Natrag naprijed
Pažnja! Pregledi slajdova služe samo u informativne svrhe i možda neće predstavljati sve značajke prezentacije. Ako ste zainteresirani za ovaj rad, preuzmite punu verziju.
Vrsta lekcije: sat učenja novog gradiva.
Vrsta lekcije: kombinirani.
Tehnologija: problemsko-dijaloški.
Svrha lekcije: organizirati aktivnosti učenika za proučavanje i početno učvršćivanje znanja o metodama snimanja nabijenih čestica.
Oprema: računalo i multimedijski projektor, Prezentacija .
Metode detekcije nabijenih čestica
Danas se čini gotovo nevjerojatnim kolika su otkrića u fizici atomska jezgra učinjeno korištenjem prirodnih izvora radioaktivnog zračenja s energijama od samo nekoliko MeV i jednostavnim uređajima za detekciju. Otkrivena je atomska jezgra, dobivene su njezine dimenzije, prvi put je uočena nuklearna reakcija, otkriven je fenomen radioaktivnosti, otkriveni su neutron i proton, predviđeno je postojanje neutrina itd. Dugo je vremena glavni detektor čestica bila ploča na koju je nanesen sloj cinkovog sulfida. Čestice su registrirane okom bljeskovima svjetlosti koje su proizvele u cinkovom sulfidu.
S vremenom su eksperimentalne postavke postajale sve složenije. Razvijena je tehnologija akceleracije i detekcije čestica te nuklearna elektronika. Napredak nuklearne fizike i fizike čestica sve je više određen napretkom u tim područjima. Nobelove nagrade za fiziku često se dodjeljuju za rad u području fizikalnih eksperimentalnih tehnika.
Detektori služe kako za registraciju same činjenice prisutnosti čestice tako i za određivanje njene energije i momenta, putanje čestice i drugih karakteristika. Za registraciju čestica često se koriste detektori koji su maksimalno osjetljivi na detekciju pojedine čestice i ne osjećaju veliku pozadinu koju stvaraju druge čestice.
Obično je u eksperimentima nuklearne fizike i fizike čestica potrebno izolirati "potrebne" događaje iz ogromne pozadine "nepotrebnih" događaja, možda jedan u milijardu. Za to se koriste različite kombinacije brojača i metoda registracije.
Detekcija nabijenih čestica temelji se na fenomenu ionizacije ili ekscitacije atoma, koju oni uzrokuju u tvari detektora. To je osnova za rad takvih detektora kao što su oblačna komora, komora s mjehurićima, komora iskre, fotografske emulzije, plinski scintilacijski i poluvodički detektori.
1. Geigerov brojač
Geigerov brojač je, u pravilu, cilindrična katoda, duž čije je osi zategnuta žica - anoda. Sustav je ispunjen plinskom smjesom. Prolazeći kroz brojač, nabijena čestica ionizira plin. Nastali elektroni, krećući se prema pozitivnoj elektrodi - filamentu, ulazeći u područje jakog električnog polja, ubrzavaju se i zauzvrat ioniziraju molekule plina, što dovodi do koronskog pražnjenja. Amplituda signala doseže nekoliko volti i lako se bilježi. Geigerov brojač bilježi činjenicu da čestica prolazi kroz brojač, ali ne mjeri energiju čestice.
2. Oblačna komora
Oblačna komora je detektor tragova elementarnih nabijenih čestica, u kojem je trag (trag) čestice formiran lancem malih kapljica tekućine duž putanje njenog kretanja. Izumio ga je Charles Wilson 1912. (Nobelova nagrada 1927.).
Princip rada oblačne komore temelji se na kondenzaciji prezasićene pare i stvaranju vidljivih kapljica tekućine na ionima duž traga nabijene čestice koja leti kroz komoru. Da bi se stvorila prezasićena para, dolazi do brzog adijabatskog širenja plina pomoću mehaničkog klipa. Nakon fotografiranja staze, plin u komori se ponovno komprimira, a kapljice na ionima ispare. Električno polje u komori služi za “čišćenje” komore od iona nastalih tijekom prethodne ionizacije plina. U komori oblaka tragovi nabijenih čestica postaju vidljivi zbog kondenzacije prezasićene pare na ionima plina koje formira nabijena čestica. Na ionima se stvaraju kapljice tekućine koje rastu do veličine dovoljne za promatranje (10 –3 -10 –4 cm) i fotografiranje pri dobrom osvjetljenju. Radni medij je najčešće mješavina vode i alkoholne pare pod tlakom od 0,1-2 atmosfere (vodena para se kondenzira uglavnom na negativne ione, alkoholna para na pozitivne). Supersaturacija se postiže naglim smanjenjem tlaka zbog ekspanzije radnog volumena. Mogućnosti oblačne komore značajno se povećavaju kada se stave u magnetsko polje. Na temelju putanje nabijene čestice zakrivljene magnetskim poljem određuju se predznak njezina naboja i količina gibanja. Koristeći komoru s oblakom 1932. K. Anderson otkrio je pozitron u kozmičkim zrakama.
3. Komora s mjehurićima
Komora s mjehurićima– detektor tragova elementarnih nabijenih čestica, kod kojeg trag (trag) čestice tvori lanac mjehurića pare duž putanje njezina kretanja. Izumio A. Glaser 1952. (Nobelova nagrada 1960.).
Princip rada temelji se na vrenju pregrijane tekućine duž staze nabijene čestice. Komora s mjehurićima je posuda ispunjena prozirnom pregrijanom tekućinom. Naglim padom tlaka nastaje lanac mjehurića pare duž staze ionizirajuće čestice, koji se osvjetljavaju vanjskim izvorom i fotografiraju. Nakon snimanja traga, tlak u komori raste, mjehurići plina kolabiraju i aparat je ponovno spreman za korištenje. Kao radna tekućina u komori koristi se tekući vodik, koji ujedno služi i kao vodikova meta za proučavanje interakcije čestica s protonima.
Komora s oblakom i komora s mjehurićima imaju veliku prednost jer se sve nabijene čestice proizvedene u svakoj reakciji mogu izravno promatrati. Da bi se odredila vrsta čestice i njezina količina gibanja, oblačne komore i komore s mjehurićima stavljaju se u magnetsko polje. Komora s mjehurićima ima veću gustoću materijala detektora u usporedbi s komorom s oblakom i stoga su staze nabijenih čestica u potpunosti sadržane u volumenu detektora. Dešifriranje fotografija iz komora s mjehurićima predstavlja zaseban, naporan problem.
4. Nuklearne emulzije
Slično, kao što se događa u običnoj fotografiji, nabijena čestica na svom putu remeti strukturu kristalne rešetke zrnaca srebrnog halida, čineći ih sposobnima za razvoj. Nuklearna emulzija jedinstveno je sredstvo za snimanje rijetkih događaja. Hrpe nuklearnih emulzija omogućuju otkrivanje čestica vrlo visokih energija. Uz njihovu pomoć moguće je odrediti koordinate staze nabijene čestice s točnošću od ~1 mikrona. Nuklearne emulzije naširoko se koriste za otkrivanje kozmičkih čestica na sondirajućim balonima i svemirskim letjelicama.
Fotografske emulzije kao detektori čestica donekle su slične oblačnim komorama i komorama s mjehurićima. Prvi ih je upotrijebio engleski fizičar S. Powell za proučavanje kozmičkih zraka. Fotografska emulzija je sloj želatine u kojem su raspršena zrnca srebrnog bromida. Pod utjecajem svjetla u zrncima srebrnog bromida stvaraju se latentni centri slike koji pridonose redukciji srebrnog bromida u metalno srebro kada se razvijaju konvencionalnim fotografskim razvijačem. Fizikalni mehanizam nastanka ovih centara je stvaranje metalnih atoma srebra zbog fotoelektričnog efekta. Ionizacija koju proizvode nabijene čestice daje isti rezultat: pojavljuje se trag senzibiliziranih zrnaca, koji se nakon razvoja mogu vidjeti pod mikroskopom.
5. Scintilacijski detektor
Scintilacijski detektor koristi svojstvo određenih tvari da svijetle (scintiliraju) kada nabijena čestica prolazi kroz njih. Svjetlosni kvanti proizvedeni u scintilatoru zatim se snimaju pomoću fotomultiplikatorskih cijevi.
Suvremene mjerne instalacije u fizici visokih energija složeni su sustavi koji uključuju desetke tisuća brojača, složenu elektroniku i sposobne su istovremeno bilježiti desetke čestica nastalih u jednom sudaru.
Instrumenti koji se koriste za detekciju nuklearnog zračenja nazivaju se detektori nuklearnog zračenja. Najviše se koriste detektori koji detektiraju nuklearno zračenje ionizacijom i ekscitacijom atoma tvari koje proizvode. Brojač s pražnjenjem u plinu izumio je njemački fizičar G. Geiger, a zatim ga je poboljšao zajedno s W. Mullerom. Stoga se brojači s izbojem u plinu često nazivaju Geiger-Mullerovi brojači. Kao tijelo mjerača služi cilindrična cijev, duž njene osi rastegnuta je tanka metalna nit. Navoj i tijelo cijevi odvojeni su izolatorom. Radni volumen mjerača ispunjen je mješavinom plinova, na primjer argonom pomiješanim s parama metilnog alkohola, pri tlaku od oko 0,1 atm.
Za registraciju ionizirajućih čestica primjenjuje se visok konstantni napon između protutijela i žarne niti; žarna nit je anoda. Brza nabijena čestica koja leti kroz radni volumen brojača
proizvodi ionizaciju atoma plina za punjenje na svom putu. Pod utjecajem električnog polja slobodni elektroni se kreću prema anodi, pozitivni ioni se kreću prema katodi. Jakost električnog polja u blizini NNH anode brojača je tolika da slobodni elektroni, kada joj se približavaju na putu između dva sudara s neutralnim atomima, dobivaju energiju dovoljnu za njihovu ionizaciju. U mjeraču dolazi do koronskog pražnjenja koje prestaje nakon kratkog vremena.
Naponski impuls šalje se s otpornika spojenog u seriju s brojačem na ulaz uređaja za snimanje. Shematski dijagram uključivanja brojača s izbojem u plinu za registraciju nuklearnog zračenja prikazan je na slici 314. Na temelju očitanja elektroničkog brojača određuje se broj brzih nabijenih čestica koje registrira brojač.
Scintilacijski brojači.
Dizajn najjednostavnijeg uređaja za snimanje alfa čestica, spintariskopa, prikazan je na slici 302. Glavni dijelovi spintariskopa su ekran 3, presvučen slojem cinkovog sulfida, i kratkofokusno povećalo 4. Alfa radioaktivni lijek postavljen je na kraj šipke 1 otprilike nasuprot sredini zaslona. Kada alfa čestica pogodi kristale cinkovog sulfida, dolazi do bljeska svjetlosti, koji se može detektirati promatranjem kroz povećalo.
Proces pretvaranja kinetičke energije brzo nabijene čestice u energiju svjetlosnog bljeska naziva se scintilacija. Scintilacija je vrsta fenomena luminiscencije. U modernim scintilacijskim brojačima svjetlosni bljeskovi se bilježe pomoću fotoćelija, koje pretvaraju energiju svjetlosnog bljeska u kristalu u energiju impulsa električne struje. Strujni impulsi na izlazu fotoćelije se pojačavaju i zatim snimaju.
Wilsonova komora.
Jedan od najznačajnijih instrumenata eksperimentalne nuklearne fizike je komora s oblakom. Izgled Wilsonova školska demonstracijska komora prikazana je na slici 315. U cilindričnom
Posuda s ravnim staklenim poklopcem sadrži zrak koji sadrži zasićene alkoholne pare. Radni volumen komore povezan je kroz cijev s gumenom kruškom. Unutar komore, radioaktivni lijek je postavljen na tanku šipku. Za aktiviranje kamere, žarulja se najprije lagano stisne, a zatim se oštro otpusti. S brzim adijabatskim širenjem, zrak i para u komori se hlade, a para ulazi u stanje prezasićenosti. Ako u tom trenutku alfa čestica napusti pripravak, na putu njezina kretanja u plinu nastaje stupac iona. Prezasićena para kondenzira se u kapljice tekućine, a stvaranje kapljica događa se prvenstveno na ionima, koji služe kao središta kondenzacije pare. Stupac kapljica kondenziranih na ionima duž putanje čestice naziva se staza čestice.
Za točna mjerenja fizičke karakteristike Da bi se otkrile čestice, komora s oblakom se postavlja u konstantno magnetsko polje. Tragovi čestica koje se kreću u magnetskom polju ispadaju zakrivljeni. Polumjer zakrivljenosti staze ovisi o brzini čestice, njezinoj masi i naboju. S poznatom indukcijom magnetsko polje te se karakteristike čestica mogu odrediti iz izmjerenih polumjera zakrivljenosti tragova čestica.
Prve fotografije tragova alfa čestica u magnetskom polju dobio je sovjetski fizičar P. L. Kapitsa 1923. godine.
Metoda korištenja oblačne komore u konstantnom magnetskom polju za proučavanje i istraživanje spektra beta i gama zračenja elementarne čestice prvi je razvio sovjetski fizičar akademik Dmitrij Vladimirovič Skobeljcin.
Komora s mjehurićima.
Princip rada komore s mjehurićima je sljedeći. Komora sadrži tekućinu na temperaturi blizu vrelišta. Brze nabijene čestice prodiru u njegov radni volumen kroz tanki prozor u stijenci komore i usput ioniziraju i pobuđuju atome tekućine. U trenutku kada čestice prodru u radni volumen komore, pritisak unutar nje se oštro smanjuje i tekućina prelazi u pregrijano stanje. Ioni koji se pojavljuju na putu čestice imaju višak kinetičke energije. Ta energija dovodi do povećanja temperature tekućine u mikroskopskom volumenu u blizini svakog iona, njegovog vrenja i stvaranja mjehurića pare. Lanac mjehurića pare koji nastaju na putu brze nabijene čestice kroz tekućinu oblikuje trag te čestice.
U komori s mjehurićima gustoća bilo koje tekućine znatno je veća od gustoće plina u komori s oblakom, pa je moguće učinkovitije proučavati interakcije brzo nabijenih čestica s atomskim jezgrama. Za punjenje komora s mjehurićima koriste se tekući vodik, propan, ksenon i neke druge tekućine.
Metoda fotoemulzije.
Fotografska metoda je povijesno prva eksperimentalna metoda za snimanje nuklearnog zračenja, budući da je ovom metodom Becquerel otkrio fenomen radioaktivnosti.
Sposobnost brzih nabijenih čestica da stvore latentnu sliku u fotografskoj emulziji danas se široko koristi u nuklearnoj fizici. Nuklearne fotoemulzije posebno se uspješno koriste u istraživanjima u području fizike čestica i kozmičkih zraka. Brza nabijena čestica, kada se kreće u sloju fotografske emulzije, stvara središta latentne slike duž putanje kretanja. Nakon razvijanja pojavljuje se slika tragova primarne čestice i svih nabijenih čestica koje nastaju u emulziji kao rezultat nuklearnih interakcija primarne čestice.
Proučavanje strukture atomske jezgre neraskidivo je povezano s razmatranjem fenomena spontanog ili prisilnog raspada atomske jezgre i nuklearnih čestica. Ispitivanjem fragmenata srušene atomske jezgre i praćenjem sudbine tih fragmenata, možemo izvući zaključke o strukturi jezgre i nuklearnih sila.
Sasvim je prirodno da su se isprva detaljno proučavale pojave spontanog raspada jezgri, odnosno radioaktivne pojave. Paralelno s tim počelo je proučavanje kozmičkih zraka - zračenja koje ima izuzetnu prodornu moć i dolazi nam iz svemira. U interakciji s materijom čestice kozmičkog zračenja igraju ulogu čestica projektila. Dugo je vremena proučavanje kozmičkih zraka bilo najvažniji način proučavanja interkonvertibilnosti elementarnih čestica, pa čak i, u određenoj mjeri, metoda za proučavanje atomske jezgre. Trenutno studije razaranja atomske jezgre bombardiranjem tokovima čestica stvorenih u akceleratorima dobivaju primarnu važnost.
Eksperimentalne metode, o kojima ćemo sada raspravljati, jednako su primjenjivi na proučavanje kozmičkih zraka i čestica koje nastaju nuklearnim bombardiranjem određenih ciljeva.
Kamere za praćenje.
Prvi uređaj koji je omogućio vidjeti trag (traku) čestice bila je oblačna komora. Ako brza čestica leti kroz komoru koja sadrži prezasićenu vodenu paru, stvarajući ione na svom putu, tada takva čestica ostavlja trag, vrlo sličan "repu" koji ponekad ostaje na nebu nakon aviona. Ovaj trag stvara kondenzirana para. Ioni koji označavaju putanju čestice su središta kondenzacije pare - to je razlog za pojavu jasno vidljivog traga. Trag čestice može se izravno promatrati i fotografirati.
Za regulaciju stanja pare u komori mijenja se volumen komore pomicanjem klipa. Brzo adijabatsko širenje pare dovodi do stanja prezasićenosti.
Ako se kamera za trag postavi u magnetsko polje, tada je iz zakrivljenosti putanje moguće odrediti ili brzinu čestice u poznatom omjeru ili, obrnuto, pri poznata brzina(usp. formule na stranici 406).
Wilsonova komora već pripada povijesti. Budući da je komora ispunjena plinom, sudari su rijetki. Vrijeme "čišćenja" fotoaparata je jako dugo: fotografije se mogu snimiti tek nakon 20 sekundi. Naposljetku, trag živi vrijeme reda sekunde, što može dovesti do pomicanja slika.
Godine 1950. predložena je komora s mjehurićima koja svira velika uloga u fizici čestica. Tvar komore je pregrijana tekućina. Nabijena čestica stvara ione, au blizini iona stvaraju se mjehurići koji čine trag vidljivim. Ova kamera može snimiti 10 fotografija u sekundi. Najveći nedostatak kamere je nemogućnost kontrole kako se pali. Stoga su često potrebne tisuće fotografija da bi se odabrala ona koja prikazuje fenomen koji se proučava.
Iskreće komore koje se temelje na drugačijem principu su od velike važnosti. Ako se na kondenzator s paralelnim pločama dovede visoki napon, iskra će preskočiti između ploča. Ako u rasporu ima iona, iskra će iskočiti na nižem naponu. Dakle, ionizirajuća čestica koja leti između ploča stvara iskru.
U komori iskre sama čestica uključuje visoki napon između ploča kondenzatora na milijunti dio sekunde. Međutim, prednosti u pogledu mogućnosti uključivanja u pravom trenutku oslabljene su nedostacima: vidljive su samo čestice koje s pločama tvore kut od najviše 45°, trag je vrlo kratak i nemaju svi sekundarni fenomeni vremena da se očituju se.
Nedavno su sovjetski istraživači predložili novu vrstu kamere za praćenje (tzv. streamer kamera), koja je već našla široku primjenu. Blok dijagram takve kamere prikazan je na sl. 237. Čestica koja pada između ploča, koje se, za razliku od komore iskre, nalaze na velikoj udaljenosti jedna od druge, detektira se brojačem. Elektronički logički uređaj
razlikuje primarne događaje i odabire onaj koji zanima eksperimentatora. U ovom trenutku, visoki napon se kratko primjenjuje na ploče. Nastali ioni na putu čestice formiraju crtice (strimere), koje se fotografiraju. Put čestice ocrtan je ovim crticama.
Ako je fotografija snimljena u smjeru crtica, tada putanja čestice izgleda kao isprekidana linija.
Uspjeh streamer komore ovisi o pravilnoj korelaciji formiranja elektronske lavine iz primarnog iona s parametrima visokonaponskog pulsa. U mješavini 90% neona i 10% helija s razmakom između ploča od 30 cm, dobri rezultati postižu se s naponom od 600 000 V i trajanjem impulsa. U tom slučaju, puls treba primijeniti najkasnije s nakon primarni događaj ionizacije. Ova vrsta komore za probuđivanje složena je, skupa postavka koja je jednako udaljena od komore oblaka kao što su moderni akceleratori čestica udaljeni od elektronske cijevi.
Ionizacijski brojači i ionizacijske komore.
Ionizacijski uređaj namijenjen radu sa zračenjem uglavnom je cilindrični kondenzator ispunjen plinom; jedna elektroda je cilindrična ploča, a druga je navoj ili vrh koji ide duž osi cilindra (slika 237a). Napon primijenjen na kondenzator i tlak plina koji puni mjerač moraju se odabrati na poseban način ovisno o postavci problema. U uobičajenoj varijanti ovog uređaja, koja se naziva Geigerov brojač, probojni napon se primjenjuje na cilindar i žarnu nit. Ako kroz zid ili kroz kraj takvog metra uđe u
ionizirajuće čestice, tada će strujni impuls teći kroz kondenzator, nastavljajući se sve dok se primarni elektroni i elektroni samopražnjenja i ioni koje stvaraju ne približe pozitivnoj ploči kondenzatora. Ovaj strujni puls može se pojačati konvencionalnim radiotehničkim metodama, a prolazak čestice kroz brojač može se zabilježiti ili klikom, ili bljeskom svjetla, ili, konačno, digitalnim brojačem.
Takav uređaj može brojati broj čestica koje ulaze u uređaj. Za to je potrebna samo jedna stvar: strujni impuls mora prestati do trenutka kada sljedeća čestica uđe u brojač. Ako je način rada mjerača pogrešno odabran, mjerač se počinje "gušiti" i netočno broji. Razlučivost ionizacijskog brojača je ograničena, ali još uvijek prilično visoka: do čestica u sekundi.
Možete smanjiti napon i postići način rada u kojem bi strujni impuls proporcionalan broju nastalih iona prošao kroz kondenzator (proporcionalni brojač). Da biste to učinili, morate raditi u području nesamoodrživog plinskog pražnjenja. Primarni elektroni, krećući se u električnom polju kondenzatora, dobivaju energiju. Počinje udarna ionizacija i stvaraju se novi ioni i elektroni. Početni ionski parovi koje je čestica uletjela u brojač pretvaraju se u ionske parove. Kada radi u nesamoodrživom načinu pražnjenja, dobitak će biti konstantna vrijednost a proporcionalni brojači ne samo da će utvrditi činjenicu da je čestica prošla kroz brojač, već će mjeriti i njezinu ionizacijsku sposobnost.
Pražnjenje u proporcionalnim brojačima, kao iu gore opisanim Geigerovim brojačima, nestaje kada ionizacija prestane. Razlika između Geigerovog brojača je u tome što u njemu nadolazeća čestica djeluje kao mehanizam okidača i vrijeme kvara nije povezano s početnom ionizacijom.
Budući da proporcionalni brojači odgovaraju ionizirajućoj sposobnosti čestice, način rada brojača može se odabrati tako da detektira samo čestice određene vrste.
Ako uređaj radi u režimu struje zasićenja (što se može postići smanjenjem napona), tada je struja kroz njega mjera energije zračenja apsorbirane u volumenu uređaja po jedinici vremena. U ovom slučaju uređaj se naziva ionizacijska komora. Dobitak je u ovom slučaju jednak jedinici. Prednost ionizacijske komore je njena veća stabilnost. Dizajni ionizacijskih komora mogu značajno varirati. Punjenje komore, materijali stijenki, broj i oblik elektroda variraju ovisno o svrsi studije. Osim sićušnih komora s volumenom reda veličine kubnog milimetra, treba imati posla s komorama s volumenom do nekoliko stotina metara. Pod utjecajem stalnog izvora ionizacije u komorama nastaju struje u rasponu od do
Scintilacijski brojači.
Metodu brojanja bljeskova fluorescentne tvari (scintilacija) kao način brojanja elementarnih čestica prvi je upotrijebio Rutherford za svoja klasična proučavanja strukture atomske jezgre. Suvremeno utjelovljenje ove ideje ima malo sličnosti s Rutherfordovim jednostavnim uređajem.
Čestica izaziva bljesak svjetlosti u čvrstoj tvari – fosforu. Vrlo je dobro poznato veliki broj organski i anorganske tvari, koji ima sposobnost pretvaranja energije nabijenih čestica i fotona u svjetlosnu energiju. Mnogi fosfori imaju vrlo kratko trajanje naknadnog sjaja, reda veličine milijarditog dijela sekunde. To omogućuje konstruiranje scintilacijskih brojača s velikom brzinom brojanja. Za određeni broj fosfora, svjetlosna snaga proporcionalna je energiji čestica. To omogućuje konstruiranje brojača za procjenu energije čestica.
U modernim brojačima fosfori se kombiniraju s fotomultiplikatorima koji imaju konvencionalne fotokatode osjetljive na vidljivo svjetlo. Struja, stvoren u multiplikatoru, pojačava se i zatim šalje u uređaj za brojanje.
Najčešće korišteni organski fosfor: antracen, stilben, terfenil itd. Svi ovi kemijski spojevi pripadaju klasi takozvanih aromatskih spojeva, izgrađenih od šesterokuta ugljikovih atoma. Da bi se koristili kao scintilatori, ove tvari moraju se uzeti u obliku monokristala. Budući da je uzgoj velikih pojedinačnih kristala donekle težak i budući da kristali organski spojevi su vrlo krhki, onda je upotreba plastičnih scintilatora od velikog interesa - to je naziv za čvrste otopine organskog fosfora u prozirnoj plastici - polistirenu ili drugoj sličnoj visokopolimernoj tvari. Od anorganskog fosfora koriste se halogenidi alkalijski metali, cinkov sulfid, volframati zemnoalkalijskih metala.
Kontre Čerenkova.
Davne 1934. Čerenkov je pokazao da kada se brzo nabijena čestica kreće u potpuno čistom tekućem ili čvrstom dielektriku, pojavljuje se poseban sjaj, koji se bitno razlikuje od fluorescentnog sjaja povezanog s energetskim prijelazima u atomima tvari, i od kočnog zračenja. kao što je kontinuirani spektar X-zraka. Čerenkovljevo zračenje nastaje kada se nabijena čestica kreće brzinom većom od fazne brzine svjetlosti u dielektriku. Glavna značajka zračenja je da se širi duž stožasta površina naprijed u smjeru gibanja čestica. Kut konusa određuje se formulom:
gdje je kut generatrise stošca sa smjerom gibanja čestice, V je brzina čestice, brzina svjetlosti u sredstvu. Dakle, za medij s danim indeksom loma postoji kritična brzina ispod koje neće biti zračenja. Pri ovoj kritičnoj brzini zračenje će biti paralelno sa smjerom gibanja čestice. Za česticu koja se kreće brzinom vrlo bliskom brzini svjetlosti, opazit će se maksimalni kut zračenja za cikloheksan
Čerenkovljev spektar zračenja, kao što iskustvo i teorija pokazuju, nalazi se uglavnom u vidljivom području.
Čerenkovljevo zračenje je pojava slična stvaranju pramčanog vala od broda koji se kreće kroz vodu; u tom je slučaju brzina broda veća od brzine valova na površini vode.
Riža. 2376 ilustrira podrijetlo zračenja. Nabijena čestica kreće se duž osne linije i duž putanje, elektromagnetsko polje koje prati česticu privremeno polarizira medij na točkama duž putanje čestice.
Sve te točke postaju izvori sfernih valova. Postoji jedan jedini kut pod kojim ovi sferni valovi fazno se poklapaju i tvore jedinstveni front.
Promotrimo dvije točke na putu nabijene čestice (slika 237c). Stvorili su sferne valove, jedan po jedan, drugi.Očito postoji vrijeme koje je čestici trebalo da putuje između ove dvije točke. Da bi se ta dva vala širila pod nekim kutom 9 u istoj fazi, potrebno je da vrijeme putovanja prve zrake bude veće od vremena putovanja druge zrake za vrijeme Put koji je čestica priješla za vrijeme jednako Wave udaljenost će prijeći za isto vrijeme. Odavde dobivamo gornju formulu:
Čerenkovljevo zračenje nedavno se vrlo široko koristi kao metoda detekcije elementarnih čestica. Brojači koji se temelje na ovom fenomenu nazivaju se Čerenkovljevi brojači. Svjetleća tvar kombinira se, kao u scintilacijskim brojačima, s fotomultiplikatorima i pojačalima
fotoelektrična struja. Postoji mnogo dizajna Čerenkovih brojača.
Čerenkovljevi brojači imaju mnoge prednosti. To uključuje brza brzina proračuni i sposobnost određivanja naboja čestica koje se gibaju brzinom vrlo bliskom brzini svjetlosti (nismo rekli da izlaz svjetlosti oštro ovisi o naboju čestice). Samo uz pomoć Čerenkovljevih brojača mogu se riješiti tako važni problemi kao što su izravno određivanje brzine nabijene čestice, određivanje smjera u kojem se giba ultrabrza čestica itd.
Postavljanje brojača.
Da bi se proučavali različiti procesi transformacije i međudjelovanja elementarnih čestica, potrebno je znati ne samo uočiti pojavu čestice na određenom mjestu, već i pratiti daljnju sudbinu te iste čestice. Takvi se problemi rješavaju pomoću posebnih rasporeda brojača s generaliziranim krugom brojanja. Na primjer, moguće je spojiti električne krugove dva ili više brojača na takav način da se brojanje dogodi samo ako pražnjenje u svim brojačima počne točno u isto vrijeme. To može poslužiti kao dokaz da je ista čestica prošla kroz sve brojače. Ovo uključivanje brojača naziva se "podudarno prebacivanje".
Metoda debeloslojnih fotografskih emulzija.
Kao što je poznato, fotoosjetljivi sloj fotografskih ploča je želatinski film u koji su uneseni mikrokristali srebrobromida. Osnova fotografskog procesa je ionizacija tih kristala, što rezultira redukcijom srebrnog bromida. Taj se proces događa ne samo pod utjecajem svjetlosti, već i pod utjecajem nabijenih čestica. Ako nabijena čestica proleti kroz emulziju, u emulziji će se pojaviti skriveni trag koji se vidi nakon razvijanja fotografske ploče. Tragovi u fotografskoj emulziji govore mnogo detalja o čestici koja ih je uzrokovala. Visoko ionizirajuće čestice ostavljaju mastan trag. Budući da ionizacija ovisi o naboju i brzini čestica, sam izgled traga dovoljno govori. Vrijedni podatak daje udaljenost (trag) čestice u fotografskoj emulziji; Mjerenjem duljine traga može se odrediti energija čestice.
Istraživanje upotrebom konvencionalnih fotografskih ploča s tankim emulzijama malo je korisno za potrebe nuklearne fizike. Takve bi ploče bilježile samo one čestice koje se kreću striktno duž ploče. Mysovsky i Zhdanov, kao i nekoliko godina kasnije Powell u Engleskoj, uveli su fotografske ploče s debljinom emulzije blizu (za obične ploče debljina sloja je sto puta manja). Foto metoda je vrijedna zbog svoje jasnoće, mogućnosti promatranja složene slike transformacije koja se događa kada se čestica uništi.
Na sl. 238 prikazuje tipičnu fotografiju dobivenu ovom metodom. Na točkama su se dogodile nuklearne transformacije.
U posljednjoj verziji ove metode kao medij u kojem se snimaju tragovi čestica koriste se emulzijske komore velikog volumena.
Metode analize opažanja.
Uz pomoć opisanih instrumenata istraživač ima priliku odrediti sve najvažnije konstante elementarne čestice: brzinu i energiju, električno punjenje, masa; svi ti parametri mogu se odrediti s prilično velikom točnošću. U prisustvu toka čestica također je moguće odrediti vrijednost spina elementarne čestice i njezin magnetski moment. To se radi istim eksperimentom cijepanja snopa u magnetskom polju, koji je opisan na stranici 171.
Treba imati na umu da se izravno promatraju samo nabijene čestice. Svi podaci o neutralnim česticama i fotonima dobivaju se neizravno proučavanjem prirode djelovanja tih nevidljivih čestica na nabijene. Podaci dobiveni o nevidljivim česticama, međutim, imaju visok stupanj pouzdanosti.
Bitnu ulogu u proučavanju svih vrsta transformacija elementarnih čestica ima primjena zakona održanja količine gibanja i energije. Budući da je riječ o brzim česticama, pri primjeni zakona održanja energije potrebno je uzeti u obzir moguću promjenu mase.
Pretpostavimo da na fotografiji postoji trag čestica u obliku “vilice”. Prva se čestica pretvorila u dvije čestice: drugu i treću. Tada moraju biti zadovoljeni sljedeći odnosi. Prvo, impuls prve čestice mora biti jednak vektorskom zbroju momenta rezultirajućih čestica:
gdje je razlika u masi
Cjelokupno iskustvo nuklearne fizike pokazuje da su zakoni održanja strogo zadovoljeni pri bilo kakvim transformacijama elementarnih čestica. To nam omogućuje da pomoću ovih zakona odredimo svojstva neutralne čestice koja ne ostavlja trag u fotografskoj emulziji i ne ionizira plin. Ako se na fotografskoj ploči promatraju dva divergentna traga, tada je istraživaču jasno: na mjestu gdje se ti tragovi razilaze, došlo je do transformacije neutralne čestice. Određivanjem momenta, energija i masa nastalih čestica mogu se pouzdano zaključivati o vrijednosti parametara neutralne čestice. Tako je otkriven neutron i na taj način sudimo o neutrinima i neutralnim mezonima, o čemu će biti riječi u nastavku.
Izvješće:
Metode snimanja elementarnih čestica
1) Geigerov brojač s izbojem u plinu
Geigerov brojač jedan je od najvažnijih uređaja za automatsko brojanje čestica.
Brojač se sastoji od staklene cijevi obložene s unutarnje strane metalnim slojem (katoda) i tanke metalne niti koja prolazi uzduž osi cijevi (anoda).
Cijev je napunjena plinom, obično argonom. Brojač radi na temelju udarne ionizacije. Nabijena čestica (elektron, £-čestica itd.), leteći kroz plin, oduzima elektrone atomima i stvara pozitivne ione i slobodne elektrone. Električno polje između anode i katode (na njih se dovodi visoki napon) ubrzava elektrone do energije pri kojoj počinje udarna ionizacija. Dolazi do lavine iona, a struja kroz brojač naglo raste. U tom slučaju, naponski impuls se stvara preko otpornika opterećenja R, koji se dovodi u uređaj za snimanje. Kako bi brojač registrirao sljedeću česticu koja ga pogodi, lavinsko pražnjenje se mora ugasiti. To se događa automatski. Budući da je u trenutku pojave strujnog impulsa pad napona na otporniku pražnjenja R velik, napon između anode i katode naglo opada - toliko da pražnjenje prestaje.
Geigerov brojač koristi se uglavnom za bilježenje elektrona i Y-kvanta (fotona visoke energije). Međutim, Y-kvanti se ne bilježe izravno zbog svoje niske ionizirajuće sposobnosti. Da bi ih se otkrilo, unutarnja stijenka cijevi presvučena je materijalom iz kojeg Y-kvanti izbacuju elektrone.
Brojač registrira gotovo sve elektrone koji ulaze u njega; Što se tiče Y-kvanta, on registrira otprilike samo jedan Y-kvant od stotinu. Registracija teških čestica (npr. £-čestica) je otežana, jer je teško napraviti dovoljno tanak “prozor” u brojaču koji je proziran za te čestice.
2) Wilsonova komora
Djelovanje oblačne komore temelji se na kondenzaciji prezasićene pare na ionima radi stvaranja kapljica vode. Ove ione stvara duž svoje putanje pokretna nabijena čestica.
Uređaj je cilindar s klipom 1 (slika 2), prekriven ravnim staklenim poklopcem 2. Cilindar sadrži zasićene pare vode ili alkohola. Radioaktivni lijek 3 koji se proučava uvodi se u komoru, koja stvara ione u radnom volumenu komore. Kada se klip naglo spusti, tj. Tijekom adijabatskog širenja, para se hladi i postaje prezasićena. U tom stanju para se lako kondenzira. Centri kondenzacije postaju ioni koje stvara čestica koja u tom trenutku leti. Tako se u kameri pojavljuje magloviti trag (trag) (slika 3), koji se može promatrati i fotografirati. Staza postoji desetinke sekunde. Vraćanje klipa u prvobitni položaj i uklanjanje iona električno polje, može se ponovno izvršiti adijabatsko širenje. Stoga se pokusi s kamerom mogu ponavljati.
Ako se kamera postavi između polova elektromagneta, tada se mogućnosti kamere za proučavanje svojstava čestica značajno proširuju. U ovom slučaju Lorentzova sila djeluje na pokretnu česticu, što omogućuje određivanje vrijednosti naboja čestice i njezine količine gibanja iz zakrivljenosti putanje. Slika 4 prikazuje moguću verziju dekodiranja fotografija staza elektrona i pozitrona. Vektor indukcije B magnetskog polja usmjeren je okomito na ravninu crteža iza crteža. Pozitron skreće ulijevo, a elektron udesno.
3) Komora s mjehurićima
Razlikuje se od oblačne komore po tome što se prezasićene pare u radnom volumenu komore zamjenjuju pregrijanom tekućinom, tj. tekućina koja je pod pritiskom manjim od svog tlaka zasićene pare.
Proletjevši kroz takvu tekućinu, čestica uzrokuje pojavu mjehurića pare, stvarajući pritom trag (slika 5).
U početnom stanju klip komprimira tekućinu. Uz nagli pad tlaka, vrelište tekućine niže je od temperature okoline.
Tekućina postaje nestabilno (pregrijano) stanje. To osigurava pojavu mjehurića duž putanje čestice. Kao radna smjesa koriste se vodik, ksenon, propan i neke druge tvari.
Prednost komore s mjehurićima u odnosu na Wilsonovu komoru je zbog veće gustoće radne tvari. Kao rezultat toga, putovi čestica su prilično kratki, a čestice čak i visokih energija zaglave u komori. To omogućuje promatranje niza uzastopnih transformacija čestice i reakcija koje ona uzrokuje.
4) Metoda emulzije debelog filma
Za detekciju čestica, uz oblačne komore i komore s mjehurićima, koriste se debeloslojne fotografske emulzije. Ionizirajuće djelovanje brzonabijenih čestica na emulziju fotografske ploče. Foto emulzija sadrži veliki broj mikroskopski kristali srebrnog bromida.
Brzo nabijena čestica, prodirući u kristal, uklanja elektrone iz pojedinačnih atoma broma. Lanac takvih kristala tvori latentnu sliku. Kada se metalno srebro pojavi u tim kristalima, lanac srebrnih zrnaca formira trag čestica.
Duljina i debljina traga mogu se koristiti za procjenu energije i mase čestice. Zbog velike gustoće fotografske emulzije tragovi su vrlo kratki, ali se prilikom fotografiranja mogu povećati. Prednost fotografske emulzije je što vrijeme ekspozicije može biti koliko god želite. To omogućuje snimanje rijetkih događaja. Također je važno da se zbog velike zaustavne moći fotoemulzije povećava broj promatranih zanimljivih reakcija između čestica i jezgri.
Uređaji za detekciju nabijenih čestica nazivaju se detektori. Postoje dvije glavne vrste detektora:
1) diskretna(brojenje i određivanje energije čestica): Geigerov brojač, ionizacijska komora i dr.;
2) staza(koji omogućuju promatranje i fotografiranje tragova čestica u radnom volumenu detektora): Wilsonova komora, komora s mjehurićima, debeloslojne fotografske emulzije itd.
1. Geigerov brojač s izbojem u plinu. Za registraciju elektrona i \(~\gama\)-kvanta (fotona) visoke energije koristi se Geiger-Mullerov brojač. Sastoji se od staklene cijevi (sl. 22.4), katoda K, tanki metalni cilindar, nalazi se uz unutarnje stijenke; Anoda A je tanka metalna žica razvučena duž osi brojača. Cijev je napunjena plinom, obično argonom. Brojač je uključen u strujni krug za snimanje. Na tijelo se dovodi negativan potencijal, a na nit pozitivan. Otpornik R spojen je u seriju s brojačem, s kojeg se signal dovodi u uređaj za snimanje.
Brojač radi na temelju udarne ionizacije. Neka čestica udari u brojač i stvori barem jedan par na svom putu: “ion + elektron”. Elektroni krećući se prema anodi (žarnoj niti) ulaze u polje sve jačeg intenziteta (napon između A i K ~ 1600 V), brzina im se naglo povećava, a na svom putu stvaraju ionsku lavinu (dolazi do udarne ionizacije). Kada se jednom nađu na niti, elektroni smanjuju njen potencijal, zbog čega struja teče kroz otpornik R. Na njegovim krajevima pojavljuje se impuls napona koji ulazi u uređaj za snimanje.
Dolazi do pada napona na otporniku, potencijal anode se smanjuje, a jakost polja unutar brojača se smanjuje, zbog čega se kinetička energija elektrona smanjuje. Iscjedak prestaje. Dakle, otpornik igra ulogu otpora, automatski gaseći lavinsko pražnjenje. Pozitivni ioni teku prema katodi unutar \(~t \približno 10^(-4)\) s nakon početka pražnjenja.
Geigerov brojač može otkriti 10 4 čestica u sekundi. Koristi se uglavnom za snimanje elektrona i \(~\gama\) kvanta. Međutim, \(~\gamma\) kvanti nisu izravno otkriveni zbog njihove niske ionizirajuće sposobnosti. Da bi ih se otkrilo, unutarnja stijenka cijevi presvučena je materijalom iz kojeg \(~\gama\) kvanti izbacuju elektrone. Kod registracije elektrona, učinkovitost brojača je 100%, a kod registracije \(~\gamma\) kvanta - samo oko 1%.
Registracija teških \(~\alfa\)-čestica je teška, jer je teško napraviti dovoljno tanak “prozor” u brojaču koji je proziran za te čestice.
2. Wilsonova komora.
Komora koristi sposobnost visokoenergetskih čestica da ioniziraju atome plina. Oblačna komora (slika 22.5) je cilindrična posuda s klipom 1. Gornji dio cilindra je izrađen od prozirnog materijala, u komoru se unosi mala količina vode ili alkohola, za što je dno posude prekriven slojem mokri baršun ili tkanina 2. Unutar komore stvara se smjesa zasićena para i zraka. Prilikom brzog spuštanja klipa 1 smjesa se adijabatski širi, što je popraćeno sniženjem njezine temperature. Uslijed hlađenja postaje para prezasićen.
Ako je zrak očišćen od čestica prašine, tada je kondenzacija pare u tekućinu otežana zbog nepostojanja kondenzacijskih centara. Međutim centri kondenzacije mogu poslužiti i ioni. Stoga, ako nabijena čestica leti kroz komoru (ulazi kroz prozor 3), ionizirajući molekule na svom putu, tada dolazi do kondenzacije pare na lancu iona i putanja čestice unutar komore postaje vidljiva zahvaljujući nataloženim malim kapljicama tekućina. Lanac formiranih kapljica tekućine tvori trag čestica. Toplinsko kretanje molekula brzo zamagljuje trag čestica, a putanje čestica jasno su vidljive tek oko 0,1 s, što je ipak dovoljno za fotografiranje.
Izgled staze na fotografiji često omogućuje prosudbu prirodačestice i veličina nju energije. Tako \(~\alpha\) čestice ostavljaju relativno debeo kontinuirani trag, protoni ostavljaju tanji, a elektroni ostavljaju točkasti trag (sl. 22.6). Pojavljujuće se razdvajanje staze - "rašlje" - ukazuje na reakciju koja je u tijeku.
Kako bi se komora pripremila za djelovanje i očistila je od preostalih iona, unutar nje se stvara električno polje koje privlači ione na elektrode, gdje se oni neutraliziraju.
Sovjetski fizičari P. L. Kapitsa i D. V. Skobeltsyn predložili su postavljanje kamere u magnetsko polje, pod utjecajem kojeg se putanje čestica savijaju u jednom ili drugom smjeru, ovisno o predznaku naboja. Polumjer zakrivljenosti putanje i intenzitet tragova određuju energiju i masu čestice (specifični naboj).
3. Komora s mjehurićima. Trenutno se u znanstvenom istraživanju koristi komora s mjehurićima. Radni volumen u komori s mjehurićima ispunjen je tekućinom pod visokim pritiskom, što sprječava njeno vrenje, unatoč činjenici da je temperatura tekućine viša od vrelišta pri atmosferskom tlaku. S oštrim smanjenjem tlaka, tekućina se pregrijava i kratko vrijeme ostaje u nestabilnom stanju. Ako nabijena čestica leti kroz takvu tekućinu, tada će duž svoje putanje tekućina ključati, jer ioni formirani u tekućini služe kao središta isparavanja. U ovom slučaju, putanja čestice je označena lancem mjehurića pare, tj. postaje vidljiv. Tekućine koje se koriste su uglavnom tekući vodik i propan C 3 H 3 . Vrijeme radnog ciklusa je oko 0,1 s.
Prednost Komora s mjehurićima ispred komore oblaka je zbog veće gustoće radne tvari, zbog čega čestica gubi više energije nego u plinu. Pokazalo se da su putevi čestica kraći, pa čak i čestice visoke energije zapnu u komori. Time je moguće puno točnije odrediti smjer gibanja čestice i njezinu energiju te promatrati niz uzastopnih transformacija čestice i reakcija koje ona izaziva.
4. Metoda emulzije debelog filma razvili L.V. Mysovsky i A.P. Zhdanov.
Temelji se na korištenju zacrnjenja fotografskog sloja pod utjecajem brzih nabijenih čestica koje prolaze kroz fotografsku emulziju. Takva čestica uzrokuje razgradnju molekula srebrnog bromida na Ag + i Br - ione i zacrnjenje fotografske emulzije duž putanje kretanja, tvoreći latentnu sliku. Kada se razvije, metalno srebro se reducira u ovim kristalima i formira se trag čestica. Duljina i debljina traga koriste se za procjenu energije i mase čestice.
Za proučavanje tragova čestica koje imaju vrlo visoku energiju i proizvode duge tragove, slaže se velik broj ploča.
Značajna prednost fotoemulzijske metode, osim jednostavnosti korištenja, je i to što daje trajni tragčestice, koje se zatim mogu pažljivo proučavati. To je dovelo do široke uporabe ove metode u proučavanju novih elementarnih čestica. Ovom metodom, uz dodatak spojeva bora ili litija u emulziju, mogu se proučavati tragovi neutrona, koji kao rezultat reakcija s jezgrama bora i litija stvaraju \(~\alpha\) čestice koje uzrokuju crnjenje u sloj nuklearne emulzije. Na temelju tragova \(~\alpha\)-čestica izvode se zaključci o brzini i energijama neutrona koji su uzrokovali pojavu \(~\alpha\)-čestica.
Književnost
Aksenovich L. A. Fizika u Srednja škola: Teorija. Zadaci. Testovi: Udžbenik. dodatak za ustanove općeg obrazovanja. okoliš, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; ur. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 618-621.
