Элементарные частицы удаётся наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своём прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, её энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порождёнными ими заряженными частицами.
Приборы, применяемые для регистрации ионизирующих частиц, подразделяются на две группы. К первой группе относятся устройства, которые регистрируют факт пролёта частицы и позволяют судить об её энергии. Вторую группу образуют трековые приборы, т. е. приборы, позволяющие наблюдать следы частиц в веществе.
Регистрирующие приборы
К числу регистрирующих приборов относятся ионизационные камеры и газоразрядные счётчики . Широкое распространение получили черенковские счётчики и сцинтилляционные счётчики .
Заряженная частица, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет. Вещества, в которых заряженные частицы возбуждают заметную световую вспышку (сцинтилляцию), называют фосфорами. Фосфоры бывают органические и неорганические.
Сцинтилляционный счетчик состоит из фосфора, от которого свет подается по специальному светопроводу к фотоумножителю. Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету. Определяется также амплитуда импульсов (которая пропорциональна интенсивности световых вспышек), что дает дополнительную информацию о регистрируемых частицах.
Счетчики часто объединяются в группы и включаются так, чтобы регистрировались только такие события, которые отмечаются одновременно несколькими приборами, либо только одним ним из них. В первом случае говорят, что счетчики включены по схеме совпадений, во втором -- по схеме антисовпадений.
Трековые приборы
К числу трековых приборов относится камеры Вильсона, пузырьковые камеры, искровые камеры и эмульсионные камеры.
Камера Вильсона. Так называют прибор, созданный английским физиком Ч. Вильсоном в 1912 г. Дорожка из ионов, проложенная летящей заряженной частицей, становится видимой в камере Вильсона, потому что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой-либо жидкости. Прибор работает не непрерывно, а циклами. Сравнительно короткое время чувствительности камеры чередуется с мертвым временем (в 100--1000 раз большим), в течение которого камера готовится к следующему рабочему циклу. Пересыщение достигается за счет внезапного охлаждения, вызываемого резким (адиабатическим) расширением рабочей смеси, состоящей из неконденсирующегося газа (гелия, азота, аргона) и паров воды, этилового спирта и т. п. В этот же момент производится стереоскопическое (т. е. с нескольких точек) фотографирование рабочего объема камеры. Стереофотографии позволяют воссоздать пространственную картину зафиксированного явления. Так как отношение времени чувствительности к мертвому времени очень мало, приходится иногда делать десятки тысяч снимков, прежде чем будет зафиксировано какое-либо событие, обладающее небольшой вероятностью. Чтобы увеличить вероятность наблюдения редких явлений, используются управляемые камеры Вильсона, у которых работой расширительного механизма управляют счетчики частиц, включенные в электронную схему, выделяющую нужное событие.
Пузырьковая камера. В изобретенной Д. А. Глезером в 1952 г. пузырьковой камере пересыщенные пары заменены прозрачной перегретой жидкостью (т. е. жидкостью, находящейся под внешним давлением, меньшим давления ее насыщенных паров). Пролетевшая через камеру ионизирующая частица вызывает бурное вскипание жидкости, вследствие чего след частицы оказывается обозначенным цепочкой пузырьков пара -- образуется трек. Пузырьковая камера, как и камера Вильсона, работает циклами. Запускается камера резким снижением (сбросом) давления, вследствие чего рабочая жидкость переходит в метастабильное перегретое состояние. В качестве рабочей жидкости, которая одновременно служит мишенью для пролетающих через нее частиц, применяются жидкий водород (в этом случае нужны низкие температуры).
Искровые камеры. В 1957 г. Краншау и де-Биром был сконструирован прибор для регистрации траекторий заряженных частиц, названный искровой камерой. Прибор состоит из системы плоских параллельных друг другу электродов, выполненных в виде каркасов с натянутой на них металлической фольгой либо в виде металлических пластин. Электроды соединяются через один. Одна группа электродов заземляется, а на другую периодически подается кратковременный (длительностью 10 -7 сек) высоковольтный импульс (10-- 15 кВ). Если в момент подачи импульса через камеру пролетит ионизирующая частица, её путь будет отмечен цепочкой искр, проскакивающих между электродами. Прибор запускается автоматически с помощью включенных по схеме совпадений дополнительных счетчиков, регистрирующих прохождение через рабочий объем камеры исследуемых частиц. В камерах, наполненных инертными газами, межэлектродное расстояние может достигать нескольких сантиметров. Если направление полета частицы образует с нормалью к электродам угол, не превышающий 40°, разряд в таких камерах развивается по направлению трека частицы.
Метод фотоэмульсий. Советские физики Л. В. Мысовский и А. П. Жданов впервые применили для регистрации элементарных частиц фотопластинки. Заряженная частица, проходя через фотоэмульсию, вызывает такое же действие, как и фотоны. Поэтому после проявления пластинки в эмульсии образуется видимый след (трек) пролетевшей частицы. Недостатком метода фотопластинок была малая толщина эмульсионного слоя, вследствие чего получались полностью лишь треки частиц летящих параллельно плоскости слоя. В эмульсионных камерах облучению подвергаются толстые пачки (весом до нескольких десятков килограммов), составленные из отдельных слоев фотоэмульсии (без подложки). После облучения пачка разбирается на слои, каждый из которых проявляется и просматривается под микроскопом. Для того чтобы можно было проследить путь частицы при переходе из одного слоя в другой, перед разборкой пачки на все слои наносится с помощью рентгеновских лучей одинаковая координатная сетка.
Трековые методы.
Заряженная частица, двигаясь в газе, ионизирует его, создавал на своём пути цепочку ионов. Если создать в газе резкий
скачок давления, то на этих ионах, как на центрах конденсации, оседает пересыщенный пар, образуя цепочку капелек жидкости - трек.
А) Камера Вильсона
(англ.) 1912 г.
1) стеклянный цилиндрический сосуд, покрытый сверху стеклом;
2) снизу сосуд покрыт слоем чёрного влажного бархата или сукна;
З) сетка, над поверхностью которой образуется насыщенный пар.
4) поршень, при быстром опускании которого происходит адиабатное расширение газа, что сопровождается
понижением его температуры, пар становится переохлаждённым (пересыщенным).
Заряженные частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, пролетая в газе, создают на своём пути цепочку ионов. При опускании поршня на этих ионах, как на центрах конденсаций, образуются капельки жидкости. Таким образом, при полёте частица оставляет за собой след (трек), который хорошо виден и может быть сфотографирован. По толщине и длине трека судят о массе и энергии частицы.
П.Л. Капица и Д.В. Скобельцын предложили поместить камеру в магнитное ноле. На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, что приводит к искривлению трека. По форме трека и характеру его искривления можно вычислить импульс частицы и её масс у, а также определить знак заряда частоты.
Б) Пузырьковая камера Глезера
(США) 1952 г.
Трек возникает в перегретой жидкости. В рабочем состоянии пузырьковая камера, как и камера Вильсона, оказывается в момент резкого скачка давления. Пузырьковые камеры также помещают в сильное магнитное поле, искривляющее траектории частиц.
Нейтральные частицы не оставляют треков, но тем не менее их тоже можно обнаружить с ПОМОЩЬЮ камеры Вильсона или пузырьковой камеры по вторичным эффектам. Так, если нейтральная частица распадается на две (или более) заряженные частицы, разлетающиеся в разные направления, то, исследуя треки вторичных частиц и определив их энергии и импульсы, можно по законам сохранения определить свойства первичной нейтральной частицы.
В) Метод толстостенных фотоэмульсий
(1928 г., Мысовский и Жданов)
Он основан на использовании почернения зерен бромистого серебра, входящих в состав фотографичеекого слоя, под действием проходящих вблизи них заряженных частиц. После проявления фотоэмульсии в них можно наблюдать треки таких частим. Ядерные фотоэмульсии применяют в виде слоев толщиной от 0,5 до 1 мм. Это позволяет исследовать траектории частиц высоких энергий. Существенным преимуществом метода фотоэмульсии, по мимо простоты применения, является то, что с его помощью получают неисчезающий
след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Метод ядерных фотоэмульсий широко применяют при изучении свойств новых элементарных частиц и исследованиях космического излучения.
Метод счёта числа
частиц. В качестве одного из первых и простейших приборов для регистрации частиц
был использован экран, покрытый люминесцирующим составом. В той точке экрана, куда попадает частица с достаточно большой энергией, возникает вспышка – сцинтилляция.
А) Спинтарископ.
Ещё в 1903 г. У. Крукс (англ.) обнаружил, что при попадании альфа-частиц на флуоресцирующие вещества они вызывают слабые световые вспышки - так называемые сцинтилляции. Каждая вспышка характеризовала действие одной частицы. Устройство простейшего прибора, предназначенного для регистрации отдельных альфа-частиц. Основными деталями спинтарископа являются экран, покрытый слоем сульфида цинка, и короткофокусная лупа. Альфа-радиоактивный препарат помещают на конце стержня примерно против середины экрана. При попадании альфа-частицы в кристалл сульфида цинка возникает вспышка света, которую можно зарегистрировать при наблюдении через лупу.
Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией.
Б) Счётчики Гейгера-
Мюллера
(нем.) 1928 г.
Газоразрядные счётчики работают на принципе регистрации самостоятельного газового разряда, возникающего при полёте заряженной частицы через рабочий объём счётчика. В ОТЛИЧИе от ионизационной камеры, регистрирующей суммарную интенсивность пучка заряженных частиц, счётчик Гейгера Мюллера регистрирует каждую частицу отдельно. Каждая вспышка действует на фотокатод электронного умножителя и выбивает из него электроны. Последние, проходящие ряд каскадов умножителя, образуют на выходе импульс тока, который затем подается на вход усилителя и приводит в действие какой-либо счетчик. Интенсивность отдельных импульсов можно наблюдать на осциллографе. Определяют не только число частиц, но и распределение их по энергиям.
Ионизационная камера.
Для измерения доз ионизирующих излучений применяются ионизационные камеры.
Ионизационная камера представляет собой цилиндрический конденсатор, между электродами которого находится воздух или другой газ. С помощью источника постоянного напряжения между электродами камеры создаётся электрическое поле. В обычных условиях в воздухе свободных зарядов очень мало, поэтому измерительный прибор, включенный в цепь камеры, тока не обнаруживает. При облучении рабочего объёма ионизационной камеры ионизирующими излучениями происходит ионизация воздуха. Положительные и отрицательные ионы под действием электрического поля приходят в движение. Сила ионизационного тока в камере обычно составляет доли микроампера. Для измерения таких слабых ТОКОВ применяются специальные усилительные схемы.
С помощью ионизационных камер можно регистрировать любые виды ядерных излучений.
65. Открытие радиоактивности. Естественная радиоактивность. Виды радиоактивного излучения.
Радиоактивность есть результат процессов, протекающих внутри атомов вещества.
Самопроизвольный распад
атомных ядер радиоактивных элементов, встре
чающихся в естественных условиях, называется естественной радиоактивностью.
Виды: - лучи, полностью ионизированный атом гелия, проходя через вещество, тормозиться за счет ионизации и возбуждения атомов и молекул, а также диссоциации молекул, в электрическом и магнитном поле отклоняются слабо.
- лучи, поток электронов, чтобы задержать бета – излучение, нужен слой металла толщиной 3 см, в электрическом и магнитном поле отклоняются сильно.
- лучи, коротковолновые электромагнитные излучения, проникающая способность гораздо больше рентгеновского излучения, не отклоняются.
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 R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.
Особенности Для того чтобы счетчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически. Счетчик регистрирует почти все попадающие в него электроны; что же касается γ-квантов, то он регистрирует приблизительно только один γ - квант из ста. Регистрация тяжелых частиц (например, α-частиц) затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.
Камера Вильсона В камере же Вильсона, созданной в 1912 г., быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или сфотографировать. Этот прибор можно назвать «окном» в микромир, т. е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем.
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.
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.
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.
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.
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.
Принцип действия 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 длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.
Особенности Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (порядка 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.
>> Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц
Глава 13. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
Выражения атомное ядро и элементарные частицы уже неоднократно упоминались. Вы знаете, что атом состоит из ядра и электронов. Само атомное ядро состоит из элементарных частиц, нейтронов и протонов. Раздел физики, в котором исследуется строение и превращение атомных ядер, называется ядерной физикой. Первоначально разделения на ядерную физику и физику элементарных частиц не было. С многообразием мира элементарных частиц физики столкнулись при изучении ядерных процессов. Выделение физики элементарных частиц в самостоятельную область исследования произошло около 1950 г. Сегодня существуют два самостоятельных раздела физики: содержание одного из них составляет изучение атомных ядер, а содержание другого - изучение природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.
§ 97 МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Вначале ознакомимся с устройствами, благодаря которым возникла и начала развиваться физика атомного ядра и элементарных частиц. Это устройства для регистрации и изучения столкновений и взаимных превращений ядер и элементарных частиц. Именно они дают людям необходимую информацию о микромире.
Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц. Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы или движущиеся атомные ядра, подобно заряженному ружью с взведенным курком. Небольшое усилие при нажатии на спусковой крючок ружья вызывает эффект, не сравнимый с затраченным усилием, - выстрел.
Регистрирующий прибор - это более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу. В настоящее время используется множество различных методов регистрации частиц.
В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам.
Газоразрядный счетчик Гейгера. Счетчик Гейгера - один из важнейших приборов для автоматического подсчета частиц.
Счетчик (рис. 13.1) состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон , -частица и т. д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.
Для того чтобы счетчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный paзряд, необходимо погасить. Это происходит автоматически. Так как в момент появления импульса тока падение напряжения на нагрузочном резисторе R велико, то напряжение между анодом и катодом резко уменьшается - настолько, что разряд прекращается.
Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и -квантов (фотонов большой энергии).
В настоящее время созданы счетчики, работающие на и пых принципах.
Камера Вильсона. Счетчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые ее характеристики. В камере же Вильсона, созданной в 1912 г., быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или сфотографировать. Этот прибор можно назвать окном в микромир , т. е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем.
Принцип действия камеры Вильсона основан на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.
Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению (рис. 13.2). При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под ним, пар в камере адиабатно расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение, и пар становится перенасыщенным. Это -неустойчивое состояние пара: он легко конденсируется, если в сосуде появляются центры конденсации. Центрами
конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Если частица проникает в камеру сразу после расширения пара, то на ее пути появляются капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы - трек (рис. 13.3). Затем камера возвращается в исходное состояние, и ионы удаляются электрическим полем. В зависимости от размеров камеры время восстановления рабочего режима варьируется от нескольких секунд до десятков минут.
Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счетчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека - 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 толщины.
Советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле.
Магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу с определенной силой (силой Лоренца). Эта сила искривляет траекторию частицы, не изменяя модуля ее скорости. Трек имеет тем большую кривизну, чем больше заряд частицы и чем меньше ее масса. По кривизне трека можно определить отношение заряда частицы к ее массе. Если известна одна из этих величин, то можно вычислить другую. Например, по заряду частицы и кривизне ее трека можно найти массу частицы.
Пузырьковая камера. В 1952 г. американским ученым Д. Глейзером было предложено использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах (центрах парообразования), образующихся при движении быстрой заряженной частицы, появляются пузырьки пара, дающие видимый трек. Камеры данного типа были названы пузырьковыми.
В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости несколько выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой, и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженые частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара (рис. 1.4.4). И качестве жидкости используются главным образом жидкий водород и пропан. 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.
Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере - один из главных источников информации о поведении и свойствах частиц.
Наблюдение следов элементарных частиц производит сильное впечатление, создает ощущение непосредственного соприкосновения с микромиром.
Метод толстослойных фотоэмульсий. Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Беккерелю открыть в 1896 г. радиоактивность. Метод фотоэмульсии был развит советскими физиками Л. В. Мысовским, Г. Б. Ждановым и др.
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 (рис. 13.5). По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.
Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (порядка 10 -3 см для -частиц, испускаемых радиоактивными элементами), но при фотографировании их можно увеличить.
Преимущество фотоэмульсий 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.
Мы рассказали далеко не о всех приборах, регистрирующих элементарные частицы. Современные приборы для обнаружения редко встречающихся и короткоживущих частиц очень сложны. В их создании принимают участие сотни людей.
1. Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаря женные частицы!
2. Какие преимущества имеет пузырьковая камера по сравнению с камерой Вильсона!
В данной статье мы поможем подготовиться к уроку по физике (9 класс). исследования частиц - это не обычная тема, а очень интересная и захватывающая экскурсия в мир молекулярной ядерной науки. Достичь такого уровня прогресса цивилизация смогла совсем недавно, и ученые до сих пор спорят, а нужны ли человечеству такие знания? Ведь если люди смогут повторить процесс атомного взрыва, который привел к появлению Вселенной, то может, разрушится не только наша планета, но и весь Космос.
О каких частицах идет речь и зачем их исследовать
Частично ответы на эти вопросы дает курс физики. Экспериментальные методы исследования частиц - это способ увидеть то, что недоступно человеку даже при использовании самых мощных микроскопов. Но обо всем по-порядку.
Элементарная частица - это совокупный термин, под которым подразумеваются такие частицы, которые уже нельзя расщепить на меньшие кусочки. Всего физиками открыто более 350 элементарных частиц. Мы больше всего привыкли слышать о протонах, нейронах, электронах, фотонах, кварках. Это так называемые фундаментальные частицы.
Характеристика элементарных частиц
Все наименьшие частицы имеют одно и тоже свойство: они могут взаимопревращаться под влиянием собственного воздействия. Одни имеют сильные электромагнитные свойства, другие слабые гравитационные. Но все элементарные частицы характеризуются по следующим параметрам:
- Масса.
- Спин - собственный момент импульса.
- Электрический заряд.
- Время жизни.
- Четность.
- Магнитный момент.
- Барионный заряд.
- Лептонный заряд.
Краткий экскурс в теорию строения вещества
Любое вещество состоит из атомов, которые в свою очередь имеют ядро и электроны. Электроны, подобно планетам в Солнечной системе, двигаются вокруг ядра каждый по своей оси. Расстояние между ними очень большое, в атомных масштабах. Ядро состоит из протонов и нейронов, связь между ними настолько крепкая, что их невозможно разъединить ни одним известным науке способом. В этом и состоит суть экспериментальных методов исследования частиц (кратко).
Нам тяжело это представить, но ядерная связь превосходит все известные на земле силы в миллионы раз. Мы знаем химический, ядерный взрыв. Но то, что сдерживает протоны и нейроны в совокупности - это нечто иное. Возможно, это ключ к разгадке тайны возникновения мироздания. Именно поэтому так важно изучать экспериментальные методы изучения частиц.
Многочисленные опыты натолкнули ученых на мысль, что нейроны состоят из еще меньших единиц и назвали их кварками. Что находится внутри них, пока не известно. Но кварки - это неразделяемые единицы. То есть, выделить одну не получается никаким способом. Если ученые используют экспериментальный метод исследования частиц с целью выделить один кварк, то сколько бы попыток они не предпринимали, всегда выделяется минимум два кварка. Это еще раз подтверждает нерушимую силу ядерного потенциала.
Какие существуют методы исследования частиц
Перейдем непосредственно к экспериментальным методам исследования частиц (таблица 1).
| Название метода | Принцип действия |
|
| Свечение (люминесценция) | Радиоактивный препарат испускает волны, благодаря которым происходит столкновение частиц и могут наблюдаться отдельные свечения. |
|
| Ионизация молекул газа быстрыми заряженными частицами | Опускает с большой скоростью поршень, что приводит к сильному охлаждению пара, который становится перенасыщенным. Капельки конденсата указывают на траектории движения цепочки ионов. |
|
| Пузырьковая камера | Ионизация жидкости | Объем рабочего пространства наполнен горячим жидким водородом или пропаном, на которые воздействуют под давлением. Доводят состояние до перегретого и резко уменьшают давление. Заряженные частицы, воздействуя еще большей энергией, заставляют водород или пропан закипеть. На той траектории, по которой двигалась частица образовываются капельки пара. |
| Метод сцинтилляций (Спинтарископ) | Свечение (люминесценция) |
Когда молекулы газа ионизируются, возникает большое количество электронно-ионных пар. Чем больше напряженность, тем больше возникает свободных пар, пока не достигнет пика и не останется ни одного свободного иона. В этот момент счетчик регистрирует частицу. Это один из первых экспериментальных методов исследования заряженных частиц, и был изобретен на пять лет позже счетчика Гейгера - в 1912 году.
Строение простое: стеклянный цилиндр, внутри - поршень. Внизу постелена черная ткань, пропитанная водой и спиртом, благодаря чему воздух в камере насыщен их парами. Поршень начинают опускать и поднимать, создавая давление, в результате чего газ остывает. Должен образоваться конденсат, но его нет, поскольку в камере отсутствует центр конденсации (ион или пылинка). После этого колбу приподнимают для попадания частички - иона или пыли. Частица начинает движение и по ее траектории образовывается конденсат, который можно увидеть. Путь, который проходит частица, называется трек. Недостатком такого метода является слишком маленький пробег частиц. Это привело к появлению более прогрессивной теории, основанной на устройстве с более плотной средой.
Пузырьковая камераАналогичный принцип действия камеры Вильсона имеет следующий экспериментальный метод исследования частиц - Только вместо насыщенного газа, в стеклянной колбе находится жидкость. Основа теории такова, что под высоким давлением жидкость не может начать кипеть выше точки закипания. Но как только появляется заряженная частица, по треку ее движения жидкость начинает закипать, переходя в парообразное состояние. Капельки этого процесса фиксируются камерой.
Метод толстослойных фотоэмульсийВернемся к таблице по физике "Экспериментальные методы исследования частиц". В ней, на ряду с камерой Вильсона и пузырьковым методом, рассматривался способ регистрации частиц с помощью толстослойной фотоэмульсии. Впервые эксперимент был поставлен советскими физиками Л.В. Мысовским и А.П. Ждановым в 1928 году. Идея очень проста. Для опытов используют пластину, покрытую толстым слоем фотоэмульсий. Эта фотоэмульсия состоит из кристалликов бромида серебра. Когда заряженная частица пронизывает кристаллик, она отделяет от атома электроны, которые образуют скрытую цепочку. Ее можно увидеть, проявив пленку. Полученное изображение позволяет рассчитать энергию и массу частицы. На самом деле, трек получается очень коротким и микроскопически маленьким. Но метод хорош тем, что проявленный снимок можно увеличивать бесконечное число раз, тем самым лучше изучая его. Метод сцинтилляцийВпервые его провел Резерфорд в 1911 году, хотя идея возникла немного раньше и у другого ученого - У. Крупе. Несмотря на то, что разница составляла 8 лет, за это время пришлось усовершенствовать прибор.
Основной принцип состоит в том, что на экране, покрытом люминесцирующим веществом, будут отображаться вспышки света при прохождении заряженной частицы. Атомы вещества возбуждаются при воздействии на них частицы с мощной энергией. В момент столкновения происходит вспышка, которую наблюдают в микроскоп. Этот метод очень непопулярен среди физиков. У него есть несколько недостатков. Первое, точность полученных результатов очень сильно зависит от остроты зрения человека. Если моргнуть - можно пропустить очень важный момент. Второе - при длительном наблюдении очень быстро устают глаза, и поэтому, изучение атомов становится невозможным. ВыводыСуществует несколько экспериментальных методов исследования заряженных частиц. Поскольку атомы веществ настолько маленькие, что их тяжело увидеть даже в самый мощный микроскоп, ученым приходится ставить различные опыты, чтобы понять, что находится в середине центра. На данном этапе развития цивилизации проделан огромный путь и изучены самые недоступные взору элементы. Возможно, именно в них кроются тайны Вселенной. |
Loading...