Методы наблюдения элементарных частиц

Элементарные частицы удаётся наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своём прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, её энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём 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, нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порождёнными ими заряженными частицами.

Приборы, применяемые для регистрации ионизирующих частиц, подразделяются на две группы. К первой группе относятся устройства, которые регистрируют факт пролёта частицы и позволяют судить об её энергии. Вторую группу образуют трековые приборы, т. е. приборы, позволяющие наблюдать следы частиц в веществе. К числу регистрирующих приборов относятся ионизационные камеры и газоразрядные счётчики. Широкое распространение получили черенковские счётчики и сцинтилляционные счётчики.

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. Фосфоры бывают органические и неорганические.

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.

Счетчики часто объединяются в группы и включаются так, чтобы регистрировались только такие события, которые отмечаются одновременно несколькими приборами, либо только одним ним из них. В первом случае говорят, что счетчики включены по схеме совпадений, во втором -- по схеме антисовпадений.

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

Камера Вильсона. Так называют прибор, созданный 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.

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). 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 жидкий водород (в этом случае нужны низкие температуры).

Искровые камеры. 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 электродов, выполненных в виде каркасов с натянутой на них металлической фольгой либо в виде металлических пластин. Электроды соединяются через один. Одна группа электродов заземляется, а на другую периодически подается кратковременный (длительностью 10 -7 сек) высоковольтный импульс (10-- 15 кВ). Если в момент подачи импульса через камеру пролетит ионизирующая частица, её 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. В камерах, наполненных инертными газами, межэлектродное расстояние может достигать нескольких сантиметров. Если направление полета частицы образует с нормалью к электродам угол, не превышающий 40°, разряд в таких камерах развивается по направлению трека частицы.

Метод фотоэмульсий. Советские физики Л. В. Мысовский и А. П. Жданов впервые применили для регистрации элементарных частиц фотопластинки. Заряженная частица, проходя через фотоэмульсию, вызывает 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), 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.

Атомистическая концепция строения мира

Квантовая модель атома предполагает, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов, не имеющих заряда. Также ядро окружено электронами, которые в свою очередь имеют отрицательный заряд...

Самый простой вид этого APPJ источника состоит из диэлектрической трубы с двумя трубчатыми металлическими электродами и некоторого благородного газа (He, Ar), протекающего через нее. Для демонстрации того...

Вакуумная плазменная технология высоких энергий

Существует не так много методов проведения диагностики APP (плазмы атмосферного давления). Один очень мощный инструмент - это ICCD-камера (усиленная нагрузка соединительных устройств)...

Исследование процессов испарения и конденсации жидких капель

Отдельные частицы характеризуются так называемыми морфологическими признаками: размер, плотность, форма, структура, химический состав...

Поиски частиц темной материи

Акустическая регистрация массивных заряженных частиц темной материи в экспериментах на спутниках Для детектирования заряженных массивных частиц ТМ предложено использовать методы радиационной акустики...

Разработка лабораторной работы "броуновское движение"

2.1 Анализ работ по броуновскому движению В газете «1 сентября» Физика №16/08 опубликована статья «Броуновское движение «глазами» цифрового микроскопа». В ней автор /Царьков И.С./ рассказывает об опыте МОУ СОШ № 29 города Подольска...

Фазы потенциала действия. Радиоактивные излучения

Различные регистрирующие устройства позволяют изучать в основном заряженные частицы, которые вызывают ионизацию среды, т.е. при соударении вырывают электрон из атомов частиц среды, сообщая ему энергию ионизации Ei. Однако незаряженные частицы...

Физические основания космологии и астрофизики

Изобилие типов элементарных частиц поставило перед физиками трудные вопросы: что же лежит в основе строения вещества, есть ли какая-нибудь общая схема, систематика...

Элементарные частицы

Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц...

Элементарные частицы

Для того, чтобы понять, что навело учёных на мысль о том, что адроны состоят из кварков, нужно сначала понять, что связывает протоны и нейтроны в ядро атома., пройти вместе с ними их путь в недра материи...

Элементарные частицы

Ядерные силы

В 1932 г. в составе космического излучения был обнаружен позитрон, существование которого было предсказано теорией Дирака еще в 1929 г. Этот факт имел очень большое значение не только для подтверждения правильности теории Дирака, но и потому...

План урока по физике в 11 классе.

Тема: Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

Цель урока: ознакомить учащихся с устройствами, с помощью которых развивалась физика атомных ядер и элементарных частиц; необходимую информацию о процессах в микромире получили именно благодаря этим приборам.

Ход урока

Проверка домашнего задания методом фронтального опроса

В чем заключалось противоречие модели атома Резерфорда с классической физикой.

Квантовые постулаты Бора.

9) Задача. Насколько изменилась энергия электрона в атоме водорода при излучении атомом фотона с длиной волны 4,86 ∙10-7м?

Решение. ∆Е = h ν; ν = c/λ; ∆Е = h c /λ; ∆E=4,1 ∙10-19 Дж.

2. Изучение нового материала

Регистрирующий прибор – это макроскопическая система, находящаяся в неустойчивом положении. При любом возмущении, которое вызывает пролетевшая частица, система переходит в более устойчивое положение. Процесс перехода позволяет регистрировать частицу. В настоящее время имеется много устройств, для регистрации элементарных частиц. Рассмотрим некоторые из них.

А) Газоразрядный счетчик Гейгера.

Этот прибор служит для автоматического подсчета частиц.

Устройство счетчика объяснить, используя плакат. Действие счетчика основано на ударной ионизации.

Применяется счетчик Гейгера для регистрации γ – квантов и электронов, счетчик хорошо замечает и считает почти все электроны и только один из ста γ – квант.

Тяжелые частицы счетчиком не подсчитываются. Имеются счетчики, которые работают на других принципах.

Б) Камера Вильсона.

Счетчик только подсчитывает число пролетевших частиц. Камера Вильсона, сконструированная в 1912 году, располагает оставшимся, после пролета частицы треком (след), который можно наблюдать, фотографировать, изучать.

Ученые называли камеру Вильсона окном в микромир.

Устройство и принцип действия камеры объяснить по плакату. Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара, который образует на ионах треки из капелек воды. По длине трека можно определить энергию частицы; по числу капелек на единицу длины трека вычисляют ее скорость; по толщине трека определяют заряд пролетевшей частицы. Поместив камеру в магнитное поле, заметили кривизну трека, которая тем больше, чем больше заряд и чем меньше масса частицы. Определив, заряд частицы и зная кривизну трека, вычисляют ее массу.

В) Пузырьковая камера.

Американский ученый Глейзер, в 1952 году, для изучения элементарных частиц создал новый тип камеры. Она была похожа на камеру Вильсона, но в ней было заменено рабочее тело; перенасыщенные пары были заменены на перегретую жидкость. Быстродвижущаяся частица, при движении по жидкости, образовывала пузырьки на ионах (так как жидкость закипала) – камеру назвали пузырьковой.

Большая плотность рабочего вещества дает преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона.

Пробеги частиц в пузырьковой камере короткие, а взаимодействия более сильными и часть частиц застревает в рабочем веществе. В результате появляется возможность наблюдать превращения частиц. Треки – главный источник информации о свойствах частиц.

Г) Метод толстослойных фотоэмульсий.

Ионизирующее действие заряженных частиц на эмульсию фотопластинки, используется для изучения свойств элементарных частиц наряду с пузырьковой камерой и камерой Вильсона. Заряженная частица с большой скоростью пронизывает фотоэмульсию, которая содержит кристаллы бромида серебра. Отрывая электроны, от некоторых атомов брома в фотоэмульсии появляется, скрытое изображение. Трек частицы появляется после проявления фотопластинки. По длине и толщине трека вычисляют энергию и массу частиц.

Существует много других устройств и приборов, которые регистрируют и исследуют элементарные частицы.

3. Закрепление изученного материала.

1) Что такое регистрирующий прибор?

2) Принцип действия счетчика Гейгера; камеры Вильсона; пузырьковой камеры, метода толстослойных фотоэмульсий.

3) Какие преимущества имеет пузырьковая камера перед камерой Вильсона?

Подведем итоги урока.

Домашнее задание: §98, повт, §97

Регистрирующие приборы

К числу регистрирующих приборов относятся ионизационные камеры и газоразрядные счётчики . Широкое распространение получили черенковские счётчики и сцинтилляционные счётчики .

Трековые приборы

Тема урока : Методы наблюдения и регистрации элементарных

частиц.

Цель урока : Объяснить учащимся устройство и принцип действия установок для регистрации и изучения элементарных частиц.

Тип урока : Урок усвоения новых знаний.

Эпиграф :

“ ….. воспитание творческих способностей

в человеке основывается на развитии

самостоятельного мышления”

П.П. Капица

Структура урока :

Организационный этап.

Приветствие учеников и гостей семинара. Проверка подготовленности уч-ся к учебному занятию

2. Цели и задачи урока. (Подготовка учащихся к работе на основном этапе)

Объявление цели урока (Сегодня на уроке вы узнаете с помощью каких приборов осуществляют наблюдение и регистрацию заряженных частиц, как они устроены и их принцип действия).

Изложение нового материала

Вначале проведем фронтальный опрос:

Что такое ионизация?

(Процесс распада нейтральных атомов на ионы и электроны)

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.)

Вступительное слово преподавателя

Изучая квантовую физику, уже неоднократно упоминались выражения - атомное ядро и элементарные частицы. Однако элементарные частицы (например, электроны и ионы), а также атомные ядра невозможно увидеть ни в один микроскоп, даже электронный. Поэтому вначале ознакомимся с устройствами, благодаря которым возникла и начала развиваться физика атомного ядра и элементарных частиц. Именно они дают людям необходимую информацию о микромире.

Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы, подобно заряженному ружью со 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 много 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.

Сообщение № 1

Газоразрядный счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера – один из важнейших приборов. Для автоматического счета частиц. Хорошие счетчики позволяют регистрировать до 10000 и более частиц в секунду. Счетчик 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, 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 сопротивлении нагрузки образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и у-квантов (фотонов большой энергии). При регистрации электронов эффективность счетчика порядка 100%, а при регистрации у-квантов – лишь около 1 %. Регистрация тяжелых частиц (например, а-частиц) затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.

Дополнение...
Усовершенствован был счетчик другим немецким физиком В. Мюллером, поэтому иногда этот счетчик называют счетчиком Гейгера-Мюллера.

Сообщение № 2

Камера Вильсона

Счетчики позволяют лишь, регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые ее характеристики. В камере же Вильсона быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или фотографировать. Этот прибор можно назвать «окном» в микромир.
Камера Вильсона состоит из невысокого стеклянного цилиндра со стеклянной крышкой. Внутри цилиндра может двигаться поршень. На дне камеры находится черная ткань. Благодаря тому, что ткань увлажнена смесью воды со спиртом, воздух в камере насыщен парами этих жидкостей.
Действие камеры Вильсона, созданной в 1912 г., основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы.
Изучаемые частицы впускаются в камеру через тонкое окошко (иногда источник частиц помещают внутри камеры).При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под поршнем, пар в камере расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение и пар становится пересыщенным. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или после него, те ионы, которые она образует, будут действовать как центры конденсации. Возникающие на них капельки воды образуют след пролетевшей частицы - трек. Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счетчики. По длине треки можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оценивается ее скорость.

Помещая камеру в однородное магнитное поле (метод, предложенный советскими физиками П. Л. Капицей и Д. В. Скобельциным), можно по направлению изгиба траектории и ее кривизне определить знак заряда и отношение заряда к массе или импульс частицы (если ее заряд известен).

Треки существуют в камере недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капельки испаряются. Чтобы получить новые следы, необходимо удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать воздух поршнем, выждать, пока воздух в камере, нагревшийся при сжатии, охладится, и произвести новое расширение.

Обычно треки частиц в камере Вильсона не только наблюдают, но и фотографируют. При этом камеру освещают сбоку мощным пучком световых лучей.

Дополнение...

Кроме названия окно в микромир, камеру Вильсона называли «туманная камера»

В 1932 г. именно при помощи этой камеры Андерсон открыл позитрон-антиэлектрон.

Сообщение № 3

Пузырьковая камера

В 1952 г. американским ученым Д. Глейзером было предложено использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. Они состоят из стеклянного цилиндра, заполненного жидкостью и немного напоминают камеру Вильсона. В такой жидкости на ионах, образующихся при движении быстрой заряженной частицы, возникают пузырьки пара, дающие видимый трек. Камеры такого типа были названы пузырьковыми.

В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженные частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков состоящих из пузырьков пара. В качестве жидкостей используются главным образом жидкий водород и пропан.

Таким образом, действие пузырьковой камеры основано на вскипании перегретой жидкости.

Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры невелика - около 0,1с. 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.

Дополнение...

Размеры пузырьковых камер бывают от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров.

Сообщение № 4

Метод толстослойных фотоэмульсий

Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона применяются толстослойные фотоэмульсии. Этот метод проделывают при помощи фотопластины покрытой фотоэмульсией. Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Беккерелю открыть 1896г. радиоактивность. Метод фотоэмульсии был развит советскими физиками Л. В. Мысовским. А. П. Ждановым и др.

Действие этого метода основано на фотохимических реакциях.

Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряженная частица пронизывая, 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. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими.

Преимущество фотоэмульсий состоит в непрерывном суммирующем действии. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря высокой тормозящей способности фотоэмульсий увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.

Дополнение...

Толщина слоя фотоэмульсии очень мала всего 200 мкм.

Именно этим методом используют на космических кораблях для исследования космических лучей.

Дополнение преподавателя
Кроме этих методов существуют некоторые другие:

Искровая камера. В 1959г. С. Фукуи и С. Миямото сконструировали искровую камеру, в которой трек частицы регистрируется по искровому разряду в неоне, аргоне. Вес ее достигает 10 тонн.

Сцинтилляционные счетчики. Сцинтилляция – это мерцание. Заряженная частица, ударяясь об экран, вызывает вспышку света. Наблюдая в микроскоп за экраном, ведется подсчет вспышек.

Закрепление изученного материала

5 . Подведение итогов урока .

Итак, сегодня мы с вами познакомились с методами регистрации частиц.

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

А теперь проведем тест на закрепление материала(слайды)

1.Действие счетчика Гейгера основано на

Ударной ионизации .

Выделении энергии частицей.

2.Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на образовании пузырьков пара в перегретой жидкости, называется

Толстослойная фотоэмульсия.

Счетчик Гейгера.

Фотокамера.

Камера Вильсона.

Пузырьковая камера.

3.Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы?

Можно, если они имеют маленькую массу (электрона)

Можно, если они имеют большую массу (нейтроны)

Можно, если они имеют маленький импульс

Можно, если они имеют большой импульс

Нельзя

4. Фотоэмульсионный метод регистрации заряженных частиц основан на

Ударной ионизации .

Расщеплении молекул движущейся заряженной частицей.

Образовании пара в перегретой жидкости.

Конденсации перенасыщенных паров.

Выделении энергии частицей.

5. Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на конденсации перенасыщенного пара, называется

Фотокамера

Камера Вильсона

Толстослойная фотоэмульсия

Счетчик Гейгера

Пузырьковая камера

6. Чем заполнена камера Вильсона

Парами воды или спирта .

Газом, обычно аргоном.

нагретым почти до кипения жидким водородом или пропаном

Химическими реагентами

7.что представляет собой трек, образованный методом толстослойной фотоэмульсии?

Цепочка капелек воды

Цепочка пузырьков пара

Лавина электронов

Цепочка зерен серебра

6 . Домашнее задание.

п. 97 лабораторная работа по физике

Тема: Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям

Цели: объяснить характер движения заряженных частиц

Приборы и материалы: фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона, пузырьковой камере и фотоэмульсии

Помните, что:

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 её 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 двигалась от конца трека с большим радиусом к концу трека с меньшим радиусом кривизны (радиус кривизны по мере движения уменьшения, так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы)

Задание:

I - треки α-частиц, II - треки α-частиц III - трек электрона

двигавшихся в камере Вильсона, в пузырьковой камере, в камере Вильсона находившейся в магнитном поле находившейся в магнитном поле

Рассмотрите фотографию I, и ответьте на вопросы:

в каком направлении двигались α-частицы? _________________________________

длина треков α-частиц примерно одинакова. О чём это говорит? _______________ _______________________________________________________________________

как менялась толщина трека по мере движения частиц? ____________________ что из этого следует? ____________________________________________________

Определите по фотографии II:

почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движения α-частиц? _______________________________________________________________________

в какую сторону двигались частицы? _______________________________________

Определите по фотографии III:

почему трек имеет форму спирали? _________________________________________

что могло случиться причиной того, что трек электрона (III) гораздо длиннее треков α-частиц (II) _____________________________________________________________

Трековые методы. Заряженная частица, двигаясь в газе, ионизирует его, создавал на своём пути цепочку ионов. Если создать в газе резкий скачок давления, то на этих ионах, как на центрах конденсации, оседает пересыщенный пар, образуя цепочку капелек жидкости - трек.
А) Камера Вильсона (англ.) 1912 г.
1) стеклянный цилиндрический сосуд, покрытый сверху стеклом;
2) снизу сосуд покрыт слоем чёрного влажного бархата или сукна;
З) сетка, над поверхностью которой образуется насыщенный пар.
4) поршень, при быстром опускании которого происходит адиабатное расширение газа, что сопровождается
понижением его температуры, пар становится переохлаждённым (пересыщенным).
Заряженные частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, пролетая в газе, создают на своём пути цепочку ионов. При опускании поршня на этих ионах, как на центрах конденсаций, образуются капельки жидкости. Таким образом, при полёте частица оставляет за собой след (трек), который хорошо виден и может быть сфотографирован. По толщине и длине трека судят о массе и энергии частицы.
П.Л. Капица и Д.В. Скобельцын предложили поместить камеру в магнитное ноле. На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, что приводит к искривлению трека. По форме трека и характеру его искривления можно вычислить импульс частицы и её масс у, а также определить знак заряда частоты.

Б) Пузырьковая камера Глезера (США) 1952 г.
Трек возникает в перегретой жидкости. В рабочем состоянии пузырьковая камера, как и камера Вильсона, оказывается в момент резкого скачка давления. Пузырьковые камеры также помещают в сильное магнитное поле, искривляющее траектории частиц.
Нейтральные частицы не оставляют треков, но тем не менее их тоже можно обнаружить с ПОМОЩЬЮ камеры Вильсона или пузырьковой камеры по вторичным эффектам. Так, если нейтральная частица распадается на две (или более) заряженные частицы, разлетающиеся в разные направления, то, исследуя треки вторичных частиц и определив их энергии и импульсы, можно по законам сохранения определить свойства первичной нейтральной частицы.
В) Метод толстостенных фотоэмульсий (1928 г., Мысовский и Жданов)
Он основан на использовании почернения зерен бромистого серебра, входящих в состав фотографичеекого слоя, под действием проходящих вблизи них заряженных частиц. После проявления фотоэмульсии в них можно наблюдать треки таких частим. Ядерные фотоэмульсии применяют в виде слоев толщиной от 0,5 до 1 мм. Это позволяет исследовать траектории частиц высоких энергий. Существенным преимуществом метода фотоэмульсии, по мимо простоты применения, является то, что с его помощью получают неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Метод ядерных фотоэмульсий широко применяют при изучении свойств новых элементарных частиц и исследованиях космического излучения.
Метод счёта числа частиц. В качестве одного из первых и простейших приборов для регистрации частиц был использован экран, покрытый люминесцирующим составом. В той точке экрана, куда попадает частица с достаточно большой энергией, возникает вспышка – сцинтилляция.

А) Спинтарископ. Ещё в 1903 г. У. Крукс (англ.) обнаружил, что при попадании альфа-частиц на флуоресцирующие вещества они вызывают слабые световые вспышки - так называемые сцинтилляции. Каждая вспышка характеризовала действие одной частицы. Устройство простейшего прибора, предназначенного для регистрации отдельных альфа-частиц. Основными деталями спинтарископа являются экран, покрытый слоем сульфида цинка, и короткофокусная лупа. Альфа-радиоактивный препарат помещают на конце стержня примерно против середины экрана. При попадании альфа-частицы в кристалл сульфида цинка возникает вспышка света, которую можно зарегистрировать при наблюдении через лупу.
Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией.
Б) Счётчики Гейгера- Мюллера (нем.) 1928 г.
Газоразрядные счётчики работают на принципе регистрации самостоятельного газового разряда, возникающего при полёте заряженной частицы через рабочий объём счётчика. В ОТЛИЧИе от ионизационной камеры, регистрирующей суммарную интенсивность пучка заряженных частиц, счётчик Гейгера Мюллера регистрирует каждую частицу отдельно. Каждая вспышка действует на фотокатод электронного умножителя и выбивает из него электроны. Последние, проходящие ряд каскадов умножителя, образуют на выходе импульс тока, который затем подается на вход усилителя и приводит в действие какой-либо счетчик. Интенсивность отдельных импульсов можно наблюдать на осциллографе. Определяют не только число частиц, но и распределение их по энергиям.
Ионизационная камера. Для измерения доз ионизирующих излучений применяются ионизационные камеры. Ионизационная камера представляет собой цилиндрический конденсатор, между электродами которого находится воздух или другой газ. С помощью источника постоянного напряжения между электродами камеры создаётся электрическое поле. В обычных условиях в воздухе свободных зарядов очень мало, поэтому измерительный прибор, включенный в цепь камеры, тока не обнаруживает. При облучении рабочего объёма ионизационной камеры ионизирующими излучениями происходит ионизация воздуха. Положительные и отрицательные ионы под действием электрического поля приходят в движение. Сила ионизационного тока в камере обычно составляет доли микроампера. Для измерения таких слабых ТОКОВ применяются специальные усилительные схемы.
С помощью ионизационных камер можно регистрировать любые виды ядерных излучений.

65. Открытие радиоактивности. Естественная радиоактивность. Виды радиоактивного излучения.

Радиоактивность есть результат процессов, протекающих внутри атомов вещества.
Самопроизвольный распад атомных ядер радиоактивных элементов, встре чающихся в естественных условиях, называется естественной радиоактивностью.

Виды: - лучи, полностью ионизированный атом гелия, проходя через вещество, тормозиться за счет ионизации и возбуждения атомов и молекул, а также диссоциации молекул, в электрическом и магнитном поле отклоняются слабо.

- лучи, поток электронов, чтобы задержать бета – излучение, нужен слой металла толщиной 3 см, в электрическом и магнитном поле отклоняются сильно.

- лучи, коротковолновые электромагнитные излучения, проникающая способность гораздо больше рентгеновского излучения, не отклоняются.