Elementarne čestice moguće je promatrati zahvaljujući tragovima koje ostavljaju prolazeći kroz materiju. Priroda tragova omogućuje nam da procijenimo predznak naboja čestice, njenu energiju, impuls itd. Nabijene čestice uzrokuju ionizaciju molekula na svom putu. Neutralne čestice ne ostavljaju tragove, ali se mogu otkriti u trenutku raspada u nabijene čestice ili u trenutku sudara s bilo kojom jezgrom. Posljedično, neutralne čestice se u konačnici također otkrivaju ionizacijom uzrokovanom nabijenim česticama koje stvaraju.
Instrumenti koji se koriste za registraciju ionizirajućih čestica dijele se u dvije skupine. U prvu skupinu spadaju instrumenti koji bilježe prolazak čestice, a osim toga, u nekim slučajevima omogućuju procjenu njezine energije. Drugu skupinu čine takozvani track uređaji, odnosno uređaji koji omogućuju promatranje tragova (tragova) čestica u tvari.
Instrumenti za snimanje uključuju scintilacijski brojač, Čerenkovljev brojač, ionizacijsku komoru, brojač s izbojem u plinu i brojač poluvodiča.
1. Scintilacijski brojač. Nabijena čestica koja leti kroz tvar uzrokuje ne samo ionizaciju, već i ekscitaciju atoma. Vraćajući se u svoje normalno stanje, atomi emitiraju vidljivu svjetlost. Nazivaju se tvari u kojima nabijene čestice uzrokuju zamjetan bljesak svjetlosti (scintilacija). fosfor. Najčešće korišteni fosfori su (cinkov sulfid aktiviran srebrom) i (natrijev jodid aktiviran talijem).
Scintilacijski brojač se sastoji od fosfora, iz kojeg se svjetlo dovodi kroz poseban svjetlovod u fotomultiplikatorsku cijev. Broje se impulsi dobiveni na izlazu fotomultiplikatora. Određuje se i amplituda pulsa, proporcionalna intenzitetu bljeska. To daje dodatne informacije o detektiranim česticama. Za ovu vrstu brojača, učinkovitost detekcije nabijenih čestica je 100%.
2. Čerenkov brojač. Načelo rada ovog brojača objašnjeno je u paragrafu 3.3.3. (str. 84). Svrha brojača je mjerenje energije čestica koje se kreću u tvari brzinom većom od fazne brzine svjetlosti u određenom mediju. Osim toga, brojači vam omogućuju odvajanje čestica po masi. Poznavajući kut emisije zračenja, moguće je odrediti brzinu čestice, što je uz poznatu masu ekvivalentno određivanju njezine energije. Ako je masa čestice nepoznata, tada se može odrediti neovisnim mjerenjem energije čestice.
Čerenkovljevi brojači su instalirani na svemirski brodovi za proučavanje kozmičkog zračenja.
3. Ionizacijska komora je električni kondenzator napunjen plinom, čije se elektrode napajaju konstantnim naponom. Detektirana čestica, ulazeći u prostor između elektroda, ionizira plin. Napon na pločama kondenzatora odabran je tako da svi formirani ioni, s jedne strane, dospiju do elektroda bez vremena da se rekombiniraju, a s druge strane, ne ubrzavaju tako snažno da proizvedu sekundarnu ionizaciju. Posljedično, ioni koji nastaju izravno pod djelovanjem nabijenih čestica skupljaju se na pločama: mjeri se ukupna struja ionizacije ili se bilježi prolaz pojedinačnih čestica. U potonjem slučaju kamera radi kao brojač.
4. Mjerač ispusta plina obično se izvodi u obliku plinom ispunjenog metalnog cilindra s tankom žicom napetom duž svoje osi. Cilindar služi kao katoda, a žica kao anoda. Za razliku od ionizacijske komore, sekundarna ionizacija ima glavnu ulogu u brojaču s pražnjenjem u plinu. Postoje dvije vrste brojača s izbojem u plinu: proporcionalni brojači i Geiger-Mullerovi brojači. U prvom, plinsko pražnjenje nije samoodrživo, u drugom je neovisno.
