Способы наблюдения и регистрации заряженных частиц кратко презентация

Обновлено: 06.07.2024

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Технология: проблемно-диалогическая.

Цель урока: организовать деятельность учащихся по изучению и первичному закреплению знаний о методах регистрации заряженных частиц.

Оборудование: компьютер и мультимедиа-проектор, Презентация.

Способы регистрации заряженных частиц

Сегодня кажется почти неправдоподобным, сколько открытий в физике атомного ядра было сделано с использованием природных источников радиоактивного излучения с энергией всего лишь несколько МэВ и простейших детектирующих устройств. Открыто атомное ядро, получены его размеры, впервые наблюдалась ядерная реакция, обнаружено явление радиоактивности, открыты нейтрон и протон, предсказано существование нейтрино и т.д. Основным детектором частиц долгое время была пластинка, с нанесенным на нее слоем сернистого цинка. Частицы регистрировались глазом по производимым ими в сернистом цинке вспышкам света.

Со временем экспериментальные установки становились все сложней. Развивалась техника ускорения и детектирования частиц, ядерная электроника. Успехи в физике ядра и элементарных частиц все в большей степени определяются прогрессом в этих областях. Нобелевские премии по физике часто присуждаются за работы в области техники физического эксперимента.

Детекторы служат как для регистрации самого факта наличия частицы так и для определения её энергии и импульса, траектории движения частицы и др. характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами.

1. Счётчик Гейгера

Счётчик Гейгера представляет собой, как правило, цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока — анод. Система заполнена газовой смесью. При прохождении через счётчик заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду — нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к коронному разряду. Амплитуда сигнала достигает нескольких вольт и легко регистрируется. Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию частицы.

2. Камера Вильсона

Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).

Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. Для создания пересыщенного пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа. В камере Вильсона треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10 –3 -10 –4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.

3. Пузырьковая камера

Принцип действия основан на вскипании перегретой жидкости вдоль трека заряженной частицы. Пузырьковая камера представляет собой сосуд, заполненный прозрачной перегретой жидкостью. При быстром понижении давления, вдоль трека ионизирующей частицы образуется цепочка пузырьков пара, которые освещаются внешним источником и фотографируются. После фотографирования следа давление в камере повышается, пузырьки газа схлопываются и камера снова готова к работе. В качестве рабочей жидкости в камере используется жидкий водород одновременно служащий водородной мишенью для исследования взаимодействия частиц с протонами.

Камера Вильсона и пузырьковая камера имеют огромное преимущество, которое заключается в том, что можно непосредственно наблюдать все заряженные частицы, образующиеся в каждом акте реакции. Для того, чтобы определить тип частицы и ее импульс камеры Вильсона и пузырьковые камеры помещают в магнитное поле. Пузырьковая камера имеет большую плотность вещества детектора по сравнению с камерой Вильсона и поэтому пробеги заряженных частиц полностью заключены в объёме детектора. Расшифровка фотографий с пузырьковых камер представляет отдельную трудоемкую проблему.

4. Ядерные эмульсии

Аналогично, как это происходит в обычной фотографии, заряженная частица нарушает вдоль своего пути структуру кристаллической решётки зерен галоидного серебра делая их способными к проявлению. Ядерная эмульсия является уникальным средством для регистрации редких событий. Стопки ядерных эмульсий позволяют регистрировать частицы очень больших энергий. С их помощью можно определить координаты трека заряженной частицы с точностью ~1 микрона. Ядерные эмульсии широко используются для регистрации космических частиц на шарах-зондах и космических аппаратах.
Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатины с диспергированными в ней зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом.

5. Сцинтиляционный детектор

Сцинтиляционный детектор использует свойство некоторых веществ светиться (сцинтилировать) при прохождении заряженной частицы. Кванты света, образующиеся в сцинтиляторе, затем регистрируются с помощью фотоумножителей.

Современные измерительные установки в физике высоких энергий представляют из себя сложные системы, включающие десятки тысяч счетчиков, сложную электронику и способны одновременно регистрировать десятки частиц, рождающихся в одном столкновении.

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ
ДЕТЕКТОР
Действие основано на
возбуждении
заряженными
частицами в ряде
веществ световых
вспышек, которые
регистрируются
фотоэлектронными
умножителями
Используются для
регистрации нейтронов
и γ-квантов.

4. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР

СПИНТАРИСКОП-первый
сцинтилляционный счетчик
В 1879 году Вильям Крукс
доказал материальную
природу катодных лучей.
Он состоит из:
толстостенного свинцового
сосуда 1, в котором
находится тонкий стержень
с радиоактивным
препаратом-2;
экрана, покрытого
сульфидом цинка – 3;
лупы – 4.
4
2
1
3

5. СПИНТАРИСКОП-первый сцинтилляционный счетчик

Схема современного
сцинтиллияционного
счетчика
Лупа
короткофокусная
р/а препарат щель
Тонкая мет. пластинка
экран

6. Схема современного сцинтиллияционного счетчика

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
После создания в конце 1940 года
фотоэлектронного умножителя были
усовершенствованы сцинтилляционные счетчики
частиц.

7. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ

ОСОБЕННОСТИ
Недостатки:
1. Слабая чувствительность к частицам
малой энергии.
2. Числовой подсчет частиц, который не
дает информации об их типе.
Достоинства:
1. Высокая эффективность регистрации.
2. Возможность различных размеров и
конфигураций.
3. Высокая надежность.
4. Невысокая стоимость.

8. ОСОБЕННОСТИ

Сцинтилляционный метод
используется в
телевизорах
(свечение экрана);
Резерфорд
применил в опытах
по рассеянию αчастиц.

9. Сцинтилляционный метод

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА
Используется для
регистрации
электронов и γквантов.
Состоит из трубки,
заполненной газом и
снабженная двумя
электродами, на
которые подается
высокое напряжение.
Действие основано на
ударной ионизации
анод
катод
К
регистрирующем
у
устройству

10. СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА

Когда
элементарная
частица пролетает
сквозь счетчик, она
ионизирует газ, и
ток через счетчик
резко возрастает.
Образующийся при
этом на нагрузке
импульс
напряжения
подается к
регистрирующему
устройству.
Только фиксирует
частицы.

КАМЕРА ВИЛЬСОНА
Дает возможность
наблюдать след,
который оставляют
пролетающие
частицы.
Заполняют парами
воды или спирта, а
затем создают
условия для того,
чтобы пар становился
перенасыщенным.
Для этого резко
опускают поршень.

12. КАМЕРА ВИЛЬСОНА

Элементарная частица, пролетая сквозь
такую камеру, образует вдоль своей
траектории ионы, которые затем
выступают как центры конденсации: в них
образуются капельки воды. Частица
оставляет за собой трек, т.е. след.

14. КАМЕРА ВИЛЬСОНА ШКОЛЬНАЯ

ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА
Действие пузырьковой
камеры основано на
том, что они заполнены
перегретой жидкостью,
в которой появляются
маленькие пузырьки
пара на ионах,
возникающих при
движении быстрых
частиц.

15. ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА

МЕТОД ТОЛСТОСЛОЙНЫХ
ФОТОЭМУЛЬСИЙ
Фотоэмульсия
содержит
мельчайшие
кристаллы
бромистого
серебра, которые
ионизируются при
пролете
элементарной
частицы.

16. МЕТОД ТОЛСТОСЛОЙНЫХ ФОТОЭМУЛЬСИЙ

После
проявления
фотопластинки
происходит
химическая
реакция
восстановления
серебра.
Треки частиц
становятся
видимыми.

17. МЕТОД ТОЛСТОСЛОЙНЫХ ФОТОЭМУЛЬСИЙ

18. Достоинства метода

Вопросы
Автор, год
Принцип
действия
Какие частицы
регистрирует
недостатки
достоинства
Счетчик
Гейгера
Камера
Вильсона
Пузырьковая
камера
Толстослойные
фотоэмульсии

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Презентацию разработала учитель физики Андрейшурской СОШ Корепанова Анастасия Петровна

Развивать познавательный интерес учащихся, умение работать и находить необходимую информацию в интернет ресурсах, в литературе, печатных изданиях. Способствовать формированию умения анализировать, сравнивать и обобщать полученные факты. Цели: Изучить методы регистрации ионизирующих излучений и рассмотреть основные физические процессы, лежащие в основе этих методов . Воспитывать чувство ответственности, умение работать в коллективе . Разобрать практическое использование изучаемых методов регистрации ионизирующего излучения в заданиях уровня А и В на итоговой аттестации в форме ГИА и ЕГЭ.

Знакомство с видами регистрирующих устройств

Счетчик Гейгера представляет собой стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого покрыта металлическим проводящим слоем, и тонкую нить, натянутую вдоль оси баллона. Действие счетчика основано на ударной ионизации.

Баллон наполнен инертным газом с добавками паров спирта под небольшим, примерно 0,1 атм, давлением и запаян. Нить является анодом, металлизированная поверхность трубки - катодом для источника. Счетчик Гейгера включается в электронную R и C цепочку, напряжение с которой подается на осциллограф. На экране осциллографа наблюдается горизонтальная линия временной развертки электронного луча. При попадании в счетчик ионизирующей частицы происходит ударная ионизация газа. Газовая среда пробивается. На резисторе R резко возрастает напряжение, которое регистрируется осциллографом в виде вертикального импульса на экране. Приближаем источник ионизирующих частиц к счетчику и наблюдаем увеличение числа импульсов, то есть увеличение потока ионизирующих частиц. Число импульсов пропорционально числу ионизированных частиц. Счетчик хорошо регистрирует электроны, 1из 100 γ-квантов, регистрация α частиц затруднена.

Дозиметры - группа современных приборов используемых как на производстве, так и в быту. Основой этих приборов является счетчик Гейгера. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ Система безопасности для обеспечения противодействия радиационному терроризму проведения оценок радиоактивности в подсобном хозяйстве оценки радиационного загрязнения местности, зданий и сооружений, жилых и производственных помещений, транспортных средств, стройматериалов, металлолома, предметов быта оценки радиационного загрязнения ягод и грибов

Профессиональные дозиметры сложны по своему устройству достаточно дороги обладают хорошим быстродействием высоким уровнем чувствительности прибора: измерять все виды ионизирующего излучения.

Бытовые дозиметры имеют низкую чувствительность (существенно снижает быстродействие и точность измерений) Имеют ошибку порядка 20 — 30 %. дешевизна

Камера Вильсона представляет собой цилиндр с прозрачными торцами. Действие камеры основано на конденсации пересыщенных паров этилового спирта на ионах с образованием капелек воды.

Внутрь цилиндра введен источник ионизированных частиц. Для удаления ионов газа, которые образуются в результате столкновений с ионизирующими частицами, стеклянные окна покрыты изнутри токопроводящей пленкой, на которую подается высокое напряжение от высоковольтного источника. Для создания пересыщенных паров спирта внутри камеры поступаем так: набираем немного спирта в грушу и ополаскиваем ее изнутри. Затем спирт сливаем, а грушу при помощи резиновой трубки соединяем с камерой Вильсона. Камеру помещаем на кодоскоп и проецируем на экран. Несколько раз медленно сжимаем и отпускаем грушу, создавая в камере состояние пересыщенных паров спирта. Затем сильно сжимаем грушу и после некоторой задержки резко отпускаем. На экране видны треки частиц в виде туманных следов конденсированных молекул спирта.

- энергию частицы - ее скорость - величину заряда - отношение величины заряда к ее массе и саму массу. КАМЕРА ВИЛЬСОНА ДАЕТ ВОЗМОЖНОСТЬ ОПРЕДЕЛИТЬ

След α-частицы, испытавшей два столкновения в камере Вильсона

Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.). В пузырьковой камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль пути пролёта заряженной частицы. Пузырьковаякамеравнешнийвид

Принцип действия пузырьковой камеры напоминает принцип действия камеры Вильсона. В последней используется свойство перенасыщенного пара конденсироваться в мельчайшие капельки вдоль траектории заряженных частиц. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров парообразования, например, ионов. Таким образом, если в камере Вильсона заряженная частица инициирует на своём пути превращение пара в жидкость, то в пузырьковой камере, наоборот, заряженная частица вызывает превращение жидкости в пар.

Перегретое состояние достигается быстрым (5-20 мс) уменьшением внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится чувствительной и способна зарегистрировать заряженную частицу. После фотографирования треков давление поднимается до прежней величины, пузырьки “схлопываются” и камера вновь готова к работе. Цикл работы большой пузырьковой камеры 1 с (т. е. значительно меньше, чем у камеры Вильсона), что позволяет использовать её в экспериментах на импульсных ускорителях. Небольшие пузырьковые камеры могут работать в значительно более быстром режиме – 10-100 расширений в секунду. Моменты возникновения фазы чувствительности пузырьковой камеры синхронизуют с моментами попадания в камеру частиц от ускорителя.

Важным преимуществом пузырьковой камеры по сравнению с камерой Вильсона и диффузионной камерой является то, что в качестве рабочей среды в ней используется жидкость (жидкие водород, гелий, неон, ксенон, фреон, пропан и их смеси). Эти жидкости, являясь одновременно мишенью и детектирующей средой, обладают на 2-3 порядка большей плотностью, чем газы, что многократно увеличивает вероятность появления в них событий, достойных изучения, и позволяют целиком “уместить” в своём объёме треки высокоэнергичных частиц. Пузырьковые камеры могут достигать очень больших размеров (до 40 м3). Их, как и камеры Вильсона, помещают в магнитное поле. Пространственное разрешение пузырьковых камер 0.1 мм.

Недостатком пузырьковой камеры является то, что её невозможно (в отличие от камеры Вильсона) быстро “включить” по сигналам внешних детекторов, осуществляющих предварительный отбор событий, так как жидкость слишком инерционна и не поддается очень быстрому (за время 1 мкс) расширению. Поэтому пузырьковые камеры, будучи синхронизованы с работой ускорителя, регистрируют все события, инициируемые в камере пучком частиц. Значительная часть этих событий не представляет интереса.

Метод толстослойных фотоэмульсий Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Беккерелю открыть в 1896г. радиоактивность. Метод фотоэмульсии был разработан в 1928г. советскими физиками Л. В. Мысовским, А. П. Ждановым. Фотоэмульсионный (или метод толстослойных эмульсий) является наиболее дешевым методом регистрации ионизирующего излучения. Его сущность заключается в использовании специальных фотоэмульсий нанесенных на фотопластины.

Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зерен серебра образует трек частицы. По характеру видимого следа (его длине, толщине и т. п.) можно судить как о свойствах частицы, которая оставила след (ее энергии, скорости, массе, направлении движения), так и о характере процесса (рассеивание, ядерная реакция, распад частиц), если он произошел в эмульсии. Фотоэмульсия имеет большую плотность, поэтому треки получаются короткими.

Фотография в фотоэмульсии расщепление ядра углерода при захвате π-мезона.

Метод сцинтилляций Этот метод был использован Резерфордом в 1911г. , а предложил его У. Крупе в 1903г. Простейшим средством регистрации излучений был экран, покрытый люминесцирующим веществом (от лат. lumen – свет). Это вещество светится при ударе о него заряженной частицы, если энергии этой частицы достаточно для возбуждения атомов вещества. В том месте, куда частица попадает, возникает вспышка – сцинтилляция (от лат. scintillatio – сверкание, искрение). Вспышки на экране наблюдаются с помощью микроскопа. Такие счётчики и получили название сцинтилляционные. Вся эта установка помещается в сосуд, из которого откачен воздух (чтобы устранить рассеяние частиц за счет их столкновений с молекулами воздуха). Если на пути частиц нет никаких препятствии, то они попадают на экран узким, слегка расширяющимся пучком. При этом все возникающие на экране вспышки сливаются в одно небольшое светлое пятно.

Совершенствование метода визуального наблюдения сцинтилляций, вызванных частицей, привело к разработке электронных методов счета сцинтилляций. Различные конструкции фотоэлектронных умножителей позволяют усиливать электрический сигнал и получать на выходе легко регистрируемые электрические импульсы.

Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.

Аннотация к презентации

Содержание

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

Слайд 2

Методы регистрации

1) Счетчик Гейгера 2) Камера Вильсона 3) Пузырьковая камера 4) Метод толстослойных фотоэмульсий

Слайд 3

Счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера — один из важнейших приборов для автоматического счета частиц.

Слайд 4

Счетчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Заряженная частица (электрон, а-частица и т.д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Принцип действия Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе Rобразуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Слайд 5

Особенности

Слайд 6

Камера Вильсона

Слайд 7

Принцип действия

Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению. При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под поршнем, пар в камере расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение, и пар становится пересыщенным. Это неустойчивое состояние пара: пар легко конденсируется. Центрами конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или сразу после него, то на ее пути возникают капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы — трек. Затем камера возвращается в исходное состояние и ионы удаляются электрическим полем. В зависимости от размеров камеры время восстановления рабочего режима колеблется от нескольких секунд до десятков минут.

Слайд 8

Особенности

По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оценивается ее скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше ее энергия. А чем больше капелек воды образуется на единицу длины трека, тем меньше ее скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщены Камеру Вильсона можно поместить в однородное магнитное поле. Магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу с определенной силой. Эта сила искривляет траекторию частицы. Трек имеет тем большую кривизну, чем больше заряд частицы и чем меньше ее масса. По кривизне трека можно определить отношение заряда частицы ее массе.

Слайд 9

Пузырьковая камера

В 1952 американским ученым Д. Глейзером было предложено использовать дляобнаружения треков частиц перегретую жидкость.

Слайд 10

Принцип действия

В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженные частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара. В качестве жидкостей используются главным образом жидкий водород и пропан.

Слайд 11

Особенности

Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры невелика — около 0,1 с. Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

Слайд 12

Метод толстослойных фотоэмульсий

Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Беккерелю открыть в 1896 г. радиоактивность. Метод был развит советскими физиками Л. В. Мысовским, А. П. Ждановым и др.

Слайд 13

Принцип действия

Слайд 14

Особенности

Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (порядка 10-3 см для α-частиц, испускаемых радиоактивными элементами), но при фотографировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсий состоит в том, что время экспозиции может быть сколь угодно большим. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсий увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.

Читайте также: