Сообщение экспериментальные методы исследования частиц
Обновлено: 04.07.2024
Для дальнейшего развития ядерной физики (в частности, для исследования строения атомных ядер) необходимы были специальные устройства, с помощью которых можно было бы регистрировать ядра и различные частицы, а также изучать их взаимодействия.
Один из известных вам методов регистрации частиц — метод сцинтилляций — не даёт необходимой точности, так как результат подсчёта вспышек на экране в большой степени зависит от остроты зрения наблюдателя. Кроме того, длительное наблюдение оказывается невозможным, так как глаз быстро устаёт.
Более совершенным прибором для регистрации частиц является так называемый счётчик Гейгера, изобретённый в 1908 г. немецким физиком Гансом Гейгером.
Для рассмотрения устройства и принципа действия этого прибора обратимся к рисунку 159. Счётчик Гейгера состоит из металлического цилиндра, являющегося катодом (т. е. отрицательно заряженным электродом), и натянутой вдоль его оси тонкой проволочки — анода (т. е. положительного электрода). Катод и анод через сопротивление R присоединены к источнику высокого напряжения (порядка 200—1000 В), благодаря чему в пространстве между электродами возникает сильное электрическое поле. Оба электрода помещают в герметичную стеклянную трубку, заполненную разреженным газом (обычно аргоном).
Рис. 159. Схема устройства счётчика Гейгера
Пока газ не ионизирован, ток в электрической цепи источника напряжения отсутствует. Если же в трубку сквозь её стенки влетает какая-нибудь частица, способная ионизировать атомы газа, то в трубке образуется некоторое количество электрон-ионных пар. Электроны и ионы начинают двигаться к соответствующим электродам.
Если напряжённость электрического поля достаточно велика, то электроны на длине свободного пробега (т. е. между соударениями с молекулами газа) приобретают достаточно большую энергию и тоже ионизируют атомы газа, образуя новое поколение ионов и электронов, которые тоже могут принять участие в ионизации, и т. д. В трубке образуется так называемая электронно-ионная лавина, в результате чего происходит кратковременное и резкое возрастание силы тока в цепи и напряжения на сопротивлении R. Этот импульс напряжения, свидетельствующий о попадании в счётчик частицы, регистрируется специальным устройством.
Поскольку сопротивление R очень велико (порядка 10 9 Ом), то в момент протекания тока основная доля напряжения источника падает именно на нём, в результате чего напряжение между катодом и анодом резко уменьшается и разряд автоматически прекращается (так как это напряжение становится недостаточным для образования новых поколений электронн-ионных пар). Прибор готов к регистрации следующей частицы.
Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов, но существуют модели, пригодные и для регистрации γ-квантов.
Счётчик позволяет только регистрировать тот факт, что через него пролетает частица. Гораздо большие возможности для изучения микромира даёт прибор, изобретённый шотландским физиком Чарлзом Вильсоном в 1912 г. и называемый камера Вильсона.
Камера Вильсона (рис. 160) состоит из невысокого стеклянного цилиндра СС со стеклянной крышкой LL (на рисунке цилиндр показан в разрезе). Внутри цилиндра может двигаться поршень Р. На дне камеры находится чёрная ткань FF. Благодаря тому что ткань увлажнена смесью воды с этиловым спиртом, воздух в камере насыщен парами этих жидкостей.
Рис. 160. Схема устройства камеры Вильсона
При быстром движении поршня вниз находящиеся в камере воздух и пары жидкостей расширяются, их внутренняя энергия уменьшается, температура понижается.
В обычных условиях это вызвало бы конденсацию паров (появление тумана). Однако в камере Вильсона этого не происходит, так как из неё предварительно удаляются так называемые ядра конденсации (пылинки, ионы и пр.). Поэтому в данном случае при понижении температуры в камере пары жидкостей становятся пересыщенными, т. е. переходят в крайне неустойчивое состояние, при котором они будут легко конденсироваться на любых образующихся в камере ядрах конденсации, например на ионах.
Изучаемые частицы впускаются в камеру через тонкое окошко (иногда источник частиц помещают внутри камеры). Пролетая с большой скоростью через газ, частицы создают на своём пути ионы. Эти ионы и становятся ядрами конденсации, на которых пары жидкостей конденсируются в виде маленьких капелек (водяной пар конденсируется преимущественно на отрицательных ионах, пары этилового спирта — на положительных). Вдоль всего пути частицы возникает тонкий след из капелек (трек), благодаря чему её траектория движения становится видимой.
Если поместить камеру Вильсона в магнитное поле, то траектории заряженных частиц искривляются. По направлению изгиба следа можно судить о знаке заряда частицы, а по радиусу кривизны определять её массу, энергию, заряд.
Треки существуют в камере недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капельки испаряются. Чтобы получить новые следы, необходимо удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать воздух поршнем, выждать, пока воздух в камере, нагревшийся при сжатии, охладится, и произвести новое расширение.
Обычно треки частиц в камере Вильсона не только наблюдают, но и фотографируют. При этом камеру освещают сбоку мощным пучком световых лучей, как показано на рисунке 160.
С помощью камеры Вильсона был сделан ряд важнейших открытий в области ядерной физики и физики элементарных частиц.
Одной из разновидностей камеры Вильсона является изобретённая в 1952 г. пузырьковая камера. Она действует примерно по тому же принципу, что и камера Вильсона, но вместо пересыщенного пара в ней используется перегретая выше точки кипения жидкость (например, жидкий водород). При движении в этой жидкости заряженной частицы вдоль её траектории образуется ряд пузырьков пара. Пузырьковая камера обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.
В этом видеоуроке мы с вами поговорим об экспериментальных методах исследования частиц. Рассмотрим схемы и принципы действия различных видов детекторов. Узнаем о преимуществе и недостатке каждого из них.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Экспериментальные методы исследования частиц"
Вопрос о составе ядра атома оставался открытым ещё долгое время. Дело в том, что для исследования строения ядра необходимы были устройства, позволяющие как регистрировать отдельные частицы и ядра, так и исследовать их взаимодействия с веществом. Такие приборы называются детекторами. Мы с вами рассмотрим наиболее часто встречающиеся виды детекторов — это дискретные и трековые.
Дискретные детекторы позволяют сосчитать пролетающие частицы и определить их энергию.
А трековые детекторы позволяют наблюдать и фотографировать следы (треки) частиц в рабочем объёме детектора.
С одним из дискретных методов регистрации частиц мы знакомились при рассмотрении опытов Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц — это метод сцинтилляций. Суть данного метода такова. На экран наносится тонкий слой сернистого цинка. Если об этот экран ударяется частица, то она вызывает на экране вспышку света, которую можно рассмотреть в лупу. По числу таких вспышек можно, например, подсчитать число альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом за определённый промежуток времени.
Наиболее простое осуществление этот метод находит в спинтарископе Крукса.
Принцип его работы прост. На кончик иглы помещается крупинка радиоактивного элемента, например, бромистого радия. Если смотреть сквозь лупу, подержав предварительно глаз в темноте, то в разных местах экрана из сернистого цинка можно обнаружить частые вспышки.
β-частицы наблюдать таким методом сложно, так как они, имея малую массу и обладая малой кинетической энергией, вызывают очень слабое свечение экрана.
Но даже регистрация α-частиц методом сцинтилляций не даёт необходимой точности. Дело в том, что результат подсчёта вспышек на экране зависит от остроты зрения учёного — сколько тот сумеет увидеть, столько частиц и зарегистрирует. Невозможным также оказывается и длительное наблюдение, так как глаз очень быстро утомляется.
Ещё одним видом дискретных детекторов является ионизационная камера, предназначенная для измерения уровня ионизирующего излучения. Оно происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме камеры. Отличительной особенностью ионизационной камеры является сравнительно малая напряжённость электрического поля в газовом промежутке. Однако с помощью ионизационной камеры можно измерить лишь мощность дозы излучения и не более того.
