ФИЗИКА, ГРУППА № 34, 18.11.2021 г.
Занятие № 37
Тема: Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.
Цель: изучить методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.
План:
1. Метод сцинтилляций.
2. Счётчик Гейгера.
3. Камера Вильсона.
4. Пузырьковая камера.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Метод сцинтилляций.
Радиоактивное излучение имеет сложный состав. Это гамма- и рентгеновское излучение, электроны, протоны, α-частицы, а также ионы тяжёлых металлов.
Одним из первых методов регистрации элементарных частиц является метод сцинтилляций. Сущность которого заключается в подсчёте количества вспышек на экране, покрытом сернистым цинком, при попадании на него заряженных частиц. Это явление впервые наблюдал в 1903 году английский физик и химик Уильям Крукс.
Сцинтилляция (от лат. scintillatio — мерцание), кратковременная вспышка люминесценции, возникающая в сцинтилляторах под действием ионизирующих излучений (например, быстрых электронов).
Использование зрительного восприятия человека в качестве регистратора быстро протекающих явлений приносит неточные результаты. Люди по-разному воспринимают визуальную информацию. Время между получением сигнала и его обработкой велико. Глаза быстро устают, поэтому длительное наблюдение невозможно.
Метод сцинтилляций использовался в основном для регистрации альфа-частиц. Отдельные быстрые электроны вызывали очень слабые сцинтилляции, которые невозможно зафиксировать. Гамма-излучение создавало общее свечение экрана, а не отдельные вспышки.
В конце сороковых годов XX века были разработаны фотоэлектронные умножители (ФЭУ), которые позволяют регистрировать очень слабые вспышки света. На их основе были созданы сцинтилляционные счётчики.
Назначение прибора
Сцинтилляционный счётчик предназначен для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц.
Устройство прибора
В комплект счётчика, кроме сцинтиллятора и ФЭУ (фотоэлектронный умножитель) и источника питания для него, входит радиотехническая аппаратура, которая обеспечивает усиление и регистрацию импульсов фотоэлектронного умножителя.
Принцип работы
Радиоактивная частица, попадая в сцинтиллятор, переводит молекулы в возбуждённое состояние. Переход молекул в основное энергетическое состояние сопровождается излучением фотона, который регистрируется детектором. Количество вспышек пропорционально количеству поглощённых радиоактивных частиц.
Преимущества
С помощью сцинтилляционных счётчиков можно регистрировать α-частицы и электроны.
Эффективность регистрации γ-излучения и нейтронов достигает 100 %.
Высокая разрешающая способность по времени.
Можно определить мощность источника (по числу импульсов в единицу времени) и мощность доз излучения (по величине силы тока в цепи).
Недостатки
Малая чувствительность к частицам с малой энергией.
Невысокая разрешающая способность по энергии.
Счётчик Гейгера.
В 1908 году немецкий физик Ганс Гейгер изобрёл счётчик радиоактивных частиц, названный его именем. В 1928 году Вальтер Мюллер, работая под руководством Гейгера, усовершенствовал и реализовал на практике несколько модификаций прибора, которые отличались друг от друга конструктивно в зависимости от вида регистрируемого излучения.
Назначение прибора
Газоразрядный счётчик Гейгера используют в основном для регистрации β -частиц, но существуют модели для регистрации и гамма-излучений.
Устройство прибора
Счётчик Гейгера состоит из металлического цилиндра, являющегося отрицательно заряженным электродом (катодом), и натянутой вдоль его оси тонкой проволоки — положительно заряженного электрода (анода).
Источник напряжения подаёт 200-1000 В. Поэтому между катодом и анодом возникает электрическое поле высокой напряжённости. Вся система электродов помещена в стеклянную колбу, заполненную аргоном.
Принцип работы
Пока газ не ионизирован, ток в цепи источника напряжения отсутствует.
Как только частица радиоактивного изотопа проникает через стенки прибора, сталкиваясь с атомами газа, выбивает из них электроны и создаёт положительные ионы. Под действием электрического поля электроны и положительные ионы двигаются по направлению к аноду и катоду соответственно, приобретая при этом довольно большую энергию, и ионизируют другие атомы.
Когда заряженная частица с высокой энергией сталкивается с корпусом или катодом, она выбивает электроны. Под действием ускоряющего напряжения эти электроны устремляются к аноду, ионизируя молекулы газа и выбивая вторичные электроны. Лавинообразное увеличение носителей зарядов становится условием электрического разряда между анодом и катодом. Сопротивление разряда мало. Происходит скачок напряжения. Счётчик фиксирует импульс напряжения, по которому наблюдатель судит о попадании частицы в прибор.
Чтобы счётчик снова мог регистрировать частицу, лавинный разряд нужно погасить. Это происходит автоматически. Сопротивление большого значения (около 109 Ом) обеспечивает падение напряжения между анодом и катодом, поэтому разряд прекращается по причине недостаточной разности потенциалов для образования электронно-ионных пар. Можно начинать новый цикл регистрации частиц.
Преимущества
Сравнительно лёгкий способ определить наличие (отсутствие) радиации.
Недостатки
Счётчик не позволяет идентифицировать частицу.
Не имеет возможности определять характеристики частицы.
Камера Вильсона.
Камера Вильсона (туманная камера) — прибор для регистрации треков (следов) заряженных частиц.
Для того, чтобы наблюдать невидимые глазу мельчайшие частицы, учёные изобретали методы исследования воздействия этих частиц на среду, методы регистрации этих воздействий, по которым можно было определить скорость, энергию, заряд частицы.
Одним из первых изобретателей является шотландский физик Чарлз Вильсон, который создал камеру регистрации следов частиц на основе взаимодействия их с перенасыщенным паром.
В 1927 году данное изобретение отмечено Нобелевской премией по физике.
Устройство прибора
На рисунке камера Вильсона представляет собой стеклянную колбу и поршень. Колбу тщательно очищают от пыли, чтобы не было центров конденсации. Камеру заполняют насыщенными парами воды, спирта или эфира.
Принцип работы
При движении поршня вниз пары становятся перенасыщенными, 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.
Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным, меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно больше 1 минуты.
Преимущества
1. Если поместить камеру в магнитное поле, то траектории заряженных частиц будут искривлены. По направлению изгиба трека можно судить о знаке заряда частицы, а по радиусу кривизны определять её массу, заряд, энергию.
2. Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и «запускают» камеру лишь для наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает.
Недостатки
Малое рабочее время, составляющее примерно 1 % от времени, затрачиваемой для подготовки камеры к последующему расширению.
Трудоёмкость обработки результатов.
Пузырьковая камера.
Пузырьковая камера была изобретена в 1952 году американским физиком Дональдом Глазером. За своё изобретение учёный получил Нобелевскую премию по физике в 1960 году.
Луис Альварес усовершенствовал пузырьковую камеру, используя в качестве перегретой жидкости водород. Он первым применил компьютерную программу для обработки данных, что позволило делать это намного быстрее.
Назначение прибора
Пузырьковая камера используется для регистрации треков частиц высокой энергии.
Устройство прибора
Является разновидностью камеры Вильсона. Первая модификация пузырьковой камеры состояла из металлической камеры со стеклянными окнами для освещения и фотографирования, заполненной жидким водородом. Позднее камеры усовершенствовались.
Принцип работы
Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии, близком к вскипанию. При резком понижении давления жидкость становится перегретой и существует в таком состоянии некоторое время (10–40 мс). При движении заряженной частицы в такой жидкости вдоль её траектории образуется ряд пузырьков пара.
После фотографирования трека давление поднимается, пузырьки исчезают, камера готова к регистрации следующей ионизирующей частицы. Весь цикл работы составляет менее 1 секунды.
Если пузырьковую камеру поместить в сильное магнитное поле, то по радиусу кривизны траектории можно определить импульс заряженной частицы.
Преимущества
Обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.
Высокая точность измерения импульсов регистрируемых частиц.
Одинаковая чувствительность к регистрации частиц по всем направлениям.
Недостатки
Меньшая длина треков, чем в камере Вильсона.
Низкая управляемость процессом отбора для регистрации взаимодействия частиц.
Основная литература по теме урока:
1) Учебник «Физика 11» Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, М. «Просвещение»
2) интернет ресурсы
Домашнее задание: изучить материал, сделать краткий конспект.
Задание скидывать в группу
Гр. https://vk.com/club194181059