Назад напред
Внимание! Предварителният преглед на слайда е само за информационни цели и може да не представлява пълния обхват на презентацията. Ако се интересувате от тази работа, моля, изтеглете пълната версия.
Тип урок:урок за изучаване на нов материал.
Тип урок:комбинирани.
технология:проблемно-диалогичен.
Целта на урока:организира дейността на учениците при изучаване и първично затвърждаване на знания за методите за регистрация на заредени частици.
Оборудване:компютър и мултимедиен проектор, Представяне .
Методи за регистриране на заредени частици
Днес изглежда почти неправдоподобно колко много открития във физиката атомно ядрое направено с помощта на естествени източници на радиоактивно излъчване с енергия само няколко MeV и най-простите детектиращи устройства. Открито е атомното ядро, получени са неговите размери, за първи път е наблюдавана ядрена реакция, открито е явлението радиоактивност, открити са неутрона и протона, предсказано е съществуването на неутрино и т.н. Основният детектор на частици за дълго време беше плоча, покрита с цинков сулфид. Частиците се регистрират от окото чрез проблясъци на светлина, произведени от тях в цинков сулфид.
С течение на времето експерименталните настройки стават все по-сложни. Разработени са 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 физическите експерименти.
Детекторите служат както за регистриране на самия факт на наличието 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 регистрирането на конкретна частица и не усещат големия фон, създаден от други частици.
Обикновено в експериментите с ядрена физика и физика на елементарните частици е необходимо да се разграничат „необходими“ събития на фона на гигантски „ненужни“ събития, може би едно на милиард. За това 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, балонна камера, искрова камера, емулсии, газови сцинтилационни и полупроводникови детектори.
1. Брояч на Гайгер
Броячът на Гайгер е, като правило, цилиндричен катод, по оста на който е опъната тел - анодът. Системата се пълни с газова смес. При преминаване през брояча заредената частица йонизира газа. Получените електрони, движещи се към положителния електрод - нишката, 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 пистов детектор на елементарни заредени частици, в който следата (пътеката) 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 действие на облачната камера се основава на кондензацията на пренаситени пари и образуването на видими течни капчици върху йони по пътя на заредена частица, летяща през камерата. За да се създаде пренаситена пара, бързо адиабатно разширение на газа се осъществява с помощта на механично бутало. След снимане на пистата газът в камерата отново се компресира, капчиците върху йоните се изпаряват. Електрическото поле в камерата служи за „почистване” на камерата от йони, образувани при предишната йонизация на газа. В облачна камера следите от заредени частици стават видими поради кондензацията на пренаситени пари върху газовите йони, образувани от заредената частица. Върху йоните се образуват течни капчици, които нарастват до размери, достатъчни за наблюдение (10–3–10–4 cm) и фотография 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, алкохолна 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 определя 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 следата (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. Мехурната камера е съд, пълен с прозрачна прегрята течност. При бързо намаляване на налягането се образува верига от парни мехурчета по пистата на йонизиращата частица, които се осветяват от външен източник и се снимат. След заснемане на следата налягането в камерата се повишава, газовите мехурчета се срутват и камерата отново е готова за работа. Като работен флуид в камерата се използва течен водород, който едновременно служи като водородна цел за изследване на взаимодействието на частиците с протоните.
Облачната камера и камерата с мехурчета имат голямото предимство, че могат директно да наблюдават всички заредени частици, получени при всяка реакция. За да се определи вида на частицата и нейната инерция, облачните камери и мехурчетата 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 мехурни камери представлява отделен проблем, отнемащ време.
4. Ядрени емулсии
По същия начин, както се случва в обикновената фотография, заредена частица нарушава структурата на кристалната решетка от зърна от сребърен халид по пътя си, което ги прави способни за развитие. Ядрената емулсия е уникален инструмент за регистриране на редки събития. Купчини от ядрени емулсии дават възможност за откриване на частици с много високи енергии. Те могат да се използват за определяне на координатите на следата на заредена частица с точност от ~1 микрон. Ядрените емулсии се използват широко за откриване на космически частици върху балони и космически превозни средства.
Фотоемулсиите като детектори за 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 сребърния бромид се образуват центрове на латентно изображение, които допринасят за редуцирането на сребърния бромид до метално сребро, когато се проявяват с конвенционален фотографски проявител. Физическият механизъм за образуване на тези центрове е образуването на метални сребърни атоми поради фотоелектричния ефект. Йонизацията, произведена от заредени частици, дава същия резултат: получава се следа от сенсибилизирани зърна, които след развитие могат да се видят под микроскоп.
5. Сцинтилационен детектор
Сцинтилационният детектор използва свойството на определени вещества да светят (сцинтилират), когато 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 способни едновременно да регистрират десетки частици, произведени при един сблъсък.
Инструментите, използвани за откриване на ядрена радиация, се наричат детектори за ядрено излъчване. Най-широко използвани са детекторите, които засичат ядрени лъчения чрез тяхното йонизиране и възбуждане на атомите на материята. Газоразрядният брояч е изобретен от немския физик Г. Гайгер, след което е усъвършенстван съвместно с В. Мюлер. Следователно газоразрядните броячи често се наричат броячи на Гайгер-Мюлер. Цилиндричната тръба служи като тяло на брояча, по оста му е опъната тънка метална нишка. Конецът и тялото на тръбата са разделени от изолатор. Работният обем на брояча се запълва със смес от газове, като аргон с примес на пари на метилов алкохол, при налягане от около 0,1 атм.
За регистриране на йонизиращи частици се прилага високо постоянно напрежение между корпуса на брояча и нажежаемата жичка, като нишката е анодът. Бързо заредена частица, летяща 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 придвижват към катода. Силата на електрическото поле в близост до противоположния анод 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 се появява 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 излъчване е показана на фигура 314. Според показанията на електронно преброително устройство се определя броят на регистрираните от брояча бързо заредени частици.
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 лупа с къс фокус 4. Алфа радиоактивен препаратът се поставя в края на прът 1 приблизително срещу средата на екрана. Когато алфа частица удари кристали от цинков сулфид, се появява светкавица, която може да бъде регистрирана, когато се гледа през лупа.
Процесът на преобразуване на кинетичната енергия на бързо заредена частица в енергията на светкавицата се нарича сцинтилация. Сцинтилацията е една от разновидностите на явлението луминесценция. В съвременните сцинтилационни броячи светлинните светкавици се регистрират с помощта на фотоклетки, които преобразуват енергията на светкавицата в кристала в енергията на импулса 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 крушка чрез тръба. Вътре в камерата радиоактивен препарат е фиксиран върху тънък прът. За да задействате камерата, крушата първо се притиска леко, след което рязко се освобождава. При бързо адиабатно разширение въздухът и парите в камерата се охлаждат, парата преминава в състояние на пренасищане. Ако в този момент алфа частица излети от препарата, по пътя на движението й в газа се образува колона от йони. Пренаситената пара кондензира в течни капчици и капчиците се образуват предимно върху йони, които служат като центрове на кондензация на пари. Колона от капчици, кондензирани върху йони по траекторията на частица, се нарича пътека на частицата.
За точни измервания физически характеристикиоблачната камера 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 се определят от измерените радиуси на кривина на пътеките 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 разработен за първи път от съветския физик академик Дмитрий Владимирович Скобелцин.
балонна камера.
Принципът на работа на мехурната камера е както следва. Камерата съдържа течност с температура близка до точката на кипене. Бързо заредените частици проникват през тънък прозорец в стената на камерата в работния й обем и предизвикват йонизация и възбуждане на течните 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, кипене и образуване на парни мехурчета. Верига от парни мехурчета, които възникват по пътя на бързо заредена частица през течност, образува следа от тази частица.
В камера с мехурчета 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 камери с мехурчета.
фотографски емулсионен метод.
Фотографският метод исторически е 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 изображението по пътя на движение. След проявяването 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 принудителен разпад на атомното ядро и ядрените частици. Чрез изследване на фрагментите от разрушеното атомно ядро, проследяване на съдбата на тези фрагменти, ние можем да направим изводи за структурата на ядрото и за ядрените сили.
Съвсем естествено е, че отначало явленията на спонтанния ядрен разпад, тоест радиоактивните явления, бяха подробно изследвани. Успоредно с това започва изследването на космическите лъчи – радиация, която има изключителна проникваща сила и идва при нас от космоса. Взаимодействайки с материята, частиците на космическото излъчване играят ролята на частици на снаряда. Дълго време изследването на космическите лъчи беше най-важният метод за изследване на взаимното преобразуване на елементарните частици и дори до известна степен метод за изследване на атомното ядро. В момента 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 изследване на космически лъчи и частици, получени в резултат на ядрено бомбардиране на определени цели.
Камери за пътеки.
Облачната камера беше първото устройство, което позволяваше да се види следата (следата) на частица. Ако бърза частица лети през камера, съдържаща пренаситена водна пара, създавайки йони по пътя си, тогава такава частица оставя следа, много подобна на „опашката“, която понякога остава в небето след самолет. Тази пътека 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 да се наблюдава както директно, така и да се снима.
За да се регулира състоянието на парата в камерата, обемът на камерата се променя от движението на буталото. Бързото адиабатно разширение на парата води до състояние на пренасищане.
Ако следната камера е поставена 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 (виж формулите на стр. 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 бъдат направени 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 играе важна роля във физиката на елементарните частици. Веществото на камерата е прегрята течност. Заредена частица образува йони и около йоните се създават мехурчета, които правят следата видима. В такава камера можете да правите 10 снимки в секунда. Най-големият недостатък на камерата е невъзможността да се контролира включването й. Ето защо 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 в пролуката има йони, тогава искрата ще скочи при по-ниско напрежение. Така йонизираща частица, летяща между плочите, създава искра.
В искровата камера самата частица включва високо напрежение между плочите на кондензатора за една милионна част от секундата. Предимствата по отношение на възможността за включване в правилния момент обаче са отслабени от недостатъците: виждат се 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 съветските изследователи предложиха нов тип проследяваща камера (т.нар. стримерна камера), която вече намери широко приложение. Блоковата схема на такава камера е показана на фиг. 237. Частица, попадаща между плочи, разположени, за разлика от искровата камера, на голямо разстояние една от друга, се засича от брояч. Електронно логическо устройство
разграничава първичните събития и избира това, което интересува експериментатора. В този момент към плочите се прилага високо напрежение за кратко време. Йоните, образувани по пътя на частицата, образуват тирета (стримери), които се снимат. Пътят на частицата е очертан от тези тирета.
Ако снимката е направена по посока на тирета, 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 импулса с високо напрежение. В смес от 90% неон и 10% хелий с разстояние между плочите 30 см се получават добри резултати при напрежение 600 000 V и време на импулса. В този случай импулсът трябва да се наслагва не по-късно от s след първичното йонизиращо събитие. Задържаща камера от този тип е сложна, скъпа инсталация, която е толкова далеч от облачната камера, колкото съвременните ускорители на частици са от електронна тръба.
Йонизационни броячи и йонизационни камери.
Йонизационното устройство, 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 често срещан вариант на това устройство, наречен брояч на Гайгер, напрежението на пробив се прилага към цилиндъра и нажежаемата жичка. Ако през стената или през края на такъв плот попадне в него
йонизираща частица, тогава токов импулс ще премине през кондензатора, като продължи, докато първичните електрони и създадените от тях саморазрядни електрони и йони дойдат до положителната плоча на кондензатора. Този импулс на тока може да бъде усилен чрез конвенционални радиотехнически методи и преминаването на частицата през брояча може да бъде засечено или чрез щракване, или чрез светкавица, или, накрая, чрез цифров брояч.
Такова устройство може да брои 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 измервателния уред е избран неправилно, тогава глюкомерът започва да се „задушава“ и отброява 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 токов импулс да преминава през кондензатора, пропорционален на броя на образуваните йони (пропорционален брояч). За това е необходимо да се работи в района на несамоподдържащ се газов разряд. 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 стойности пропорционалните броячи не само ще установят преминаването 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 прекратяването на йонизацията. Разликата на брояча на Гайгер е, че в него входящата частица действа като спусък и времето на пробив не е свързано с първоначалната йонизация.
Тъй като пропорционалните броячи реагират на йонизиращата сила на 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 намаляване на напрежението), тогава токът през него е мярка за енергията на излъчване, погълната в обема на устройството за единица време. В този случай устройството се нарича йонизационна камера. Печалбата в този случай е равна на единица. Предимството на йонизационната камера е голямата стабилност на работа. Конструкцията на йонизационната камера може да варира значително. Пълнежът на камерата, стенните материали, броят и формата на електродите варират в зависимост от целта на изследването. Наред с малките камери с обем от порядъка на кубичен милиметър, човек трябва да се справи и с камери с обем до стотици метри. Под действието на постоянен източник на йонизация в камерите възникват токове, вариращи от до
сцинтилационни броячи.
Методът за броене на проблясъци на флуоресцентно вещество (сцинтилации) като средство за преброяване на елементарни частици е използван за първи път от Ръдърфорд за неговите класически изследвания на структурата на атомното ядро. Съвременното въплъщение на тази идея няма голяма прилика с простото устройство на Ръдърфорд.
