на Ръдърфорд.
Частицата предизвиква проблясък на светлина в твърдо вещество - фосфор. Много известен голямо числоорганични и неорганични вещества, които имат способността да преобразуват енергията на заредените частици и фотоните в светлинна енергия. Много луминофори имат много кратка продължителност на следсветене от порядъка на милиардни от секундата. Това прави възможно изграждането на сцинтилационни броячи с висока скорост на броене. За редица луминофори светлинният поток е пропорционален на енергията на частиците. Това дава възможност да се проектират броячи за оценка на енергията на частиците.
В съвременните броячи луминофорите се комбинират с фотоумножители, които имат обикновени фотокатоди, чувствителни към видимата светлина. Електричество, създаден в умножителя, се усилва и след това се изпраща към броячното устройство.
Най-често използваните органични фосфори са антрацен, стилбен, терфенил и др. Всички тези химични съединенияпринадлежат към класа на така наречените ароматни съединения, изградени от шестоъгълници на въглеродни атоми. За да се използват като сцинтилатори, тези вещества трябва да се приемат под формата на единични кристали. Тъй като растежът на големи единични кристали е донякъде труден и тъй като кристалите органични съединенияса много крехки, тогава използването на пластмасови сцинтилатори представлява значителен интерес - това е името на твърдите разтвори на органични фосфори в прозрачни пластмаси - полистирен или друго подобно високополимерно вещество. От неорганичния фосфор се използват халогениди алкални метали, цинков сулфид, волфрамати на алкалоземни метали.
Черенков контрира.
Още през 1934 г. Черенков показа, че когато бърза заредена частица се движи в напълно чиста течност или твърд диелектрик, възниква специално сияние, което е коренно различно както от флуоресцентното сияние, свързано с енергийните преходи в атомите на материята, така и от спирачното лъчение на тип рентгенов непрекъснат спектър. Излъчването на Черенков възниква, когато заредена частица се движи със скорост, надвишаваща фазовата скорост на светлината в диелектрик. Основната характеристика на радиацията е, че тя се разпространява по конична повърхностнапред по посока на движението на частиците. Ъгълът на конуса се определя по формулата:
където е ъгълът на образуващата на конуса с посоката на движение на частицата, V е скоростта на частицата, скоростта на светлината в средата. Така за среда с даден индекс на пречупване има критична скорост, под която няма да има излъчване. При тази критична скорост излъчването ще бъде успоредно на посоката на движение на частиците. За частица, движеща се със скорост, много близка до скоростта на светлината, ще се наблюдава максималният ъгъл на излъчване.За циклохексан
Спектърът на излъчване на Черенков, както показват опитът и теорията, се намира главно във видимата област.
Излъчването на Черенков е явление, подобно на образуването на носова вълна от кораб, движещ се през вода; в този случай скоростта на кораба е по-голяма от скоростта на вълните на повърхността на водата.
Ориз. 2376 илюстрира произхода на радиацията. Заредена частица се движи по аксиалната линия и по пътя на електромагнитното поле, следващо частицата, временно поляризира средата в точките на траекторията на частицата.
Всички тези точки стават източници на сферични вълни. Има само един ъгъл, под който тези сферични вълнисъвпадат по фаза и образуват единен фронт.
Помислете за две точки по пътя на заредена частица (фиг. 237c). Те създадоха сферични вълни, едната в даден момент, другата в даден момент. Очевидно има време, необходимо на частицата да пътува между тези две точки. За да могат тези две вълни да се разпространяват под някакъв ъгъл 9 в една и съща фаза, е необходимо времето за пътуване на първия лъч да бъде по-голямо от времето за пътуване на втория лъч с времето Пътят, изминат от частицата във времето е равно на Waveразстоянието ще измине за същото време От тук получаваме горната формула:
Излъчването на Черенков напоследък се използва доста широко като метод за откриване на елементарни частици. Броячите, базирани на това явление, се наричат броячи на Черенков. Светещото вещество се комбинира, както при сцинтилационните броячи, с фотоумножители и усилватели.
фотоволтаичен ток. Има много дизайни на броячи на Черенков.
Броячите на Черенков имат много предимства. Те включват бърза скоростброене и възможността за определяне на зарядите на частиците, движещи се със скорост, много близка до скоростта на светлината (ние не казахме, че светлинният поток зависи силно от заряда на частицата). Само с помощта на броячите на Черенков могат да се решават такива важни проблеми като директно определяне на скоростта на заредена частица, определяне на посоката, в която се движи свръхбърза частица и др.
Поставяне на броячи.
За да се изследват различни процеси на трансформация и взаимодействие на елементарни частици, е необходимо да можете не само да забележите появата на дадена частица на дадено място, но и да проследите по-нататъшната съдба на същата частица. Подобни проблеми се решават с помощта на специални подредби на броячи с обобщена схема на броене. Например, електрическите вериги на два или повече измервателни уреди могат да бъдат свързани по такъв начин, че броенето да се извършва само ако разреждането във всички измервателни уреди започне точно по едно и също време. Това може да служи като доказателство за преминаването на една и съща частица през всички броячи. Това включване на броячи се нарича "включване на мача".
Метод на дебелослойните фотографски емулсии.
Както е известно, фоточувствителният слой на фотографските плаки е желатинов филм, в който са въведени микрокристали от сребърен бромид. Основата на фотографския процес е йонизацията на тези кристали, което води до редукция на сребърен бромид. Този процес протича не само под действието на светлината, но и под действието на заредени частици. Ако заредена частица прелети през емулсията, тогава в емулсията ще се появи скрита следа, която може да се види след проявяването на фотоплаката. Отпечатъците във фотографска емулсия разкриват много подробности за частицата, която ги е причинила. Силно йонизиращите частици оставят мазни следи. Тъй като йонизацията зависи от заряда и скоростта на частиците, появата на следата сама по себе си говори много. Ценна информация се предоставя от обхвата (следата) на частица във фотографска емулсия; чрез измерване на дължината на следата може да се определи енергията на частицата.
Изследванията, използващи обикновени фотографски плаки с тънки емулсии, са малко полезни за целите на ядрената физика. Такива плочи биха фиксирали само онези частици, които се движат строго по плочата. Мисовски и Жданов, както и няколко години по-късно Пауъл в Англия, въвеждат фотографски плаки с дебелина на емулсията, близка до (при обикновените плаки дебелината на слоя е сто пъти по-малка). Фотометодът е ценен със своята яснота, възможността да се наблюдава сложна картина на трансформацията, която се случва, когато една частица е унищожена.
На фиг. 238 показва характерна снимка, получена по този метод. В точките се извършваха ядрени трансформации.
В най-новата версия на този метод се използват емулсионни камери със значителен обем като среда, в която се фиксират следи от частици.
Методи за анализ на наблюденията.
С помощта на описаните устройства изследователят получава възможност да определи всички най-важни константи на елементарна частица: скорост и енергия, електрически заряд, маса; Всички тези параметри могат да бъдат определени с доста висока точност. При наличие на поток от частици също е възможно да се определи стойността на спина на елементарна частица и нейния магнитен момент. Това се прави чрез същия експеримент за разделяне на лъча в магнитно поле, който беше описан на стр. 171.
Трябва да се помни, че пряко се наблюдават само заредени частици. Всички данни за неутралните частици и фотоните се получават косвено чрез изучаване на природата на действието на тези невидими частици върху заредените. Получените данни за невидимите частици обаче имат висока степен на надеждност.
Съществена роля в изучаването на всички видове трансформации на елементарни частици играе прилагането на законите за запазване на импулса и енергията. Тъй като имаме работа с бързи частици, когато прилагаме закона за запазване на енергията, е необходимо да вземем предвид възможната промяна в масата.
Да приемем, че снимката показва следа от частици под формата на "вилица". Първата частица се е превърнала в две частици: втора и трета. Тогава трябва да са валидни следните отношения. Първо, импулсът на първата частица трябва да бъде равен на векторната сума на импулсите на възникващите частици:
къде е масовата разлика
Целият опит на ядрената физика показва, че законите за запазване се спазват стриктно при всякакви трансформации на елементарни частици. Това прави възможно използването на тези закони за изясняване на свойствата на неутрална частица, която не оставя следа във фотографска емулсия и не йонизира газ. Ако се наблюдават две разминаващи се следи върху фотографска плака, тогава за изследователя е ясно: в точката, от която тези следи се разминават, е настъпила трансформация на неутрална частица. Определяйки импулсите, енергиите и масите на възникналите частици, можете да направите уверени заключения за стойността на параметрите на неутрална частица. Ето как е открит неутронът, по този начин съдим за неутрино и неутрални мезони, които ще бъдат обсъдени по-долу.
доклад:
Методи за регистрация на елементарни частици
1) Газоразряден брояч на Гайгер
Броячът на Гайгер е едно от най-важните устройства за автоматично броене на частици.
Броячът се състои от стъклена тръба, покрита отвътре с метален слой (катод) и тънка метална нишка, минаваща по оста на тръбата (анод).
Тръбата е пълна с газ, обикновено аргон. Работата на брояча се основава на ударна йонизация. Заредена частица (електрон, £-частица и др.), прелитайки през газ, откъсва електрони от атомите и създава положителни йони и свободни електрони. Електрическото поле между анода и катода (към тях се прилага високо напрежение) ускорява електроните до енергия, при която започва ударна йонизация. Появява се лавина от йони и токът през брояча рязко се увеличава. В този случай се формира импулс на напрежение върху товарния резистор R, който се подава към записващото устройство. За да може броячът да регистрира следващата частица, която го удари, лавинообразният разряд трябва да бъде угасен. Това става автоматично. Тъй като в момента на възникване на токовия импулс спадът на напрежението върху разтоварващия резистор R е голям, напрежението между анода и катода намалява рязко - толкова много, че разрядът спира.
Броячът на Гайгер се използва главно за регистриране на електрони и Y-кванти (високоенергийни фотони).Y-квантите обаче не се регистрират директно поради тяхната ниска йонизираща способност. За да ги открие, вътрешната стена на тръбата е покрита с материал, от който Y-квантите избиват електрони.
Броячът регистрира почти всички електрони, които влизат в него; що се отнася до Y-квантите, той регистрира приблизително само един Y-квант от сто. Регистрацията на тежки частици (например L-частици) е трудна, тъй като е трудно да се направи достатъчно тънък „прозорец“, прозрачен за тези частици в брояча.
2) облачна камера
Действието на облачната камера се основава на кондензацията на пренаситени пари върху йони с образуването на водни капчици. Тези йони се създават по неговата траектория от движеща се заредена частица.
Устройството представлява цилиндър с бутало 1 (фиг. 2), покрито с плосък стъклен капак 2. Цилиндърът съдържа наситени пари на вода или алкохол. В камерата се въвежда изследваният радиоактивен препарат 3, който образува йони в работния обем на камерата. С рязко спускане на буталото надолу, т.е. По време на адиабатно разширение парата се охлажда и става свръхнаситена. В това състояние парата лесно се кондензира. Центровете на кондензация са йоните, образувани от летящата частица в този момент. Така в камерата се появява мъглива следа (писта) (фиг. 3), която може да се наблюдава и снима. Песента съществува за десети от секундата. Чрез връщане на буталото в първоначалното му положение и отстраняване на йони електрическо поле, можем да извършим адиабатното разширение отново. По този начин експериментите с камерата могат да се извършват многократно.
Ако камерата се постави между полюсите на електромагнит, тогава възможностите на камерата за изследване на свойствата на частиците значително се разширяват. В този случай силата на Лоренц действа върху движещата се частица, което позволява да се определи стойността на заряда на частицата и нейния импулс от кривината на траекторията. Фигура 4 показва възможен вариант за дешифриране на снимката на следите на електрони и позитрони. Индукционният вектор B на магнитното поле е насочен перпендикулярно на равнината на чертежа извън чертежа. Позитронът се отклонява наляво, електронът надясно.
3) балонна камера
Тя се различава от облачната камера по това, че пренаситените пари в работния обем на камерата се заменят с прегрята течност, т.е. течност, която е под налягане, по-малко от нейното налягане наситени пари.
Летейки в такава течност, частицата предизвиква появата на парни мехурчета, като по този начин образува следа (фиг. 5).
В първоначалното състояние буталото компресира течността. При рязко намаляване на налягането точката на кипене на течността е по-ниска от температурата на околната среда.
Течността преминава в нестабилно (прегрято) състояние. Това гарантира появата на мехурчета по пътя на движение на частиците. Като работна смес се използват водород, ксенон, пропан и някои други вещества.
Предимството на балонната камера пред облачната се дължи на по-голямата 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 дава възможност да се наблюдават серия от последователни трансформации на частицата и реакциите, които предизвиква.
4) Метод на дебелослойните фотографски емулсии
За регистриране на частици, наред с облачните камери и камерите с мехурчета, се използват дебелослойни фотографски емулсии. Йонизиращо действие на бързо заредени частици върху емулсията на фотографска плака. Фото емулсията съдържа голям броймикроскопични кристали от сребърен бромид.
Бърза заредена частица, проникваща в кристала, отделя електрони от отделни бромни атоми. Верига от такива кристали образува латентен образ. Когато се появят тези кристали, металното сребро се редуцира и 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, но могат да се увеличават при снимане. Предимството на фотографската емулсия е, че времето на експозиция може да бъде произволно дълго. Това ви позволява да регистрирате редки събития. Важно е също така, че благодарение на високата спирачна способност на фотографската емулсия се увеличава броят на наблюдаваните интересни реакции между частици и ядра.
Устройствата за регистриране на заредени частици се наричат детектори. Има два основни вида детектори:
1) отделен(преброяване и определяне на енергията на частиците): брояч на Гайгер, йонизационна камера и др.;
2) песен(даващи възможност за наблюдение и фотографиране на следи (тракове) от частици в работния обем на детектора): камера на Wilson, камера с мехурчета, дебелослойни фотографски емулсии и др.
1. Газоразряден брояч на Гайгер.За регистриране на електрони и \(~\gamma\)-кванти (фотони) с висока енергия се използва брояч на Geiger-Muller. Състои се от стъклена тръба (фиг. 22.4), към вътрешните стени на която е прилежащ катод К - тънък метален цилиндър; анод А е тънка метална тел, опъната по оста на брояча. Тръбата е пълна с газ, обикновено аргон. Броячът е включен в регистриращата верига. Към тялото се прилага отрицателен потенциал, към нишката се прилага положителен потенциал. Последователно с брояча е свързан резистор R, от който сигналът се подава към записващото устройство.
Работата на брояча се основава на ударна йонизация. Нека в брояча влезе частица, която е създала поне една двойка по пътя си: "йон + електрон". Електроните, движещи се към анода (нишката), попадат в полето с нарастващ интензитет (напрежение между A и K ~ 1600 V), скоростта им бързо нараства и по пътя си създават йонна лавина (възниква ударна йонизация). Веднъж попаднали върху нишката, електроните намаляват нейния потенциал, в резултат на което през резистора R ще тече ток. В краищата му възниква импулс на напрежение, който влиза в регистриращото устройство.
В резистора възниква спад на напрежението, анодният потенциал намалява и силата на полето вътре в брояча намалява, в резултат на което кинетичната енергия на електроните намалява. Изхвърлянето спира. По този начин резисторът играе ролята на съпротивление, като автоматично гаси лавинния разряд. Положителните йони текат надолу към катода в рамките на \(~t \приблизително 10^(-4)\) s след началото на разряда.
Броячът на Гайгер ви позволява да регистрирате 10 4 частици в секунда. Използва се главно за регистриране на електрони и \(~\gamma\)-кванти. \(~\gamma\)-квантите обаче не се регистрират директно поради тяхната ниска йонизираща способност. За да ги открие, вътрешната стена на тръбата е покрита с материал, от който \(~\gamma\)-квантите избиват електрони. При регистриране на електрони ефективността на брояча е 100%, а при регистриране на \(~\gamma\)-кванти е само около 1%.
Регистрацията на тежки \(~\alpha\)-частици е трудна, тъй като е трудно да се направи достатъчно тънък "прозорец" прозрачен за тези частици в брояча.
2. Камера на Уилсън.
Камерата използва способността на високоенергийни частици да йонизират газови атоми. Облачната камера (фиг. 22.5) е цилиндричен съд с бутало 1. Горната част на цилиндъра е направена от прозрачен материал, в камерата се вкарва малко количество вода или алкохол, за което съдът е покрит със слой отдолу мокъркадифе или плат 2. Вътре в камерата се образува смес богатпара и въздух. С бързото спускане на буталото 1сместа се разширява адиабатно, което е придружено от намаляване на нейната температура. Чрез охлаждане парата става пренаситен.
Ако във въздуха няма прахови частици, тогава кондензацията на парите в течност е трудна поради липсата на центрове за кондензация. въпреки това кондензационни центровейони също могат да служат. Следователно, ако заредена частица прелети през камерата (пропусната през прозорец 3), йонизиращи молекули по пътя си, тогава се получава кондензация на пари върху йонната верига и траекторията на частицата вътре в камерата става видима поради утаените малки капчици от течност. Веригата от образувани течни капки образува следа от частици. Топлинното движение на молекулите бързо размазва следите на частиците и траекториите на частиците се виждат ясно само за около 0,1 s, което обаче е достатъчно за фотографиране.
Появата на следа в снимка често позволява на човек да прецени природачастици и размернея енергия.И така, \(~\alpha\)-частиците оставят относително дебела плътна следа, протоните - по-тънки, а електроните - пунктирани (фиг. 22.6). Появяващото се разцепване на пистата - "разклонения" показва протичаща реакция.
За да подготви камерата за действие и да я почисти от останалите йони, вътре в нея се създава електрическо поле, което привлича йоните към електродите, където се неутрализират.
Съветските физици П. Л. Капица и Д. В. Скобелцин предложиха камерата да се постави в магнитно поле, под въздействието на което траекториите на частиците се огъват в една или друга посока в зависимост от знака на заряда. Радиусът на кривината на траекторията и интензитетът на следите определят енергията и масата на частицата (специфичния заряд).
3. балонна камера.В момента балонната камера се използва в научни изследвания. Работният обем в мехурчестата камера е пълен с течност под високо налягане, което предотвратява кипенето й, въпреки факта, че температурата на течността е по-висока от точката на кипене при атмосферно налягане. При рязко намаляване на налягането течността се оказва прегрята и е в нестабилно състояние за кратко време. Ако заредена частица лети през такава течност, тогава течността ще кипи по своята траектория, тъй като йоните, образувани в течността, служат като центрове на изпарение. В този случай траекторията на частицата се маркира от верига от парни мехурчета, т.е. става видимо. Течният водород и C 3 H 3 пропанът се използват главно като течности. Продължителността на работния цикъл е около 0,1 s.
Предимствобалонна камера пред облачната камера се дължи на по-голямата плътност на работното вещество, в резултат на което частицата губи повече енергия, отколкото в газ. Пътищата на частиците се оказват по-къси и частици с още по-високи енергии се забиват в камерата. Това дава възможност много по-точно да се определи посоката на движение на частицата и нейната енергия и да се наблюдават поредица от последователни трансформации на частицата и реакциите, които предизвиква.
4. Метод на дебелослойните фотографски емулсииразработен от Л. В. Мисовски и А. П. Жданов.
Основава се на използването на почерняване на фотографския слой под действието на бързо заредени частици, преминаващи през фотографската емулсия. Такава частица причинява разпадането на молекулите на сребърен бромид в йони Ag + и Br - и почерняване на фотографската емулсия по траекторията на движение, образувайки латентен образ. Когато се развива в тези кристали, металното сребро се редуцира и се образува следа от частици. За енергията и масата на частицата се съди по дължината и дебелината на пистата.
За изследване на следи от частици, които имат много висока енергия и дават дълги следи, се подреждат голям брой плаки.
Съществено предимство на метода на фотографската емулсия, в допълнение към лекотата на използване, е, че дава неизчезваща следачастици, които след това могат да бъдат внимателно изследвани. Това доведе до широкото приложение на този метод в изследването на нови елементарни частици. Този метод, с добавяне на борни или литиеви съединения към емулсията, може да се използва за изследване на следи от неутрони, които в резултат на реакции с борни и литиеви ядра създават \(~\alpha\)-частици, които причиняват почерняване в ядрения емулсионен слой. Въз основа на следите от \(~\alpha\)-частици се правят изводи за скоростта и енергията на неутроните, предизвикали появата на \(~\alpha\)-частици.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в гимназия: Теория. Задачи. Тестове: Proc. надбавка за институции, осигуряващи общ. среда, образование / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Изд. К. С. Фарино. - Мн .: Адукации и вихване, 2004. - С. 618-621.
