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Unterrichtstyp: Lektion lernen neues Material.

Art des Unterrichts: kombiniert.

Technologie: problemdialogisch.

Das Ziel des Unterrichts: Organisieren Sie die Aktivitäten der Studenten beim Studium und der primären Konsolidierung des Wissens über die Methoden zur Registrierung geladener Teilchen.

Ausrüstung: Computer und Multimedia-Projektor, Präsentation.

Verfahren zum Nachweis geladener Teilchen

Heute scheint es fast unglaubwürdig, wie viele Entdeckungen in der Kernphysik mit natürlichen Quellen radioaktiver Strahlung mit einer Energie von nur wenigen MeV und einfachsten Detektionsgeräten gemacht wurden. Der Atomkern wurde entdeckt, seine Dimensionen ermittelt, erstmals eine Kernreaktion beobachtet, das Phänomen Radioaktivität, das Neutron und das Proton wurden entdeckt, die Existenz des Neutrinos wurde vorhergesagt und so weiter. Der Hauptteilchendetektor war lange Zeit eine mit Zinksulfid beschichtete Platte. Die Partikel wurden vom Auge durch die von ihnen erzeugten Lichtblitze im Zinksulfid registriert.

Im Laufe der Zeit wurden die Versuchsaufbauten immer komplexer. Techniken zum Beschleunigen und Detektieren von Partikeln und Nuklearelektronik wurden entwickelt. Fortschritte in der Kern- und Elementarteilchenphysik werden zunehmend von Fortschritten auf diesen Gebieten bestimmt. Nobelpreise in Physik werden oft für Arbeiten auf dem Gebiet der physikalischen Experimentiertechnik vergeben.

Detektoren dienen sowohl dazu, die Anwesenheit eines Teilchens selbst zu registrieren, als auch seine Energie und seinen Impuls, die Flugbahn des Teilchens und andere Eigenschaften zu bestimmen. Um Partikel zu registrieren, werden häufig Detektoren verwendet, die möglichst empfindlich auf die Registrierung eines bestimmten Partikels reagieren und den großen Hintergrund, der durch andere Partikel erzeugt wird, nicht fühlen.

Normalerweise ist es bei kern- und teilchenphysikalischen Experimenten notwendig, "notwendige" Ereignisse von einem gigantischen Hintergrund "unnötiger" Ereignisse zu unterscheiden, vielleicht einem von einer Milliarde. Dazu werden verschiedene Kombinationen von Zählern und Registrierungsverfahren verwendet.

Registrierung geladener Teilchen basiert auf dem Phänomen der Ionisation bzw. Anregung von Atomen, die sie in der Substanz des Detektors hervorrufen. Dies ist die Grundlage für den Betrieb von Detektoren wie Nebelkammer, Blasenkammer, Funkenkammer, fotografische Emulsionen, Gasszintillations- und Halbleiterdetektoren.

1. Geigerzähler

Der Geigerzähler ist in der Regel eine zylindrische Kathode, entlang deren Achse ein Draht gespannt ist - die Anode. Das System ist mit einem Gasgemisch gefüllt. Beim Durchgang durch den Zähler ionisiert das geladene Teilchen das Gas. Die resultierenden Elektronen, die sich in Richtung des positiven Elektrodenfilaments bewegen und in den Bereich eines starken elektrischen Felds fallen, werden beschleunigt und ionisieren wiederum Gasmoleküle, was zu einer Koronaentladung führt. Die Signalamplitude erreicht mehrere Volt und ist leicht aufzuzeichnen. Der Geigerzähler registriert den Durchgang eines Teilchens durch den Zähler, erlaubt jedoch keine Messung der Energie des Teilchens.

2. Nebelkammer

Eine Nebelkammer ist ein Spurdetektor für geladene Elementarteilchen, bei dem die Spur (Spur) eines Teilchens entlang seiner Bewegungsbahn eine Kette kleiner Flüssigkeitströpfchen bildet. 1912 von C. Wilson erfunden (Nobelpreis 1927).

Das Funktionsprinzip einer Nebelkammer basiert auf der Kondensation von übersättigtem Dampf und der Bildung von sichtbaren Flüssigkeitströpfchen auf Ionen entlang der Spur eines geladenen Teilchens, das durch die Kammer fliegt. Zur Erzeugung von übersättigtem Dampf erfolgt mit Hilfe eines mechanischen Kolbens eine schnelle adiabatische Expansion des Gases. Nach dem Fotografieren der Spur wird das Gas in der Kammer wieder komprimiert, die Tröpfchen auf den Ionen verdampfen. Das elektrische Feld in der Kammer dient dazu, die Kammer von Ionen zu „reinigen“, die bei der vorherigen Gasionisation entstanden sind. In einer Nebelkammer werden die Spuren geladener Teilchen durch die Kondensation von übersättigtem Dampf auf den durch das geladene Teilchen gebildeten Gasionen sichtbar. Auf den Ionen bilden sich Flüssigkeitströpfchen, die bei gutem Licht auf eine Größe anwachsen, die für die Beobachtung (10–3–10–4 cm) und Fotografie ausreicht. Das Arbeitsmedium ist meistens eine Mischung aus Wasserdampf und Alkohol bei einem Druck von 0,1-2 Atmosphären (Wasserdampf kondensiert hauptsächlich an negativen Ionen, Alkoholdampf an positiven Ionen). Die Übersättigung wird durch einen schnellen Druckabfall aufgrund der Ausdehnung des Arbeitsvolumens erreicht. Die Fähigkeiten der Nebelkammer erhöhen sich erheblich, wenn sie in einem Magnetfeld platziert werden. Entsprechend der Flugbahn eines durch ein Magnetfeld gekrümmten geladenen Teilchens werden das Vorzeichen seiner Ladung und seines Impulses bestimmt. Mit einer Nebelkammer entdeckte K. Anderson 1932 ein Positron in der kosmischen Strahlung.

3. Blasenkammer

Blasenkammer– ein Spurdetektor für geladene Elementarteilchen, bei dem die Spur (Spur) eines Teilchens entlang seiner Bewegungsbahn eine Kette von Dampfblasen bildet. 1952 von A. Glaser erfunden (Nobelpreis 1960).

Das Funktionsprinzip basiert auf dem Aufkochen einer überhitzten Flüssigkeit entlang der Spur eines geladenen Teilchens. Die Blasenkammer ist ein Gefäß, das mit einer transparenten überhitzten Flüssigkeit gefüllt ist. Bei schnellem Druckabfall bildet sich entlang der Bahn des ionisierenden Teilchens eine Kette von Dampfblasen, die von einer externen Quelle beleuchtet und fotografiert werden. Nach dem Fotografieren der Spur steigt der Druck in der Kammer, die Gasblasen kollabieren und die Kammer ist wieder betriebsbereit. Als Arbeitsmedium wird in der Kammer flüssiger Wasserstoff verwendet, der gleichzeitig als Wasserstoff-Target dient, um die Wechselwirkung von Teilchen mit Protonen zu untersuchen.

Die Nebelkammer und die Blasenkammer haben den großen Vorteil, alle bei jeder Reaktion entstehenden geladenen Teilchen direkt beobachten zu können. Zur Bestimmung der Teilchenart und ihres Impulses werden Wolkenkammern und Blasenkammern in ein Magnetfeld gebracht. Die Blasenkammer weist im Vergleich zur Nebelkammer eine höhere Dichte des Detektormaterials auf, weshalb die Bahnen geladener Teilchen vollständig im Volumen des Detektors eingeschlossen sind. Das Entschlüsseln von Fotografien aus Blasenkammern stellt ein separates zeitaufwändiges Problem dar.

4. Kernemulsionen

In ähnlicher Weise stört ein geladenes Teilchen, wie es in der gewöhnlichen Fotografie der Fall ist, die Struktur des Kristallgitters von Silberhalogenidkörnern entlang seines Weges, wodurch sie entwicklungsfähig werden. Kernemulsion ist ein einzigartiges Instrument zur Registrierung seltener Ereignisse. Stapel von Kernemulsionen ermöglichen den Nachweis von Teilchen mit sehr hohen Energien. Sie können verwendet werden, um die Koordinaten der Spur eines geladenen Teilchens mit einer Genauigkeit von ~1 Mikrometer zu bestimmen. Nukleare Emulsionen werden häufig verwendet, um kosmische Teilchen auf Ballons und Raumfahrzeugen nachzuweisen.
Fotoemulsionen als Teilchendetektoren ähneln in gewisser Weise Nebelkammern und Blasenkammern. Sie wurden erstmals von dem englischen Physiker S. Powell verwendet, um kosmische Strahlung zu untersuchen. Eine Fotoemulsion ist eine Gelatineschicht mit darin dispergierten Silberbromidkörnern. Unter Einwirkung von Licht werden in den Silberbromidkörnern latente Bildzentren gebildet, die bei der Entwicklung mit einem herkömmlichen photographischen Entwickler zur Reduktion von Silberbromid zu metallischem Silber beitragen. Der physikalische Mechanismus für die Bildung dieser Zentren ist die Bildung von metallischen Silberatomen aufgrund des photoelektrischen Effekts. Die durch geladene Teilchen erzeugte Ionisation führt zum gleichen Ergebnis: Es entsteht eine Spur sensibilisierter Körner, die nach der Entwicklung unter einem Mikroskop zu sehen ist.

5. Szintillationsdetektor

Der Szintillationsdetektor nutzt die Eigenschaft bestimmter Substanzen, zu leuchten (zu funkeln), wenn ein geladenes Teilchen hindurchtritt. Die im Szintillator erzeugten Lichtquanten werden dann mit Photomultipliern aufgenommen.

Moderne Messeinrichtungen in der Hochenergiephysik sind komplexe Systeme, die Zehntausende von Zählern und eine ausgeklügelte Elektronik umfassen und in der Lage sind, Dutzende von Teilchen, die bei einer Kollision entstehen, gleichzeitig zu registrieren.

Fragen.

1. Erzählen Sie gemäß Abbildung 170 über das Gerät und das Funktionsprinzip des Geigerzählers.

Der Geigerzähler besteht aus einem mit verdünntem Gas (Argon) gefüllten und an beiden Enden verschlossenen Glasrohr, in dessen Inneren sich ein Metallzylinder (Kathode) und ein in den Zylinder gespannter Draht (Anode) befinden. Kathode und Anode sind über einen Widerstand mit einer Hochspannungsquelle (200–1000 V) verbunden. Daher entsteht zwischen Anode und Kathode ein starkes elektrisches Feld. Wenn ein ionisierendes Teilchen in die Röhre eintritt, bildet sich eine Elektronen-Ionen-Lawine und im Stromkreis erscheint ein elektrischer Strom, der von einem Zählgerät aufgezeichnet wird.

2. Welche Partikel registriert ein Geigerzähler?

Der Geigerzähler dient der Registrierung von Elektronen und ϒ-Quanten.

3. Erzählen Sie uns gemäß Abbildung 171 von dem Gerät und dem Funktionsprinzip der Nebelkammer.

Die Nebelkammer ist ein niedriger Glaszylinder mit einem Deckel, einem Kolben am Boden und einer mit Dampf gesättigten Mischung aus Alkohol und Wasser. Wenn sich der Kolben nach unten bewegt, werden die Dämpfe übersättigt, d.h. kann schnell kondensieren. Wenn ein Partikel durch ein spezielles Fenster eintritt, erzeugen sie Ionen in der Kammer, die zu Kondensationskernen werden, und entlang der Flugbahn des Partikels erscheint eine Spur (Spur) von kondensierten Tröpfchen, die fotografiert werden kann. Wenn Sie die Kamera in ein Magnetfeld stellen, werden die Bahnen geladener Teilchen gekrümmt.

4. Welche Eigenschaften von Partikeln lassen sich mit einer Nebelkammer in einem Magnetfeld bestimmen?

Anhand der Richtung der Krümmung wird die Ladung des Teilchens beurteilt, und anhand des Krümmungsradius kann man die Größe der Ladung, Masse und Energie des Teilchens herausfinden.

5. Was ist der Vorteil einer Blasenkammer gegenüber einer Nebelkammer? Wie unterscheiden sich diese Geräte?

In der Sprudelkammer wird anstelle von übersättigtem Dampf eine über den Siedepunkt überhitzte Flüssigkeit verwendet, die sie schneller macht.

Heute werden wir über experimentelle Methoden zur Untersuchung von Teilchen sprechen. In dieser Lektion besprechen wir, wie Alphateilchen aus dem Zerfall des radioaktiven Elements Radium verwendet werden können, um die innere Struktur von Atomen zu untersuchen. Wir werden auch über experimentelle Methoden zur Untersuchung der Teilchen sprechen, aus denen das Atom besteht.

Thema: Der Aufbau des Atoms und des Atomkerns. Nutzung der Energie von Atomkernen

Lektion 54

Yeryutkin Evgeny Sergeevich

Diese Lektion widmet sich einer Diskussion experimenteller Methoden zum Nachweis von Partikeln. Wir haben vorhin darüber gesprochen, dass zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein Werkzeug auftauchte, mit dem man die Struktur des Atoms und die Struktur des Kerns studieren kann. Das sind a-Teilchen, die durch radioaktiven Zerfall entstehen.

Um die bei Kernreaktionen entstehenden Teilchen und Strahlungen zu registrieren, bedarf es einiger neuer Methoden, die sich von denen im Makrokosmos unterscheiden. Übrigens haben Rutherfords Experimente bereits eine solche Methode verwendet. Es wird die Szintillations-(Blitz-)Methode genannt. 1903 wurde entdeckt, dass, wenn ein a-Teilchen auf Zinksulfid trifft, an der Stelle, wo es auftrifft, ein kleiner Blitz entsteht. Dieses Phänomen war die Grundlage der Szintillationsmethode.

Diese Methode war jedoch nicht perfekt. Ich musste sehr genau auf den Bildschirm schauen, um all die Blitze zu sehen, meine Augen wurden müde: Schließlich musste ich ein Mikroskop benutzen. Es wurden neue Methoden benötigt, die es ermöglichen, bestimmte Strahlungen klarer, schneller und zuverlässiger zu registrieren.

Eine solche Methode wäre zum ersten Mal von Geiger, einem Mitarbeiter von Rutherfords Laboratorium, vorgeschlagen worden. Er schuf ein Gerät, das in der Lage ist, geladene Teilchen zu "zählen", die hineinfallen, das sogenannte. Geigerzähler. Nachdem der deutsche Wissenschaftler Müller genau diesen Zähler verbessert hatte, wurde er als Geiger-Müller-Zähler bekannt.

Wie ist es angeordnet? Dieser Zähler ist gasentladend, d.h. Es funktioniert nach diesem Prinzip: Innerhalb dieses Zählers bildet sich in seinem Hauptteil beim Durchgang eines Partikels eine Gasentladung. Ich möchte Sie daran erinnern, dass eine Entladung der Fluss eines elektrischen Stroms in einem Gas ist.

Reis. 1. Schematische Darstellung des Geiger-Müller-Zählers

Ein Glasbehälter, der eine Anode und eine Kathode enthält. Die Kathode ist in Form eines Zylinders dargestellt, und eine Anode ist innerhalb dieses Zylinders gespannt. Durch die Stromquelle entsteht zwischen Kathode und Anode eine ausreichend hohe Spannung. Zwischen den Elektroden, innerhalb des Vakuumgefäßes, befindet sich normalerweise ein Inertgas. Dies geschieht absichtlich, um in Zukunft die gleiche elektrische Entladung zu erzeugen. Außerdem gibt es einen hohen (R ~ 10 9 Ohm) Widerstand in der Schaltung. Es ist notwendig, den in diesem Stromkreis fließenden Strom zu löschen. Und die Arbeit des Zählers ist wie folgt. Wie wir wissen, haben die Teilchen, die durch Kernreaktionen entstehen, eine ziemlich große Durchschlagskraft. Daher stellt der Glasbehälter, in dem sich diese Elemente befinden, für sie kein Hindernis dar. Dadurch dringt das Teilchen in diesen Gasentladungszähler ein und ionisiert das darin befindliche Gas. Als Ergebnis einer solchen Ionisierung werden energiereiche Ionen gebildet, die wiederum zusammenstoßen und durch Zusammenstoß eine Lawine geladener Teilchen erzeugen. Diese Lawine geladener Teilchen besteht aus negativ und positiv geladenen Ionen sowie aus Elektronen. Und wenn diese Lawine vorbeizieht, können wir den elektrischen Strom reparieren. Dies gibt uns die Möglichkeit zu verstehen, dass ein Teilchen den Gasentladungszähler passiert hat.

Das ist praktisch, weil ein solcher Zähler in einer Sekunde ungefähr 10.000 Partikel registrieren kann. Nach einiger Verbesserung begann dieser Zähler auch g-Strahlen zu registrieren.

Na sicher, Geigerzähler- eine bequeme Sache, die es ermöglicht, das Vorhandensein von Radioaktivität im Allgemeinen zu bestimmen. Der Geiger-Müller-Zähler erlaubt es jedoch nicht, die Parameter des Teilchens zu bestimmen, um irgendwelche Forschungen mit diesen Teilchen durchzuführen. Das erfordert ganz unterschiedliche Wege, ganz unterschiedliche Methoden. Bald nach der Schaffung des Geigerzählers erschienen solche Methoden, solche Geräte. Eine der bekanntesten und weitverbreitetsten ist die Nebelkammer.

Reis. 2. Nebelkammer

Achten Sie auf das Kameragerät. Ein Zylinder, der einen Kolben enthält, der sich auf und ab bewegen kann. In diesem Kolben befindet sich ein dunkles Tuch, das mit Alkohol und Wasser angefeuchtet ist. Der obere Teil des Zylinders ist mit einem transparenten Material bedeckt, normalerweise ziemlich dickem Glas. Darüber befindet sich eine Kamera, um Bilder von dem zu machen, was in der Nebelkammer passieren wird. Damit das alles sehr gut zu sehen ist, ist auf der linken Seite eine Hintergrundbeleuchtung angebracht. Durch das Fenster rechts wird ein Partikelstrom geleitet. Diese Partikel, die in das Medium gelangen, das aus Wasser und Alkohol besteht, interagieren mit Wasserpartikeln und Alkoholpartikeln. Hier liegen die interessantesten Lügen. Der Raum zwischen Glas und Kolben ist mit Wasser- und Alkoholdämpfen gefüllt, die durch Verdunstung entstehen. Wenn der Kolben stark nach unten fällt, fällt der Druck ab und die Dämpfe, die hier sind, geraten in einen sehr instabilen Zustand, d.h. bereit, in Flüssigkeit zu gehen. Da jedoch reiner Alkohol und Wasser ohne Verunreinigungen in diesen Raum gegeben werden, bleibt ein solcher Nichtgleichgewichtszustand für einige Zeit bestehen (er kann ziemlich groß sein). In dem Moment, in dem geladene Teilchen in den Bereich einer solchen Übersättigung eintreten, werden sie zu Zentren, an denen die Dampfkondensation beginnt. Wenn negative Teilchen eintreten, interagieren sie außerdem mit einigen Ionen, und wenn sie positiv sind, dann mit Ionen einer anderen Substanz. Wo dieses Teilchen vorbeiflog, bleibt die sogenannte Spur, also eine Spur. Bringt man nun die Nebelkammer in ein Magnetfeld, so beginnen geladene Teilchen im Magnetfeld abzuschweifen. Und dann ist alles ganz einfach: Ist das Teilchen positiv geladen, dann weicht es in eine Richtung ab. Wenn negativ - zu einem anderen. Wir können also das Vorzeichen der Ladung bestimmen und anhand des Radius der Rundung, entlang der sich das Teilchen bewegt, können wir die Masse dieses Teilchens bestimmen oder abschätzen. Jetzt können wir sagen, dass wir vollständige Informationen über die Teilchen erhalten können, aus denen diese oder jene Strahlung besteht.

Reis. 3. Partikelspuren in einer Nebelkammer

Die Nebelkammer hat einen Nachteil. Gerade die Spuren, die durch den Durchgang von Partikeln entstehen, sind kurzlebig. Jedes Mal muss man die Kamera neu vorbereiten, um ein neues Bild zu bekommen. Daher befindet sich über der Kamera eine Kamera, die genau diese Spuren registriert.

Natürlich ist dies nicht das letzte Gerät, mit dem Partikel registriert werden. 1952 wurde ein Gerät erfunden, das als Blasenkammer bezeichnet wurde. Sein Funktionsprinzip ist ungefähr das gleiche wie das einer Nebelkammer; es wird nur mit überhitzter Flüssigkeit gearbeitet, also in einem Zustand, in dem die Flüssigkeit zu kochen droht. In diesem Moment fliegen Partikel durch eine solche Flüssigkeit, die Blasenbildungszentren erzeugen. Spuren, die in einer solchen Kamera gebildet werden, werden viel länger gespeichert, und dies macht die Kamera bequemer.

Reis. 4. Aussehen der Blasenkammer

In Russland wurde eine andere Methode zur Überwachung verschiedener radioaktiver Partikel, Zerfälle und Reaktionen entwickelt. Dies ist ein Verfahren für fotografische Dickschichtemulsionen. Partikel fallen in auf bestimmte Weise hergestellte Emulsionen. In Wechselwirkung mit Emulsionspartikeln erzeugen sie nicht nur Spuren, sondern Spuren, die an sich das Foto darstellen, das wir erhalten, wenn wir Spuren in einer Nebelkammer oder in einer Blasenkammer fotografieren. Es ist viel bequemer. Aber hier gibt es einen wichtigen Nachteil. Damit die Fotoemulsionsmethode ziemlich lange funktioniert, muss ein ständiges Eindringen, Eindringen neuer Partikel oder gebildeter Strahlung erfolgen, d.h. Problematisch ist eine solche Registrierung kurzzeitiger Pulse.

Sie können über andere Methoden sprechen: Zum Beispiel gibt es eine Methode wie eine Funkenkammer. Dort bilden sich infolge des Flusses radioaktiver Reaktionen entlang der Bewegungsspur des Teilchens Funken. Sie sind auch gut sichtbar und einfach zu registrieren.

Bis heute werden am häufigsten Halbleitersensoren verwendet, die sowohl kompakt als auch bequem sind und ein ziemlich gutes Ergebnis liefern.

Wir werden in der nächsten Lektion darüber sprechen, welche Entdeckungen mit den oben beschriebenen Methoden gemacht wurden.

Verzeichnis weiterführender Literatur

1. Borovoy A.A. Wie Teilchen registriert werden (nach Neutrinos). "Bibliothek "Quantum"". Ausgabe. 15. M.: Nauka, 1981
2. Bronstein MP Atome und Elektronen. "Bibliothek "Quantum"". Ausgabe. 1. M.: Nauka, 1980
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Physik: Ein Lehrbuch für die 9. Klasse des Gymnasiums. M.: "Aufklärung"
4. Kitaygorodsky A.I. Physik für alle. Photonen und Kerne. Buch 4. M.: Wissenschaft
5. Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. Physik. Optik Quantenphysik. Klasse 11: Lehrbuch zur Vertiefung der Physik. M.: Trappe