Назад вперед
Увага! Попередній перегляд слайдів використовується виключно для ознайомлення та може не давати уявлення про всі можливості презентації. Якщо вас зацікавила ця робота, будь ласка, завантажте повну версію.
Тип уроку:урок вивчення нового матеріалу
Вигляд уроку:комбінований.
Технологія:проблемно-діалогічна.
Мета уроку:організувати діяльність учнів з вивчення та первинного закріплення знань про методи реєстрації заряджених частинок.
Обладнання:комп'ютер та мультимедіа-проектор, Презентація.
Способи реєстрації заряджених частинок
Сьогодні здається майже неправдоподібним, скільки відкриттів у фізиці атомного ядрабуло зроблено з використанням природних джерел радіоактивного випромінювання з енергією лише кілька МеВ і найпростіших детектуючих пристроїв. Відкрито атомне ядро, отримано його розміри, вперше спостерігалася ядерна реакція, виявлено явище радіоактивності, відкрито нейтрон і протон, передбачено існування нейтрино тощо. Основним детектором частинок довгий час була пластинка з нанесеним на неї шаром сірчистого цинку. Частинки реєструвалися оком по вироблених ними в сірчистому цинку спалахів світла.
Згодом експериментальні установки ставали дедалі складнішими. Розвивалася техніка прискорення та детектування частинок, ядерна електроніка. Успіхи у фізиці ядра та елементарних частинок все більшою мірою визначаються прогресом у цих галузях. Нобелівські премії з фізики часто присуджуються за роботи у галузі техніки фізичного експерименту.
Детектори служать як реєстрації самого факту наявності частки так визначення її енергії та імпульсу, траєкторії руху частки та інших характеристик. Для реєстрації частинок часто використовують детектори, які максимально чутливі до реєстрації певної частинки і не відчувають велике тло створюване іншими частинками.
Зазвичай в експериментах з фізики ядра та частинок необхідно виділяти «потрібні» події на гігантському фоні «непотрібних» подій, може бути одна з мільярдів. Для цього використовують різні комбінації лічильників та методів реєстрації.
Реєстрація заряджених частинокзаснована на явищі іонізації або збудженні атомів, що вони викликають у речовині детектора. На цьому засновано роботу таких детекторів як камера Вільсона, бульбашкова камера, іскрова камера, фотоемульсії, газові сцинтиляційні та напівпровідникові детектори.
1. Лічильник Гейгера
Лічильник Гейгера є, зазвичай, циліндричний катод, вздовж осі, якого натягнутий дріт - анод. Система заповнена газовою сумішшю. При проходженні через лічильник заряджена частка іонізує газ. Електрони, що утворюються, рухаючись до позитивного електрода - нитки, потрапляючи в область сильного електричного поля, прискорюються і в свою чергу іонізують молекули газу, що призводить до коронного розряду. Амплітуда сигналу досягає кількох вольт і легко реєструється. Лічильник Гейгера реєструє факт проходження частки через лічильник, але не дозволяє виміряти енергію частки.
2. Камера Вільсона
Камера Вільсона – трековий детектор елементарних заряджених частинок, у якому трек (слід) частки утворює ланцюжок дрібних крапельок рідини вздовж траєкторії її руху. Винайдена Ч. Вільсоном 1912 р. (Нобелівська премія 1927 р.).
Принцип роботи камери Вільсона заснований на конденсації пересиченої пари та утворенні видимих крапель рідини на іонах уздовж сліду зарядженої частинки, що пролетіла через камеру. Для створення пересиченої пари відбувається швидке адіабатичне розширення газу за допомогою механічного поршня. Після фотографування треку газ у камері знову стискається, крапельки на іонах випаровуються. Електричне поле в камері служить для "очищення" камери від іонів, що утворилися при попередній іонізації газу. У камері Вільсона треки заряджених частинок стають видимими завдяки конденсації перенасиченої пари на іонах газу, утворених зарядженою частинкою. На іонах утворюються краплі рідини, які виростають до достатніх розмірів для спостереження (10 -3 -10 -4 см) і фотографування при хорошому освітленні. Робочим середовищем найчастіше є суміш пар води і спирту під тиском 0.1-2 атмосфери (водяна пара конденсується головним чином на негативних іонах, пари спирту - на позитивних). Перенасичення досягається швидким зменшенням тиску рахунок розширення робочого об'єму. Можливості камери Вільсона значно зростають при розміщенні їх у магнітне поле. За викривленою магнітним полем траєкторії зарядженої частки визначають знак її заряду та імпульс. За допомогою камери Вільсона в 1932 р. Андерсон виявив у космічних променях позитрон.
3. Пухирцева камера
Пухирцева камера– трековий детектор елементарних заряджених частинок, у якому трек (слід) частинки утворює ланцюжок бульбашок пари вздовж траєкторії її руху. Винайдено А. Глезером у 1952 р. (Нобелівська премія 1960 р.).
Принцип дії ґрунтується на скипанні перегрітої рідини вздовж треку зарядженої частинки. Пухирцева камера є посудиною, заповненою прозорою перегрітою рідиною. При швидкому зниженні тиску, вздовж треку іонізуючої частинки утворюється ланцюжок бульбашок пари, які висвітлюються зовнішнім джерелом та фотографуються. Після фотографування сліду тиск у камері підвищується, бульбашки газу хлопаються і камера знову готова до роботи. Як робочої рідини в камері використовується рідкий водень одночасно водневої мішенню для дослідження взаємодії частинок з протонами.
