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Unterrichtsart: 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 zur Registrierung 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-, Emulsions-, 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 sichtbarer 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 Wasserstofftarget 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 hat im Vergleich zur Nebelkammer eine höhere Dichte des Detektormaterials, und daher sind die Pfade geladener Teilchen vollständig im Volumen des Detektors eingeschlossen. Das Entschlüsseln von Fotografien aus Blasenkammern stellt ein separates zeitaufwändiges Problem dar.

4. Kernemulsionen

In ähnlicher Weise stört ein geladenes Teilchen, wie es bei 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 erscheint 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.