Частицата предизвиква светкавица в твърдо вещество - фосфор. Известен много голям бройорганични и неорганични вещества, които имат способността да преобразуват енергията на заредените частици и фотоните в светлинна енергия. Много люминофори имат много кратка продължителност на последващо свечение, от порядъка на милиардни от секундата. Това прави възможно изграждането на сцинтилационни броячи с висока скорост на броене. За редица люминофори светлинната мощност е пропорционална на енергията на частиците. Това дава възможност да се проектират броячи за оценка на енергията на частиците.
В съвременните броячи люминофорите се комбинират с фотоумножители, които имат обикновени фотокатоди, които са чувствителни към видимата светлина. Електричество, създадена 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 от въглеродни атоми. За използване като сцинтилатори, тези вещества трябва да се приемат под формата на единични кристали. Тъй като растежът на големи единични кристали е малко труден и тъй като кристалите органични съединенияса много крехки, тогава използването на пластмасови сцинтилатори представлява значителен интерес - това е името на твърдите разтвори на органичен фосфор в прозрачни пластмаси - полистирол 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 бързо заредена частица се движи в напълно чист течен или твърд диелектрик, възниква специално сияние, което е коренно различно както от флуоресцентното сияние, свързано с енергийните преходи в атомите на веществото, така и от тормозното излъчване от типа на рентгеновия непрекъснат спектър. Черенковското излъчване възниква, когато заредена частица се движи със скорост, надвишаваща фазовата скорост на светлината в диелектрика. Основната характеристика на радиацията е, че тя се разпространява конична повърхностнапред в посоката на движение 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 показател 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
Радиационният спектър на Черенков, както показват опитът и теорията, се намира главно във видимата област.
Черенковското излъчване 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 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 те сферични вълнисъвпадат по фаза и образуват единен фронт.
Да разгледаме две точки по пътя на заредена частица (фиг. 237в). Те създадоха сферични вълни, една в момент във времето, друга в момент от време. Очевидно има времето, което е необходимо на частицата, за 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 на пътуване на втория лъч от времето, изминат от частицата във времето. е равно на Вълнаразстоянието ще премине за същото време От тук получаваме горната формула:
Черенковското лъчение напоследък се използва доста широко като метод за откриване на елементарни частици. Броячи, 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 черенковски броячи.
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 (не казахме, че светлинният изход силно зависи от заряда на частицата). Само с помощта на броячите на Черенков могат да бъдат решени такива важни задачи 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 не само да се отбележи появата на частица на дадено място, но и да се проследи по-нататъшната съдба на същата частица. Подобни проблеми се решават с помощта на специални подреждания на броячи с обобщена схема за броене. Например, възможно е да се свържат електрическите вериги на два или повече броячи по такъв начин, че броенето да се извършва само ако разрядът във всички измервателни уреди започва точно по едно и също време. Това може да послужи като доказателство за преминаването на една и съща частица през всички броячи. Това включване на броячи се нарича "включване на мача".
Метод на дебелслойни фотографски емулсии.
Както е известно, фоточувствителният слой на фотографските плочи е желатинов филм, в който са въведени микрокристали от сребърен бромид. Основата на фотографския процес е йонизацията на тези кристали, което води до намаляване на сребърния 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 фотографската плоча. 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, самата поява на следата говори много. Ценна информация се предоставя от обхвата (следа) 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 стриктно по протежение на плочата. Мисовски и Жданов, както и няколко години по-късно Пауъл в Англия, въвеждат фотографски плочи с дебелина на емулсията, близка до (за обикновените плочи дебелината на слоя е сто пъти по-малка). Фотометодът е ценен със своята яснота, способността да се наблюдава сложна картина на трансформацията, която се получава при унищожаване на частица.
На фиг. 238 показва характерна снимка, получена по този метод. В точките се извършват ядрени трансформации.
В последната версия на този метод, емулсионни камери със значителен обем се използват като среда, в която се фиксират следите на частиците.
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 достатъчно 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 е описан на стр. 171.
Трябва да се помни, че директно се наблюдават само заредени частици. Всички данни за неутралните частици и фотони се получават косвено чрез изследване на естеството на действието на тези невидими частици върху заредени. Получените данни за невидими частици обаче имат висока степен на надеждност.
Съществена роля в изследването на всички видове трансформации на елементарните частици играе прилагането на законите за запазване на импулса и енергията. Тъй като имаме работа с бързи частици, при прилагането на закона за запазване на енергията е необходимо да се вземе предвид възможното изменение на масата.
Да предположим, че снимката показва следа от частици под формата на "вилица". Първата частица се е превърнала в две частици: втората и третата. Тогава трябва да са налице следните отношения. Първо, импулсът на първата частица трябва да бъде равен на векторната сума от импулсите на появяващите се частици:
къде е разликата в масата
Целият опит на ядрената физика показва, че законите за запазване се спазват стриктно при всякакви трансформации на елементарни частици. Това дава възможност да се използват 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 плоча, 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, може да се направят сигурни заключения за стойността на параметрите на неутрална частица. Така е открит неутронът, по този начин съдим за неутрино и неутрални мезони, за които ще говорим 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.), летяща през газ, отделя 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 се увеличава рязко. В този случай върху товарния резистор R се образува импулс на напрежение, който се подава към записващото устройство. За да може броячът да регистрира следващата частица, която го удари, лавиното изхвърляне трябва да бъде угасено. Това се случва автоматично. Тъй като в момента, в който се появи импулсът на тока, 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 основно за регистриране на електрони и Y-кванти (високоенергийни фотони), но Y-квантите не се регистрират директно поради ниската им йонизираща способност. За да ги открият, 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. Регистрирането на тежки частици (например L-частици) е трудно, 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 образуване на водни капчици. Тези йони се създават по траекторията му от движеща се заредена частица.
Устройството представлява цилиндър с бутало 1 (фиг. 2), покрит с плосък стъклен капак 2. Цилиндърът съдържа наситени паривода или алкохол. В камерата се вкарва изследвания радиоактивен препарат 3, който образува йони в работния обем на камерата. При рязко спускане на буталото надолу, т.е. По време на адиабатното разширение, парата се охлажда и става пренаситена. В това състояние парата лесно се кондензира. Центровете на кондензация са йоните, образувани от летящата в този момент частица. Така в камерата се появява мъглива следа (следа) (фиг. 3), която може да се наблюдава и снима. Пистата съществува за десети от секундата. Чрез връщане на буталото в първоначалното му положение и отстраняване на йони електрическо поле, можем да извършим отново адиабатното разширение. 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 се разширяват значително. В този случай силата на Лоренц действа върху движещата се частица, което дава възможност 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 електронните и позитронните следи. Индукционният вектор B на магнитното поле е насочен перпендикулярно на равнината на чертежа отвъд чертежа. Позитронът се отклонява наляво, електронът вдясно.
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-ниско от налягането на наситената му пара.
Летяйки в такава течност, частицата предизвиква появата на парни мехурчета, като по този начин образува писта (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 (прегряване) състояние. Това гарантира появата на мехурчета по пътя на движението 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 високи енергии се забиват в камерата. Това дава възможност да се наблюдава серия от последователни трансформации на частицата и реакциите, които предизвиква.
4) Метод на дебелслойни фотографски емулсии
За регистриране на частици, заедно с облачни камери и мехурни камери, се използват дебелослойни фотографски емулсии. Йонизиращо действие на бързо заредени частици върху емулсията на фотографска плоча. Фото емулсията съдържа голям броймикроскопични кристали от сребърен бромид.
Бързо заредена частица, проникваща в кристала, отделя електрони от отделните бромни атоми. Верига от такива кристали образува латентно изображение. Когато се появят тези кристали, металното сребро се намалява и верига от сребърни зърна образува следа от частици.
Дължината и дебелината на пистата 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 толкова дълго, колкото желаете. Това ви позволява да регистрирате редки събития. Важно е също така, че поради високата спирачна способност на фотографската емулсия, броят на наблюдаваните интересни реакции между частици и ядра се увеличава.
Устройствата за регистриране на заредени частици се наричат детектори. Има два основни типа детектори:
1) отделен(преброяване и определяне на енергията на частиците): Гайгеров брояч, йонизационна камера и др.;
2) писта(което позволява да се наблюдават и снимат следи (следи) от частици в работния обем на детектора): камера на Уилсън, камера за мехурчета, дебелослойни фотографски емулсии и др.
1. Газоразряден Гайгеров брояч.За регистриране на електрони и \(~\gamma\)-кванти (фотони) с висока енергия се използва брояч на Гайгер-Мюлер. Състои се от стъклена тръба (фиг. 22.4), към чиито вътрешни стени приляга катодът 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. Отрицателен потенциал се прилага към тялото, положителен потенциал се прилага към нишката. Резистор R е свързан последователно с брояча, от който сигналът се подава към записващото устройство.
Работата на брояча се основава на ударна йонизация. Нека частица влезе в брояча, който е създал поне една двойка по пътя си: "йон + електрон". Електроните, движещи се към анода (филамента), попадат в полето с нарастваща интензивност (напрежение между A и K ~ 1600 V), скоростта им бързо нараства и по пътя си създават йонна лавина (възниква ударна йонизация). Веднъж попаднали на 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 регистрационното устройство.
Настъпва спад на напрежението върху резистора, анодният потенциал намалява и силата на полето вътре в брояча намалява, в резултат на което кинетичната енергия на електроните намалява. Изпускането спира. По този начин резисторът играе ролята на съпротивление, като автоматично гаси лавинния разряд. Положителните йони се стичат 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. Въпреки това, \(~\gamma\)-квантите не се регистрират директно поради ниската им йонизираща способност. За да ги открият, 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%.
Регистрирането на тежки \(~\alpha\)-частици е трудно, тъй като е трудно да се направи достатъчно тънък "прозорец" прозрачен за тези частици в брояча.
2. камера на Уилсън.
Камерата използва способността на високоенергийните частици да йонизират газовите атоми. Облачната камера (фиг. 22.5) е цилиндричен съд с бутало 1. Горната част на цилиндъра е изработена от прозрачен материал, в камерата се вкарва малко количество вода или алкохол, за което съдът се покрива със слой отдолу мокъркадифе или плат 2. Вътре в камерата се образува смес богатпара и въздух. С бързото спускане на буталото 1сместа се разширява адиабатично, което е придружено от намаляване на нейната температура. Чрез охлаждане на парата става пренаситени.
Ако въздухът е без прахови частици, тогава кондензацията на парата в течност е трудна поради липсата на кондензационни центрове. въпреки това кондензационни центровейони също могат да служат. Следователно, ако заредена частица лети през камерата (те я пускат през прозорец 3), йонизиращи молекули по пътя си, тогава на йонната верига възниква кондензация на пари и траекторията на частицата вътре в камерата става видима поради утаените малки капчици течност. Веригата от образувани течни капчици образува пътека на частиците. Термичното движение на молекулите бързо размазва следата на частиците и траекториите на частиците се виждат ясно само за около 0,1 s, което обаче е достатъчно за снимане.
Появата на песен на снимка често позволява да се прецени природатачастици и размернея енергия.И така, \(~\alpha\)-частиците оставят относително плътна твърда следа, протоните - по-тънки, а електроните - с точки (фиг. 22.6). Появяващото се разцепване на коловоза - "разклони" показва продължаваща 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 те 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 пистите определят енергията и масата на частицата (специфичен заряд).
3. балонна камера.В момента мехурната камера се използва в научни изследвания. Работният обем в мехурната камера е запълнен с течност под високо налягане, което предотвратява кипене, 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 траекторията си, тъй като йоните, образувани в течността, служат като центрове на изпаряване. В този случай траекторията на частицата е маркирана с верига от парни мехурчета, т.е. се прави видимо. Течният водород и C 3 H 3 пропанът се използват главно като течности. Продължителността на работния цикъл е около 0,1 s.
Предимствомехурната 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 да се определи много по-точно посоката на движение на частицата и нейната енергия и да се наблюдава поредица от последователни трансформации на частицата и реакциите, които тя предизвиква.
4. Метод на дебелслойни фотографски емулсииразработено от Л. В. Мисовски и А. П. Жданов.
Тя се основава на използването на почерняване на фотографския слой под действието на бързо заредени частици, преминаващи през фотографската емулсия. Такава частица причинява разпадане на молекулите на сребърния бромид на Ag+ и Br- йони и почерняване на фотографската емулсия по траекторията на движение, образувайки латентно изображение. Когато се развива в тези кристали, металното сребро се редуцира и се образува следа от частици. Енергията и масата на частицата се оценяват 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 плочи.
Значително 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. С добавянето на борни или литиеви съединения към емулсията този метод 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 ядрен емулсионен слой. Въз основа на следите от \(~\alpha\)-частици се правят изводи за скоростта и енергията на неутроните, причинили появата на \(~\alpha\)-частици.
литература
Аксенович Л. А. Физика в гимназия: Теория. Задачи. Тестове: Proc. надбавка за институции, предоставящи общ. среди, образование / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Изд. К. С. Фарино. - Мн.: Адукаци и издаване, 2004. - С. 618-621.
