La începutul secolului al XX-lea. Au fost dezvoltate metode de studiere a fenomenului fizicii atomice și au fost create instrumente care au făcut posibilă nu numai clarificarea întrebărilor de bază ale structurii atomilor, ci și observarea transformărilor elementelor chimice.

Dificultatea în crearea unor astfel de dispozitive a fost că particulele încărcate folosite în experimente sunt atomi ionizați ai unor elemente sau, de exemplu, electroni, iar dispozitivul trebuie să înregistreze doar o particulă care o lovește sau să facă vizibilă traiectoria mișcării sale.

Ca unul dintre primele și cele mai simple dispozitive pentru detectarea particulelor, a fost folosit un ecran acoperit cu o compoziție luminiscentă. În acel punct de pe ecran în care o particulă cu o energie suficient de mare lovește, are loc o fulgerare - scintilație (din latinescul „scintillation” - scânteie, fulger).

Primul dispozitiv de bază pentru detectarea particulelor a fost inventat în 1908 de G. Geiger. După ce acest dispozitiv a fost îmbunătățit de W. Muller, el a putut număra numărul de particule care cădeau în el. Funcționarea unui contor Geiger-Muller se bazează pe faptul că particulele încărcate care zboară printr-un gaz ionizează atomii de gaz întâlniți în calea lor: o particulă încărcată negativ, respingând electronii, îi scoate din atomi, iar o particulă încărcată pozitiv atrage electronii. și le scoate din atomi.

Contorul este format dintr-un cilindru metalic gol, de circa 3 cm diametru (Fig. 37.1), cu o fereastră din sticlă subțire sau aluminiu. Un fir metalic izolat de pereți trece de-a lungul suprafeței cilindrului. Cilindrul (camera) este umplut cu gaz rarefiat, de exemplu argon. Între pereții cilindrului și filament se creează o tensiune de aproximativ 1500 V, care este insuficientă pentru formarea unei descărcări independente. Firul este împământat printr-o rezistență mareR. Când o particulă de mare energie intră în cameră, atomii de gaz din calea acestei particule sunt ionizați și are loc o descărcare între pereți și filament. Curentul de descărcare creează o cădere mare de tensiune pe rezistența R, iar tensiunea dintre filament și pereți este mult redusă. Prin urmare, descărcarea se oprește rapid. După ce curentul se oprește, toată tensiunea este din nou concentrată între pereții camerei și fir, iar contorul este gata să înregistreze o nouă particule. Tensiune cu rezistență R este alimentat la intrarea lămpii de amplificare, în circuitul anodic al căruia mecanismul de numărare este pornit.

Capacitatea particulelor de înaltă energie de a ioniza atomii de gaz este folosită și într-unul dintre cele mai remarcabile instrumente ale fizicii moderne - camera de nor. În 1911, omul de știință englez Charles Wilson a construit un dispozitiv cu ajutorul căruia a fost posibil să se vadă și să fotografieze traiectoriile particulelor încărcate.

Camera Wilson (Fig. 37.2) este formată dintr-un cilindru cu piston; partea superioară a cilindrului este realizată din material transparent. Nu număr mare apă sau alcool, iar în interiorul acestuia se formează un amestec de vapori și aer. Când pistonul este coborât rapid, amestecul se extinde adiabatic și se răcește, astfel încât aerul din cameră devine suprasaturat cu vapori.

Dacă aerul este curățat de particule de praf, atunci conversia excesului de vapori în lichid este dificilă din cauza absenței centrelor de condensare. Cu toate acestea, ionii pot servi și ca centre de condensare. Prin urmare, dacă în acest moment o particulă încărcată zboară prin cameră, ionizând molecule de aer pe drum, atunci are loc condensarea vaporilor pe lanțul de ioni și traiectoria particulei în interiorul camerei se dovedește a fi marcată de un fir de ceață, adică devine vizibil. Mișcarea termică a aerului estompează rapid firele de ceață, iar traiectoriile particulelor sunt clar vizibile doar aproximativ 0,1 s, ceea ce este totuși suficient pentru fotografiere.

Apariția traiectoriei într-o fotografie permite adesea să se judece natura particulei și magnitudinea energiei acesteia. Astfel, particulele alfa lasă o urmă relativ groasă și continuă, protonii lasă o urmă mai subțire, iar electronii lasă o urmă punctată. Una dintre fotografiile particulelor alfa dintr-o cameră cu nori este prezentată în Fig. 37.3.

Pentru a pregăti camera pentru acțiune și pentru a o curăța de ionii rămași, în interiorul acesteia se creează un câmp electric, care atrage ionii către electrozi, unde sunt neutralizați.

După cum sa menționat mai sus, într-o cameră cu nori, pentru a obține urme de particule, se utilizează condensarea vaporilor suprasaturați, adică transformându-i într-un lichid. În același scop, poate fi folosit fenomenul opus, adică transformarea lichidului în vapori. Dacă un lichid este închis într-un vas închis cu un piston și se folosește pistonul pentru a crea o presiune crescută și apoi prin mișcarea bruscă a pistonului pentru a reduce presiunea în lichid, atunci la temperatura corespunzătoare lichidul poate fi într-o stare supraîncălzită. Dacă o particulă încărcată zboară printr-un astfel de lichid, atunci de-a lungul traiectoriei sale lichidul va fierbe, deoarece ionii formați în lichid servesc ca centre de vaporizare. În acest caz, traiectoria particulei este marcată de un lanț de bule de vapori, adică este făcută vizibilă. Acțiunea camerei cu bule se bazează pe acest principiu.

Când se studiază urmele de particule cu energie mare, o cameră cu bule este mai convenabilă decât o cameră Wilson, deoarece atunci când se mișcă într-un lichid, o particulă pierde semnificativ mai multă energie decât într-un gaz. În multe cazuri, acest lucru face posibilă determinarea mult mai precisă a direcției de mișcare a particulei și a energiei acesteia. În prezent, există camere cu bule cu un diametru de aproximativ 2 m. Sunt umplute cu hidrogen lichid. Urmele de particule din hidrogenul lichid sunt foarte clare.

Metoda plăcilor fotografice în strat gros este, de asemenea, utilizată pentru înregistrarea particulelor și obținerea urmelor acestora. Se bazează pe faptul că particulele care zboară prin emulsia fotografică acționează asupra granulelor de bromură de argint, astfel că urma lăsată de particule după dezvoltarea plăcii fotografice devine vizibilă (Fig. 37.4) și poate fi examinată cu ajutorul microscopului. Pentru a se asigura că traseul este suficient de lung, se folosesc straturi groase de emulsie fotografică.

Raport:

Metode de înregistrare a particulelor elementare

1) Contor Geiger cu descărcare de gaz

Un contor Geiger este unul dintre cele mai importante dispozitive pentru numărarea automată a particulelor.

Contorul constă dintr-un tub de sticlă acoperit la interior cu un strat de metal (catod) și un fir subțire de metal care trece de-a lungul axei tubului (anod).

Tubul este umplut cu gaz, de obicei argon. Contorul funcționează pe baza ionizării de impact. O particulă încărcată (electron, £-particulă etc.), care zboară printr-un gaz, elimină electroni din atomi și creează ioni pozitivi și electroni liberi. Câmpul electric dintre anod și catod (li se aplică o tensiune înaltă) accelerează electronii până la o energie la care începe ionizarea de impact. Are loc o avalanșă de ioni, iar curentul prin contor crește brusc. În acest caz, un impuls de tensiune este generat peste rezistorul de sarcină R, care este alimentat dispozitivului de înregistrare. Pentru ca contorul să înregistreze următoarea particulă care o lovește, descărcarea de avalanșă trebuie să fie stinsă. Acest lucru se întâmplă automat. Deoarece în momentul în care apare impulsul de curent, căderea de tensiune pe rezistorul de descărcare R este mare, tensiunea dintre anod și catod scade brusc - atât de mult încât descărcarea se oprește.

Contorul Geiger este folosit în principal pentru înregistrarea electronilor și a cuantelor Y (fotonii de înaltă energie). Pentru a le detecta, peretele interior al tubului este acoperit cu un material din care Y-quanta elimina electronii.

Contorul înregistrează aproape toți electronii care intră în el; În ceea ce privește Y-quanta, acesta înregistrează aproximativ doar un Y-quantum dintr-o sută. Înregistrarea particulelor grele (de exemplu, particule £) este dificilă, deoarece este dificil să se facă o „fereastră” suficient de subțire în contor, care să fie transparentă pentru aceste particule.

2) Camera Wilson

Acțiunea unei camere cu nori se bazează pe condensarea vaporilor suprasaturați pe ioni pentru a forma picături de apă. Acești ioni sunt creați de-a lungul traiectoriei sale de o particulă încărcată în mișcare.

Dispozitivul este un cilindru cu un piston 1 (Fig. 2), acoperit cu un capac plat din sticlă 2. Cilindrul conține vapori saturați de apă sau alcool. Medicamentul radioactiv 3 studiat este introdus în cameră, care formează ioni în volumul de lucru al camerei. Când pistonul coboară brusc, de ex. În timpul expansiunii adiabatice, aburul se răcește și devine suprasaturat. În această stare, aburul se condensează ușor. Centrele de condensare devin ioni formați de o particulă care zboară în acel moment. Așa apare în cameră (fig. 3) o dâră de ceață (pistă) care poate fi observată și fotografiată. Pista există pentru zecimi de secundă. Întoarcerea pistonului la pozitia de pornire iar prin îndepărtarea ionilor printr-un câmp electric se poate realiza din nou expansiunea adiabatică. Astfel, experimentele cu camera pot fi efectuate în mod repetat.

Dacă camera este plasată între polii unui electromagnet, atunci capacitățile camerei de a studia proprietățile particulelor se extind semnificativ. În acest caz, forța Lorentz acționează asupra particulei în mișcare, ceea ce face posibilă determinarea valorii sarcinii particulei și a impulsului acesteia din curbura traiectoriei. Figura 4 arată opțiune posibilă descifrarea fotografiilor urmelor de electroni și pozitroni. Vectorul de inducție B câmp magneticîndreptată perpendicular pe planul desenului dincolo de desen. Pozitronul se deviază la stânga, iar electronul la dreapta.

3) Camera cu bule

Diferă de o cameră cu nori prin aceea că vaporii suprasaturați din volumul de lucru al camerei sunt înlocuiți cu lichid supraîncălzit, adică. un lichid care este sub presiune mai mică decât presiunea sa de vapori saturați.

Zburând printr-un astfel de lichid, o particulă provoacă apariția bulelor de vapori, formând astfel o urmă (Fig. 5).

În starea inițială, pistonul comprimă lichidul. Cu o scădere bruscă a presiunii, punctul de fierbere al lichidului este mai mic decât temperatura ambiantă.

Lichidul devine instabil (supraîncălzit). Acest lucru asigură apariția bulelor de-a lungul traseului particulei. Ca amestec de lucru se utilizează hidrogen, xenon, propan și alte substanțe.

Avantajul camerei cu bule față de camera Wilson se datorează densității mai mari a substanței de lucru. Drept urmare, căile particulelor se dovedesc a fi destul de scurte, iar particulele chiar și cu energii mari se blochează în cameră. Acest lucru permite observarea unei serii de transformări succesive ale unei particule și reacțiile pe care le provoacă.

4) Metoda de emulsie a filmului gros

Pentru a detecta particulele, împreună cu camerele cu nori și camerele cu bule, se folosesc emulsii fotografice în strat gros. Efectul ionizant al particulelor încărcate rapid pe emulsia plăcilor fotografice. Emulsia fotografică conține un număr mare de cristale microscopice de bromură de argint.

O particulă încărcată rapid, care pătrunde în cristal, elimină electronii din atomii individuali de brom. Un lanț de astfel de cristale formează o imagine latentă. Când argintul metalic apare în aceste cristale, lanțul de boabe de argint formează o urmă de particule.

Lungimea și grosimea pistei pot fi utilizate pentru a estima energia și masa particulei. Datorită densității mari a emulsiei fotografice, pistele sunt foarte scurte, dar la fotografiere pot fi mărite. Avantajul emulsiei fotografice este că timpul de expunere poate fi atât de lung cât se dorește. Acest lucru face posibilă înregistrarea evenimentelor rare. De asemenea, este important ca, datorită puterii mari de oprire a fotoemulsiei, numărul de reacții interesante observate între particule și nuclei crește.

Subiectul lecției: Metode de observare și înregistrare elementară

particule.

Scopul lecției: Explicați elevilor structura și principiul de funcționare a instalațiilor de înregistrare și studiere a particulelor elementare.

Tipul de lecție: O lecție de învățare a cunoștințelor noi.

Epigraf:

„….. cultivarea creativității

într-o persoană se bazează pe dezvoltare

gândire independentă"

P.P. Kapitsa

Structura lecției:

Etapa organizatorica.

Salutăm studenții și invitații seminarului. Verificarea gradului de pregătire a elevilor pentru sesiune de antrenament

2. Scopurile și obiectivele lecției. (Pregătirea studenților pentru lucru la etapa principală)

Declarație privind scopul lecției (Astăzi în lecție veți afla ce instrumente sunt folosite pentru a observa și înregistra particulele încărcate, cum sunt structurate și principiul lor de funcționare).

Prezentarea de material nou

Mai întâi, să efectuăm un sondaj frontal:

Ce este ionizarea?

(Procesul de dezintegrare a atomilor neutri în ioni și electroni)

Cum se obține abur suprasaturat?

(Răspuns: Mărește brusc volumul vasului. În același timp, temperatura

va scădea și aburul va deveni suprasaturat.)

Ce se va întâmpla cu aburul suprasaturat dacă în el apare o particulă? ?

(Răspuns: Va fi centrul condensului, pe el se va forma roua.)

Cum afectează un câmp magnetic mișcarea unei particule încărcate?

(Răspuns: Într-un câmp, viteza unei particule se schimbă în direcție, dar nu în

modul.)

Cum se numește forța cu care acționează un câmp magnetic asupra unei particule încărcate? Încotro se îndreaptă?

(Răspuns: Aceasta este forța Lorentz; este îndreptată spre centrul cercului.)

Observații de deschidere profesor

În timpul studierii fizicii cuantice, expresiile - nucleu atomic și particule elementare - au fost deja menționate în mod repetat. Cu toate acestea, particulele elementare (de exemplu, electroni și ioni), precum și nucleele atomice, nu pot fi văzute cu niciun microscop, chiar și cu unul electronic. Prin urmare, mai întâi ne vom familiariza cu dispozitivele datorită cărora a apărut și a început să se dezvolte fizica nucleului atomic și a particulelor elementare. Ei sunt cei care oferă oamenilor informațiile necesare despre microlume.

Orice dispozitiv care înregistrează particule elementare este ca un pistol încărcat cu ciocanul armat. O cantitate mică de forță atunci când apăsați trăgaciul unui pistol provoacă un efect care nu este comparabil cu efortul depus - o lovitură.

Un dispozitiv de înregistrare este un sistem macroscopic mai mult sau mai puțin complex care poate fi într-o stare instabilă. Cu o mică perturbare cauzată de o particule care trece, începe procesul de tranziție a sistemului la o stare nouă, mai stabilă. Acest proces face posibilă înregistrarea unei particule. În prezent, sunt utilizate multe metode diferite de detectare a particulelor.

În funcție de scopurile experimentului și de condițiile în care se desfășoară, se folosesc anumite dispozitive de înregistrare, care diferă unele de altele prin caracteristicile lor principale.

Mesajul #1

Contor Geiger cu descărcare de gaz

Contorul Geiger este unul dintre cele mai importante dispozitive. Pentru numărarea automată a particulelor. Contoarele bune pot înregistra până la 10.000 sau mai multe particule pe secundă. Contorul constă dintr-un tub de sticlă acoperit la interior cu un strat de metal (catod) și un fir subțire de metal care trece de-a lungul axei tubului (anod).

Tubul este umplut cu gaz, de obicei argon. Contorul funcționează pe baza ionizării de impact. O particulă încărcată care zboară printr-un gaz scoate electroni din atomi și creează ioni pozitivi și electroni liberi. Câmpul electric dintre anod și catod (li se aplică o tensiune înaltă) accelerează electronii până la energii la care începe ionizarea de impact. Are loc o avalanșă de ioni, iar curentul prin contor crește brusc. În acest caz, se formează un impuls de tensiune la rezistența de sarcină, care este alimentat dispozitivului de înregistrare.

Contorul Geiger este folosit în principal pentru înregistrarea electronilor și a y-quantelor (fotoni de înaltă energie). La înregistrarea electronilor, eficiența contorului este de aproximativ 100%, iar la înregistrarea y-quanta este de numai aproximativ 1%. Înregistrarea particulelor grele (de exemplu, particule alfa) este dificilă, deoarece este dificil să se facă o „fereastră” suficient de subțire în contor, care să fie transparentă pentru aceste particule.

Plus...
Contorul a fost îmbunătățit de un alt fizician german W. Muller, așa că uneori acest contor se numește contor Geiger-Muller.

Mesajul #2

Camera Wilson

Contoarele vă permit doar să înregistrați faptul că o particule trece prin ele și să înregistrați unele dintre caracteristicile acesteia. Într-o cameră cu nor, o particulă încărcată rapid lasă o urmă care poate fi observată direct sau fotografiată. Acest dispozitiv poate fi numit o „fereastră” în microlume.
O cameră cu nori constă dintr-un cilindru de sticlă joasă cu un capac de sticlă. Pistonul se poate deplasa în interiorul cilindrului. Există o pânză neagră în partea de jos a camerei. Datorită faptului că țesătura este umezită cu un amestec de apă și alcool, aerul din cameră este saturat cu vapori ai acestor lichide.
Acțiunea camerei cu nori, creată în 1912, se bazează pe condensarea aburului suprasaturat pe ioni, format în volumul de lucru al camerei de-a lungul traiectoriei unei particule încărcate.
Particulele studiate sunt introduse în cameră printr-o fereastră subțire (uneori sursa de particule este plasată în interiorul camerei, când pistonul este coborât brusc, cauzată de o scădere a presiunii sub piston, vaporii din cameră se dilată). Ca urmare, are loc răcirea și aburul devine suprasaturat. Dacă o particulă intră în cameră chiar înainte sau după expansiune, ionii pe care îi produce vor acționa ca nuclee de condensare. Picăturile de apă care apar pe ele formează o urmă a particulei zburătoare - o urmă. Informațiile pe care le oferă pistele camerei de nor sunt mult mai bogate decât cele pe care le pot oferi contoarele. După lungimea pistei, puteți determina energia particulei și după numărul de picături pe unitatea de lungime a pistei, viteza acesteia este estimată.

Prin plasarea camerei într-un câmp magnetic uniform (metoda propusă de fizicienii sovietici P. L. Kapitsa și D. V. Skobeltsin), este posibil să se determine semnul sarcinii și raportul sarcină-masă sau impulsul particulei (dacă sarcina acesteia). se cunoaşte) din direcţia curbei traiectoriei şi curbura acesteia .

Urmele nu există mult timp în cameră, deoarece aerul se încălzește, primind căldură de la pereții camerei, iar picăturile se evaporă. Pentru a obține noi urme, este necesar să eliminați ionii existenți folosind un câmp electric, să comprimați aerul cu un piston, să așteptați până când aerul din cameră, încălzit în timpul compresiei, se răcește și să efectuați o nouă expansiune.

De obicei, urmele de particule într-o cameră cu nori nu sunt doar observate, ci și fotografiate. În acest caz, camera este iluminată din lateral cu un fascicul puternic de raze de lumină.

Plus...

Pe lângă faptul că era numită o fereastră către microlume, camera Wilson a fost numită „camera cu ceață”.

În 1932, cu ajutorul acestei camere, Anderson a descoperit pozitronul-antielectron.

Mesajul #3

Camera cu bule

În 1952, omul de știință american D. Glaser a propus utilizarea lichidului supraîncălzit pentru a detecta urmele de particule. Ele constau dintr-un cilindru de sticlă umplut cu lichid și arată un pic ca o cameră cu nori. Într-un astfel de lichid pe bază de ioni, format în timpul mișcării unei particule încărcate rapid, Apar bule de vapori, dând o urmă vizibilă. Camerele de acest tip au fost numite camere cu bule.

În starea inițială, lichidul din cameră este sub presiune mare, ceea ce împiedică fierberea. Cu o scădere bruscă a presiunii, lichidul se supraîncălzi și pentru o perioadă scurtă de timp va fi într-o stare instabilă. Particulele încărcate care zboară exact în acest moment provoacă apariția piste formate din bule de abur. Lichidele folosite sunt în principal hidrogen lichid și propan.

Astfel, acțiunea camerei cu bule se bazează pe fierberea lichidului supraîncălzit.

Ciclul de funcționare al camerei cu bule este scurt - aproximativ 0,1 s. Avantajul camerei cu bule față de camera Wilson se datorează densității mai mari a substanței de lucru. Drept urmare, căile particulelor se dovedesc a fi destul de scurte, iar particulele chiar și cu energii mari se blochează în cameră. Acest lucru permite observarea unei serii de transformări succesive ale unei particule și reacțiile pe care le provoacă.

Urmele dintr-o cameră cu nori și o cameră cu bule sunt una dintre principalele surse de informații despre comportamentul și proprietățile particulelor.

Plus...

Dimensiunile camerelor cu bule variază de la câteva zeci de centimetri până la câțiva metri.

Mesajul #4

Metoda de emulsie a filmului gros

Pentru a detecta particulele, se folosesc emulsii fotografice în strat gros împreună cu camerele de nor. Această metodă se realizează folosind o placă fotografică acoperită cu fotoemulsie. Efectul ionizant al particulelor încărcate rapid asupra emulsiei unei plăci fotografice i-a permis fizicianului francez A. Becquerel să descopere în 1896. radioactivitate. Metoda de fotoemulsie a fost dezvoltată de fizicienii sovietici L. V. Mysovsky. A. P. Zhdanov și alții.

Acțiunea acestei metode se bazează pe reacții fotochimice.

Emulsia fotografică conține un număr mare de cristale microscopice de bromură de argint. O particulă încărcată rapid, care pătrunde, elimină electronii din atomii individuali de brom. Un lanț de astfel de cristale formează o imagine latentă. Când este dezvoltat, conținutul metalic din aceste cristale este restaurat. argint, iar un lanț de boabe de argint formează o urmă de particule. Lungimea și grosimea pistei pot fi utilizate pentru a estima energia și masa particulei. Datorită densității mari a emulsiei fotografice, pistele sunt foarte scurte.

Avantajul emulsiilor fotografice este acțiunea lor continuă de însumare. Acest lucru permite înregistrarea evenimentelor rare. De asemenea, este important ca datorită puterii mari de oprire a fotoemulsiilor să crească numărul de reacții interesante observate între particule și nuclei.

Plus...

Grosimea stratului de fotoemulsie este foarte mică, doar 200 de microni.

Aceasta este metoda folosită pe navele spațiale pentru a studia razele cosmice.

Adăugarea profesorului
Pe lângă aceste metode, există și altele:

Camera de scânteie.În 1959 S. Fukui și S. Miyamoto au proiectat o cameră de scânteie în care urma unei particule este înregistrată printr-o descărcare de scânteie în neon și argon. Greutatea sa ajunge la 10 tone.

Contoare de scintilație. Scintilația pâlpâie. O particulă încărcată care lovește ecranul provoacă un fulger de lumină. Privind ecranul printr-un microscop, blițurile sunt numărate.

Consolidarea materialului învățat

5 . Rezumând lecția.

Așadar, astăzi ne-am familiarizat cu metodele de înregistrare a particulelor.

Nu am vorbit despre toate dispozitivele care înregistrează particule elementare. Instrumentele moderne pentru detectarea particulelor rare și foarte puține vii sunt foarte sofisticate. La construcția lor iau parte sute de oameni.

Acum să facem un test pentru fixarea materialului (diapozitive)

1. Funcționarea contorului Geiger se bazează pe

Ionizare prin impact.

Eliberarea de energie de către o particulă.

2. Un dispozitiv pentru înregistrarea particulelor elementare, a cărui acțiune se bazează pe formarea de bule de abur într-un lichid supraîncălzit, se numește

Emulsie cu peliculă groasă.

Contor Geiger.

Camera foto.

Camera Wilson.

Camera cu bule.

3. Este posibilă detectarea particulelor neîncărcate folosind o cameră cu nor?

Este posibil dacă au o masă mică (electron)

Este posibil dacă au o masă mare (neutroni)

Este posibil dacă au un mic impuls

Da, dacă au mult elan.

Este interzis

4. Metoda de fotoemulsie pentru înregistrarea particulelor încărcate se bazează pe

Ionizare prin impact.

Divizarea moleculelor de către o particulă încărcată în mișcare.

Formarea aburului într-un lichid supraîncălzit.

Condensarea vaporilor suprasaturați.

Eliberarea de energie de către o particulă.

5. Un dispozitiv pentru înregistrarea particulelor elementare, a cărui acțiune se bazează pe condensarea aburului suprasaturat, se numește

Camera foto

Camera Wilson

Emulsie cu peliculă groasă

Contor Geiger

Camera cu bule

6. Cu ce ​​este umplută camera Wilson?

Apă sau vapori de alcool.

Gaz, de obicei argon.

hidrogen lichid sau propan încălzit până aproape de fierbere

Reactivi chimici

7.Ce este o pistă formată prin metoda emulsiei fotografice în strat gros?

Lanț de picături de apă

Lanț de bule de abur

Avalanșă de electroni

Lanț de boabe de argint

6 . Teme pentru acasă.

paragraful 97 munca de laboratorîn fizică

Subiect: Studierea urmelor de particule încărcate folosind fotografii gata făcute

Obiective: explicați natura mișcării particulelor încărcate

Dispozitive și materiale: fotografii ale urmelor de particule încărcate obținute într-o cameră cu nori, cameră cu bule și emulsie fotografică

Amintiți-vă că:

Cu cât lungimea pistei este mai mare, cu atât energia particulei este mai mare și densitatea mediului este mai mică)

Cu cât sarcina particulei este mai mare și cu cât viteza acesteia este mai mică, cu atât grosimea pistei este mai mare

Când o particulă încărcată se mișcă într-un câmp magnetic, pista sa se dovedește a fi curbată, iar raza de curbură a pistei este mai mare, cu cât masa și viteza particulei sunt mai mari și cu atât sarcina acesteia și modulul de inducție a câmpului magnetic sunt mai mici.

particula s-a deplasat de la capătul căii cu o rază mare la capătul căii cu o rază de curbură mai mică (raza de curbură scade pe măsură ce se mișcă, deoarece viteza particulei scade din cauza rezistenței mediului)

Exercita:

I - piste de particule α, II - piste de particule α III - piste de electroni

se deplasează într-o cameră cu nori, într-o cameră cu bule, într-o cameră cu nori situată într-un câmp magnetic situat într-un câmp magnetic

Privește fotografia I și răspunde la întrebări:

În ce direcție s-au mișcat particulele α? _________________________________

lungimile pistelor de particule α sunt aproximativ aceleași. Ce înseamnă acest lucru? _______________ ________________________________________________________________________________

Cum s-a schimbat grosimea pistei pe măsură ce particulele se mișcau? ____________________ ce rezultă din aceasta? ________________________________________________________

Determinați din fotografia II:

De ce s-au schimbat raza de curbură și grosimea pistelor pe măsură ce particulele α se mișcau? _______________________________________________________________________

în ce direcție s-au mișcat particulele? _______________________________________

Determinați din fotografia III:

de ce pista are forma unei spirale? _________________________________________

care ar putea fi motivul pentru care pista electronilor (III) este mult mai lungă decât pistele particulelor α (II) ____________________________________________________________

• dispozitive care fac posibilă înregistrarea trecerii unei particule printr-o anumită zonă a spațiului și, în unele cazuri, determinarea caracteristicilor acesteia, de exemplu, energia ( contor de scintilație, contor Cherenkov, cameră de ionizare, contor de descărcare în gaz, contor de semiconductor);
• dispozitive care permit observarea, de exemplu, fotografierea urmelor (urmelor) de particule din materie ( Camera Wilson, camera de difuzie, camera cu bule, fotoemulsii nucleare).

Contor de scintilații

Un detector de particule nucleare, ale cărui elemente principale sunt un scintilator (cristal de fosfor care emite fulgerări de lumină atunci când particulele îl lovesc) și un tub fotomultiplicator (PMT), care face posibilă transformarea fulgerelor slabe de lumină în impulsuri electrice care sunt înregistrate. prin echipamente electronice. În mod obișnuit, cristalele unor substanțe anorganice (ZnS - pentru particule α; NaI-Tl, CsI-Tl - pentru particule β și γ-quanta) sau organice (antracen, materiale plastice pentru γ-quanta) sunt folosite ca scintilatoare. Proiectarea și principiul de funcționare sunt descrise în detaliu.

Cel mai mare set de detectoare de scintilație construit vreodată. A înregistrat un deficit de antineutrini de la reactoarele situate la o distanță medie de 180 km. Acest rezultat, combinat cu măsurători ale fluxurilor de neutrini solari, poate indica existența oscilațiilor de neutrini. Detalii despre experiment pot fi găsite în articol.

Instalare KamLAND ( Kam ioka L Scintilator lichid O nti- N eutrin D etector) a fost creat pe locul instalației Kamiokande distrusă în accident. Folosește 1000 T scintilator lichid care este vizualizat de 1879 tuburi fotomultiplicatoare cu un diametru de 50 cm. Prima sarcină care a fost rezolvată la această instalație a fost măsurarea fluxurilor antineutrini de la rectorii japonezi și sud-coreeni.

După cum se poate observa din Figura 4.17, în experimentele anterioare cu neutrini din reactor, deficiența acestora nu a fost detectată. Cu toate acestea, experimentele cu neutrini solari au indicat că distanțele ~1 km prea mic pentru a-l detecta. Dimensiunile lui KamLAND și locația sa în 100-200 km de la reactoare îl face foarte sensibil la efect, ceea ce a dus la descoperirea sa.

Utilizând metoda coincidenței întârziate, au fost detectați pozitroni și cuante γ cu o energie de 2,2 MeV din captarea neutronilor de către protoni.

Contoare de ionizare

Detectoare de particule (condensatoare electrice umplute cu gaz) bazate pe capacitatea particulelor încărcate de a provoca ionizarea unui gaz, urmată de separarea produselor de ionizare într-un câmp electric. Dacă contorul înregistrează numai ionii formați direct sub acțiunea particulelor, atunci un astfel de contor se numește cameră de ionizare în impulsuri. Informații detaliate și detaliate sunt disponibile.

Contoarele în care rolul principal este jucat de ionizarea secundară cauzată de ciocnirile ionilor primari cu atomii și moleculele de gaz, având ca rezultat o descărcare în gaz, se numesc contoare de descărcare de gaz. Un exemplu de contor de descărcare de gaze este un contor Geiger-Muller. Un contor de descărcare de gaz este de obicei realizat sub forma unui cilindru metalic umplut cu gaz (catod) cu un fir subțire (anod) întins de-a lungul axei sale.

Contoare cu semiconductori

Diode semiconductoare, trecerea particulelor detectate prin care duce la apariție curent electric printr-o diodă. Grosimea mică a zonei de lucru a contoarelor cu semiconductori nu le permite să fie utilizate pentru măsurarea particulelor de înaltă energie. Mai mult informatii detaliate minciuni.

Camera Wilson

Un cilindru de sticlă cu un piston etanș umplut cu un gaz neutru (argon sau heliu) saturat cu apă și vapori de alcool. Cu o expansiune ascuțită (adiabatică), gazul devine suprasaturat și se formează urme de ceață pe traiectoriile particulelor care zboară prin cameră, care sunt fotografiate. După natura și geometria pistelor se poate aprecia tipul de particule care trec prin cameră. Designul și principiul de funcționare sunt descrise în detaliu.

Camera cu bule Fotoemulsii nucleare

Emulsii fotografice în strat gros, trecerea particulelor încărcate prin care provoacă ionizarea, ducând la formarea unei imagini latente în emulsie. După dezvoltare, se găsesc urme de particule încărcate sub forma unui lanț de granule de argint metalic. Deoarece emulsia este un mediu mai dens decât gazul sau lichidul utilizat în camerele Wilson și cu bule, atunci în alte cazuri condiţii egale Lungimea pistei în emulsii este mai scurtă. Prin urmare, emulsiile fotografice sunt folosite pentru a studia reacțiile cauzate de particulele din acceleratorii de energie ultra-înaltă și razele cosmice. Pentru a studia particulele de înaltă energie, se folosesc și așa-numitele stive - un număr mare de plăci de emulsie marcate plasate în calea particulelor și, după dezvoltare, măsurate la microscop. Informații mai detaliate sunt disponibile. Vă puteți familiariza cu unele capacități de măsurare a pistelor.

Surse de particule elementare

Pentru a studia particulele elementare, sunt necesare sursele lor. Înainte de crearea acceleratoarelor, elementele radioactive naturale și razele cosmice erau folosite ca astfel de surse. Razele cosmice conțin particule elementare de energii foarte diferite, inclusiv cele care nu pot fi obținute artificial astăzi. Dezavantajul razelor cosmice ca sursă de particule de înaltă energie este că există foarte puține astfel de particule. Apariția unei particule de înaltă energie în câmpul vizual al dispozitivului este aleatorie.

Acceleratoarele de particule produc fluxuri de particule elementare care au energie la fel de mare. Există diferite tipuri de acceleratoare: betatron, ciclotron, accelerator liniar.

Situat lângă Geneva, Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN*) are cel mai mare accelerator de particule de până acum, construit într-un tunel circular subteran la o adâncime de 100 m Lungimea totală a tunelului este de 27 km. (Inelul are aproximativ 8,6 km diametru). Super-colizionatorul era programat să se lanseze în 2007. Aproximativ 4.000 de tone de metal ar fi răcit la doar 2 grade peste zero absolut. Ca urmare, un curent de 1,8 milioane de amperi va curge prin cablurile supraconductoare aproape fără pierderi.

Acceleratorii de particule sunt structuri atât de grandioase încât sunt numite piramidele secolului al XX-lea.

* Abrevierea CERN provine din franceză. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Consiliul European pentru Cercetare Nucleară). În limba rusă se folosește de obicei abrevierea CERN.

Metode de înregistrare a particulelor elementare

1. Contoare de scintilație

Inițial, ecranele luminiscente au fost folosite pentru înregistrarea particulelor elementare - ecrane acoperite cu o substanță specială, un fosfor, capabil să transforme energia pe care o absorb în radiație luminoasă (luminesce). Când o particulă elementară lovește un astfel de ecran, ea dă un fulger slab, atât de slab încât poate fi observat doar în întuneric complet. A fost necesar să aveți o răbdare și o atenție suficientă pentru a sta în întuneric complet și a număra ore în șir numărul de fulgerări observate.

Într-un contor de scintilație modern, blițurile sunt numărate automat. Contorul constă dintr-un scintilator, un fotomultiplicator și dispozitive electronice de amplificare și numărare a impulsurilor.

Scintilatorul transformă energia particulei în cuante de lumină vizibilă.

Cuantele de lumină intră într-un tub fotomultiplicator, care le transformă în impulsuri de curent.

Impulsurile sunt amplificate de un circuit electric și numărate automat.

2. Metode chimice

Metodele chimice se bazează pe faptul că radiația nucleară este un catalizator pentru anumite reacții chimice, adică accelerează sau creează posibilitatea apariției lor.

3. Metode calorimetrice

În metodele calorimetrice, se înregistrează cantitatea de căldură care este eliberată atunci când radiația este absorbită de o substanță. Un gram de radiu, de exemplu, eliberează aproximativ 585 jouli pe oră. căldură.

4. Metode bazate pe aplicarea efectului Cherenkov

Nimic din natură nu poate călători mai repede decât lumina. Dar când spunem asta, ne referim la mișcarea luminii în vid. În materie, lumina se deplasează cu o viteză în care Cu este viteza luminii în vid și n– indicele de refracție al substanței. În consecință, lumina se mișcă mai lent în materie decât în ​​vid. O particulă elementară, care se mișcă într-o substanță, poate depăși viteza luminii în această substanță, fără a depăși viteza luminii în vid. În acest caz, apare radiația, care a fost descoperită de Cherenkov în timpul său. Radiația Cherenkov este detectată de fotomultiplicatori în același mod ca și în metoda scintilației. Metoda vă permite să înregistrați numai particule elementare rapide, adică de înaltă energie.

Următoarele metode nu numai că vă permit să înregistrați o particulă elementară, ci și să vedeți urma acesteia.

5. Camera Wilson

Inventat de Charles Wilson în 1912, iar în 1927 a primit un Premiul Nobel. O cameră cu nori este o structură de inginerie foarte complexă. Vă prezentăm doar o diagramă simplificată.

Volumul de lucru al camerei de nor este umplut cu gaz și conține apă sau vapori de alcool. Când pistonul se mișcă rapid în jos, gazul se răcește brusc și aburul devine suprasaturat. Când o particulă zboară prin acest spațiu, creând ioni de-a lungul traseului său, atunci pe acești ioni se formează picături de vapori condensați. O urmă a traiectoriei particulelor (urma) apare în cameră sub forma unei fâșii înguste de picături de ceață. Cu iluminare laterală puternică, pista poate fi văzută și fotografiată.

6. Camera cu bule(inventat de Glaeser în 1952)

Camera cu bule funcționează în mod similar cu o cameră cu nori. Doar fluidul de lucru nu este abur suprarăcit, ci lichid supraîncălzit (propan, hidrogen lichid, azot, eter, xenon, freon...). Un lichid supraîncălzit, cum ar fi aburul suprarăcit, este într-o stare instabilă. O particulă care zboară printr-un astfel de lichid formează ioni, pe care se formează imediat bule. O cameră cu bule de lichid este mai eficientă decât o cameră cu nor de gaz. Este important ca fizicienii să observe nu numai traseul unei particule zburătoare. Este important ca în regiunea de observație particula să se ciocnească de o altă particulă. Imaginea interacțiunii particulelor este mult mai informativă. Zburând printr-un fluid mai dens, care are o concentrație mare de protoni și electroni, particula are șanse mult mai mari de a experimenta o coliziune.

7. Camera de emulsie

A fost folosit pentru prima dată de fizicienii sovietici Mysovsky și Jdanov. Emulsia fotografică este făcută din gelatină. Deplasându-se prin gelatina densă, particula elementară suferă ciocniri frecvente. Din acest motiv, calea particulei în emulsie este adesea foarte scurtă și, după dezvoltarea emulsiei fotografice, aceasta este studiată la microscop.

8. Camera de scânteie (inventatorul Cranshaw)

În celulă O este amplasat un sistem de electrozi plasă. Acești electrozi sunt alimentați cu tensiune înaltă de la sursa de alimentare B. Când o particulă elementară zboară prin cameră ÎN, creează o urmă ionizată. O scânteie sare de-a lungul acestui traseu, ceea ce face vizibilă urma de particule.

9. Camera streamer

Camera streamerului este similară cu camera de scânteie, doar distanța dintre electrozi este mai mare (până la jumătate de metru). Tensiunea este aplicată electrozilor pentru un timp foarte scurt, astfel încât o scânteie reală să nu aibă timp să se dezvolte. Doar rudimentele unei scântei - streamers - au timp să apară.

10. Contor Geiger

Un contor 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.

Când trece prin contor, o particulă încărcată ionizează gazul. Electronii rezultați, deplasându-se spre electrodul pozitiv - filamentul, care intră 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.

Un contor Geiger înregistrează faptul că o particulă trece prin contor, dar nu măsoară energia particulei.