Para trás para a frente

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Tipo de aula: lição aprendendo novo material.

Tipo de aula: combinado.

Tecnologia: problema-dialógico.

O objetivo da aula: organizar as atividades dos alunos no estudo e consolidação primária do conhecimento sobre os métodos de registro de partículas carregadas.

Equipamento: computador e projetor multimídia, Apresentação.

Métodos para registrar partículas carregadas

Hoje, parece quase implausível quantas descobertas em física nuclear foram feitas usando fontes naturais de radiação radioativa com uma energia de apenas alguns MeV e os dispositivos de detecção mais simples. O núcleo atômico foi descoberto, suas dimensões foram obtidas, uma reação nuclear foi observada pela primeira vez, o fenômeno radioatividade, o nêutron e o próton foram descobertos, a existência do neutrino foi prevista e assim por diante. O principal detector de partículas por muito tempo foi uma placa revestida com sulfeto de zinco. As partículas foram registradas pelo olho pelos flashes de luz produzidos por elas no sulfeto de zinco.

Com o tempo, as configurações experimentais tornaram-se cada vez mais complexas. Técnicas de aceleração e detecção de partículas e eletrônica nuclear foram desenvolvidas. Os avanços na física nuclear e de partículas elementares são cada vez mais determinados pelo progresso nessas áreas. Os Prêmios Nobel de Física são frequentemente concedidos por trabalhos no campo da técnica de experimentos físicos.

Os detectores servem tanto para registrar o próprio fato da presença de uma partícula quanto para determinar sua energia e momento, a trajetória da partícula e outras características. Para registrar partículas, muitas vezes são usados ​​detectores que são tão sensíveis quanto possível ao registro de uma determinada partícula e não sentem o grande fundo criado por outras partículas.

Normalmente, em experimentos de física nuclear e de partículas, é necessário distinguir eventos "necessários" contra um fundo gigantesco de eventos "desnecessários", talvez um em um bilhão. Para isso, são utilizadas várias combinações de contadores e métodos de registro.

Registro de partículas carregadas baseia-se no fenômeno de ionização ou excitação de átomos, que eles causam na substância do detector. Esta é a base para a operação de detectores como câmara de nuvens, câmara de bolhas, câmara de faísca, emulsões, detectores de cintilação de gás e semicondutores.

1. Contador Geiger

O contador Geiger é, via de regra, um cátodo cilíndrico, ao longo do eixo do qual um fio é esticado - o ânodo. O sistema é preenchido com uma mistura de gases. Ao passar pelo contador, a partícula carregada ioniza o gás. Os elétrons resultantes, movendo-se em direção ao eletrodo - filamento positivo, caindo na região de um forte campo elétrico, são acelerados e, por sua vez, ionizam as moléculas de gás, o que leva a uma descarga corona. A amplitude do sinal atinge vários volts e é facilmente registrada. O contador Geiger registra a passagem de uma partícula pelo contador, mas não permite medir a energia da partícula.

2. Câmara de nuvens

Uma câmara de nuvens é um detector de rastros de partículas elementares carregadas, no qual o rastro (traço) de uma partícula forma uma cadeia de pequenas gotículas de líquido ao longo da trajetória de seu movimento. Inventado por C. Wilson em 1912 (Prêmio Nobel em 1927).

O princípio de funcionamento de uma câmara de nuvens é baseado na condensação de vapor supersaturado e na formação de gotículas de líquido visíveis em íons ao longo do rastro de uma partícula carregada que voa através da câmara. Para criar vapor supersaturado, ocorre uma rápida expansão adiabática do gás com a ajuda de um pistão mecânico. Depois de fotografar a trilha, o gás na câmara é comprimido novamente, as gotículas nos íons evaporam. O campo elétrico na câmara serve para “limpar” a câmara dos íons formados durante a ionização prévia do gás. Em uma câmara de nuvens, os rastros de partículas carregadas tornam-se visíveis devido à condensação de vapor supersaturado nos íons de gás formados pela partícula carregada. Gotículas líquidas são formadas nos íons, que crescem até tamanhos suficientes para observação (10–3–10–4 cm) e fotografia com boa luz. O meio de trabalho é mais frequentemente uma mistura de vapor de água e álcool a uma pressão de 0,1-2 atmosferas (o vapor de água condensa principalmente em íons negativos, vapor de álcool em íons positivos). A supersaturação é alcançada por uma rápida diminuição da pressão devido à expansão do volume de trabalho. As capacidades da câmara de nuvens aumentam significativamente quando colocadas em um campo magnético. De acordo com a trajetória de uma partícula carregada curvada por um campo magnético, o sinal de sua carga e momento são determinados. Usando uma câmara de nuvens em 1932, K. Anderson descobriu um pósitron em raios cósmicos.

3. Câmara de bolhas

câmara de bolhas– um detector de rastro de partículas elementares carregadas, no qual o rastro (traço) de uma partícula forma uma cadeia de bolhas de vapor ao longo da trajetória de seu movimento. Inventado por A. Glaser em 1952 (Prêmio Nobel em 1960).

O princípio de operação é baseado na ebulição de um líquido superaquecido ao longo da trilha de uma partícula carregada. A câmara de bolhas é um recipiente preenchido com um líquido transparente superaquecido. Com uma rápida diminuição da pressão, uma cadeia de bolhas de vapor é formada ao longo do trajeto da partícula ionizante, que são iluminadas por uma fonte externa e fotografadas. Depois de fotografar o traço, a pressão na câmara aumenta, as bolhas de gás colapsam e a câmara está pronta para operação novamente. O hidrogênio líquido é usado como fluido de trabalho na câmara, que serve simultaneamente como alvo de hidrogênio para estudar a interação de partículas com prótons.

A câmara de nuvens e a câmara de bolhas têm a grande vantagem de poder observar diretamente todas as partículas carregadas produzidas em cada reação. Para determinar o tipo de partícula e seu momento, câmaras de nuvens e câmaras de bolhas são colocadas em um campo magnético. A câmara de bolhas tem uma densidade mais alta do material do detector em comparação com a câmara de nuvens e, portanto, os caminhos das partículas carregadas são completamente fechados no volume do detector. Decifrar fotografias de câmaras de bolhas apresenta um problema separado e demorado.

4. Emulsões nucleares

Da mesma forma, como acontece na fotografia comum, uma partícula carregada rompe a estrutura da rede cristalina dos grãos de haleto de prata ao longo de seu caminho, tornando-os capazes de desenvolvimento. A emulsão nuclear é uma ferramenta única para registrar eventos raros. Pilhas de emulsões nucleares permitem detectar partículas de energias muito altas. Eles podem ser usados ​​para determinar as coordenadas do rastro de uma partícula carregada com uma precisão de ~1 mícron. Emulsões nucleares são amplamente utilizadas para detectar partículas cósmicas em balões e veículos espaciais.
As fotoemulsões como detectores de partículas são um pouco semelhantes às câmaras de nuvens e câmaras de bolhas. Eles foram usados ​​pela primeira vez pelo físico inglês S. Powell para estudar os raios cósmicos. A fotoemulsão é uma camada de gelatina com grãos de brometo de prata dispersos nela. Sob a ação da luz, centros de imagem latentes são formados nos grãos de brometo de prata, que contribuem para a redução do brometo de prata a prata metálica quando revelado com um revelador fotográfico convencional. O mecanismo físico para a formação desses centros é a formação de átomos de prata metálica devido ao efeito fotoelétrico. A ionização produzida por partículas carregadas dá o mesmo resultado: é produzido um rastro de grãos sensibilizados, que, após o desenvolvimento, podem ser vistos ao microscópio.

5. Detector de cintilação

O detector de cintilação usa a propriedade de certas substâncias para brilhar (cintilar) quando uma partícula carregada passa. Os quanta de luz gerados no cintilador são então registrados usando fotomultiplicadores.

As modernas instalações de medição em física de alta energia são sistemas complexos que incluem dezenas de milhares de contadores, eletrônica sofisticada e são capazes de registrar simultaneamente dezenas de partículas produzidas em uma colisão.

Perguntas.

1. De acordo com a Figura 170, fale sobre o dispositivo e o princípio de funcionamento do contador Geiger.

O contador Geiger consiste em um tubo de vidro preenchido com um gás rarefeito (argônio) e selado em ambas as extremidades, dentro do qual existe um cilindro metálico (cátodo) e um fio esticado dentro do cilindro (ânodo). O cátodo e o ânodo são ligados através de uma resistência a uma fonte de alta tensão (200-1000 V). Portanto, um forte campo elétrico surge entre o ânodo e o cátodo. Quando uma partícula ionizante entra no tubo, forma-se uma avalanche de elétrons-íons e uma corrente elétrica aparece no circuito, que é registrada por um dispositivo de contagem.

2. Quais partículas são registradas por um contador Geiger?

O contador Geiger é usado para registrar elétrons e ϒ-quanta.

3. De acordo com a Figura 171, conte-nos sobre o dispositivo e o princípio de funcionamento da câmara de nuvens.

A câmara de nuvens é um cilindro baixo de vidro com tampa, pistão na parte inferior e uma mistura de álcool e água saturada de vapor. Quando o pistão se move para baixo, os vapores ficam supersaturados, ou seja, capaz de condensação rápida. Quando qualquer partícula entra por uma janela especial, criam íons dentro da câmara, que se tornam núcleos de condensação, e ao longo da trajetória da partícula aparece um traço (trilha) de gotículas condensadas que podem ser fotografadas. Se você colocar a câmera em um campo magnético, as trajetórias das partículas carregadas serão curvas.

4. Que características das partículas podem ser determinadas usando uma câmara de nuvens colocada em um campo magnético?

Pela direção da curva, a carga da partícula é julgada e, pelo raio de curvatura, pode-se descobrir a magnitude da carga, massa e energia da partícula.

5. Qual é a vantagem de uma câmara de bolhas sobre uma câmara de nuvens? Como esses dispositivos são diferentes?

Na câmara de bolhas, em vez de vapor supersaturado, é utilizado um líquido superaquecido acima do ponto de ebulição, o que o torna mais rápido.

Hoje falaremos sobre métodos experimentais para estudar partículas. Nesta lição, discutiremos como as partículas alfa do decaimento do elemento radioativo rádio podem ser usadas para estudar a estrutura interna dos átomos. Também falaremos sobre métodos experimentais para estudar as partículas que compõem o átomo.

Tópico: A estrutura do átomo e o núcleo atômico. Uso da energia dos núcleos atômicos

Lição 54

Yeryutkin Evgeny Sergeevich

Esta lição será dedicada a uma discussão de métodos experimentais para detectar partículas. Anteriormente, falamos sobre o fato de que no início do século 20 apareceu uma ferramenta com a qual você pode estudar a estrutura do átomo e a estrutura do núcleo. Estas são partículas a, que são formadas como resultado do decaimento radioativo.

Para registrar essas partículas e radiações que se formam como resultado de reações nucleares, alguns novos métodos são necessários, diferentes daqueles usados ​​no macrocosmo. A propósito, os experimentos de Rutherford já usaram um desses métodos. É chamado de método de cintilação (flash). Em 1903, descobriu-se que, se uma partícula a atinge o sulfeto de zinco, ocorre um pequeno flash no local onde atingiu. Este fenômeno foi a base do método de cintilação.

No entanto, este método não era perfeito. Tive que observar a tela com muita atenção para ver todos os flashes, meus olhos cansaram: afinal, tive que usar um microscópio. Havia a necessidade de novos métodos que permitissem registrar de forma mais clara, rápida e confiável certas radiações.

Tal método teria sido proposto pela primeira vez por Geiger, funcionário do laboratório de Rutherford. Ele criou um dispositivo capaz de "contar" as partículas carregadas que caem nele, os chamados. Contador Geiger. Depois que o cientista alemão Muller melhorou esse mesmo contador, ele ficou conhecido como contador Geiger-Muller.

Como é arranjado? Este contador é de descarga de gás, ou seja, Funciona de acordo com este princípio: dentro deste mesmo balcão, em sua parte principal, forma-se uma descarga de gás durante a passagem de uma partícula. Deixe-me lembrá-lo que uma descarga é o fluxo de uma corrente elétrica em um gás.

Arroz. 1. Diagrama esquemático do contador Geiger-Muller

Um recipiente de vidro contendo um ânodo e um cátodo. O cátodo é apresentado na forma de um cilindro, e um ânodo é esticado dentro desse cilindro. Uma tensão suficientemente alta é criada entre o cátodo e o ânodo devido à fonte de corrente. Entre os eletrodos, dentro do recipiente a vácuo, geralmente existe um gás inerte. Isso é feito de propósito para criar a mesma descarga elétrica no futuro. Além disso, há uma alta resistência (R ~ 10 9 Ohm) no circuito. É necessário extinguir a corrente que flui neste circuito. E o trabalho do contador é o seguinte. Como sabemos, as partículas que são formadas como resultado de reações nucleares têm um poder de penetração bastante grande. Portanto, o recipiente de vidro, dentro do qual esses elementos estão localizados, não representa nenhum obstáculo para eles. Como resultado, a partícula penetra neste contador de descarga de gás e ioniza o gás no interior. Como resultado dessa ionização, são formados íons energéticos, que por sua vez colidem e criam, colidindo entre si, uma avalanche de partículas carregadas. Essa avalanche de partículas carregadas consistirá em íons negativos, íons carregados positivamente, bem como elétrons. E quando essa avalanche passar, podemos consertar a corrente elétrica. Isso nos dará a oportunidade de entender que uma partícula passou pelo contador de descarga de gás.

É conveniente porque em um segundo esse contador pode registrar aproximadamente 10.000 partículas. Após algumas melhorias, este contador também passou a registrar raios-g.

É claro, contador Geiger- uma coisa conveniente que permite determinar a existência de radioatividade em geral. No entanto, o contador Geiger-Muller não permite determinar os parâmetros da partícula, para realizar qualquer pesquisa com essas partículas. Isso requer maneiras muito diferentes, métodos muito diferentes. Logo após a criação do contador Geiger, tais métodos, tais dispositivos apareceram. Uma das mais famosas e difundidas é a câmara de nuvens.

Arroz. 2. Câmara de nuvens

Preste atenção ao dispositivo da câmera. Um cilindro contendo um pistão que pode se mover para cima e para baixo. Dentro deste pistão há um pano escuro umedecido com álcool e água. A parte superior do cilindro é coberta com um material transparente, geralmente vidro bastante espesso. Acima está uma câmera para tirar fotos do que vai acontecer dentro da câmara de nuvens. Para que tudo isso possa ser visto muito bem, uma luz de fundo é feita no lado esquerdo. Pela janela, à direita, um fluxo de partículas é direcionado. Essas partículas, entrando no meio, que consiste em água e álcool, irão interagir com partículas de água e partículas de álcool. É aqui que reside o mais interessante. O espaço entre o vidro e o pistão é preenchido com vapores de água e álcool formados como resultado da evaporação. Quando o pistão cai bruscamente, a pressão cai e os vapores que estão aqui ficam em um estado muito instável, ou seja, pronto para entrar em líquido. Mas como o álcool puro e a água são colocados nesse espaço, sem impurezas, por algum tempo (pode ser bastante grande) esse estado de não equilíbrio persiste. No momento em que as partículas carregadas entram na região de tal supersaturação, elas se tornam os centros nos quais começa a condensação do vapor. Além disso, se partículas negativas entram, elas interagem com alguns íons e, se forem positivas, com íons de outra substância. Por onde esta partícula passou, o chamado rastro permanece, ou seja, um rastro. Se a câmara de nuvens agora for colocada em um campo magnético, as partículas que possuem cargas começam a se desviar no campo magnético. E então tudo é muito simples: se a partícula estiver carregada positivamente, ela se desviará em uma direção. Se negativo - para outro. Assim, podemos determinar o sinal da carga e, pelo raio do próprio arredondamento ao longo do qual a partícula se move, podemos determinar ou estimar a massa dessa partícula. Agora podemos dizer que podemos obter informações completas sobre as partículas que compõem esta ou aquela radiação.

Arroz. 3. Faixas de partículas em uma câmara de nuvens

A câmara de nuvens tem uma desvantagem. As próprias trilhas que são formadas como resultado da passagem de partículas são de curta duração. Toda vez você precisa preparar a câmera novamente para obter uma nova foto. Portanto, uma câmera está localizada acima da câmera, que registra essas mesmas faixas.

Naturalmente, este não é o último dispositivo usado para registrar partículas. Em 1952, um dispositivo foi inventado, chamado de câmara de bolhas. Seu princípio de funcionamento é aproximadamente o mesmo de uma câmara de nuvens; apenas o trabalho é realizado com um líquido superaquecido, ou seja, em um estado onde o líquido está prestes a ferver. Neste momento, as partículas voam através desse líquido, o que cria centros de formação de bolhas. As trilhas formadas em tal câmera são armazenadas por muito mais tempo, e isso torna a câmera mais conveniente.

Arroz. 4. Aparência da câmara de bolhas

Na Rússia, outro método foi criado para monitorar várias partículas radioativas, decaimentos e reações. Este é um método de emulsões fotográficas de camada espessa. As partículas caem em emulsões preparadas de uma certa maneira. Ao interagir com partículas de emulsão, eles não apenas criam rastros, mas rastros que por si mesmos representam a fotografia que obtemos quando fotografamos rastros em uma câmara de nuvens ou em uma câmara de bolhas. É muito mais conveniente. Mas aqui há uma desvantagem importante. Para que o método da fotoemulsão funcione por bastante tempo, deve haver uma penetração constante, batida das novas partículas formadas ou radiação, ou seja, registrar pulsos de curto prazo dessa maneira é problemático.

Você pode falar sobre outros métodos: por exemplo, existe um método como uma câmara de faísca. Lá, como resultado do fluxo de reações radioativas, faíscas são formadas ao longo do traço do movimento da partícula. Eles também são claramente visíveis e fáceis de registrar.

Até o momento, os sensores semicondutores são os mais usados, que são compactos e convenientes e fornecem um resultado bastante bom.

Falaremos sobre quais descobertas foram feitas usando os métodos descritos acima na próxima lição.

Lista de literatura adicional

1. Borovoy A.A. Como as partículas são registradas (na esteira dos neutrinos). "Biblioteca "Quantum"". Questão. 15. M.: Nauka, 1981
2. Bronstein M. P. Átomos e elétrons. "Biblioteca "Quantum"". Questão. 1. M.: Nauka, 1980
3. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Física: Um livro didático para o 9º ano do ensino médio. M.: "Iluminismo"
4. Kitaygorodsky A.I. Física para todos. Fótons e núcleos. Livro 4. M.: Ciência
5. Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. Física. Óptica Física Quântica. Grau 11: livro para estudo aprofundado de física. M.: Abetarda