Назад Вперёд

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Технология: проблемно-диалогическая.

Цель урока: организовать деятельность учащихся по изучению и первичному закреплению знаний о методах регистрации заряженных частиц.

Оборудование: компьютер и мультимедиа-проектор, Презентация .

Способы регистрации заряженных частиц

Сегодня кажется почти неправдоподобным, сколько открытий в физике атомного ядра было сделано с использованием природных источников радиоактивного излучения с энергией всего лишь несколько МэВ и простейших детектирующих устройств. Открыто атомное ядро, получены его размеры, впервые наблюдалась ядерная реакция, обнаружено явление радиоактивности , открыты нейтрон и протон, предсказано существование нейтрино и т.д. Основным детектором частиц долгое время была пластинка, с нанесенным на нее слоем сернистого цинка. Частицы регистрировались глазом по производимым ими в сернистом цинке вспышкам света.

Со временем экспериментальные установки становились все сложней. Развивалась техника ускорения и детектирования частиц, ядерная электроника. Успехи в физике ядра и элементарных частиц все в большей степени определяются прогрессом в этих областях. Нобелевские премии по физике часто присуждаются за работы в области техники физического эксперимента.

Детекторы служат как для регистрации самого факта наличия частицы так и для определения её энергии и импульса, траектории движения частицы и др. характеристик. Для регистрации частиц часто используют детекторы которые максимально чувствительны к регистрации определенной частицы и не чувствуют большой фон создаваемый другими частицами.

Обычно в экспериментах по физике ядра и частиц необходимо выделять «нужные» события на гигантском фоне «ненужных» событий, может быть одно из миллиарда. Для этого используют различные комбинации счётчиков и методов регистрации.

Регистрация заряженных частиц основана на явлении ионизации или возбуждении атомов, которое они вызывают в веществе детектора. На этом основана работа таких детекторов как камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.

1. Счётчик Гейгера

Счётчик Гейгера представляет собой, как правило, цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока - анод. Система заполнена газовой смесью. При прохождении через счётчик заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду - нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к коронному разряду. Амплитуда сигнала достигает нескольких вольт и легко регистрируется. Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию частицы.

2. Камера Вильсона

Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).

Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. Для создания пересыщенного пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа. В камере Вильсона треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10 –3 -10 –4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.

3. Пузырьковая камера

Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.).

Принцип действия основан на вскипании перегретой жидкости вдоль трека заряженной частицы. Пузырьковая камера представляет собой сосуд, заполненный прозрачной перегретой жидкостью. При быстром понижении давления, вдоль трека ионизирующей частицы образуется цепочка пузырьков пара, которые освещаются внешним источником и фотографируются. После фотографирования следа давление в камере повышается, пузырьки газа схлопываются и камера снова готова к работе. В качестве рабочей жидкости в камере используется жидкий водород одновременно служащий водородной мишенью для исследования взаимодействия частиц с протонами.

Камера Вильсона и пузырьковая камера имеют огромное преимущество, которое заключается в том, что можно непосредственно наблюдать все заряженные частицы, образующиеся в каждом акте реакции. Для того, чтобы определить тип частицы и ее импульс камеры Вильсона и пузырьковые камеры помещают в магнитное поле. Пузырьковая камера имеет большую плотность вещества детектора по сравнению с камерой Вильсона и поэтому пробеги заряженных частиц полностью заключены в объёме детектора. Расшифровка фотографий с пузырьковых камер представляет отдельную трудоемкую проблему.

4. Ядерные эмульсии

Аналогично, как это происходит в обычной фотографии, заряженная частица нарушает вдоль своего пути структуру кристаллической решётки зерен галоидного серебра делая их способными к проявлению. Ядерная эмульсия является уникальным средством для регистрации редких событий. Стопки ядерных эмульсий позволяют регистрировать частицы очень больших энергий. С их помощью можно определить координаты трека заряженной частицы с точностью ~1 микрона. Ядерные эмульсии широко используются для регистрации космических частиц на шарах-зондах и космических аппаратах.
Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатины с диспергированными в ней зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом.

5. Сцинтиляционный детектор

Сцинтиляционный детектор использует свойство некоторых веществ светиться (сцинтилировать) при прохождении заряженной частицы. Кванты света, образующиеся в сцинтиляторе, затем регистрируются с помощью фотоумножителей.

Современные измерительные установки в физике высоких энергий представляют из себя сложные системы, включающие десятки тысяч счетчиков, сложную электронику и способны одновременно регистрировать десятки частиц, рождающихся в одном столкновении.

Вопросы.

1. По рисунку 170 расскажите об устройстве и принципе действия счетчика Гейгера.

Счетчик Гейгера состоит из стеклянной трубки, заполненной разряженным газом (аргоном) и запаянной с обоих концов, внутри которой находится металлический цилиндр (катод) и натянутой внутри цилиндра проволочки (анод). Катод и анод соединены через сопротивление с источником высокого напряжения (200- 1000 В). Поэтому между анодом и катодом возникает сильное электрическое поле. При попадании ионизирующей частицы внутрь трубки образуется электронно - ионная лавина и в цепи возникает электрический ток, регистрируемый счетным устройством.

2. Для регистрации каких частиц применяется счетчик Гейгера?

Счетчик Гейгера применяется для регистрации электронов и ϒ- квантов.

3. По рисунку 171 расскажите об устройстве и принципе действия камеры Вильсона.

Камера Вильсона представляет собой невысокий стеклянный цилиндр с крышкой, поршнем внизу и, насыщенным паром смеси спирта с водой. При движении поршня вниз пары становятся пересыщенными, т.е. способными к быстрой конденсации. При попадании какой-либо частицы, через специальное окошко, внутрь камеры они создают ионы, которые становятся ядрами конденсации и вдоль траектории движения частицы возникает след (трек) из сконденсированных капелек, которые можно сфотографировать. Если поместить камеру в магнитное поле, то траектории заряженных частиц будут искривлены.

4. Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле?

По направлению изгиба судят о заряде частицы, а по радиусу кривизны можно узнать величину заряда, массу и энергию частицы.

5. В чем преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона? Чем отличаются эти приборы?

В пузырьковой камере вместо пересыщенного пара используется перегретая выше точки кипения жидкость, что делает её быстродейственнее.

Сегодня мы поговорим об экспериментальных методах исследования частиц. На уроке мы обсудим, как с помощью альфа-частиц, образующихся в результате распада радиоактивного элемента радия, можно изучить внутреннее строение атомов. Также поговорим об экспериментальных методах исследования частиц, входящих в состав атома.

Тема: Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер

Урок 54. Экспериментальные методы исследования частиц

Ерюткин Евгений Сергеевич

Данный урок будет посвящен обсуждению экспериментальных методов регистрации частиц. Ранее мы говорили о том, что в начале ХХ века появился инструмент, с помощью которого можно изучать строение атома и строение ядра. Это a-частицы, которые образуются в результате радиоактивного распада.

Чтобы регистрировать те частицы и излучения, которые образуются в результате ядерных реакций, нужны какие-то новые методы, отличные от использующихся в макромире. Кстати, в опытах Резерфорда уже использовался один такой метод. Он называется методом сцинтилляций (вспышек). В 1903 г. было обнаружено, что если a-частица попадает на сернистый цинк, то в том месте, куда она попала, возникает небольшая вспышка. Это явление и было положено в основу сцинтилляционного метода.

Этот метод был все же несовершенен. Приходилось очень тщательно наблюдать за экраном, чтобы увидеть все вспышки, глаз уставал: ведь приходилось пользоваться микроскопом. Возникла необходимость в новых способах, которые давали бы возможность более четко, быстро и достоверно регистрировать те или иные излучения.

Такой способ впервые бы предложен сотрудником лаборатории, которой руководил Резерфорд, - Гейгером. Он создал прибор, способный «считать» заряженные частицы, попадающие в него, т.н. счетчик Гейгера. После того как немецкий ученый Мюллер усовершенствовал этот самый счетчик, он стал называться счетчиком Гейгера - Мюллера.

Как же он устроен? Счетчик этот газоразрядный, т.е. работает по такому принципу: внутри этого самого счетчика, в главной его части, образуется газовый разряд при пролете частицы. Напомню, что разряд - это протекание электрического тока в газе.

Рис. 1. Принципиальная схема счетчика Гейгера-Мюллера

Стеклянный баллон, внутри которого расположены анод и катод. Катод представлен в виде цилиндра, а внутри этого цилиндра протянут анод. Между катодом и анодом за счет источника тока создается достаточно высокое напряжение. Между электродами, внутри вакуумного баллона находится, как правило, инертный газ. Делается это специально, чтобы создать в дальнейшем тот самый электрический разряд. Кроме этого, в схеме присутствует высокое (R~10 9 Ом) сопротивление. Нужно оно, чтобы погасить ток, протекающий в этой цепи. А работа счетчика происходит следующим образом. Как мы знаем, частицы, которые образуются в результате ядерных реакций, обладают достаточно большой проникающей способностью. Поэтому стеклянный баллон, внутри которого находятся указанные элементы, не представляет для них какой-либо преграды. В результате частица проникает внутрь этого газоразрядного счетчика, ионизирует газ, который находится внутри. В результате такой ионизации образуются энергичные ионы, которые в свою очередь сталкиваются и создают, сталкиваясь между собой, лавину заряженных частиц. Эта лавина заряженных частиц будет состоять из ионов отрицательных, положительно заряженных, а также из электронов. И когда проходит эта лавина, мы можем зафиксировать электрический ток. Это и даст нам возможность понять, что через газоразрядный счетчик прошла частица.

Удобен тем, что в одну секунду такой счетчик может регистрировать приблизительно 10000 частиц. После некоторого усовершенствования этот счетчик стал регистрировать еще и g-лучи.

Конечно, счетчик Гейгера - удобная вещь, которая дает возможность определить существование вообще радиоактивности. Однако определить параметры частицы, провести с этими частицами какие-либо исследования, счетчик Гейгера - Мюллера не позволяет. Для этого нужны совсем другие способы, совсем другие методы. Вскоре после создания счетчика Гейгера, появились такие методы, такие устройства. Одно из самых известных и распространенных - камера Вильсона.

Рис. 2. Камера Вильсона

Обратите внимание на устройство камеры. Цилиндр, внутри которого располагается поршень, который может ходить вверх-вниз. Внутри на этом поршне находится темная ткань, смоченная спиртом и водой. Верхняя часть цилиндра закрыта прозрачным материалом, как правило, это достаточно плотное стекло. Над ним располагается фотоаппарат, чтобы производить фотографирование того, что будет происходить внутри камеры Вильсона. Чтобы все это было видно очень хорошо, с левой стороны производится подсветка. Через окошко, справа, направляется поток частиц. Эти частицы, попадая внутри в среду, которая состоит из воды и спирта, будут с частицами воды и частицами спирта взаимодействовать. Тут как раз и кроется самое интересное. Пространство между стеклом и поршнем заполнено парами воды и спирта, образующимися в результате испарения. Когда поршень резко опускается вниз, то давление понижается и пары, которые здесь находятся, приходят в очень неустойчивое состояние, т.е. готовы перейти в жидкость. Но поскольку в это пространство помещаются чистые спирт и вода, без примесей, то какое-то время (оно может быть и достаточно большим) такое неравновесное состояние сохраняется. В момент, когда в область такого перенасыщения попадают заряженные частицы, они и становятся теми центрами, на которых начинается конденсация пара. Причем, если попадают отрицательные частицы, они взаимодействуют с одними ионами, а если положительные - то с ионами другого вещества. Там, где эта частица пролетела, остается так называемый трек, проще говоря, след. Если камеру Вильсона теперь поместить в магнитное поле, то частицы, которые обладают зарядами, начинают в магнитном поле отклоняться. А дальше все очень просто: если частица положительно заряженная, то она отклоняется в одну сторону. Если отрицательная - в другую. Так мы можем определить знак заряд, а по радиусу того самого закругления, по которому частица движется, мы можем определить или оценить массу этой частицы. Теперь можно говорить о том, что мы можем получить полноценную информацию о частицах, из которых состоит то или иное излучение.

Рис. 3. Треки частиц в камере Вильсона

У камеры Вильсона есть один недостаток. Те самые треки, которые образуются в результате прохождения частиц, недолговечны. Каждый раз приходится снова готовить камеру, чтобы получить новую картину. Поэтому сверху над камерой и располагается фотоаппарат, который регистрирует те самые треки.

Естественно, - это не последнее устройство, которое используют для регистрации частиц. В 1952 г. было изобретено устройство, которое получило название пузырьковой камеры. Принцип работы у нее примерно такой же, как у камеры Вильсона; только работа проводится с перегретой жидкостью, т.е. в состоянии, когда жидкость вот-вот готова закипеть. В этот момент через такую жидкость пролетают частицы, которые и создают центры образования пузырьков. Треки, образованные в такой камере, сохраняются гораздо дольше, и этим камера удобнее.

Рис. 4. Внешний вид пузырьковой камеры

В России был создан еще один метод наблюдения за радиоактивными различными частицами, распадами, реакциями. Это метод толстослойных фотоэмульсий. Частицы попадают в эмульсии, приготовленные определенным образом. Взаимодействуя с частицами эмульсий, они не просто создают треки, но треки, которые уже сами по себе представляют фотографию, которую мы получаем, когда фотографируем треки в камере Вильсона или в пузырьковой камере. Это гораздо удобнее. Но и здесь есть один важный недостаток. Чтобы фотоэмульсионный метод работал довольно долгое время, должно происходить постоянное проникновение, попадание образовавшихся новых частиц или излучений, т.е. регистрировать кратковременные импульсы таким способом проблематично.

Можно говорить и о других методах: например, есть такой метод, как искровая камера. Там в результате протекания радиоактивных реакций по следу движения частицы образуются искры. Их тоже хорошо видно и легко регистрировать.

На сегодняшний день чаще всего используют полупроводниковые датчики, которые и компактны, и удобны, и дают достаточно хороший результат.

О том, какие же открытия удалось сделать при помощи описанных выше методов, мы поговорим на следующем уроке.

Список дополнительной литературы

1. Боровой А.А. Как регистрируют частицы (по следам нейтрино). «Библиотечка “Квант”». Вып. 15. М.: Наука, 1981
2. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
3. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
4. Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
5. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа