Методы регистрации элементарных частиц. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц — Гипермаркет знаний Прибор для регистрации элементарных частиц

• приборы, позволяющие регистрировать прохождение частицы через определенный участок пространства и в некоторых случаях определять ее характеристики, например, энергию (сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик );
• приборы, позволяющие наблюдать, например, фотографировать следы (треки) частиц в веществе (камера Вильсона, диффузтонная камера, пузырьковая камера, ядерные фотоэмульсии ).

Сцинтилляционный счетчик

Детектор ядерных частиц, основными элементами которого являются сцинтиллятор (кристаллофосфор, излучающий вспышки света при попадании в него частиц) и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), позволяющий преобразовать слабые световые вспышки в электрические импульсы, которые регистрируются электронной аппаратурой. Обычно в качестве сцинтилляторов используются кристаллы некоторых неорганических (ZnS - для α-частиц; NaI-Tl, CsI-Tl - для β-частиц и γ-квантов) или органических (антрацен, пластмассы для γ-квантов) веществ. Очень подробно и детально о конструкции и принципе работы изложено .

Самый большой из когда либо созданных сцинтилляционных детекторов установка . На ней зарегистрирован дефицит антинейтрино от реакторов, расположенных от него на среднем расстоянии в 180 км . Этот результат в сочетании с измерениями потоков солнечных нейтрино может свидетельствовать в пользу существования нейтринных осцилляций. Подробности эксперимента можно посмотреть в статье .

Установка KamLAND (Kam ioka L iquid Scintillator A nti-N eutrino D etector) создана на месте разрушенной в результате аварии установки Kamiokande. В нем используется 1000 т жидкого сцинтиллятора который просматривается 1879 фотоумножителями диаметром 50 см . Первая задача, которая решалась на этой установке - измерение потоков антинейтрино от японских и южнокорейских ректоров.

Как видно из рисунка 4.17, в предыдущих экспериментах с реакторными нейтрино их дефицита не было обнаружено. Однако эксперименты с солнечными нейтрино свидетельствовали, что расстояния ~1 км слишком малы для его обнаружения. Размеры KamLAND и его расположение в 100-200 км от реакторов делает его весьма чувствительным к эффекту, что и привело к его обнаружению.

С помощью метода задержанных совпадений детектировались позитроны и γ-кванты с энергией 2.2 МэВ от захвата нейтронов протонами.

Ионизационные счетчики

Детекторы частиц (заполненные газом электрические конденсаторы), основанные на способности заряженных частиц вызывать ионизацию газа, с последующим разделением продуктов ионизации в электрическом поле. Если счетчик регистрирует только ионы, образовавшиеся непосредственно под действием частиц, то такой счетчик называются импульсной ионизационной камерой. Подробная и детальная информация лежит .

Счетчики, в которых основную роль играет вторичная ионизация обусловленная столкновениями первичных ионов с атомами и молекулами газа, в результате чего возникает разряд в газе, называются газоразрядными счетчиками. Пример газоразрядного счетчика - счетчик Гейгера-Мюллера . Газоразрядный счетчик обычно выполняется в виде наполненного газом металлического цилиндра (катод ) с тонкой проволокой (анод ), натянутой по его оси.

Полупроводниковые счетчики

Полупроводниковые диоды, прохождение через которые регистрируемых частиц, приводит к появлению электрического тока через диод. Малая толщина рабочей области полупроводниковых счетчиков не позволяет применять их для измерения высокоэнергетических частиц. Более подробная информация лежит .

Камера Вильсона

Стеклянный цилиндр с плотно прилегающим поршнем, заполненный нейтральным газом (аргон или гелий), насыщенным парами воды и спирта. При резком (адиабатическом) расширении газ становится пересыщенным и на траекториях частиц, пролетевших через камеру, образуются треки из тумана, которые фотографируются. По характеру и геометрии треков можно судить о типе прошедших через камеру частиц. О конструкции и принципе работы очень подробно и детально изложено .

Пузырьковая камера Ядерные фотоэмульсии

Толстослойные фотографические эмульсии, прохождение заряженных частиц через которые вызывает ионизацию, приводящую к образованию скрытого изображения в эмульсии. После проявления следы заряженных частиц обнаруживаются в виде цепочки зерен металлического серебра. Так как эмульсия - среда более плотная, чем газ или жидкость, используемые в вильсоновской и пузырьковой камерах, то при прочих равных условиях длина трека в эмульсиях более короткая. Поэтому фотоэмульсии применяются для изучении реакций, вызываемых частицами в ускорителях сверхвысоких энергий и космических лучах. Для исследований высокоэнергетичных частиц используются также так называемые стопы - большое число маркированных фотоэмульсионных пластинок, помещаемых на пути частиц и после проявления промеряемых под микроскопом. Более подробная информация лежит . С некоторыми возможностями измерения треков, можно ознакомиться .

Элементарные частицы, а также сложные микрочастицы (a, d и т. п.), удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, ее энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счете нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами.

Приборы, применяемые для регистрации ионизирующих частиц, подразделяются на две группы. Первую группу образуют устройства, которые регистрируют факт пролета частицы и, кроме того, позволяют в некоторых случаях судить об ее энергии. Ко второй группе относятся трековые приборы, т. е. приборы, позволяющие наблюдать следы (треки) частиц в веществе.

К числу регистрирующих приборов относятся ионизационные камеры и газоразрядные счетчики (см. § 82 2-го тома), а также черенковские счетчики (см. § 147 2-го тома), сцинтилляционные счетчики и полупроводниковые счетчики.

Действие сцинтилляционных счетчиков основано на том, что заряженная частица, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет. Вещества, в которых заряженные частицы возбуждают заметную световую вспышку (сцинтилляцию), называют фосфорами. Сцинтилляционный счетчик состоит из фосфора, от которого свет подается по специальному светопроводу к фотоумножителю. Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету. Определяется также амплитуда импульсов (которая пропорциональна интенсивности световых вспышек), что дает дополнительную информацию о регистрируемых частицах.

Полупроводниковый счетчик представляет собой полупро водниковый диод, на который подается напряжение такого знака, что основные носители тока оттягиваются от переходного слоя. Следовательно, в нормальном состоянии диод заперт. При прохождении через переходный слой быстрая заряженная частица порождает электроны и дырки, которые отсасываются к электродам.

В результате возникает электрический импульс, пропорциональный количеству порожденных частицей носителей тока.

Счетчики часто объединяют в группы и включают так, Чтобы регистрировались только такие события, которые отмечаются одновременно несколькими приборами, либо, напротив, только одним из них. В первом случае говорят, что счетчики включены по схеме совпадений, во втором - по схеме и совпадений. Применяя различные схемы включений, можно из множества явлений выделить то, которое представляет интерес. Например, два счетчика (pric. 75.1), установленные один за другим и включенные по схеме совпадений, зарегистрируют летящую вдоль их совместной оси частицу и не зарегистрируют частиц 2 и 3:

К числу трековых приборов относятся камеры Вильсона, диффузионные камеры, пузырьковые камеры, искровые камеры и эмульсионные камеры.

Камера Вильсона. Этот прибор создан английским физиком Ч, Вильсоном в 1912 г. Дорожка из ионов, проложенная летящей заряженной частицей, становится видимой в камере Вильсона, потому что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой-либо жидкости. Прибор работает не непрерывно, а циклами. Сравнительно короткое время чувствительности камеры чередуется с мертвым временем (в 100-1000 раз большим), в течение которого камера готовится к следующему рабочему циклу. Пересыщение достигается за счет внезапного охлаждения, вызываемого резким (адиабатическим) расширением рабочей смеси, состоящей из неконденсирующегося газа (гелия, азота, аргона) и паров воды, этилового спирта и т. п. В этот же момент производится стереоскопическое (т. е. с нескольких точек) фотографирование рабочего объема камеры. Стереофотографии позволяют воссоздать пространственную картину зафиксированного явления. Так как отношение времени чувствительности к мертвому времени очень мало, приходится иногда делать десятки тысяч снимков, прежде чем будет зафиксировано какое-либо событие, обладающее небольшой вероятностью. Чтобы увеличить вероятность наблюдения редких явлений, используются управляемые камеры Вильсона, у которых работой расширительного механизма управляют счетчики частиц, включенные в электронную схему, выделяющую нужное событие.

Если поместить камеру Вильсона между полюсами электромагнита, ее возможности сильно расширяются.

По искривлению траектории, вызываемому действием магнитного поля, удается определить знак заряда частицы и ее импульс. В качестве примера фотографии, полученной с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, может служить рис. 77.3 (стр. 277), на котором видны треки электрона и позитрона.

Диффузионная камера. Как и в камере Вильсона, рабочим веществом в диффузионной камере является пересыщенный пар. Однако состояние пересыщения создается не адиабатическим расширением, а в результате диффузии паров спирта от находящейся при температуре ~ 10° С крышки камеры к охлаждаем мому твердой углекислотой (температура -70° С) дну. Недалеко от дна возникает слой пересыщенного пара, имеющий толщину в несколько сантиметров. В этом слое и образуются треки, В отличие от камеры Вильсона, диффузионная камера работает непрерывно.

Пузырьковая камера. В изобретенной Д. А. Глезером в 1952 г. пузырьковой камере пересыщенные пары заменены прозрачной перегретой жидкостью (т. е. жидкостью, находящейся под внешним давлением, меньшим давления ее насыщенных паров; йм. § 124 1-го тома). Пролетевшая через камеру ионизирующая частица вызывает бурное вскипание жидкости, вследствие чего след частицы оказывается обозначенным цепочкой пузырьков пара - образуется трек. Пузырьковая камера, как и камера Вильсона, работает циклами. Запускается камера резким снижением (сбросом) давления, вследствие чего рабочая жидкость переходит в метастабильное перегретое состояние. В качестве рабочей жидкости, которая одновременно служит мишенью для пролетающих через нее частиц, применяются водород, ксенон, пропан и некоторые другие вещества. Рабочий объем камер достигает 30 м3.

Искровая камера. В 1957 г. Краншау и де-Биром был сконструирован прибор для регистрации траекторий заряженных частиц, названный искровой камерой. Прибор состоит из системы плоских параллельных друг другу металлических электродов (рис. 75.2). Электроды соединяются через один. Одна группа электродов заземляется, а на другую периодически подается кратковременный (длительностью высоковольтный импульс .

Если в момент подачи импульса через камеру пролетит ионизирующая частица, ее путь будет отмечен цепочкой искр, проскакивающих между электродами. Прибор запускается автоматически с помощью включенных по схеме совпадений дополнительных счетчиков, регистрирующих прохождение через рабочий объем камеры исследуемых частиц.

Более совершенной разновидностью искровой камеры является стримерная камера. В этой камере высокое напряжение снимается раньше, чем успевает развиться полностью искра.

Поэтому возникают лишь зародышевые искры, которые образуют отчетливый след.

Эмульсионная камера. Советские физики Л. В. Мысовский и А. П. Жданов впервые применили для регистрации микрочастиц фотопластинки. Заряженные частицы оказывают на фотографическую эмульсию такое же действие, как и фотоны. Поэтому после проявления пластинки в эмульсии образуется видимый след (трек) пролетевшей частицы. Недостатком метода фотопластинок была малая толщина эмульсионного слоя, вследствие чего получались полностью лишь треки частиц, летящих параллельно плоскости слоя. В эмульсионных камерах облучению подвергаются толстые пачки (весом до нескольких десятков килограммов и толщиной в несколько сотен миллиметров), составленные из отдельных слоев фотоэмульсии (без подложки). После облучения пачка разбирается на слои, каждый из которых проявляется и просматривается под микроскопом. Для того чтобы можно было проследить путь частицы при переходе из одного слоя в другой, перед разборкой пачки на все слои наносится с помощью рентгеновских лучей одинаковая координатная сетка. Получающиеся таким способом треки частиц показаны на рис. 75.3, на котором зафиксировано последовательное превращение -мезона в мюон и затем в позитрон.

• 12 класс.

Цель урока:

• Объяснить учащимся устройство и принцип действия установок для регистрации и изучения элементарных частиц.

«Ничего не надо бояться – Надо лишь понять неизвестное». Мария Кюри. Актуализация опорных знаний:

• Что такое «атом» ?
• Каковы его размеры?
• Какую модель атома предложил Томсон?
• Какую модель атома предложил Резерфорд?
• Почему модель Резерфорда назвали «Планетарной моделью строения атома»?
• Каково строение атомного ядра?

Тема урока:

• Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

• Атом – «неделимый» (Демокрит).

• Молекула

• вещество

• микромир

• макромир

• мегамир

• Классическая физика

• Квантовая физика

Как изучать и наблюдать микромир?

• Проблема!

• Проблема!

Проблема:

• Мы начинаем с вами изучать физику атомного ядра, рассмотрим их различные превращения и ядерных (радиоактивных) излучений. Эта область знаний имеет большое научное и практическое значение.
• Многообразные применения в науке, медицине, технике, сельском хозяйстве получили радиоактивные разновидности атомных ядер.
• Сегодня мы рассмотрим устройства и методы регистрации, которые позволяют обнаружить микрочастицы, изучить их столкновения и превращения, т е. дают всю информацию о микромире, а на основе этого и о мерах защиты от облучения.
• Они дают нам информацию о поведении и характеристиках частиц: знак и величину электрического заряда, массу этих частиц, её скорость, энергию и т.д. С помощью регистрирующих приборов учёные смогли получить знания о «микромире».

Регистрирующий прибор – это сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу.

• Регистрирующий прибор – это сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу.
• В настоящее время используется много разнообразных методов регистрации частиц.

• Счётчик Гейгера

• Камера Вильсона

• Пузырьковая камера

• Фотографические

• эмульсии

• Сцинтилляционный
• метод

• Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

• Искровая камера

• В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводиться, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам.

В ходе изучения материала вы заполните таблицу.

Название метода	Принцип действия	Достоинства, Недостатки	Назначение данного прибора

• Используйте Ф – 12 класс, § 33, А.Е.Марон, Г.Я. Мякишев, Э Г Дубицкая

Счётчик Гейгера:

• служит для подсчета количества радиоактивных частиц (в основном электронов).

• Это стеклянная трубка, заполненная газом (аргоном), с двумя электродами внутри (катод и анод). При пролете частицы возникает ударная ионизация газа и возникает импульс электрического тока.

• Устройство:

• Назначение:

• Достоинства: -1. компактность -2. эффективность -3. быстродействие -4. высокая точность (10ООО частиц/с).

• Катод.

• Стеклянная трубка

• Где используется: - регистрация радиоактивных загрязнений на местности, в помещениях, одежды, продуктов и т.д. - на объектах хранения радиоактивных материалов или с работающими ядерными реакторами - при поиске залежей радиоактивной руды (U - уран, Th - торий).

• Счётчик Гейгера.

1882г. нем физик Вильгельм Гейгер.

• 1882г. нем физик Вильгельм Гейгер.

• Различные виды счётчиков Гейгера.

Камера Вильсона:

• служит для наблюдения и фотографирования следов от пролета частиц (треков).

• Назначение:

• Внутренний объем камеры заполнен парами спирта или воды в перенасыщенном состоянии: при опускании поршня уменьшается давление внутри камеры и понижается температура, в результате адиабатного процесса образуется перенасыщенный пар. По следу пролета частицы конденсируются капельки влаги и образуется трек – видимый след.

• Стеклянная пластина

Изобрёл прибор в 1912 году английский физик Вильсон для наблюдения и фотографирования следов заряженных частиц. Ему в 1927 году присуждена Нобелевская премия.

• Изобрёл прибор в 1912 году английский физик Вильсон для наблюдения и фотографирования следов заряженных частиц. Ему в 1927 году присуждена Нобелевская премия.
• Советские физики П.Л.Капица и Д.В.Скобельцин предложили помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле.

Назначение:

• При помещении камеры в магнитное поле по треку можно определить: энергию, скорость, массу и заряд частицы. По длине и толщине трека, по его искривлению в магнитном поле определяют характеристики пролетевшей радиоактивной частицы . Например, 1. альфа-частица дает сплошной толстый трек, 2. протон - тонкий трек, 3. электрон - пунктирный трек.

• Различные виды камер Вильсона и фотографии треков частиц.

Пузырьковая камера:

• Вариант камеры Вильсона.

• При резком понижении поршня жидкость, находящаяся под высоким давлением, переходит в перегретое состояние. При быстром движении частицы по следу образуются пузырьки пара, т. е. жидкость закипает, виден трек.

• Преимущества перед камерой Вильсона: - 1. большая плотность среды, следовательно короткие треки - 2. частицы застревают в камере и можно проводить дальнейшее наблюдение частиц -3. большее быстродействие.

• 1952 год. Д.Глейзер.

• Различные виды пузырьковой камеры и фотографии треков частиц.

Метод толстослойных фотоэмульсий:

• 20-е г.г. Л.В.Мысовский, А.П.Жданов.
• - служит для регистрации частиц - позволяет регистрировать редкие явления из-за большого время экспозиции . Фотоэмульсия содержит большое количество микрокристаллов бромида серебра. Влетающие частицы ионизируют поверхность фотоэмульсий. Кристаллики AgВr (бромида серебра) распадаются под действием заряженных частиц и при проявлении выявляется след от пролета частицы - трек. По длине и толщине трека можно определить энергию и массу частиц.

метод имеет такие преимущества:

• метод имеет такие преимущества:
• 1. Им можно регистрировать траектории всех частиц, пролетевших сквозь фотопластинку за время наблюдения.
• 2. Фотопластинка всегда готова для применения, (эмульсия не требует процедур, которые приводили бы ее в рабочее состояние).
• 3. Эмульсия обладает большой тормозящей способностью, обусловленной большой плотностью.
• 4. Он дает неисчезающий след частицы, которую потом можно, тщательно изучать.

Недостатки метода: 1. длительность и 2. сложность химической обработки фотопластинок и 3. главное - много времени требуется для рассмотрения каждой пластинки в сильном микроскопе.

• Недостатки метода: 1. длительность и 2. сложность химической обработки фотопластинок и 3. главное - много времени требуется для рассмотрения каждой пластинки в сильном микроскопе.

Сцинтилляционный метод

• В этом методе (Резерфорда) для регистрации используются кристаллы. Прибор состоит из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и электронной системы.

«Методы регистрации заряженных частиц». (видеоролик). Методы регистрации частиц:

• Метод сцинтилляций

• Метод ударной ионизации

• Конденсация пара на ионах

• Метод толстослойных фотоэмульсий

• Частицы, попадающие на экран, покрытый специальным слоем, вызывают вспышки, которые можно наблюдать с помощью микроскопа.

• Газоразрядный счётчик Гейгера

• Камера Вильсона и пузырьковая камера

• Ионизирует поверхность фотоэмульсий

• Повторим:

Рефлексия:

• 1. Какую тему урока мы сегодня изучали?
• 2 Какую цели мы поставили перед изучением темы?
• 3. Мы с вами достигли поставленной цели?
• 4. В чём смысл девиза, который мы взяли к уроку нашему?
• 5. Вам тема урока понятна, для чего мы с ней знакомились?

Итог урока:

• 1. Проверяем вместе вашу работу по таблице, оцениваем вместе, ставим оценку, учитывая вашу работу на уроке.

Используемая литература:

• 1. интернет – ресурсы.
• 2. Ф -12 кл,А.Е.Мякишев, Г.Я.Мякишев, Э.Г.Дубицкая.

Изучая действие люминесцирующих веществ на фотопленку, французский физик Антуан Беккерель обнаружил неизвестное излучение. Он проявил фотопластинку, на которой в темноте некоторое время находился медный крест, покрытый солью урана. На фотопластинке получилось изображение в виде отчетливой тени креста. Это означало, что соль урана самопроизвольно излучает. За открытие явления естественной радиоактивности Беккерель в 1903 году был удостоен Нобелевской премии. РАДИОАКТИВНОСТЬ – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, испуская при этом различные частицы: Всякий самопроизвольный радиоактивный распад экзотермичен, то есть происходит с выделением тепла.
АЛЬФА-ЧАСТИЦА (a-частица) – ядро атома гелия. Содержит два протона и два нейтрона. Испусканием a-частиц сопровождается одно из радиоактивных превращений (альфа-распад ядер) некоторых химических элементов.
БЕТА-ЧАСТИЦА – испускаемый при бета-распаде электрон. Поток бета-частиц является одним из видов радиоактивных излучений с проникающей способностью, большей, чем у альфа-частиц, но меньшей, чем у гамма-излучения. ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ (гамма-кванты) – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны меньше 2×10–10 м. Из-за малой длины волны волновые свойства гамма-излучения проявляются слабо, и на первый план выступают корпускулярные свойства, в связи с чем его представляют в виде потока гамма-квантов (фотонов). Время, за которое распадается половина из начального числа радиоактивных атомов, называют периодом полураспада. За это время активность радиоактивного вещества уменьшается вдвое. Период полураспада, определяется только родом вещества и может принимать разные значения - от нескольких минут до нескольких миллиардов лет. ИЗОТОПЫ – это разновидности данного химического элемента, различающиеся массовым числом своих ядер. Ядра изотопов одного элемента содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Имея одинаковое строение электронных оболочек, изотопы обладают практически одинаковыми химическими свойствами. Однако по физическим свойствам изотопы могут различаться весьма резко. Все три составляющие радиоактивного излучения, проходя через среду, взаимодействуют с атомами среды. Результатом этого взаимодействия является возбуждение или даже ионизация атомов среды, что в свою очередь инициирует протекание различных химических реакций. Поэтому радиоактивное излучение обладает химическим действием. Если же радиоактивному излучению подвергнуть клетки живого организма, то протекание реакций, инициированных радиоактивным излучением, может привести к образованию веществ, губительных для данного организма и в конечном итоге – к разрушению тканей. По этой причине воздействие радиоактивного излучения на живые организмы губительно. Большие дозы излучения могут привести к серьезным заболеваниям или даже к смерти. 3. Ядерные реакции
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ – это превращения атомных ядер в результате взаимодействия друг с другом или какими-либо элементарными частицами. Для осуществления ядерной реакции необходимо, чтобы сталкивающиеся частицы сблизились на расстояние порядка 10–15 м. Ядерные реакции подчиняются законам сохранения энергии, импульса, электрического и барионного зарядов. Ядерные реакции могут протекать как с выделением, так и с поглощением кинетической энергии, причем эта энергия примерно в 106 раз превышает энергию, поглощаемую или выделяемую при химических реакциях.

Открытие нейтрона Д.Чедвиком в 1932 году

В 1932 году немецкий физик В. Гейзенберг и советский физик Д.Д. Иваненко предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели, атомные ядра состоят из элементарных частиц – протонов и нейтронов.

Ядерные силы очень мощные, но очень быстро убывают с увеличением расстояния. Они являются проявлением так называемого сильного взаимодействия. Особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер: они проявляются на расстояниях порядка размера самого ядра. Физики в шутку называют ядерные силы "богатырем с короткими руками". Минимальную энергию, необходимую для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называют энергией связи ядра. Эта энергия равна разности суммарной энергии свободных нуклонов и полной энергии ядра. Таким образом, суммарная энергия свободных нуклонов больше полной энергии ядра, состоящего из этих нуклонов. Очень точные измерения позволили зафиксировать тот факт, что масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя составляющих его нуклонов на некоторую величину, называемую дефектом массы. Удельная энергия связи характеризует устойчивость ядер. Удельная энергия связи равна отношению энергии связи к массовому числу и характеризует устойчивость ядра. Чем больше удельная энергия связи, тем более устойчивым является ядро. График зависимости удельной энергии связи от количества нуклонов в ядре имеет слабо выраженный максимум в интервале от 50 до 60. Это говорит о том, что ядра со средними значениями массовых чисел, такие как железо, являются самыми устойчивыми. Легкие ядра обладают тенденцией к слиянию, а тяжелые к разделению.

Примеры ядерных реакций.

Цепные ядерные реакции. Термоядерные реакции – это ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (~108 К и выше). При этом вещество находится в состоянии полностью ионизованной плазмы. Необходимость высоких температур объясняется тем, что для слияния ядер в термоядерной реакции необходимо, чтобы они сблизились на очень малое расстояние и попали в сферу действия ядерных сил. Этому сближению препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между одноименно заряженными ядрами. Чтобы их преодолеть, ядра должны обладать очень большой кинетической энергией. После начала протекания термоядерной реакции вся энергия, потраченная на разогрев смеси, компенсируется энергией, выделяющейся в ходе протекания реакции.
4. Ядерная энергетика. Использование ядерной энергии – важная научно-практическая задача. Устройство, позволяющее осуществлять управляемую ядреную реакцию, называют ядерным реактором. Коэффициент размножения нейтронов в реакторе поддерживается равным единице посредством введения или выведения из реактора регулирующих стержней. Эти стержни изготавливают из вещества, хорошо поглощающего нейтроны, - из кадмия, бора или графита.
Основными элементами ядерного реактора являются: – ядерное горючее: уран-235, плутоний-239; – замедлитель нейтронов: тяжелая вода или графит; – теплоноситель для отвода выделяющейся энергии; – регулятор скорости ядерной реакции: вещество, поглощающее нейтроны (бор, графит, кадмий).

>> Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

Глава 13. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

Выражения атомное ядро и элементарные частицы уже неоднократно упоминались. Вы знаете, что атом состоит из ядра и электронов. Само атомное ядро состоит из элементарных частиц, нейтронов и протонов. Раздел физики, в котором исследуется строение и превращение атомных ядер, называется ядерной физикой. Первоначально разделения на ядерную физику и физику элементарных частиц не было. С многообразием мира элементарных частиц физики столкнулись при изучении ядерных процессов. Выделение физики элементарных частиц в самостоятельную область исследования произошло около 1950 г. Сегодня существуют два самостоятельных раздела физики: содержание одного из них составляет изучение атомных ядер, а содержание другого - изучение природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

§ 97 МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Вначале ознакомимся с устройствами, благодаря которым возникла и начала развиваться физика атомного ядра и элементарных частиц. Это устройства для регистрации и изучения столкновений и взаимных превращений ядер и элементарных частиц. Именно они дают людям необходимую информацию о микромире.

Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц. Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы или движущиеся атомные ядра, подобно заряженному ружью с взведенным курком. Небольшое усилие при нажатии на спусковой крючок ружья вызывает эффект, не сравнимый с затраченным усилием, - выстрел.

Регистрирующий прибор - это более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу. В настоящее время используется множество различных методов регистрации частиц.

В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам.

Газоразрядный счетчик Гейгера. Счетчик Гейгера - один из важнейших приборов для автоматического подсчета частиц.

Счетчик (рис. 13.1) состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон , -частица и т. д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Для того чтобы счетчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный paзряд, необходимо погасить. Это происходит автоматически. Так как в момент появления импульса тока падение напряжения на нагрузочном резисторе R велико, то напряжение между анодом и катодом резко уменьшается - настолько, что разряд прекращается.

Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и -квантов (фотонов большой энергии).

В настоящее время созданы счетчики, работающие на и пых принципах.

Камера Вильсона. Счетчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые ее характеристики. В камере же Вильсона, созданной в 1912 г., быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или сфотографировать. Этот прибор можно назвать окном в микромир , т. е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем.

Принцип действия камеры Вильсона основан на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.

Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению (рис. 13.2). При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под ним, пар в камере адиабатно расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение, и пар становится перенасыщенным. Это -неустойчивое состояние пара: он легко конденсируется, если в сосуде появляются центры конденсации. Центрами
конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Если частица проникает в камеру сразу после расширения пара, то на ее пути появляются капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы - трек (рис. 13.3). Затем камера возвращается в исходное состояние, и ионы удаляются электрическим полем. В зависимости от размеров камеры время восстановления рабочего режима варьируется от нескольких секунд до десятков минут.

Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счетчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека - ее скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше ее энергия. А чем больше капелек воды образуется на единицу длины трека, тем меньше ее скорость . Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины.

Советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле.

Магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу с определенной силой (силой Лоренца). Эта сила искривляет траекторию частицы, не изменяя модуля ее скорости. Трек имеет тем большую кривизну, чем больше заряд частицы и чем меньше ее масса. По кривизне трека можно определить отношение заряда частицы к ее массе. Если известна одна из этих величин, то можно вычислить другую. Например, по заряду частицы и кривизне ее трека можно найти массу частицы.

Пузырьковая камера. В 1952 г. американским ученым Д. Глейзером было предложено использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах (центрах парообразования), образующихся при движении быстрой заряженной частицы, появляются пузырьки пара, дающие видимый трек. Камеры данного типа были названы пузырьковыми.

В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости несколько выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой, и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженые частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара (рис. 1.4.4). И качестве жидкости используются главным образом жидкий водород и пропан. Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры невелика - около 0,1 с.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере - один из главных источников информации о поведении и свойствах частиц.

Наблюдение следов элементарных частиц производит сильное впечатление, создает ощущение непосредственного соприкосновения с микромиром.

Метод толстослойных фотоэмульсий. Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Беккерелю открыть в 1896 г. радиоактивность. Метод фотоэмульсии был развит советскими физиками Л. В. Мысовским, Г. Б. Ждановым и др.

Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зерен серебра образует трек частицы (рис. 13.5). По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.

Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (порядка 10 -3 см для -частиц, испускаемых радиоактивными элементами), но при фотографировании их можно увеличить.

Преимущество фотоэмульсий в том, что время экспозиции может быть сколь угодно большим. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсий увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.

Мы рассказали далеко не о всех приборах, регистрирующих элементарные частицы. Современные приборы для обнаружения редко встречающихся и короткоживущих частиц очень сложны. В их создании принимают участие сотни людей.

1. Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаря женные частицы!
2. Какие преимущества имеет пузырьковая камера по сравнению с камерой Вильсона!

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки