Экспериментальные методы и средства исследования частиц
Конкурс "Я иду на урок"
Г.Г.Емелина,
школа им. Героя России И.В.Сарычева,
г. Кораблино, Рязанская обл.
Экспериментальные методы и средства исследования частиц
Открытый урок. 9-й класс
Хотя предлагаемая тема в соответствии с программой изучается в 9-м классе, материал будет интересен и для уроков в 11-м классе. – Ред.
Образовательные цели урока: ознакомить учащихся с устройствами регистрирации элементарных частиц, раскрыть принципы их работы, научить по трекам определять и сравнивать скорость, энергию, массу, заряд элементарных частиц и их отношение.
План-конспект урока
Выполняя домашнее задание, ребята вспомнили и нашли примеры неустойчивых систем (см. рисунки) и способы выведения их из неустойчивого состояния.
Провожу фронтальный опрос:
Как получить пересыщенный пар? (Ответ. Резко увеличить объём сосуда. При этом температура понизится и пар станет пересыщенным.
Что произойдёт с пересыщенным паром, если в нём появится частица? (Ответ. Она явится центром конденсации, на ней образуется роса.)
Как влияет магнитное поле на движение заряженной частицы? (Ответ. В поле скорость частицы меняется по направлению, но не по модулю.)
Как называется сила, с которой магнитное поле действует на заряженную частицу? Куда она направлена? (Ответ. Это сила Лоренца; она направлена к центру окружности.)
При объяснении нового материала использую опорный конспект: большой плакат с ним висит у доски, копии – у каждого учащегося (они возьмут их с собой на дом, занесут в тетрадь и на следующем уроке возвратят учителю). Рассказываю о сцинтилляционном счётчике и счётчике Гейгера, стараясь сэкономить время на работу с фотографиями треков. Опираюсь на знания детей о напряжении в цепи при последовательном соединении. Примерный текст: «Простейшим средством регистрации излучений был экран, покрытый люминесцирующим веществом (от лат. lumen – свет). Это вещество светится при ударе о него заряженной частицы, если энергии этой частицы достаточно для возбуждения атомов вещества. В том месте, куда частица попадает, возникает вспышка – сцинтилляция (от лат. scintillatio – сверкание, искрение). Такие счётчики и получили название сцинтилляционные. Работа всех остальных приборов основана на ионизации атомов вещества пролетающими частицами.
Первый прибор для регистрации частиц был изобретён Гейгером и усовершенствован Мюллером. Счётчик Гейгера–Мюллера (регистрирует и считает частицы) представляет собой заполненный инертным газом (например, аргоном) металлический цилиндр с изолированной от стенок металлической же нитью внутри. На корпус цилиндра подаётся отрицательный потенциал, а на нить – положительный, так что между ними создаётся напряжение около 1500 В, высокое, но недостаточное для ионизации газа. Пролетающая через газ заряженная частица ионизирует его атомы, между стенками и нитью возникает разряд, цепь замыкается, идёт ток, и на нагрузочном резисторе сопротивлением R создаётся падение напряжения UR = IR, которое снимается регистрирующим устройством. Так как прибор и резистор соединены последовательно (Uист = UR + Uприб), то с увеличением UR напряжение Uприб между стенками цилиндра и нитью уменьшается, и разряд быстро прекращается, а счётчик снова готов к работе.
В 1912 г. была предложена камера Вильсона – прибор, который физики называли удивительным инструментом.
Ученик делает 2–3-минутное сообщение, подготовленное заранее и показывающее значение камеры Вильсона для изучения микромира, её недостатки и необходимость усовершенствования. Кратко знакомлю с устройством камеры, показываю её, чтобы учащиеся имели в виду при подготовке домашнего задания, что камера может быть выполнена по-разному (в учебнике – в виде цилиндра с поршнем). Примерный текст: «Камера представляет собой металлическое или пластмассовое кольцо 1, плотно закрытое сверху и снизу стеклянными пластинками 2. Пластинки крепятся к корпусу через два (верхнее и нижнее) металлических кольца 3 четырьмя болтами 4 с гайками. На боковой поверхности камеры есть патрубок для присоединения резиновой груши 5. Внутри камеры размещают радиоактивный препарат. Верхняя стеклянная пластинка имеет на внутренней поверхности прозрачный токопроводящий слой. Внутри камеры размещена металлическая кольцевая диафрагма с рядом щелей. Она прижимается гофрированной диафрагмой 6, которая является боковой стенкой рабочего пространства камеры и служит для устранения вихревых движений воздуха».
Ученик проводит инструктаж по технике безопасности, а затем – опыт, который раскрывает принцип действия камеры Вильсона и наглядно показывает, что твёрдые частицы или ионы могут быть центрами конденсации. Стеклянную колбу ополаскивают водой и укрепляют вверх дном в лапке штатива. Устанавливают подсвет. Отверстие колбы закрывают резиновой пробкой, в которую вставляют резиновую грушу. Сначала грушу медленно сжимают, а затем быстро отпускают – никаких изменений в колбе не наблюдается. Колбу открывают, к горловине подносят горящую спичку, снова закрывают и повторяют опыт. Теперь при расширении воздуха колба наполняется густым туманом.
Рассказываю принцип действия камеры Вильсона, используя результаты опыта. Ввожу понятие трек частицы. Делаем вывод, что частицы и ионы могут быть центрами конденсации. Примерный текст: «При быстром отпускании груши (процесс адиабатный, т.к. не успевает произойти теплообмен с окружающей средой) смесь расширяется и охлаждается, поэтому воздух в камере (колбе) становится перенасыщен парами воды. Но пары не конденсируются, т.к. нет центров конденсации: ни пылинок, ни ионов. После введения в колбу частиц копоти из пламени спички и ионов при нагреве перенасыщенный водяной пар конденсируется на них. То же происходит, если через камеру пролетает заряженная частица: она ионизирует на своём пути молекулы воздуха, на цепочке ионов происходит конденсация паров, и траектория движения частицы внутри камеры отмечается нитью из капелек тумана, т.е. становится видимой. С помощью камеры Вильсона можно не только увидеть движение частиц, но понять характер их взаимодействия с другими частицами».
Ещё один ученик показывает опыт с кюветой.
Самодельную кювету со стеклянным дном устанавливают на аппарате с приспособлением для горизонтального проецирования. На стекло кюветы пипеткой наносят капли воды, толкают шарик. Шарик на своём пути отрывает от капелек «осколки» и оставляет «трек». Аналогично в камере частица ионизирует газ, ионы становятся центрами конденсации и тоже «делают трек». Этот же опыт даёт наглядное представление о поведении частиц в магнитном поле. При анализе опыта заполняем пустые места на втором плакате с характеристиками движения заряженных частиц:
Длина трека тем больше, чем больше (энергия) частицы и чем меньше (плотность среды).
Толщина трека тем больше, чем больше (заряд) частицы и чем меньше её (скорость).
При движении заряженной частицы в магнитном поле трек получается искривлённым, причём радиус кривизны трека тем больше, чем больше (масса) и (скорость) частицы и чем меньше её (заряд) и (модуль индукции) магнитного поля.
Частица движется от конца трека с (большим) радиусом кривизны к концу с (меньшим) радиусом кривизны. Радиус кривизны по мере движения уменьшается, т.к. из-за сопротивления среды (уменьшается) скорость частицы.
Затем рассказываю о недостатках камеры Вильсона (главный – малый пробег частиц) и о необходимости изобретения устройства с более плотной средой – перегретой жидкостью (пузырьковая камера), фотоэмульсией. Их принцип работы тот же, и я предлагаю ребятам изучить его самостоятельно дома.
Провожу работу с фотографиями треков на с. 242 учебника по рис. 196. Ребята работают парами. Заканчивают работу по оставшимся рисункам дома.
Подводим итоги урока. Делаем вывод, что с помощью рассмотренных методов можно непосредственно наблюдать только заряженные частицы. Нейтральные – нельзя, они не ионизируют вещество и, следовательно, не дают треков. Выставляю оценки.
Домашнее задание: § 76 (Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. Физика-11. – М.: Просвещение, 1991), № 1163 по задачнику А.П.Рымкевича; ЛР № 6 «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям». Оформить и выучить ОК.
ОБ АВТОРЕ. Галина Геннадьевна Емелина – учитель I квалификационной категории, педагогический стаж 16 лет. Активно выступает на заседаниях районного методического объединения учителей физики; не раз давала хорошие открытые уроки для физиков района и учителей своей школы. Её любят и уважают ученики.
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
- Боровой А.А. Как регистрируют частицы (по следам нейтрино). «Библиотечка “Квант”». Вып. 15. М.: Наука, 1981
- Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
- Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
- Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
Приборы для регистрации заряженных частиц называются детекторами. Существует два основных вида детекторов:
1) дискретные (счетные и определяющие энергию частиц): счетчик Гейгера, ионизационная камера и др.;
2) трековые (дающие возможность наблюдать и фотографировать следы (треки) частиц в рабочем объеме детектора): камера Вильсона, пузырьковая камера, толстослойные фотоэмульсии и др.
1. Газоразрядный счетчик Гейгера. Для регистрации электронов и \(~\gamma\)-квантов (фотонов) большой энергии используется счетчик Гейгера-Мюллера. Он состоит из стеклянной трубки (рис. 22.4), к внутренним стенкам которой прилегает катод К - тонкий металлический цилиндр; анодом А служит тонкая металлическая проволока, натянутая по оси счетчика. Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Счетчик включается в регистрирующую схему. На корпус подается отрицательный потенциал, на нить - положительный. Последовательно счетчику включается резистор R, с которого сигнал подается к регистрирующему устройству.
Действие счетчика основано на ударной ионизации. Пусть в счетчик попала частица, создавшая на своем пути хотя бы одну пару: "ион + электрон". Электроны, двигаясь к аноду (нити), попадают в поле с нарастающей напряженностью (напряжение между А и K ~ 1600 В), их скорость стремительно возрастает, и на своем пути они создают ионную лавину (возникает ударная ионизация). Попав на нить, электроны снижают ее потенциал, вследствие чего по резистору R пойдет ток. На его концах возникает импульс напряжения, который и поступает в регистрационное устройство.
На резисторе происходит падение напряжения, потенциал анода уменьшается, и напряженность поля внутри счетчика убывает, вследствие чего уменьшается кинетическая энергия электронов. Разряд прекращается. Таким образом, резистор играет роль сопротивления, автоматически гасящего лавинный разряд. Положительные ионы стекают к катоду в течение \(~t \approx 10^{-4}\) с после начала разряда.
Счетчик Гейгера позволяет регистрировать 10 4 частиц в секунду. Он применяется в основном для регистрации электронов и \(~\gamma\)-квантов. Однако непосредственно \(~\gamma\)-кванты вследствие своей малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого \(~\gamma\)-кванты выбивают электроны. При регистрации электронов эффективность счетчика 100 %, а при регистрации \(~\gamma\)-квантов - лишь около 1 %.
Регистрация тяжелых \(~\alpha\)-частиц затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое "окошко", прозрачное для этих частиц.
2. Камера Вильсона.
В камере используется способность частиц больших энергий ионизировать атомы газа. Камера Вильсона (рис. 22.5) представляет собой цилиндрический сосуд с поршнем 1. Верхняя часть цилиндра сделана из прозрачного материала, в камеру вводится небольшое количество воды или спирта, для чего снизу сосуд покрыт слоем влажного бархата или сукна 2. Внутри камеры образуется смесь насыщенных паров и воздуха. При быстром опускании поршня 1 смесь адиабатически расширяется, что сопровождается понижением ее температуры. За счет охлаждения пар становится пересыщенным.
Если воздух очищен от пылинок, то конденсация пара в жидкость затруднена из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому если через камеру (впускают через окошко 3) пролетает заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры благодаря осевшим маленьким капелькам жидкости становится видимой. Цепочка образовавшихся капель жидкости образует трек частицы. Тепловое движение молекул быстро размывает трек частиц, и траектории частиц видны отчетливо лишь около 0,1 с, что, однако, достаточно для фотографирования.
Вид трека на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине ее энергии. Так, \(~\alpha\)-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны - более тонкий, а электроны - пунктирный (рис. 22.6). Появляющееся расщепление трека - "вилки" свидетельствует о происходящей реакции.
Чтобы подготовить камеру к действию и очистить ее от оставшихся ионов, внутри нее создают электрическое поле, притягивающее ионы к электродам, где они нейтрализуются.
Советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили размещать камеру в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. По радиусу кривизны траектории и интенсивности треков определяют энергию и массу частицы (удельный заряд).
3. Пузырьковая камера. В настоящее время в научных исследованиях используется пузырьковая камера. Рабочий объем в пузырьковой камере заполнен жидкостью под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени находится в неустойчивом состоянии. Если через такую жидкость пролетит заряженная частица, то вдоль ее траектории жидкость закипит, поскольку образовавшиеся в жидкости ионы служат центрами парообразования. При этом траектория частицы отмечается цепочкой пузырьков пара, т.е. делается видимой. В качестве жидкостей используются главным образом жидкий водород и пропан С 3 Н 3 . Длительность рабочего цикла порядка 0,1 с.
Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества, вследствие чего частица теряет больше энергии, чем в газе. Пробеги частиц оказываются более короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет гораздо точнее определить направление движения частицы и ее энергию, наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.
4. Метод толстослойных фотоэмульсий разработан Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым.
Он основан на использовании почернения фотографического слоя под действием проходящих через фотоэмульсию быстрых заряженных частиц. Такая частица вызывает распад молекул бромистого серебра на ионы Ag + и Вг - и почернение фотоэмульсии вдоль траектории движения, образуя скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и образуется трек частицы. По длине и толщине трека судят об энергии и массе частицы.
Для изучения следов частиц, обладающих очень высокой энергией и дающих длинные следы, большое количество пластинок складывается в стопу.
Существенным преимуществом метода фотоэмульсий, помимо простоты применения, является то, что он дает неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Это привело к широкому применению данного метода при исследовании новых элементарных частиц. Этим методом с добавлением к эмульсии соединений бора или лития могут быть изучены следы нейтронов, которые в результате реакций с ядрами бора и лития создают \(~\alpha\)-частицы, вызывающие почернение в слое ядерной эмульсии. По следам \(~\alpha\)-частиц делаются выводы о скорости и энергиях нейтронов, вызвавших появление \(~\alpha\)-частиц.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 618-621.
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
- Боровой А.А. Как регистрируют частицы (по следам нейтрино). «Библиотечка “Квант”». Вып. 15. М.: Наука, 1981
- Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
- Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
- Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