Камера Вільсона та бульбашкова камера мають величезну перевагу, яка полягає в тому, що можна безпосередньо спостерігати всі заряджені частинки, що утворюються у кожному акті реакції. Для того, щоб визначити тип частинки та її імпульс камери Вільсона та бульбашкові камери поміщають у магнітне поле. Бульбашкова камера має велику щільність речовини детектора в порівнянні з камерою Вільсона і тому пробіги заряджених частинок повністю укладені в об'ємі детектора. Розшифровка фотографій з бульбашкових камер є окремою трудомісткою проблемою.
4. Ядерні емульсії
Аналогічно, як це відбувається у звичайній фотографії, заряджена частка порушує вздовж свого шляху структуру кристалічної решітки зерен галоїдного срібла роблячи їх здатними до прояву. Ядерна емульсія є унікальним засобом реєстрації рідкісних подій. Стопки ядерних емульсій дозволяють реєструвати частки дуже великих енергій. З їхньою допомогою можна визначити координати треку зарядженої частинки з точністю ~1 мікрона. Ядерні емульсії широко використовуються для реєстрації космічних частинок на кулях-зондах та космічних апаратах.
Фотоемульсії як детектори частинок певною мірою аналогічні камері Вільсона та бульбашковій камері. Вперше їх застосував англійський фізик С. Пауелл для вивчення космічних променів. Фотоемульсія є шаром желатини з диспергованими в ній зернами броміду срібла. Під дією світла у зернах броміду срібла утворюються центри прихованого зображення, що сприяють відновленню броміду срібла до металевого срібла при прояві звичайним фотографічним проявником. Фізичний механізм утворення цих центрів полягає у освіті атомів металевого срібла за рахунок фотоефекту. Іонізація, що виробляється зарядженими частинками, дає такий самий результат: виникає слід із сенсибілізованих зерен, який після прояву можна бачити під мікроскопом.
5. Сцинтиляційний детектор
Сцинтиляційний детектор використовує властивість деяких речовин світитися (сцинтилювати) під час проходження зарядженої частки. Кванти світла, що утворюються в сцинтиляторі, реєструються за допомогою фотопомножувачів.
Сучасні вимірювальні установки у фізиці високих енергій являють собою складні системи, що включають десятки тисяч лічильників, складну електроніку і здатні одночасно реєструвати десятки частинок, що народжуються в одному зіткненні.
Прилади, які застосовуються для реєстрації ядерних випромінювань, називаються детекторами ядерних випромінювань. Найбільш широке застосування отримали детектори, що виявляють ядерні випромінювання з іонізації, що ними виробляється, і збудження атомів речовини. Газорозрядний лічильник був винайдений німецьким фізиком Г. Гейгером, потім удосконалено спільно з В. Мюллером. Тому газорозрядні лічильники часто називають лічильниками Гейгера – Мюллера. Циліндрична трубка служить корпусом лічильника, по осі її натягнута тонка металева нитка. Нитка та корпус трубки розділені ізолятором. Робочий обсяг лічильника заповнюється сумішшю газів, наприклад, аргоном з домішкою парів метилового спирту, при тиску близько 0,1 атм.
Для реєстрації іонізуючих частинок між корпусом лічильника та ниткою прикладається висока постійна напруга, нитка є анодом. Швидка заряджена частка, що пролітає через робочий об'єм лічильника
виробляє своєму шляху іонізацію атомів наповнюючого газу. Під дією електричного поля вільні електрони рухаються до анода, іони позитивні рухаються до катода. Напруженість електричного поля поблизу ннтн анода лічильника настільки велика, що вільні електрони при наближенні до нього на шляху між двома зіткненнями з нейтральними атомами набувають енергію, достатню для їх іонізації. У лічильнику виникає коронний розряд, який через короткий час припиняється.
З послідовно включеного з лічильником резистора на вхід реєструючого пристрою надходить імпульс напруги. Принципова схема включення газорозрядного лічильника для реєстрації ядерних випромінювань представлена малюнку 314. За показаннями електронного рахункового пристрою визначається кількість швидких заряджених частинок, зареєстрованих лічильником.
Сцинтиляційні лічильники.
Пристрій найпростішого приладу, призначеного для реєстрації альфа-частинок, - спинтарископа - представлено на малюнку 302. Основними деталями спинтарископа є екран 3, покритий шаром сульфіду цинку, і лупа короткофокусна 4. Альфа-радіоактивний препарат поміщають на кінці стрижня 1 приблизно. При попаданні альфа-частинки до кристалів сульфіду цинку виникає спалах світла, який можна зареєструвати при спостереженні через лупу.
Процес перетворення кінетичної енергії швидкої зарядженої частки на енергію світлового спалаху називається сцинтиляцією. Сцинтиляція є одним з різновидів явища люмінесценції. У сучасних сцинтиляційних лічильниках реєстрація світлових спалахів здійснюється за допомогою фотоелементів, які перетворюють знергню світлового спалаху в кристалі на енергію імпульсу електричного струму. Імпульси струму на виході фотоелемента посилюються і реєструються.
Камера Вільсон.
Одним із найчудовіших приладів експериментальної ядерної фізики є камера Вільсона. Зовнішній вигляддемонстраційної шкільної камери Вільсона показано на малюнку 315. У циліндричному
посудині з плоскою скляною кришкою знаходиться повітря з насиченими парами спирту. Робочий об'єм камери через трубку з'єднується із гумовою грушею. Усередині камери на тонкому стрижні укріплений радіоактивний препарат. Для приведення камери дію грушу спочатку плавно стискають, потім різко відпускають. При швидкому адіабатичному розширенні повітря та пари в камері охолоджуються, пара переходить у стан пересичення. Якщо в цей момент з препарату вилітає альфа-частка, уздовж її руху в газі утворюється колонка іонів. Пересичена пара конденсується в краплі рідини, причому утворення крапель відбувається в першу чергу на іонах, які є центрами конденсації пари. Колонка крапель, що сконденсувалися на іонах уздовж траєкторії руху частки, називається треком частки.
Для виконання точних вимірів фізичних характеристикреєстрованих частинок камеру Вільсона поміщають у постійне магнітне поле. Треки частинок, що рухаються в магнітному полі, виявляються викривленими. Радіус кривизни треку залежить від швидкості руху частки, її маси та заряду. За відомої індукції магнітного поляці характеристики частинок можуть бути визначені за виміряними радіусами кривизни треків частинок.
Перші фотографії треків альфа-часток у магнітному полі отримав радянський фізик П. Л. Капіца у 1923 р.
Метод застосування камери Вільсона у постійному магнітному полі для вивчення спектрів бета- та гамма-випромінювань та дослідження елементарних частиноквперше розробив радянський фізик академік Дмитро Володимирович Скобельцін.
Пухирцева камера.
Принцип дії бульбашкової камери полягає в наступному. У камері знаходиться рідина при температурі близької до температури кипіння. Швидкі заряджені частинки через тонке віконце у стінці камери проникають у її робочий об'єм і роблять на своєму шляху іонізацію та збудження атомів рідини. У той момент, коли частинки пронизують робочий об'єм камери, тиск у ній різко знижують і рідина переходить у перегрітий стан. Іони, що виникають уздовж шляху проходження частинки, мають надлишок кінетичної енергії. Ця енергія призводить до підвищення температури рідини в мікроскопічному обсязі поблизу кожного іона, її закипання та утворення бульбашок пари. Ланцюжок бульбашок пари, що виникають уздовж шляху руху швидкої зарядженої частки через рідину, утворює слід цієї частки.
У бульбашковій камері щільність будь-якої рідини значно вища за щільність газу в камері Вільсона, тому в ній можна більш ефективно проводити вивчення взаємодій швидких заряджених частинок з атомними ядрами. Для наповнення бульбашкових камер використовують рідкий водень, пропан, ксенон та деякі інші рідини.
Метод фотоемульсії.
Фотографічний метод є історично першим експериментальним методом реєстрації ядерних випромінювань, оскільки радіоактивності було відкрито Беккерелем з допомогою цього методу.
Здатність швидких заряджених частинок створювати приховане зображення у фотоемульсії широко використовується в ядерній фізиці і зараз. Ядерні фотоемульсії особливо успішно застосовуються при дослідженнях у галузі фізики елементарних частинок та космічних променів. Швидка заряджена частка при русі в шарі фотоемульсії створює уздовж руху центри прихованого зображення. Після прояву з'являється зображення слідів первинної частинки та всіх заряджених частинок, що виникають в емульсії внаслідок ядерних взаємодій первинної частки.
Вивчення будови атомного ядра нерозривно пов'язане з розглядом явищ мимовільного чи вимушеного розпаду атомного ядра та ядерних частинок. Досліджуючи уламки атомного ядра, що зруйнувалося, простежуючи долю цих уламків, ми отримуємо можливість робити висновки про структуру ядра і про ядерні сили.
Цілком природно, що були детально вивчені явища мимовільного розпаду ядер, т. е. радіоактивні явища. Паралельно з цим почалося вивчення космічних променів - радіації, що володіє винятковою силою, що проникає і приходить до нас з космічного простору. Взаємодіючи з речовиною частинки космічного випромінювання грають роль частинок-снарядів. Довгий час дослідження космічних променів було найважливішим способом вивчення взаємоперетворюваності елементарних частинок і навіть певною мірою методом вивчення атомного ядра. В даний час основного значення набувають дослідження руйнувань атомного ядра бомбардування потоками частинок, створюваних в прискорювачах.
Експериментальні методи, Про які піде зараз мова, однаково застосовні до вивчення космічних променів і частинок, що виникають в результаті ядерного бомбардування тих чи інших мішеней.
Слідові камери.
Першим приладом, що дозволяє бачити слід (трек) частки, стала камера Вільсона. Якщо через камеру, що містить пересичені водяні пари, пролетить швидка частка, що створила на своєму шляху іони, то за такою часткою залишається слід, дуже схожий на хвіст, який іноді залишається в небі після літака. Цей слід створений парою, що сконденсувалася. Іони, що відзначають шлях частинки, є центрами конденсації пари - у цьому причина виникнення добре видимого сліду. Слід частки можна спостерігати безпосередньо, і фотографувати.
Щоб регулювати стан пари в камері, об'єм камери змінюється рухом поршня. Швидким адіабатичним розширенням пар наводиться стан пересичення.
Якщо слідова камера поміщена в магнітне поле, то по кривизні траєкторії можна визначати або швидкість частки при певному відношенні або, навпаки, за певної швидкості (пор. формули на стор. 406).
Камера Вільсона вже належить до історії. Оскільки камера заповнена газом, зіткнення рідкісні. Дуже великий час "очищення" камери: фотографії можуть зніматися лише за 20 секунд. Нарешті, слід живе близько секунди, що може призвести до зміщення картин.
У 1950 р. була запропонована бульбашкова камера, яка відіграє велику роль у фізиці елементарних частинок. Речовиною камери є перегріта рідина. Заряджена частка утворює іони, а біля іонів створюються бульбашки, які і роблять слід видимим. У такій камері можна отримувати 10 фотографій на секунду. Найбільшим недоліком камери є неможливість керувати її включенням. Тому часто потрібні тисячі фотографій, щоб відібрати одну, що фіксує явище, що досліджується.
Велике значення мають іскрові камери, що ґрунтуються на іншому принципі. Якщо на плоский конденсатор накласти високу напругу, між пластинами проскочить іскра. Якщо в зазорі є іони, то іскра проскочить при меншій напрузі. Таким чином, іонізуюча частка, що пролітає між обкладками, створює іскру.
В іскровій камері сама частка включає високу напругу між обкладками конденсатора на мільйонну частку секунди. Однак переваги щодо можливості включення в потрібний момент послаблюються недоліками: видно лише частинки, що утворюють кут не більше 45 ° з пластинками, слід дуже короткий і не всі вторинні явища встигають проявити себе.
Нещодавно радянські дослідники запропонували новий тип слідової камери (так званої стримерної камери), що вже знайшла широке застосування. Блок-схему такої камери показано на рис. 237. Частка, що потрапляє між пластинами, розташованими, на відміну від іскрової камери, на великій відстані одна від одної, виявляється лічильником. Електронно-логічний пристрій
розрізняє первинні події та вибирає те, що цікавить експериментатора. У цей момент висока напруга на короткий час подається на пластини. Іони, що утворилися на шляху проходження частки, утворюють рисочки (стримери), які фотографуються. Шлях частки змальований цими рисками.
Якщо фотографію знято вздовж напрямку рис, то шлях частинки виглядає, як пунктирна лінія.
Успіх роботи стримерної камери залежить від правильної кореляції утворення електронної лавини від первинного іона з параметрами високої напруги імпульсу. У суміші 90% неону і 10% гелію при відстані між пластинами 30 см хороші результати виходять при напрузі 600 000 В і часу імпульсу При цьому імпульс повинен накладатися не пізніше ніж через після первинного акту іонізації. Слідова камера цього типу є складною дорогою установкою, яка пішла так само далеко від камери Вільсона, як сучасні прискорювачі частинок від електронної трубки.
Іонізаційні лічильники та іонізаційні камери.
Іонізаційний пристрій, призначений для роботи з випромінюванням, переважно являє собою циліндричний конденсатор, наповнений газом; одним електродом є циліндрична обкладка, а іншим - нитка або вістря, що йдуть по осі циліндра (рис. 237а). Напруга, що прикладається до конденсатора, і тиск газу, що заповнює лічильник, повинні бути підібрані спеціальним чином залежно від постановки завдання. У поширеному різновиді такого пристрою, що називається лічильником Гейгера, до циліндра та нитки прикладають напругу пробою. Якщо через стінку або через торець такого лічильника до нього потрапить
іонізуюча частка, то через конденсатор піде імпульс струму, що триває доти, поки первинні електрони та створені ними електрони та іони самостійного розряду не підійдуть до позитивної обкладки конденсатора. Цей імпульс струму можна посилити звичайними радіотехнічними методами і фіксувати проходження частки через лічильник або клацанням, світловим спалахом, або, нарешті, цифровим лічильником.
Такий пристрій може рахувати кількість частинок, що надходять у прилад. Для цього потрібно лише одне: імпульс струму повинен припинитися до моменту, коли в лічильник надходить наступна частка. Якщо режим роботи лічильника підібраний неправильно, то лічильник починає «захлинатися» і вважає невірно. Роздільна здатність іонізаційного лічильника обмежена, але все ж таки досить велика: до частинок в секунду.
Можна знизити напругу і домогтися такого режиму, при якому через конденсатор проходив імпульс струму, пропорційний числу утворених іонів (пропорційний лічильник). Для цього потрібно працювати в галузі несамостійного газового розряду. Первинні електрони, рухаючись у електричному полі конденсатора, набирають енергію. Починається іонізація ударом, створюються нові іони та електрони. Створені частинкою, що влетіла в лічильник, початкові пар іонів перетворюються на пар іонів. При роботі в режимі несамостійного розряду коефіцієнт посилення буде постійною величиноюі пропорційні лічильники як встановлять факт проходження частки через лічильник, а й вимірять її іонізуючу здатність.
Розряд у пропорційних лічильниках, як і і описаних вище лічильниках Гейгера, гасне з припиненням іонізації. Відмінність лічильника Гейгера полягає в тому, що в ньому частка, що влетіла, діє на кшталт спускового механізму і час пробою не знаходиться у зв'язку з початковою іонізацією.
Оскільки пропорційні лічильники реагують на іонізуючу здатність частки, то режим роботи лічильника може бути підібраний так, щоб він відзначав лише частинки певного сорту.
Якщо прилад працює в режимі насичення струму (чого можна домогтися, знижуючи напругу), то струм через нього є мірою енергії випромінювання, що поглинається в об'ємі приладу за одиницю часу. У цьому випадку пристрій називають іонізаційною камерою. Коефіцієнт посилення дорівнює у разі одиниці. Перевагою іонізаційної камери є стійкість роботи. Конструкції іонізаційних камер можуть значно змінюватись. Наповнення камери, матеріали стін, число та форма електродів змінюються залежно від мети дослідження. Поряд із крихітними камерами з об'ємом порядку кубічного міліметра доводиться мати справу з камерами об'ємом до сотні метрів. Під дією постійного джерела іонізації в камерах виникають струми в межах від до
Сцинтиляційні лічильники.
Метод рахунку спалахів флуоресцирующего речовини (сцинтиляцій) як рахунок елементарних частинок був уперше застосований Резерфордом щодо його класичних досліджень будови атомного ядра. Сучасне втілення цієї ідеї мало нагадує просте прилад Резерфорда.
Частка викликає світловий спалах у твердій речовині – фосфорі. Відомо дуже велике числоорганічних та неорганічних речовин, що мають здатність перетворювати енергію заряджених частинок і фотонів у світлову енергію. Багато фосфорів мають дуже малу тривалість післясвічення, близько мільярдних часток секунди. Це дозволяє будувати сцинтиляційні лічильники із великою швидкістю рахунку. У ряду фосфорів світловий вихід пропорційний енергії частинок. Це дозволяє конструювати лічильники для оцінки енергії частинок.
У сучасних лічильниках фосфори комбінують з фотомножниками, що мають звичайні фотокатоди, чутливі до видимого світла. Електричний струм, що створюється в помножувачі, посилюється і далі прямує на лічильне пристосування.
Найчастіше застосовувані органічні фосфори: антрацен, стильбен, терфеніл тощо. буд. хімічні сполукиналежать до класу про ароматичних сполук, побудованих із шестикутників вуглецевих атомів. Для застосування як сцинтилятори треба брати ці речовини у вигляді монокристалів. Так як вирощування великих монокристалів дещо важко і так як кристали органічних сполукдуже крихкі, то істотний інтерес представляє застосування пластичних сцинтиляторів, - так називають тверді розчини органічних фосфорів у прозорих пластмасах - полістиролі або іншій аналогічній високополімерній речовині. З неорганічних фосфорів застосовуються галогеніди лужних металів, сірчистий цинк, вольфрамати лужноземельних металів
Лічильники Черенкова.
Ще в 1934 р. Черенкова було показано, що при русі швидкої зарядженої частинки в абсолютно чистому рідкому або твердому діелектрику виникає особливе світіння, принципово відмінне як від свічення флуоресценції, пов'язаного з енергетичними переходами в атомах речовини, так і від гальмівного випромінювання типу рентгенівського . Випромінювання Черенкова має місце в тому випадку, якщо заряджена частка рухається зі швидкістю, що перевищує фазову швидкість поширення світла в діелектриці. Основна особливість випромінювання полягає в тому, що воно поширюється вздовж конічної поверхнівперед у напрямку руху частки. Кут конуса визначається формулою:
де є кут утворює конуса з напрямком руху частки, V - швидкість частки, швидкість світла серед. Таким чином, для середовища з цим показником заломлення існує критична швидкість нижче за яку випромінювання не буде. При цій критичній швидкості випромінювання буде паралельно напрямку руху частинки. Для частки, що рухається зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла спостерігатиметься максимальний кут випромінювання Для циклогексану
Спектр випромінювання Черенкова, як свідчать досвід і теорія, розташовується переважно у видимій області.
Випромінювання Черенкова - явище, схоже утворення носової хвилі від корабля, що рухається по воді; у цьому випадку швидкість корабля більша, ніж швидкість хвиль на поверхні води.
Рис. 2376 ілюструє походження випромінювання. Заряджена частка рухається вздовж осьової лінії і шляхом електромагнітне поле, наступне за часткою, тимчасово поляризує середовище в точках траєкторії частинки.
Усі ці точки стають джерелами сферичних хвиль. Є один єдиний кут, при якому ці сферичні хвилізбігатимуться по фазі і утворюють єдиний фронт.
Розглянемо дві точки по дорозі зарядженої частки (рис. 237в). Вони створили сферичні хвилі, одна в момент часу, інша в момент часу Очевидно, є час, який витратила частка на проходження шляху між цими двома точками. Для того щоб ці дві хвилі поширювалися під якимось кутом 9 в одній фазі, необхідно, щоб час ходу першого променя було більше часу ходу другого променя на час Шлях, пройдений часткою за час дорівнює Хвиляпройде за цей же час відстань Звідси ми і отримуємо наведену вище формулу:
Випромінювання Черенкова використовується останнім часом дуже широко як спосіб реєстрації елементарних частинок. Лічильники, що ґрунтуються на цьому явищі, називаються черепківськими лічильниками. Речовина, що світиться, з'єднується, так само як і в сцинтиляційних лічильниках, з фотопомножувачами та підсилювачами.
фотоелектричний струм. Існує безліч конструкцій лічильників Черенкова.
У лічильників Черенкова є безліч переваг. До них відносяться швидка швидкістьрахунки та можливість визначення зарядів частинок, що рухаються зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла (ми не сказали, що світловий вихід різко залежить від заряду частинки). Тільки за допомогою лічильників Черенкова можуть вирішуватись такі важливі завдання як пряме визначення швидкості зарядженої частинки, визначення напрямку, в якому рухається ультрашвидка частка, і т.д.
Розміщення лічильників.
Для того щоб вивчати різні процеси перетворення та взаємодії елементарних частинок, необхідно мати можливість не тільки відзначити появу частинки в даному місці, але й простежити подальшу долю цієї частинки. Подібні завдання вирішуються за допомогою спеціальних розташувань лічильників із узагальненою лічильною схемою. Наприклад, можна електричні схеми двох або декількох лічильників з'єднати таким способом, щоб рахунок відбувався лише в тому випадку, якщо розряд у всіх лічильниках починається точно в один і той же час. Це може бути доказом проходження однієї й тієї ж частки через усі лічильники. Таке включення лічильників називається "включенням на збіг".
Метод товстошарових фотографічних емульсій.
Як відомо, фоточутливим шаром фотопластинок є желатинова плівка, в яку введені мікрокристаліки бромистого срібла. Основою фотографічного процесу є іонізація цих кристаликів, у результаті відбувається відновлення бромистого срібла. Цей процес відбувається як під впливом світла, а й під впливом заряджених частинок. Якщо через емульсію пролетить заряджена частка, то в емульсії виникне прихований слід, який можна побачити після прояву фотопластинки. Сліди у фотоемульсії розповідають багато подробиць про частинку, що викликала їх. Сильно іонізуючі частинки залишають жирніші сліди. Так як іонізація залежить від заряду та швидкості частинок, то вже один тільки вид сліду говорить багато про що. Цінні відомості дає величина пробігу (треку) частки фотоемульсії; Вимірюючи довжину сліду, можна визначити енергію частки.
Дослідження за допомогою звичайних фотопластинок з тонкими емульсіями мало придатні для цілей ядерної фізики. Такі платівки фіксували б тільки ті частинки, які рухаються строго вздовж платівки. Мисовським і Ждановим, і навіть через кілька років Пауэллом в Англії було введено у вжиток фотопластинки з товщиною емульсії, близької (у звичайних пластин товщина шару в сто разів менше). Фотометод цінний своєю наочністю, можливістю спостерігати складну картину перетворення, що відбувається при руйнуванні будь-якої частки.
На рис. 238 наведено характерну фотографію, отриману цим Методом. У точках сталися ядерні перетворення.
В останньому варіанті цього методу як середовище, в якому фіксуються треки частинок, застосовують емульсійні камери значного обсягу.
Методи аналізу спостережень.
За допомогою описаних приладів дослідник отримує можливість визначити всі найважливіші константи елементарної частки: швидкість та енергію, електричний заряд, масу; всі ці параметри можна визначити з досить високою точністю. За наявності потоку частинок можна, крім того, визначити значення спини елементарної частинки та її магнітного моменту. Це робиться тим же досвідом розщеплення пучка в магнітному полі, описаному на стор. 171.
Слід пам'ятати, що безпосередньо спостерігаються лише заряджені частки. Усі дані про нейтральних частинках і фотони виходять опосередковано вивченням характеру дії цих невидимих частинок на заряджені. Дані, одержувані про невидимі частинки, мають, проте, великий рівень достовірності.
Істотну роль при дослідженні різноманітних перетворень елементарних частинок грає застосування законів збереження імпульсу та енергії. Так як ми маємо справу зі швидкими частинками, то, застосовуючи закон збереження енергії, необхідно враховувати можливу зміну маси.
Припустимо, що у фотографії спостерігається слід часток як «вилки». Перша частка перетворилася на дві частки: другу і третю. Тоді мають виконуватися такі співвідношення. По-перше, імпульс першої частинки повинен дорівнювати векторній сумі імпульсів часток, що виникли:
де різниця мас
Весь досвід ядерної фізики показує, що закони збереження виконуються неухильно за будь-яких перетвореннях елементарних частинок. Це дозволяє скористатися цими законами для з'ясування властивостей нейтральної частки, що не залишає сліду у фотографічній емульсії та не іонізуючого газу. Якщо на фотопластинці спостерігаються два треки, що розходяться, то досліднику ясно: у точці, звідки ці сліди розходяться, сталося перетворення нейтральної частинки. Визначаючи імпульси, енергії та маси часток, що виникли, можна зробити впевнені висновки про значення параметрів нейтральної частинки. Так був відкритий нейтрон, такими способами ми судимо про нейтрино та нейтральні мезони, про які буде розказано нижче.
Доповідь:
Методи реєстрації елементарних частинок
1) Газорозрядний лічильник Гейгера
Лічильник Гейгера - один із найважливіших приладів для автоматичного рахунку частинок.
Лічильник складається із скляної трубки, покритої зсередини металевим шаром (катод), і тонкої металевої нитки, що йде вздовж осі трубки (анод).
Трубка заповнюється газом, зазвичай аргоном. Дія лічильника ґрунтується на ударній іонізації. Заряджена частка (електрон, £-частина і т.д.), пролітаючи в газі, відриває від атомів електрони та створює позитивні іони та вільні електрони. Електричне поле між анодом і катодом (до них підводиться висока напруга) прискорює електрони до енергії, за яких починається ударна іонізація. Виникає лавина іонів, і струм через лічильник різко зростає. При цьому на навантажувальному резистори R утворюється імпульс напруги, який подається в реєструючий пристрій. Для того щоб лічильник міг реєструвати наступну частинку, що потрапила в нього, лавинний розряд необхідно погасити. Це відбувається автоматично. Так як в момент появи імпульсу струму падіння напруги на розвантажувальному резистори R велике, то напруга між анодом і катодом різко зменшується - настільки, що розряд припиняється.
Лічильник Гейгера застосовується в основному для реєстрації електронів та Y-квантів (фотонів великої енергії). Однак безпосередньо Y-кванти внаслідок їх малої іонізуючої здатності не реєструються. Для виявлення внутрішню стінку трубки покривають матеріалом, з якого Y-кванты вибивають електрони.
Лічильник реєструє майже всі електрони, що потрапляють до нього; Що ж до Y- квантів, то він реєструє приблизно лише один Y-квант зі ста. Реєстрація важких частинок (наприклад, £-частинок) утруднена, тому що складно зробити в лічильнику досить тонке віконце, прозоре для цих частинок.
2) Камера Вільсона
Дія камери Вільсона заснована на конденсації перенасиченої пари на іонах з утворенням крапель води. Ці іони створює вздовж своєї траєкторії заряджена частка, що рухається.
Прилад є циліндром з поршнем 1 (рис. 2), накритий плоскою скляною кришкою 2. У циліндрі знаходяться насичені париводи чи спирту. У камеру вводиться досліджуваний радіоактивний препарат 3, який утворює іони робочому обсязі камери. При різкому опусканні поршня донизу, тобто. при адіабатному розширенні відбувається охолодження пари і він стає перенасиченим. У цьому стані пара легко конденсується. Центрами конденсації стають іони, утворені частинкою, що пролетіла в цей час. Так у камері з'являється туманний слід (трек), який можна спостерігати і фотографувати. Трек існує десяті частки секунди. Повернувши поршень у вихідне положення та видаливши іони електричним полем, можна знову виконати адіабатне розширення. Таким чином, досліди з камерою можна проводити багаторазово.
Якщо камеру помістити між полюсами електромагніта, то можливості камери вивчення властивостей частинок значно розширюються. У цьому випадку на частинку, що рухається, діє сила Лоренца, що дозволяє по викривленню траєкторії визначити значення заряду частинки та її імпульс. На малюнку 4 наведено можливий варіант розшифрування фотографії треків електрона та позитрону. Вектор індукції магнітного поля спрямований перпендикулярно площині креслення за креслення. Ліворуч відхиляється позитрон, праворуч - електрон.
3) Пухирцева камера
Відрізняється від камери Вільсона тим, що перенасичені пари робочому обсязі камери замінюються перегрітою рідиною, тобто. такою рідиною, яка знаходиться під тиском, меншим тиску її насиченої пари.
Пролітаючи в такій рідині, частка викликає виникнення бульбашок пари, утворюючи тим самим трек (рис.5).
У вихідному стані поршень стискає рідину. При різкому зниженні тиску температура кипіння рідини виявляється меншою за температуру навколишнього середовища.
Рідина перетворюється на нестійкий (перегріте) стан. Це забезпечує появу бульбашок по дорозі руху частки. Як робоча суміш застосовуються водень, ксенон, пропан і деякі інші речовини.
Перевага бульбашкової камери перед камерою Вільсона зумовлена більшою щільністю робочої речовини. Пробіги часток внаслідок цього виявляються досить короткими, і частки навіть більших енергій застряють у камері. Це дозволяє спостерігати серію послідовних перетворень частки і викликані нею реакції.
4) Метод товстошарових фотоемульсій
Для реєстрації частинок поряд з камерами Вільсона та бульбашковими камерами застосовуються товстошарові фотоемульсії. Іонізуюча дія швидких заряджених частинок на емульсію фотопластинки. Фотоемульсія містить велика кількістьмікроскопічні кристали броміду срібла.
Швидка заряджена частка, пронизуючи кристалик, відриває електрони від окремих атомів брому. Ланцюжок таких кристаликів утворює приховане зображення. При появі в цих кристалах відновлюється металеве срібло і ланцюжок зерен срібла утворює трек частинки.
По довжині та товщині треку можна оцінити енергію та масу частки. Через велику щільність фотоемульсії треки виходять дуже короткими, але при фотографуванні їх можна збільшити. Перевага фотоемульсії полягає в тому, що час експозиції може бути скільки завгодно більшим. Це дозволяє реєструвати рідкісні явища. Важливо й те, що завдяки великій здатності фотоемульсії, що гальмує, збільшується число спостерігаються цікавих реакцій між частинками і ядрами.
Прилади для реєстрації заряджених часток називають детекторами. Існує два основні види детекторів:
1) дискретні(лічильні та визначальні енергію частинок): лічильник Гейгера, іонізаційна камера та ін;
2) трекові(Дають можливість спостерігати і фотографувати сліди (треки) частинок в робочому обсязі детектора): камера Вільсона, бульбашкова камера, товстошарові фотоемульсії та ін.
1. Газорозрядний лічильник Гейгера.Для реєстрації електронів і (~\gamma)-квантів (фотонів) великої енергії використовується лічильник Гейгера-Мюллера. Він складається із скляної трубки (рис. 22.4), до внутрішніх стінок якої прилягає катод К - тонкий металевий циліндр; анодом А служить тонкий металевий дріт, натягнутий по осі лічильника. Трубка заповнюється газом, зазвичай аргоном. Лічильник включається до схеми, що реєструє. На корпус подається негативний потенціал, на нитку – позитивний. Послідовно лічильнику включається резистор R, з якого сигнал подається до пристрою, що реєструє.
Дія лічильника ґрунтується на ударній іонізації. Нехай до лічильника потрапила частка, яка створила на своєму шляху хоча б одну пару: "іон + електрон". Електрони, рухаючись до анода (нитки), потрапляють у поле з наростаючою напруженістю (напруга між А і K ~ 1600), їх швидкість стрімко зростає, і на своєму шляху вони створюють іонну лавину (виникає ударна іонізація). Потрапивши на нитку, електрони знижують її потенціал, внаслідок чого резистором R піде струм. На його кінцях виникає імпульс напруги, який і надходить у реєстраційний пристрій.
На резистори відбувається падіння напруги, потенціал анода зменшується, і напруженість поля всередині лічильника зменшується, внаслідок чого зменшується кінетична енергія електронів. Розряд припиняється. Таким чином, резистор відіграє роль опору, що автоматично гасить лавинний розряд. Позитивні іони стікають до катода протягом \(~t \approx 10^(-4)\) після початку розряду.
Лічильник Гейгера дозволяє реєструвати 10 4 частинок за секунду. Він застосовується в основному для реєстрації електронів і (~\gamma\)-квантів. Однак безпосередньо \(~\gamma\)-кванти внаслідок своєї малої іонізуючої здатності не реєструються. Для їх виявлення внутрішню стінку трубки покривають матеріалом, з якого кванти (~\gamma\)-вибивають електрони. При реєстрації електронів ефективність лічильника 100 %, а під час реєстрації \(~\gamma\)-квантів - лише близько 1 %.
Реєстрація важких \(~\alpha\)-частинок утруднена, тому що складно зробити в лічильнику досить тонке "віконце", прозоре для цих частинок.
2. Камера Вільсон.
У камері використовується здатність частинок великих енергій іонізувати атоми газу. Камера Вільсона (рис. 22.5) є циліндричною посудиною з поршнем 1. Верхня частина циліндра зроблена з прозорого матеріалу, в камеру вводиться невелика кількість води або спирту, для чого знизу посудина покрита шаром вологогооксамиту або сукна 2. Усередині камери утворюється суміш насиченихпари та повітря. При швидкому опусканні поршня 1суміш адіабатично розширюється, що супроводжується зниженням її температури. За рахунок охолодження пар стає пересиченим.
Якщо повітря очищене від порошин, то конденсація пари в рідину утруднена через відсутність центрів конденсації. Однак центрами конденсаціїможуть бути й іони. Тому якщо через камеру (впускають через віконце 3) пролітає заряджена частка, іонізуюча на своєму шляху молекули, то на ланцюжку іонів відбувається конденсація парів і траєкторія руху частинки всередині камери завдяки маленьким краплинкам рідини, що осів, стає видимою. Ланцюжок крапель рідини, що утворилися, утворює трек частинки. Тепловий рух молекул швидко розмиває трек частинок, і траєкторії частинок видно чітко лише близько 0,1 с, що, однак, достатньо для фотографування.
Вигляд треку на фотографії часто дозволяє судити про природічастинки та величиніїї енергії.Так, \(~\alpha\)-частинки залишають порівняно товстий суцільний слід, протони - тонший, а електрони - пунктирний (рис. 22.6). З'являється розщеплення треку - "вилки" свідчить про реакцію, що відбувається.
Щоб підготувати камеру до дії і очистити її від іонів, що залишилися, усередині неї створюють електричне поле, що притягує іони до електродів, де вони нейтралізуються.
Радянські фізики П. Л. Капіца та Д. В. Скобельцин запропонували розміщувати камеру в магнітному полі, під дією якого траєкторії частинок викривляються в той чи інший бік залежно від знаку заряду. По радіусу кривизни траєкторії та інтенсивності треків визначають енергію та масу частки (питомий заряд).
3. Пухирцева камера.В даний час у наукових дослідженнях використовується бульбашкова камера. Робочий об'єм у бульбашковій камері заповнений рідиною під високим тиском, що оберігає її від закипання, незважаючи на те, що температура рідини вище температури кипіння при атмосферному тиску. При різкому зниженні тиску рідина виявляється перегрітою протягом невеликого часу перебуває у нестійкому стані. Якщо через таку рідину пролетить заряджена частка, то вздовж її траєкторії рідина закипить, оскільки іони, що утворилися в рідині, служать центрами пароутворення. У цьому траєкторія частки відзначається ланцюжком бульбашок пари, тобто. стає видимою. Як рідини використовуються головним чином рідкий водень і пропан С 3 Н 3 . Загальна тривалість робочого циклу порядку 0,1 с.
Перевагабульбашкової камери перед камерою Вільсона обумовлено більшою щільністю робочої речовини, внаслідок чого частка втрачає більше енергії, ніж у газі. Пробіги частинок виявляються коротшими, і частинки навіть більших енергій застряють у камері. Це дозволяє набагато точніше визначити напрямок руху частинки та її енергію, спостерігати серію послідовних перетворень частки і викликані нею реакції.
4. Метод товстошарових фотоемульсійрозроблено Л. В. Мисовським та А. П. Ждановим.
Він заснований на використанні почорніння фотографічного шару під дією швидких заряджених частинок, що проходять через фотоемульсію. Така частка викликає розпад молекул бромистого срібла на іони Ag + і Вг - і почорніння фотоемульсії вздовж траєкторії руху, утворюючи приховане зображення. При прояві цих кристаликах відновлюється металеве срібло і утворюється трек частки. По довжині та товщині треку судять про енергію та масу частинки.
Для вивчення слідів частинок, що мають дуже високу енергію і дають довгі сліди, велика кількість пластин складається в стопу.
Істотною перевагою методу фотоемульсій, окрім простоти застосування, є те, що він дає невичерпний слідчастинки, який потім може бути ретельно вивчений. Це спричинило широкому застосуванню даного методу щодо нових елементарних частинок. Цим методом з додаванням до емульсії сполук бору або літію можуть бути вивчені сліди нейтронів, які в результаті реакцій з ядрами бору і літію створюють (~ alpha)-частинки, що викликають почорніння в шарі ядерної емульсії. Слідами \(~\alpha\)-часток робляться висновки про швидкість та енергії нейтронів, що викликали появу \(~\alpha\)-часток.
Література
Аксенович Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховання, 2004. – С. 618-621.
