Inapoi inainte

Atenţie! Previzualizarea slide-ului are doar scop informativ și este posibil să nu reprezinte întreaga amploare a prezentării. Dacă sunteți interesat de această lucrare, vă rugăm să descărcați versiunea completă.

Tip de lecție: lecția de învățare a materialelor noi.

Tip de lecție: combinate.

Tehnologie: problema-dialogic.

Scopul lecției: organizează activitățile elevilor în studiul și consolidarea primară a cunoștințelor despre metodele de înregistrare a particulelor încărcate.

Echipament: computer și proiector multimedia, Prezentare.

Metode de înregistrare a particulelor încărcate

Astăzi, pare aproape neplauzibil câte descoperiri în fizica nucleară au fost făcute folosind surse naturale de radiații radioactive cu o energie de doar câțiva MeV și cele mai simple dispozitive de detectare. S-a descoperit nucleul atomic, s-au obţinut dimensiunile lui, s-a observat pentru prima dată o reacţie nucleară, fenomenul radioactivitate, au fost descoperite neutronul și protonul, a fost prezisă existența neutrinului și așa mai departe. Detectorul principal de particule pentru o lungă perioadă de timp a fost o placă acoperită cu sulfură de zinc. Particulele au fost înregistrate de ochi prin fulgerele de lumină produse de acestea în sulfură de zinc.

În timp, setările experimentale au devenit din ce în ce mai complexe. Au fost dezvoltate tehnici de accelerare și detecție a particulelor și electronică nucleară. Progresele în fizica nucleară și a particulelor elementare sunt din ce în ce mai mult determinate de progresul în aceste domenii. Premiile Nobel pentru fizică sunt adesea acordate pentru munca în domeniul tehnicii experimentului fizic.

Detectoarele servesc atât pentru a înregistra însuși faptul prezenței unei particule, cât și pentru a determina energia și impulsul acesteia, traiectoria particulei și alte caracteristici. Pentru înregistrarea particulelor, se folosesc adesea detectoare care sunt cât mai sensibile la înregistrarea unei anumite particule și nu simt fondul mare creat de alte particule.

De obicei, în experimentele de fizică nucleară și a particulelor, este necesar să se distingă evenimentele „necesare” pe un fundal gigantic de evenimente „inutile”, poate unul la un miliard. Pentru aceasta se folosesc diverse combinații de contoare și metode de înregistrare.

Înregistrarea particulelor încărcate se bazează pe fenomenul de ionizare sau excitare a atomilor, pe care aceștia îl provoacă în substanța detectorului. Aceasta este baza pentru funcționarea unor detectoare precum camera cu nori, camera cu bule, camera cu scânteie, emulsii fotografice, detectoare cu scintilație de gaz și semiconductor.

1. Contor Geiger

Contorul Geiger este, de regulă, un catod cilindric, de-a lungul axei căruia este întins un fir - anodul. Sistemul este umplut cu un amestec de gaze. La trecerea prin contor, particula încărcată ionizează gazul. Electronii rezultați, deplasându-se spre electrodul pozitiv - filament, căzând în regiunea unui câmp electric puternic, sunt accelerați și, la rândul lor, ionizează moleculele de gaz, ceea ce duce la o descărcare corona. Amplitudinea semnalului atinge câțiva volți și este ușor de înregistrat. Contorul Geiger înregistrează trecerea unei particule prin contor, dar nu permite măsurarea energiei particulei.

2. Camera de nor

O cameră cu nori este un detector de urmărire a particulelor încărcate elementare, în care urma (urma) unei particule formează un lanț de picături mici de lichid de-a lungul traiectoriei mișcării sale. Inventat de C. Wilson în 1912 (Premiul Nobel în 1927).

Principiul de funcționare al unei camere cu nori se bazează pe condensarea vaporilor suprasaturați și pe formarea de picături lichide vizibile pe ioni de-a lungul pistei unei particule încărcate care zboară prin cameră. Pentru a crea abur suprasaturat, are loc o expansiune adiabatică rapidă a gazului cu ajutorul unui piston mecanic. După fotografiarea pistei, gazul din cameră este din nou comprimat, picăturile de pe ioni se evaporă. Câmpul electric din cameră servește la „curățarea” camerei de ionii formați în timpul ionizării precedente a gazului. Într-o cameră cu nori, urmele particulelor încărcate devin vizibile datorită condensării vaporilor suprasaturați pe ionii de gaz formați de particulele încărcate. Pe ionii se formează picături de lichid, care cresc la dimensiuni suficiente pentru observare (10–3–10–4 cm) și fotografiere în lumină bună. Mediul de lucru este cel mai adesea un amestec de vapori de apă și alcool la o presiune de 0,1-2 atmosfere (vaporii de apă se condensează în principal pe ionii negativi, vaporii de alcool pe ionii pozitivi). Suprasaturarea se realizează printr-o scădere rapidă a presiunii datorită extinderii volumului de lucru. Capacitățile camerei de nor crește semnificativ atunci când este plasată într-un câmp magnetic. În funcție de traiectoria unei particule încărcate curbată de un câmp magnetic, se determină semnul sarcinii și impulsul acesteia. Folosind o cameră cu nori în 1932, K. Anderson a descoperit un pozitron în razele cosmice.

3. Camera cu bule

camera cu bule– un detector de urmărire de particule încărcate elementare, în care urma (urma) unei particule formează un lanț de bule de vapori de-a lungul traiectoriei mișcării sale. Inventat de A. Glaser în 1952 (Premiul Nobel în 1960).

Principiul de funcționare se bazează pe fierberea unui lichid supraîncălzit de-a lungul pistei unei particule încărcate. Camera cu bule este un vas umplut cu un lichid transparent supraîncălzit. Cu o scădere rapidă a presiunii, se formează un lanț de bule de vapori de-a lungul pistei particulei ionizante, care sunt iluminate de o sursă externă și fotografiate. După fotografiarea urmei, presiunea din cameră crește, bulele de gaz se prăbușesc și camera este gata de funcționare din nou. Hidrogenul lichid este folosit ca fluid de lucru în cameră, care servește simultan ca țintă de hidrogen pentru studiul interacțiunii particulelor cu protonii.

Camera cu nori și camera cu bule au marele avantaj de a putea observa direct toate particulele încărcate produse în fiecare reacție. Pentru a determina tipul de particule și impulsul acesteia, camerele cu nori și camerele cu bule sunt plasate într-un câmp magnetic. Camera cu bule are o densitate mai mare a materialului detectorului în comparație cu camera cu nori și, prin urmare, căile particulelor încărcate sunt complet închise în volumul detectorului. Descifrarea fotografiilor din camerele cu bule prezintă o problemă separată, care necesită timp.

4. Emulsii nucleare

În mod similar, așa cum se întâmplă în fotografia obișnuită, o particulă încărcată perturbă structura rețelei cristaline a granulelor de halogenură de argint de-a lungul traseului său, făcându-le capabile de dezvoltare. Emulsia nucleară este un instrument unic pentru înregistrarea evenimentelor rare. Stivele de emulsii nucleare fac posibilă detectarea particulelor de energii foarte mari. Ele pot fi utilizate pentru a determina coordonatele traseului unei particule încărcate cu o precizie de ~ 1 micron. Emulsiile nucleare sunt utilizate pe scară largă pentru a detecta particulele cosmice pe baloane și vehicule spațiale.
Fotoemulsiile ca detectoare de particule sunt oarecum similare cu camerele cu nori și camerele cu bule. Ele au fost folosite pentru prima dată de fizicianul englez S. Powell pentru a studia razele cosmice. Emulsia foto este un strat de gelatină cu granule de bromură de argint dispersate în el. Sub acțiunea luminii, în granulele de bromură de argint se formează centrii de imagine latenți, care contribuie la reducerea bromurii de argint la argint metalic atunci când sunt dezvoltate cu un dezvoltator fotografic convențional. Mecanismul fizic de formare a acestor centri este formarea atomilor de argint metalic datorita efectului fotoelectric. Ionizarea produsă de particulele încărcate dă același rezultat: se produce o urmă de boabe sensibilizate, care, după dezvoltare, poate fi văzută la microscop.

5. Detector de scintilație

Detectorul de scintilație folosește proprietatea anumitor substanțe de a străluci (scintila) atunci când trece o particulă încărcată. Cuantele de lumină generate în scintilator sunt apoi înregistrate folosind fotomultiplicatori.

Instalațiile moderne de măsurare în fizica energiilor înalte sunt sisteme complexe care includ zeci de mii de contoare, electronice sofisticate și sunt capabile să înregistreze simultan zeci de particule produse într-o singură coliziune.