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 havaitsemislaitteita. 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 edistymisen perusteella. Fysiikan Nobel-palkintoja myönnetään usein fyysisen kokeen tekniikan alalla tehdystä työstä.

Ilmaisimet palvelevat sekä hiukkasen läsnäolon 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, valokuvaemulsiot, 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 kulkurata (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 negatiivisiin ioneihin, alkoholihöyry positiivisiin ioneihin). 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. A. Glaserin keksi 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 paine kammiossa 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. Kuplakammioista otettujen valokuvien purkaminen on erillinen aikaa vievä ongelma.

4. Ydinemulsiot

Aivan kuten tavallisessa valokuvauksessa, varautunut hiukkanen häiritsee hopeahalogenidirakeiden kidehilan rakennetta matkallaan, mikä 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: syntyy herkistyneiden jyvien jälki, joka kehittymisen jälkeen voidaan nähdä mikroskoopilla.

5. Tuikeilmaisin

Tuikeilmaisin käyttää tiettyjen aineiden ominaisuutta hehkua (tuike), kun varautunut hiukkanen kulkee läpi. Tuikeessa generoidut 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.