U proporcionalnim brojačima, izlazni impuls je proporcionalan primarnoj ionizaciji, tj. energiji čestice koja uleti u brojač. Stoga ovi brojači ne samo da registriraju česticu, već i mjere njezinu energiju.
Geiger-Mullerov brojač po konstrukciji i principu rada ne razlikuje se bitno od proporcionalnog brojača, ali radi u području strujno-naponske karakteristike koja odgovara samoodrživom pražnjenju, tj. u području visokih napona, kada izlazni impuls ne ovisi o primarnoj ionizaciji. Ovaj brojač registrira česticu bez mjerenja njene energije. Za registraciju pojedinačnih impulsa potrebno je ugasiti nastalo nezavisno pražnjenje. Da bi se to postiglo, otpor je spojen u seriju s navojem (anodom) tako da struja pražnjenja koja se stvara u mjeraču uzrokuje pad napona na otporu dovoljan da prekine pražnjenje.
5. Poluvodički brojač. Glavni element ovog brojača je poluvodička dioda, koji ima vrlo malu debljinu radnog područja (desetinke milimetra). Zbog toga brojač ne može registrirati čestice visoke energije. Ali vrlo je pouzdan i može raditi u magnetskim poljima, budući da je za poluvodiče magnetnootporni učinak (ovisnost otpora o naponu magnetsko polje) je vrlo mala.
Na broj prateći uređaji uključuju komoru oblaka, difuzijsku komoru, komoru s mjehurićima i nuklearne fotografske emulzije.
1. Wilsonova komora. Ovo je naziv stvorenog uređaja engleski fizičar Wilson 1912. Staza iona postavljena letećom nabijenom česticom postaje vidljiva u komori oblaka, jer se prezasićena para tekućine kondenzira na ionima. Komora je obično izrađena u obliku staklenog cilindra s čvrsto prianjajućim klipom. Cilindar je napunjen neutralnim plinom zasićenim vodenom ili alkoholnom parom. S naglim širenjem plina, para postaje prezasićena, a tragovi magle se formiraju duž putanje čestica koje lete kroz komoru, koje se fotografiraju iz različitih kutova. Po izgledu tragova može se procijeniti vrsta čestica koje lete, njihov broj i energija. Postavljanjem kamere u magnetsko polje, može se prosuditi predznak njihovog naboja prema zakrivljenosti putanje čestica.
Dugo je vremena Wilsonova komora bila jedini uređaj na stazi. Međutim, nije bez nedostataka, od kojih je glavni mali radno vrijeme, što je približno 1% vremena utrošenog na pripremu kamere za sljedeće lansiranje.
2. Difuzija Komora je vrsta Wilsonove komore. Supersaturacija se postiže difuzijom alkoholnih para sa zagrijanog poklopca na ohlađeno dno. Pri dnu se pojavljuje sloj prezasićene pare u kojem leteće nabijene čestice stvaraju tragove. Za razliku od oblačne komore, difuzijska komora radi kontinuirano.
3. Mjehurić fotoaparat. Ovaj uređaj je također modifikacija Wilsonove komore. Radna tvar je pregrijana tekućina pod visokim pritiskom. Naglim otpuštanjem tlaka, tekućina se prenosi u nestabilno pregrijano stanje. Leteća čestica uzrokuje naglo ključanje tekućine, a ispada da je putanja označena lancem mjehurića pare. Staza se, kao u oblačnoj komori, fotografira.
Komora s mjehurićima radi u ciklusima. Njegove dimenzije su iste kao i dimenzije oblačne komore. Tekućina je mnogo gušća od pare, što omogućuje korištenje komore za proučavanje dugih lanaca stvaranja i raspada visokoenergetskih čestica.
4. Nuklearne fotoemulzije. Kada se koristi ova metoda detekcije, nabijena čestica prolazi kroz emulziju, uzrokujući ionizaciju atoma. Nakon što se emulzija razvije, detektiraju se tragovi nabijenih čestica u obliku lanca srebrnih zrnaca. Emulzija je gušći medij od pare u komori s oblakom ili tekućine u komori s mjehurićima, stoga je duljina staze u emulziji kraća. (Duljina staze u emulziji odgovara duljini staze u komori oblaka.) Metoda fotoemulzije koristi se za proučavanje čestica ultravisoke energije koje se nalaze u kozmičkim zrakama ili proizvedene u akceleratorima.
Prednosti brojača i detektora tragova kombinirane su u komorama s iskrama, koje kombiniraju brzinu registracije brojača s potpunijim informacijama o česticama dobivenim u komorama. Možemo reći da je iskrila komora skup brojača. Informacije u iskričastim komorama daju se odmah, bez daljnje obrade. U isto vrijeme, tragovi čestica mogu se odrediti djelovanjem mnogih brojača.
Eksperimentalne metode i alati za istraživanje čestica
Natjecanje "Idem u razred"
G.G. Emelina,
škola nazvana po Heroj Rusije I.V. Sarychev,
Korablino, Rjazanjska oblast.
Eksperimentalne metode i alati za istraživanje čestica
Javni sat. 9. razred
Iako se predložena tema, u skladu s programom, obrađuje u 9. razredu, gradivo će biti zanimljivo i za nastavu u 11. razredu. – Ed.
Obrazovni ciljevi lekcije: upoznati učenike s uređajima za snimanje elementarne čestice, otkriti principe njihova djelovanja, naučiti stazama određivati i uspoređivati brzinu, energiju, masu, naboj elementarnih čestica i njihov omjer.
Pregled lekcije
Izvođenje domaća zadaća, dečki su se sjetili i pronašli primjere nestabilnih sustava (vidi slike) i načine kako ih ukloniti iz nestabilnog stanja.
Provodim frontalnu anketu:
Kako dobiti prezasićenu paru? (Odgovor: Naglo povećajte volumen posude. U tom će slučaju temperatura pasti i para će postati prezasićena.
Što će se dogoditi s prezasićenom parom ako se u njoj pojavi čestica? (Odgovor: To će biti središte kondenzacije i na njemu će se stvoriti rosa.)
Kako magnetsko polje utječe na gibanje nabijene čestice? (Odgovor: U polju, brzina čestice mijenja smjer, ali ne i veličinu.)
Kako se zove sila kojom magnetsko polje djeluje na nabijenu česticu? Kamo ide? (Odgovor: Ovo je Lorentzova sila; usmjerena je prema središtu kruga.)
Prilikom objašnjavanja novog gradiva koristim pomoćni nacrt: veliki plakat s njim visi na ploči, a svaki učenik ima primjerke (ponijet će ih sa sobom kući, staviti u bilježnicu i vratiti učitelju na sljedećem satu ). Govorim o scintilacijskom brojaču i Geigerovom brojaču, pokušavajući uštedjeti vrijeme na radu s fotografijama tragova. Oslanjam se na znanje djece o naponu u strujnom krugu u serijskom spoju. Primjer teksta: „Najjednostavnije sredstvo za snimanje zračenja bio je ekran prekriven luminescentnom tvari (od latinskog lumena - svjetlo). Ova tvar svijetli kada nabijena čestica udari u nju, ako je energija te čestice dovoljna da pobudi atome tvari. Na mjestu gdje čestica udari nastaje bljesak - scintilacija (od lat. scintillatio - iskričavo, svjetlucavo). Takvi brojači se nazivaju scintilacijski brojači. Rad svih ostalih uređaja temelji se na ionizaciji atoma tvari letećim česticama.
Prvi uređaj za detekciju čestica izumio je Geiger, a poboljšao Müller. Geiger-Mullerov brojač (bilježi i broji čestice) je metalni cilindar napunjen inertnim plinom (na primjer argonom) s metalnom niti iznutra izoliranom od stijenki. Na tijelo cilindra dovodi se negativan potencijal, a na žarnu nit pozitivan, tako da se između njih stvara napon od oko 1500 V, visok, ali nedovoljan za ionizaciju plina. Nabijena čestica koja leti kroz plin ionizira svoje atome, dolazi do pražnjenja između stijenki i žarne niti, strujni krug se zatvara, teče struja i stvara se pad napona UR = IR na otporniku opterećenja s otporom R, koji se uklanja pomoću uređaj za snimanje. Budući da su uređaj i otpornik spojeni u seriju (Uist = UR + Uarrib), tada s povećanjem UR, napon Uarrib između stijenki cilindra i navoja opada, a pražnjenje brzo prestaje, a mjerač je spreman za rad. opet.
Godine 1912. predložena je oblačna komora, uređaj koji su fizičari nazvali nevjerojatnim instrumentom.
Učenik održava unaprijed pripremljenu prezentaciju od 2-3 minute, u kojoj prikazuje važnost oblačne komore za proučavanje mikrosvijeta, njezine nedostatke i potrebu poboljšanja. Ukratko predstavljam i pokazujem građu kamere kako bi učenici prilikom izrade domaće zadaće imali na umu da se kamera može konstruirati na različite načine (u udžbeniku - u obliku cilindra s klipom). Primjer teksta: „Komora je metalni ili plastični prsten 1, čvrsto zatvoren na vrhu i dnu staklenim pločama 2. Ploče su pričvršćene na tijelo kroz dva (gornja i donja) metalna prstena 3 s četiri vijka 4 s maticama. Na bočnoj površini komore nalazi se cijev za pričvršćivanje gumene kruške 5. Unutar komore nalazi se radioaktivni lijek. Gornja staklena ploča ima prozirni vodljivi sloj na unutarnjoj površini. Unutar kamere nalazi se metalna prstenasta dijafragma s nizom proreza. Pritišće se na valovitu dijafragmu 6, koja je bočna stijenka radnog prostora komore i služi za uklanjanje vrtložnih kretanja zraka.”
Studentu se daje sigurnosni brifing nakon čega slijedi eksperiment koji otkriva kako radi komora s oblakom i pokazuje da čvrste čestice ili ioni mogu biti jezgre kondenzacije. Staklena tikvica se ispere vodom i postavi naopako u nogu stativa. Ugradite pozadinsko osvjetljenje. Otvor tikvice zatvori se gumenim čepom u koji se umetne gumeni balon. Prvo se balon polako stisne, a zatim brzo otpusti - u tikvici se ne uočavaju nikakve promjene. Tikvica se otvori, goruća šibica prinese grlu, ponovno zatvori i pokus se ponovi. Sada, kako se zrak širi, tikvica je ispunjena gustom maglom.
Reći ću vam princip rada oblačne komore koristeći rezultate eksperimenta. Uvodim pojam traga čestica. Zaključujemo da čestice i ioni mogu biti centri kondenzacije. Primjer teksta: „Kad se kruška brzo otpusti (proces je adijabatski, jer izmjena topline sa okoliš) smjesa se širi i hladi, pa zrak u komori (tikvici) postaje prezasićen vodenom parom. Ali pare se ne kondenziraju, jer nema centara kondenzacije: nema čestica prašine, nema iona. Nakon unošenja čestica čađe iz plamena šibice i iona u tikvicu pri zagrijavanju, na njima se kondenzira prezasićena vodena para. Isto se događa ako nabijena čestica proleti kroz komoru: na svom putu ionizira molekule zraka, na lancu iona dolazi do kondenzacije pare, a putanja čestice unutar komore obilježena je nitima kapljica magle, tj. postaje vidljiva. Koristeći komoru oblaka, ne samo da možete vidjeti kretanje čestica, već i razumjeti prirodu njihove interakcije s drugim česticama.”
Drugi učenik demonstrira pokus s kivetom.
Domaća kiveta sa staklenim dnom postavlja se na uređaj s uređajem za horizontalnu projekciju. Na staklo kivete pipetom se nanose kapi vode i gura se kuglica. Kuglica na svom putu otkida “fragmente” od kapljica i ostavlja “trag”. Slično, u komori, čestica ionizira plin, ioni postaju kondenzacijski centri i također "prave trag". Isti eksperiment daje jasnu predodžbu o ponašanju čestica u magnetskom polju. Prilikom analize pokusa prazna mjesta na drugom plakatu popunjavamo karakteristikama gibanja nabijenih čestica:
Što je staza duža, to je veća energija (energija) čestice, a manja gustoća medija.
Što je (naboj) čestice veći, a (brzina) manja, veća je debljina staze.
Kada se nabijena čestica giba u magnetskom polju, ispada da je staza zakrivljena, a radijus zakrivljenosti staze je veći što su (masa) i (brzina) čestice veći, a njen (naboj) i manji (modul indukcije) magnetskog polja.
Čestica se kreće od kraja staze s (većim) polumjerom zakrivljenosti do kraja s (manjim) radijusom zakrivljenosti. Polumjer zakrivljenosti smanjuje se dok se krećete, jer zbog otpora medija brzina čestice (opada).
Zatim govorim o nedostacima oblačne komore (glavni je mali domet čestica) i potrebi da se izmisli uređaj s gušćim medijem – pregrijana tekućina (komora s mjehurićima), fotografska emulzija. Princip rada im je isti, a djeci predlažem da ga sami prouče kod kuće.
Radim s fotografijama staza na str. 242 poduke o crtanju. 196. Dečki rade u parovima. Završite rad na preostalim crtežima kuće.
Sažmimo lekciju. Zaključujemo da se razmatranim metodama mogu izravno promatrati samo nabijene čestice. Neutralni nisu mogući, oni ne ioniziraju tvar i stoga ne proizvode tragove. Dajem ocjene.
Domaća zadaća: § 76 (G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev. Fizika-11. - M.: Obrazovanje, 1991.), br. 1163 prema knjizi problema A.P. Rymkevicha; LR br. 6 “Proučavanje tragova nabijenih čestica pomoću gotovih fotografija.” Formaliziraj i nauči OK.
O AUTORU. Galina Gennadievna Emelina - učiteljica 1. kvalifikacijske kategorije, nastavno iskustvo 16 godina. Aktivno govori na sastancima regionalnog metodičkog zbora učitelja fizike; Više puta je držala dobre otvorene sate fizičarima u regiji i profesorima svoje škole. Vole je i poštuju njeni učenici.
Danas ćemo govoriti o eksperimentalnim metodama proučavanja čestica. U ovoj lekciji raspravljat ćemo o tome kako alfa čestice nastaju raspadom radioaktivni element radij, može se proučavati unutarnja struktura atomi. Također ćemo govoriti o eksperimentalnim metodama proučavanja čestica koje čine atom.
Tema: Građa atoma i atomska jezgra. Korištenje energije atomskih jezgri
Lekcija 54. Eksperimentalne metode za proučavanje čestica
Erjutkin Evgenij Sergejevič
Ova će lekcija biti posvećena raspravi o eksperimentalnim metodama detekcije čestica. Ranije smo govorili o činjenici da se početkom dvadesetog stoljeća pojavio alat s kojim možete proučavati strukturu atoma i strukturu jezgre. To su a-čestice koje nastaju kao posljedica radioaktivnog raspada.
Da bi se registrirale one čestice i zračenja koja nastaju kao posljedica nuklearnih reakcija, potrebne su neke nove metode koje se razlikuju od onih koje se koriste u makrokozmosu. Usput, jedna takva metoda već je korištena u Rutherfordovim eksperimentima. Zove se metoda scintilacije (bljeska). Godine 1903. otkriveno je da ako a čestica udari u cink sulfid, na mjestu gdje udari dolazi do malog bljeska. Ovaj fenomen bio je osnova za metodu scintilacije.
Ova je metoda još uvijek bila nesavršena. Morao sam vrlo pažljivo promatrati ekran kako bih vidio sve bljeskove, oči su mi bile umorne: nakon svega, morao sam koristiti mikroskop. Pojavila se potreba za novim metodama koje bi omogućile jasnije, brže i pouzdanije registriranje određenih zračenja.
Ovu je metodu prvi predložio Geiger, član laboratorija na čelu s Rutherfordom. Stvorio je uređaj sposoban "brojiti" nabijene čestice koje padaju u njega, tzv. Geigerov brojač. Nakon što je njemački znanstvenik Muller unaprijedio upravo ovaj brojač, postao je poznat kao Geiger-Mullerov brojač.
Kako se gradi? Ovaj brojač je plinski, tj. Radi na sljedećem principu: unutar ovog brojača, u njegovom glavnom dijelu, prilikom prolaska čestice nastaje plinsko pražnjenje. Podsjetit ću vas da je pražnjenje protok električne struje u plinu.
Riža. 1. Shematski dijagram Geiger-Mullerovog brojača
Staklena posuda koja sadrži anodu i katodu. Katoda je predstavljena u obliku cilindra, a anoda je rastegnuta unutar tog cilindra. Između katode i anode stvara se dovoljno visok napon zbog izvora struje. Između elektroda, unutar vakuumskog cilindra, obično se nalazi inertni plin. To se radi posebno kako bi se u budućnosti stvorilo isto električno pražnjenje. Osim toga, krug sadrži visok (R~10 9 Ohma) otpor. Potrebno je ugasiti struju koja teče u ovom krugu. A brojač radi na sljedeći način. Kao što znamo, čestice koje nastaju kao rezultat nuklearnih reakcija imaju prilično veliku moć prodora. Stoga im staklena posuda unutar koje se nalaze ti elementi ne predstavlja nikakvu prepreku. Kao rezultat toga, čestica prodire unutar ovog brojača s ispuštanjem plina i ionizira plin koji se nalazi unutra. Kao rezultat takve ionizacije nastaju energetski ioni, koji se pak sudaraju i stvaraju, međusobno se sudarajući, lavinu nabijenih čestica. Ova lavina nabijenih čestica sastojat će se od negativno i pozitivno nabijenih iona, kao i elektrona. A kada ova lavina prođe, možemo snimati struja. To će nam dati priliku shvatiti da je čestica prošla kroz brojač plinskog pražnjenja.
Pogodan je jer takav brojač može registrirati približno 10.000 čestica u jednoj sekundi. Nakon određenog poboljšanja, ovaj je brojač počeo registrirati i g-zrake.
Sigurno, Geigerov brojač- zgodna stvar koja omogućuje utvrđivanje postojanja radioaktivnosti općenito. Međutim, Geiger-Müllerov brojač ne dopušta određivanje parametara čestice niti provođenje bilo kakvog istraživanja s tim česticama. Za to su potrebne sasvim druge metode, sasvim druge metode. Ubrzo nakon nastanka Geigerovog brojača pojavile su se takve metode i uređaji. Jedna od najpoznatijih i najraširenijih je Wilsonova komora.
Riža. 2. Oblačna komora
Obratite pozornost na dizajn kamere. Cilindar koji sadrži klip koji se može pomicati gore-dolje. Unutar ovog klipa nalazi se tamna tkanina navlažena alkoholom i vodom. Gornji dio cilindra prekriven je prozirnim materijalom, obično prilično gustim staklom. Kamera je postavljena iznad njega kako bi fotografirala što će se dogoditi unutar komore oblaka. Kako bi sve to bilo vrlo jasno vidljivo, lijeva strana je osvijetljena. Mlaz čestica je usmjeren kroz prozor s desne strane. Te će čestice, padajući unutra u medij koji se sastoji od vode i alkohola, djelovati s česticama vode i alkohola. Tu leži ono najzanimljivije. Prostor između stakla i klipa ispunjen je vodom i alkoholnom parom koja nastaje isparavanjem. Kada se klip naglo spusti, tlak se smanjuje i pare koje se ovdje nalaze dolaze u vrlo nestabilno stanje, tj. spreman za odlazak u tekućinu. Ali budući da su čisti alkohol i voda, bez nečistoća, smješteni u ovaj prostor, tada neko vrijeme (može biti prilično veliko) takvo neravnotežno stanje postoji. U trenutku kada nabijene čestice uđu u područje takve prezasićenosti, one postaju centri u kojima počinje kondenzacija pare. Štoviše, ako dobiju negativne čestice, oni komuniciraju s nekim ionima, a ako su pozitivni, onda s ionima druge tvari. Tamo gdje je ta čestica doletjela ostaje takozvani trag, odnosno trag. Ako se oblačna komora sada postavi u magnetsko polje, tada čestice koje imaju naboje počinju se otklanjati u magnetskom polju. A onda je sve vrlo jednostavno: ako je čestica pozitivno nabijena, onda se skreće u jednom smjeru. Ako je negativan, idite na drugi. Na taj način možemo odrediti predznak naboja, a po polumjeru same krivulje po kojoj se čestica giba možemo odrediti ili procijeniti masu te čestice. Sada možemo reći da možemo dobiti potpune informacije o česticama koje čine ovo ili ono zračenje.
Riža. 3. Tragovi čestica u komori oblaka
Oblačna komora ima jedan nedostatak. Sami tragovi koji nastaju kao posljedica prolaska čestica su kratkotrajni. Svaki put morate ponovno pripremiti fotoaparat kako biste dobili novu sliku. Stoga se na vrhu kamere nalazi kamera koja snima te iste tragove.
Naravno, ovo nije posljednji uređaj koji se koristi za registraciju čestica. Godine 1952. izumljen je uređaj koji je nazvan komora s mjehurićima. Njegov princip rada približno je isti kao kod komore za oblake; samo se rad izvodi s pregrijanom tekućinom, tj. u stanju kada je tekućina pred vrijenjem. U tom trenutku kroz takvu tekućinu lete čestice koje stvaraju centre za stvaranje mjehurića. Tragovi formirani u takvoj komori čuvaju se mnogo duže, što čini komoru praktičnijom.
Riža. 4. Izgled komora s mjehurićima
U Rusiji je stvorena druga metoda promatranja raznih radioaktivnih čestica, raspada i reakcija. Ovo je metoda emulzija debelog filma. Čestice padaju u emulzije pripremljene na određeni način. U interakciji s česticama emulzije, one ne samo da stvaraju tragove, već tragove koji sami predstavljaju fotografiju koju dobijemo kada fotografiramo tragove u komori s oblakom ili u komori s mjehurićima. Mnogo je praktičnije. Ali i ovdje postoji jedan važan nedostatak. Da bi fotoemulzijska metoda djelovala dosta dugo, potrebno je stalno prodiranje, ulazak novih čestica ili stvaranje zračenja, tj. Na ovaj način je problematično registrirati kratkotrajne impulse.
Možemo govoriti o drugim metodama: na primjer, postoji metoda koja se zove komora iskre. Tu kao rezultat toka radioaktivne reakcije duž traga kretanja čestice nastaju iskre. Također su jasno vidljivi i lako se registriraju.
Danas se najčešće koriste poluvodički senzori koji su kompaktni, praktični i daju prilično dobre rezultate.
Razgovarat ćemo o tome koja su otkrića napravljena korištenjem gore opisanih metoda u sljedećoj lekciji.
Popis dodatne literature
- Borovoy A.A. Kako se čestice detektiraju (putem tragova neutrina). “Biblioteka “Quantum””. Vol. 15. M.: Nauka, 1981
- Bronstein M.P. Atomi i elektroni. “Biblioteka “Quantum””. Vol. 1. M.: Nauka, 1980
- Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Udžbenik za 9. razred Srednja škola. M.: “Prosvjetljenje”
- Kitaygorodsky A.I. Fizika za sve. Fotoni i jezgre. Knjiga 4. M.: Znanost
- Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. Fizika. Optika Kvantna fizika. 11. razred: udžbenik za produbljeno proučavanje fizike. M.: Droplja
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 zasićeni parovi 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 tlakom manjim od tlaka svoje 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 registraciju čestica, zajedno s oblačnim komorama i komorama s mjehurićima, emulzije debelog filma. 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.