Значительно более совершенным прибором является счётчик Гейгера, изобретённый в 1908 году немецким учёным Гансом Вильгельмом Гейгером.
Прибор состоит из стеклянной трубки, наполненной газом, к внутренним стенкам которой прилегает тонкий металлический цилиндр, являющийся катодом. В качестве анода выступает тонкая металлическая нить, натянутая по оси счётчика. Анод через резистор, обладающий большим сопротивлением (до миллиона Ом), подключается к источнику постоянного высокого напряжения и регистрирующему устройству.
Счётчик Гейгера в основном применяется для регистрации β-излучения, но существуют модели, пригодные и для регистрации γ-квантов.
Из преимуществ счётчика Гейгера отметим высокую скорость регистрации — порядка десяти тысяч частиц в секунду. А эффективность счётчика при регистрации электронов составляет 100 %.
Но счётчик Гейгера имеет и недостатки. Так, эффективность регистрации гамма-квантов составляет всего около одного процента. А регистрация тяжёлых частиц затруднена, так как сложно сделать в счётчике достаточно тонкое “окошко”, прозрачное для этих частиц. Кроме того, прибор позволяет регистрировать только факт пролёта через него частицы.
Намного большие возможности для изучения микромира предоставляет камера Вильсона — прибор, изобретённый в тысяча девятьсот двенадцатом году шотландским физиком Чарлзом Вильсоном.
Камера Вильсона состоит из цилиндрического сосуда, верхние стенки которого сделаны из прозрачного материала. Внутри цилиндра находится подвижный поршень. Камера содержит насыщенные пары воды или спирта. При быстром опускании поршня в камере образуется пересыщенный пар. В обычных условиях это бы вызвало появление тумана, но в камере Вильсона этого не происходит, так как воздух в ней предварительно очищают от так называемых ядер конденсации (это пылинки, ионы и прочее).
Изучаемые частицы впускаются в камеру через тонкое окошко (хотя иногда источник частиц помещается непосредственно в камеру). Эти частицы, пролетая через камеру, создают на своём пути ионы. Эти ионы становятся центрами конденсации, на которых водяной пар собирается в виде маленьких капелек. Вдоль всего пути частицы возникает тонкий след из капелек воды — трек, который и даёт изображение этого пути. Но тепловое движение молекул быстро размывает трек частиц, и траектории частиц видны отчётливо лишь около одной десятой секунды, что, однако, достаточно для фотографирования.
Вид трека на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине её энергии. Так, α-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны — более тонкий, а электроны — пунктирный.
Советские физики Пётр Леонидович Капица и Дмитрий Владимирович Скобельцын предложили размещать камеру в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. По радиусу кривизны траектории и интенсивности треков можно определить энергию и массу частицы.
Одной из разновидностей камеры Вильсона является пузырьковая камера, изобретённая в тысяча девятьсот пятьдесят втором году Дональдом Глазером. Принцип её действия схож с действием камеры Вильсона. Только вместо пересыщенного пара в ней используется перегретая жидкость, то есть жидкость, нагретая выше температуры кипения. Принцип работы камеры следующий. Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии, близком к вскипанию. При резком уменьшении давления жидкость становится перегретой. И если в этом состоянии в камеру попадёт заряженная частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара, поскольку образовавшиеся в жидкости ионы служат центрами парообразования, и может быть сфотографирована.
Из преимуществ пузырьковой камеры перед камерой Вильсона выделим большую плотностью рабочего вещества, из-за чего частица теряет больше энергии, чем в газе. Поэтому частицы, обладающие большой энергией, застревают в камере. Это позволяет гораздо точнее определить направление движения частицы и её энергию, а также наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.
Ещё одним трековым детектором является искровая камера. Она представляет собой набор параллельных проводящих пластин, разделённых газом и электрически изолированных друг от друга. При пролёте частицы вдоль её траектории проскакивают искры, создавая огненный трек. При этом искры не только хорошо видны, но и слышны.
В 1925 году русский и советский физик Лев Владимирович Мысовский изобрёл метод регистрации заряженных частиц с использованием толстослойных фотоэмульсий.
Суть метода достаточно проста. Заряженные частицы, проходящие через фотоэмульсию, вызывают распад молекул бромистого серебра на ионы серебра и брома. Цепочка модифицированных таким образом кристалликов бромистого серебра образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и образуется трек частицы, по длине и толщине которого можно судить о массе частицы и её энергии.
Главным преимуществом метода толстослойных фотоэмульсий, помимо простоты применения, является то, что он даёт неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Это привело к широкому применению данного метода при исследовании новых элементарных частиц.
Сегодня мы поговорим об экспериментальных методах исследования частиц. На уроке мы обсудим, как с помощью альфа-частиц, образующихся в результате распада радиоактивного элемента радия, можно изучить внутреннее строение атомов. Также поговорим об экспериментальных методах исследования частиц, входящих в состав атома.
Один из методов регистрации частиц – метод сцинтилляций. При попадании частицы в люминесцентный материал происходит вспышка, называемая сцинтилляцией.
Другой вариант – счётчик Гейгера.
В стеклянную колбу закачан инертный газ, обычно аргон. И на них подано большое напряжение. Катод – это пластина, анод – это проволока. Если через трубку пролетает частица, способная ионизировать атомы (а при радиоактивном распаде выделяются именно такие частицы), то она создаёт пробой, и в сети появляется ток. Затем счётчик подсчитывает число таких пробоев в единицу времени и делает вывод о числе высокоэнергетических частиц.
Ещё более навороченный прибор – камера Вильсона. Камера Вильсона – это резервуар с пересыщенным паром воды и спирта. Вода и спирт стремятся сконденсироваться… Но не выходит, так как из камеры удалено всё, что могло бы быть центрами конденсации.
Когда сквозь камеру Вильсона пролетает частица, она ионизирует атомы, оказавшиеся на пути, и те становятся центрами кристаллизации, и по пути следования частицы возникает дорожка из сконденсировавшегося пара – трек.
Рекомендую глянуть, это красиво. Смотреть с 1:40:
Если поместить камеру Вильсона в магнитное поле, заряженные частицы станут двигаться по спирали. По направлению изгиба можно узнать знак заряда частицы, а по радиусу кривизны можно судить о массе, заряде и скорости.
Модификация камеры Вильсона – это пузырьковая камера. В ней вместо пересыщенного пара перегретая жидкость.
Редактировать этот урок и/или добавить задание Добавить свой урок и/или задание
Добавить интересную новость
Добавить анкету репетитора и получать бесплатно заявки на обучение от учеников
user->isGuest) < echo (Html::a('Войдите', ['/user/security/login'], ['class' =>'']) . ' или ' . Html::a('зарегистрируйтесь', ['/user/registration/register'], ['class' => '']) . ' , чтобы получать деньги $$$ за каждый набранный балл!'); > else < if(!empty(\Yii::$app->user->identity->profile->first_name) || !empty(\Yii::$app->user->identity->profile->surname))< $name = \Yii::$app->user->identity->profile->first_name . ' ' . \Yii::$app->user->identity->profile->surname; > else < $name = ''; >echo 'Получайте деньги за каждый набранный балл!'; > ?>-->
При правильном ответе Вы получите 2 балла
Что из нижеперечисленного позволяет определить траекторию каждой отдельной частицы?
Выберите те ответы, которые считаете верными.
Lorem iorLorem ipsum dolor sit amet, sed do eiusmod tempbore et dolore maLorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod tempborgna aliquoLorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod tempbore et dLorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod tempborlore m mollit anim id est laborum.
28.01.17 / 22:14, Иван Иванович Ответить +5
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetu sed do eiusmod qui officia deserunt mollit anim id est laborum.
28.01.17 / 22:14, Иван ИвановичОтветить -2
Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing sed do eiusmod tempboLorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod temLorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipisicing elit, sed do eiusmod tempborpborrum.
Читайте также: