Takaisin eteenpäin

Huomio! Dian esikatselu on tarkoitettu vain tiedoksi, eikä se välttämättä edusta esityksen koko laajuutta. Jos olet kiinnostunut tästä työstä, lataa täysversio.

Oppitunnin tyyppi: oppitunti uuden materiaalin oppimiseen.

Oppitunnin tyyppi: yhdistetty.

Tekniikka: ongelma-dialoginen.

Oppitunnin tarkoitus: järjestää opiskelijoiden toimintaa varautuneiden hiukkasten rekisteröintimenetelmiä koskevien tietojen tutkimisessa ja ensisijaisessa lujittamisessa.

Laitteet: tietokone ja multimediaprojektori, Esittely.

Varautuneiden hiukkasten havaitsemismenetelmät

Nykyään näyttää lähes epätodennäköiseltä, kuinka monta ydinfysiikan löytöä on tehty käyttämällä luonnollisia radioaktiivisen säteilyn lähteitä, joiden energia on vain muutaman MeV ja yksinkertaisimpia havaitsevia laitteita. Atomiydin löydettiin, sen mitat saatiin, ydinreaktio havaittiin ensimmäistä kertaa, ilmiö radioaktiivisuus, neutroni ja protoni löydettiin, neutrinon olemassaolo ennustettiin ja niin edelleen. Päähiukkasdetektori oli pitkään sinkkisulfidilla päällystetty levy. Silmä rekisteröi hiukkaset niiden sinkkisulfidissa tuottamilla valon välähdyksellä.

Ajan myötä kokeellisista järjestelyistä tuli yhä monimutkaisempia. Hiukkasten ja ydinelektroniikan kiihdyttämiseen ja havaitsemiseen kehitettiin tekniikoita. Ydin- ja alkuainehiukkasfysiikan edistyminen määräytyy yhä enemmän näiden alueiden edistymisestä. Fysiikan Nobel-palkintoja myönnetään usein fyysisen kokeen tekniikan alalla tehdystä työstä.

Ilmaisimet palvelevat sekä hiukkasen olemassaolon tosiasian rekisteröimiseen että sen energian ja liikemäärän, hiukkasen liikeradan ja muiden ominaisuuksien määrittämiseen. Hiukkasten rekisteröintiin käytetään usein ilmaisimia, jotka ovat mahdollisimman herkkiä tietyn hiukkasen rekisteröinnille eivätkä tunne muiden hiukkasten aiheuttamaa suurta taustaa.

Yleensä ydin- ja hiukkasfysiikan kokeissa on välttämätöntä erottaa "tarpeettomat" tapahtumat "tarpeettomien" tapahtumien jättimäisestä taustasta, ehkä yksi miljardista. Tätä varten käytetään erilaisia ​​laskurien ja rekisteröintimenetelmien yhdistelmiä.

Varautuneiden hiukkasten rekisteröinti perustuu atomien ionisaatio- tai viritysilmiöön, jonka ne aiheuttavat ilmaisimen aineessa. Tämä on perusta sellaisten ilmaisimien toiminnalle, kuten pilvikammio-, kuplakammio-, kipinäkammio-, emulsiot-, kaasutuike- ja puolijohdeilmaisimet.

1. Geiger-laskuri

Geiger-laskuri on pääsääntöisesti sylinterimäinen katodi, jonka akselia pitkin venytetään lanka - anodi. Järjestelmä on täytetty kaasuseoksella. Kulkiessaan laskurin läpi varautunut hiukkanen ionisoi kaasun. Tuloksena olevat elektronit, jotka liikkuvat kohti positiivista elektrodia - filamenttia, putoavat vahvan sähkökentän alueelle, kiihtyvät ja vuorostaan ​​ionisoivat kaasumolekyylejä, mikä johtaa koronapurkaukseen. Signaalin amplitudi saavuttaa useita voltteja ja on helppo tallentaa. Geiger-laskuri rekisteröi hiukkasen kulun laskurin läpi, mutta ei salli hiukkasen energian mittaamista.

2. Pilvikammio

Pilvikammio on varautuneiden alkuainehiukkasten jäljitysilmaisin, jossa hiukkasen jälki (jälki) muodostaa ketjun pienistä nestepisaroista sen liikeradalle. C. Wilsonin keksi vuonna 1912 (Nobel-palkinto 1927).

Pilvikammion toimintaperiaate perustuu ylikyllästyneen höyryn kondensoitumiseen ja näkyvien nestepisaroiden muodostumiseen ioneille kammion läpi lentävän varautuneen hiukkasen radalla. Ylikyllästetyn höyryn luomiseksi tapahtuu kaasun nopea adiabaattinen laajeneminen mekaanisen männän avulla. Radan kuvaamisen jälkeen kammiossa oleva kaasu puristetaan uudelleen, ionien päällä olevat pisarat haihtuvat. Kammion sähkökenttä "puhdistaa" kammion edellisen kaasuionisaation aikana muodostuneista ioneista. Pilvikammiossa varautuneiden hiukkasten jäljet ​​tulevat näkyviin ylikyllästyneen höyryn kondensoituessa varautuneen hiukkasen muodostamiin kaasu-ioneihin. Ioneille muodostuu nestepisaroita, jotka kasvavat riittävän kokoisiksi havainnointiin (10–3–10–4 cm) ja valokuvaamiseen hyvässä valossa. Työväliaine on useimmiten vesihöyryn ja alkoholin seos, jonka paine on 0,1-2 ilmakehää (vesihöyry kondensoituu pääasiassa negatiivisilla ioneilla, alkoholihöyry positiivisilla ioneilla). Ylikyllästyminen saavutetaan paineen nopealla laskulla työtilavuuden laajenemisen vuoksi. Pilvikammion ominaisuudet lisääntyvät merkittävästi, kun se asetetaan magneettikenttään. Magneettikentän kaarevan varautuneen hiukkasen liikeradan mukaan määritetään sen varauksen ja liikemäärän etumerkki. Vuonna 1932 K. Anderson löysi positronin kosmisista säteistä pilvikammion avulla.

3. Kuplakammio

kuplakammio– varautuneiden alkuainehiukkasten jäljen ilmaisin, jossa hiukkasen jälki (jälki) muodostaa höyrykuplien ketjun sen liikeradalle. Keksi A. Glaser vuonna 1952 (Nobel-palkinto 1960).

Toimintaperiaate perustuu tulistetun nesteen kiehumiseen varautuneen hiukkasen radalla. Kuplakammio on astia, joka on täytetty läpinäkyvällä tulistetun nesteen kanssa. Paineen nopealla laskulla ionisoivan hiukkasen radalle muodostuu höyrykuplien ketju, joka valaisee ulkopuolisen lähteen ja valokuvataan. Jäljen valokuvaamisen jälkeen kammiossa paine nousee, kaasukuplat putoavat ja kammio on taas käyttövalmis. Kammiossa työnesteenä käytetään nestemäistä vetyä, joka toimii samalla vetykohteena tutkittaessa hiukkasten vuorovaikutusta protonien kanssa.

Pilvikammiolla ja kuplakammiolla on se suuri etu, että ne pystyvät tarkkailemaan suoraan kaikkia kussakin reaktiossa syntyviä varautuneita hiukkasia. Hiukkasen tyypin ja sen liikemäärän määrittämiseksi pilvikammioita ja kuplakammioita asetetaan magneettikenttään. Kuplakammiossa on korkeampi ilmaisinmateriaalin tiheys verrattuna pilvikammioon, ja siksi varautuneiden hiukkasten reitit ovat kokonaan ilmaisimen tilavuuden sisällä. Valokuvien purkaminen kuplakammioista muodostaa erillisen aikaa vievän ongelman.

4. Ydinemulsiot

Samoin, kuten tavallisessa valokuvauksessa, varautunut hiukkanen häiritsee hopeahalogenidirakeiden kidehilan rakennetta polullaan ja tekee niistä kehittymiskykyisiä. Ydinemulsio on ainutlaatuinen työkalu harvinaisten tapahtumien rekisteröintiin. Ydinemulsioiden pinot mahdollistavat erittäin suurienergisten hiukkasten havaitsemisen. Niiden avulla voidaan määrittää varautuneen hiukkasen jäljen koordinaatit ~1 mikronin tarkkuudella. Ydinemulsioita käytetään laajasti ilmapallojen ja avaruusajoneuvojen kosmisten hiukkasten havaitsemiseen.
Valokuvaemulsiot hiukkasilmaisimina ovat jossain määrin samanlaisia ​​kuin pilvikammiot ja kuplakammiot. Englantilainen fyysikko S. Powell käytti niitä ensimmäisenä kosmisten säteiden tutkimiseen. Valokuvaemulsio on kerros gelatiinia, johon on dispergoituneena hopeabromidin rakeita. Valon vaikutuksesta hopeabromidin rakeisiin muodostuu piileviä kuvakeskuksia, jotka edistävät hopeabromidin pelkistymistä metallihopeaksi, kun niitä kehitetään tavanomaisella valokuvakehiteellä. Fysikaalinen mekanismi näiden keskusten muodostumiselle on metallisten hopeaatomien muodostuminen valosähköisen vaikutuksen vuoksi. Varautuneiden hiukkasten tuottama ionisaatio antaa saman tuloksen: herkistyneiden jyvien jälki tulee näkyviin, joka kehittymisen jälkeen voidaan nähdä mikroskoopilla.

5. Tuikeilmaisin

Tuikeilmaisin käyttää tiettyjen aineiden ominaisuutta hehkua (tuike), kun varautunut hiukkanen kulkee läpi. Tuikeessa syntyneet valokvantit tallennetaan sitten käyttämällä valomonistimia.

Nykyaikaiset korkean energian fysiikan mittauslaitteet ovat monimutkaisia ​​järjestelmiä, jotka sisältävät kymmeniä tuhansia laskureita, hienostunutta elektroniikkaa ja pystyvät samanaikaisesti rekisteröimään kymmeniä yhdessä törmäyksessä syntyviä hiukkasia.

Kysymyksiä.

1. Kerro kuvan 170 mukaan Geiger-laskurin laitteesta ja toimintaperiaatteesta.

Geiger-laskuri koostuu harvennetulla kaasulla (argonilla) täytettystä ja molemmista päistä tiivistetystä lasiputkesta, jonka sisällä on metallisylinteri (katodi) ja sylinterin sisään venytetty lanka (anodi). Katodi ja anodi on kytketty vastuksen kautta korkeajännitelähteeseen (200-1000 V). Siksi anodin ja katodin väliin syntyy voimakas sähkökenttä. Kun ionisoiva hiukkanen tulee putkeen, muodostuu elektroni-ionivyöry ja piiriin ilmestyy sähkövirta, joka tallennetaan laskentalaitteella.

2. Mitä hiukkasia Geiger-laskuri rekisteröi?

Geiger-laskuria käytetään elektronien ja ϒ-kvanttien rekisteröimiseen.

3. Kerro meille kuvan 171 mukaan pilvikammion laitteesta ja toimintaperiaatteesta.

Pilvikammio on matala lasisylinteri, jossa on kansi, mäntä pohjassa ja alkoholin ja veden seos, joka on kyllästetty höyryllä. Kun mäntä liikkuu alaspäin, höyryt ylikyllästyvät, ts. pystyy tiivistymään nopeasti. Kun mikä tahansa hiukkanen tulee sisään erityisestä ikkunasta, ne muodostavat kammion sisällä ioneja, joista tulee kondensaatioytimiä, ja hiukkasen liikeradalle ilmestyy tiivistyneiden pisaroiden jälki (raita), joka voidaan valokuvata. Jos asetat kameran magneettikenttään, varautuneiden hiukkasten liikeradat ovat kaarevia.

4. Mitä hiukkasten ominaisuuksia voidaan määrittää magneettikenttään sijoitetun pilvikammion avulla?

Taivutuksen suunnan perusteella arvioidaan hiukkasen varaus, ja kaarevuussäteen perusteella saadaan selville hiukkasen varauksen suuruus, massa ja energia.

5. Mitä etua kuplakammiosta on pilvikammioniin verrattuna? Miten nämä laitteet eroavat toisistaan?

Kuplakammiossa käytetään ylikyllästetyn höyryn sijaan kiehumispisteen yläpuolelle tulistettua nestettä, mikä nopeuttaa sitä.

Tänään puhumme kokeellisista menetelmistä hiukkasten tutkimiseksi. Tällä oppitunnilla keskustelemme siitä, kuinka radioaktiivisen alkuaineen radiumin hajoamisesta syntyviä alfahiukkasia voidaan käyttää atomien sisäisen rakenteen tutkimiseen. Puhumme myös kokeellisista menetelmistä atomin muodostavien hiukkasten tutkimiseksi.

Aihe: Atomin ja atomiytimen rakenne. Atomiytimien energian käyttö

Oppitunti 54

Jerjutkin Jevgeni Sergeevich

Tämä oppitunti on omistettu keskustelulle kokeellisista menetelmistä hiukkasten havaitsemiseksi. Aiemmin puhuimme siitä, että 1900-luvun alussa ilmestyi työkalu, jolla voit tutkia atomin rakennetta ja ytimen rakennetta. Nämä ovat a-hiukkasia, jotka muodostuvat radioaktiivisen hajoamisen seurauksena.

Ydinreaktioiden seurauksena syntyvien hiukkasten ja säteilyn rekisteröimiseksi tarvitaan uusia menetelmiä, jotka poikkeavat makrokosmuksessa käytetyistä. Muuten, Rutherfordin kokeissa on jo käytetty yhtä tällaista menetelmää. Sitä kutsutaan tuikemenetelmäksi (flash-menetelmäksi). Vuonna 1903 havaittiin, että jos a-hiukkanen osuu sinkkisulfidiin, niin pieni välähdys tapahtuu kohdassa, johon se osui. Tämä ilmiö oli tuikemenetelmän perusta.

Tämä menetelmä ei kuitenkaan ollut täydellinen. Minun piti katsoa näyttöä erittäin tarkasti nähdäkseni kaikki välähdykset, silmäni väsyivät: minun oli loppujen lopuksi käytettävä mikroskooppia. Tarvittiin uusia menetelmiä, joiden avulla tiettyjä säteilyjä voidaan rekisteröidä selvemmin, nopeammin ja luotettavammin.

Rutherfordin laboratorion työntekijä Geiger olisi ehdottanut tällaista menetelmää ensimmäistä kertaa. Hän loi laitteen, joka pystyy "laskemaan" siihen putoavat varautuneet hiukkaset, ns. Geiger-laskuri. Sen jälkeen kun saksalainen tiedemies Muller paransi tätä laskuria, siitä tuli tunnetuksi Geiger-Muller-laskuri.

Miten se on järjestetty? Tämä laskuri on kaasupurkaus, ts. Se toimii tämän periaatteen mukaisesti: juuri tämän laskurin sisällä sen pääosassa muodostuu kaasupurkaus hiukkasen läpikulun aikana. Haluan muistuttaa, että purkaus on sähkövirran virtausta kaasussa.

Riisi. 1. Geiger-Muller-laskurin kaavio

Lasisäiliö, joka sisältää anodin ja katodin. Katodi on esitetty sylinterin muodossa, ja anodi on venytetty tämän sylinterin sisällä. Katodin ja anodin väliin syntyy virtalähteestä johtuen riittävän korkea jännite. Elektrodien välissä, tyhjiöastian sisällä, on yleensä inerttiä kaasua. Tämä tehdään tarkoituksella saman sähköpurkauksen luomiseksi tulevaisuudessa. Lisäksi piirissä on korkea (R ~ 10 9 Ohm) vastus. Tässä piirissä kulkeva virta on sammutettava. Ja laskurin työ on seuraava. Kuten tiedämme, ydinreaktioiden seurauksena muodostuvilla hiukkasilla on melko suuri tunkeutumiskyky. Siksi lasisäiliö, jonka sisällä nämä elementit sijaitsevat, ei muodosta heille estettä. Tämän seurauksena hiukkanen tunkeutuu tähän kaasupurkauslaskuriin ja ionisoi sisällä olevan kaasun. Tällaisen ionisaation seurauksena muodostuu energisiä ioneja, jotka puolestaan ​​törmäävät ja muodostavat keskenään törmääessään varautuneiden hiukkasten lumivyöryn. Tämä varautuneiden hiukkasten lumivyöry koostuu negatiivisista ioneista, positiivisesti varautuneista ioneista sekä elektroneista. Ja kun tämä lumivyöry ohittaa, voimme korjata sähkövirran. Tämä antaa meille mahdollisuuden ymmärtää, että hiukkanen on kulkenut kaasupurkauslaskurin läpi.

Se on kätevä, koska sekunnissa tällainen laskuri voi rekisteröidä noin 10 000 hiukkasta. Pienen parannuksen jälkeen tämä laskuri alkoi myös rekisteröidä g-säteitä.

Tietysti, Geiger-laskuri- kätevä asia, jonka avulla on mahdollista määrittää radioaktiivisuuden olemassaolo yleensä. Geiger-Muller-laskuri ei kuitenkaan anna mahdollisuutta määrittää hiukkasen parametreja, tehdä tutkimusta näillä hiukkasilla. Tämä vaatii hyvin erilaisia ​​tapoja, hyvin erilaisia ​​menetelmiä. Pian Geiger-laskurin luomisen jälkeen sellaiset menetelmät, tällaiset laitteet ilmestyivät. Yksi tunnetuimmista ja yleisimmistä on pilvikammio.

Riisi. 2. Pilvikammio

Kiinnitä huomiota kameralaitteeseen. Sylinteri, jossa on mäntä, joka voi liikkua ylös ja alas. Tämän männän sisällä on alkoholilla ja vedellä kostutettu tumma kangas. Sylinterin yläosa on peitetty läpinäkyvällä materiaalilla, yleensä melko paksulla lasilla. Sen yläpuolella on kamera, joka ottaa kuvia siitä, mitä pilvikammion sisällä tapahtuu. Jotta kaikki tämä voidaan nähdä erittäin hyvin, vasemmalle puolelle tehdään taustavalo. Oikealla olevan ikkunan läpi suunnataan hiukkasvirta. Nämä hiukkaset, jotka joutuvat vedestä ja alkoholista koostuvan väliaineen sisään, ovat vuorovaikutuksessa vesihiukkasten ja alkoholihiukkasten kanssa. Tässä on mielenkiintoisinta. Lasin ja männän välinen tila täyttyy haihtumisen seurauksena muodostuneella vedellä ja alkoholihöyryillä. Kun mäntä putoaa jyrkästi alas, paine laskee ja täällä olevat höyryt joutuvat erittäin epävakaaseen tilaan, ts. valmis menemään nesteeseen. Mutta koska puhdas alkoholi ja vesi asetetaan tähän tilaan, ilman epäpuhtauksia, niin jonkin aikaa (se voi olla melko suuri) tällainen epätasapainotila jatkuu. Sillä hetkellä, kun varautuneet hiukkaset tulevat tällaisen ylikyllästyksen alueelle, niistä tulee keskuksia, joista höyryn kondensaatio alkaa. Lisäksi, jos negatiiviset hiukkaset pääsevät sisään, ne ovat vuorovaikutuksessa joidenkin ionien kanssa, ja jos ne ovat positiivisia, niin toisen aineen ionien kanssa. Missä tämä hiukkanen lensi ohi, niin sanottu jälki jää, toisin sanoen jälki. Jos pilvikammio asetetaan nyt magneettikenttään, hiukkaset, joissa on varauksia, alkavat poiketa magneettikentässä. Ja sitten kaikki on hyvin yksinkertaista: jos hiukkanen on positiivisesti varautunut, se poikkeaa yhteen suuntaan. Jos negatiivinen - toiselle. Joten voimme määrittää varauksen etumerkin, ja juuri sen pyöristyksen säteen perusteella, jota pitkin hiukkanen liikkuu, voimme määrittää tai arvioida tämän hiukkasen massan. Nyt voimme sanoa, että voimme saada täydelliset tiedot hiukkasista, jotka muodostavat tämän tai toisen säteilyn.

Riisi. 3. Hiukkasjäljet ​​pilvikammiossa

Pilvikammiolla on yksi haittapuoli. Juuri hiukkasten läpikulun seurauksena muodostuneet jäljet ​​ovat lyhytikäisiä. Joka kerta, kun sinun on valmisteltava kamera uudelleen saadaksesi uuden kuvan. Siksi kameran yläpuolella on kamera, joka rekisteröi juuri nuo jäljet.

Tämä ei tietenkään ole viimeinen laite, jota käytetään hiukkasten rekisteröintiin. Vuonna 1952 keksittiin laite, jota kutsuttiin kuplakammioksi. Sen toimintaperiaate on suunnilleen sama kuin pilvikammion; työ suoritetaan vain tulistetun nesteen kanssa, ts. tilassa, jossa neste on kiehumassa. Tällä hetkellä tällaisen nesteen läpi lentävät hiukkaset, jotka muodostavat kuplien muodostuskeskuksia. Tällaisessa kamerassa muodostetut raidat säilytetään paljon pidempään, mikä tekee kamerasta mukavamman.

Riisi. 4. Kuplakammion ulkonäkö

Venäjällä luotiin toinen menetelmä erilaisten radioaktiivisten hiukkasten, hajoamisen ja reaktioiden seurantaan. Tämä on paksukerroksisten valokuvaemulsioiden menetelmä. Hiukkaset putoavat tietyllä tavalla valmistettuihin emulsioihin. Vuorovaikutuksessa emulsiohiukkasten kanssa ne eivät luo vain jälkiä, vaan jälkiä, jotka itsessään edustavat valokuvaa, jonka saamme kuvaamalla jälkiä pilvikammiossa tai kuplakammiossa. Se on paljon kätevämpää. Mutta tässä on yksi tärkeä haittapuoli. Jotta fotoemulsiomenetelmä toimisi melko pitkään, täytyy muodostua jatkuvasti tunkeutua, osua muodostuneita uusia hiukkasia tai säteilyä, ts. lyhytaikaisten pulssien rekisteröinti tällä tavalla on ongelmallista.

Voit puhua muista menetelmistä: esimerkiksi on olemassa sellainen menetelmä kuin kipinäkammio. Siellä radioaktiivisten reaktioiden virtauksen seurauksena muodostuu kipinöitä hiukkasen liikkeen jäljelle. Ne ovat myös selvästi näkyvissä ja helppo rekisteröidä.

Tähän mennessä käytetään useimmiten puolijohdeantureita, jotka ovat sekä kompakteja että käteviä ja antavat melko hyvän tuloksen.

Puhumme seuraavassa oppitunnissa siitä, mitä löytöjä tehtiin yllä kuvattujen menetelmien avulla.

Luettelo lisäkirjallisuudesta

1. Borovoy A.A. Kuinka hiukkaset rekisteröidään (neutriinojen jälkeen). "Kvanttikirjasto". Ongelma. 15. M.: Nauka, 1981
2. Bronstein M.P. Atomit ja elektronit. "Kvanttikirjasto". Ongelma. 1. M.: Nauka, 1980
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fysiikka: Oppikirja lukion 9. luokalle. M.: "Valaistuminen"
4. Kitaygorodsky A.I. Fysiikkaa kaikille. Fotonit ja ytimet. Kirja 4. M.: Tiede
5. Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. Fysiikka. Optiikka Kvanttifysiikka. Luokka 11: oppikirja fysiikan syventämiseen. M.: Bustard