I. Изучение нового материала

Урок 59

(9 класс)

Тема: Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

Цель урока:

1. Ознакомление с методами обнаружения и исследования свойств элементарных частиц.

2. Формирование мировоззрения о природе элементарных частиц.

3. Развитие логических умений: сравнивать, выделять главное, приводить примеры.

Ход урока.

 

I. Изучение нового материала.

Мы знаем, что для изучения строения атома были использованы α-частицы. Радиоактивное излучение в магнитном поле разделяется на три потока: α,β,γ-лучи. При ядерных реакциях происходит изменение ядра. Следовательно ядро имеет сложную структуру. Размеры ядра очень малы – порядка 10^-15м. Каким же образом физики получают информацию о ядре атома и элементарных частицах?

Цель нашего урока – Ознакомление с методами обнаружения и исследования свойств элементарных частиц.

С открытия в конце XIX века первой элементарной частицы – электрона уже более ста лет физики придумывают все новые и новые приборы для изучения этих мельчайших единиц материи.

Проще всего регистрировать заряженные частицы, поэтому их и открыли раньше. Их выдает ионизационный след, оставляемый электронно-ионными парами вдоль своего пути. Регистрация нейтральных частиц осуществляется теми же методами, что и заряженных (счетчики + камеры), только с учетом того, что прежде они должны создать заряженные частицы (γ-кванты выбивают электроны – фотоэффект).

Приборы, «улавливающие» частицы, делятся на две группы – счетчики и камеры.
Счетчики фиксируют лишь факт прохождения частицы:

                               

Счетчик Гейгера                          Сцинтилляционный счетчик                             Полупроводниковый детектор

Камеры, или трековые детекторы, – это устройства для прослеживания траектории заряженной частицы со всеми вторичными продуктами.

Сегодня на уроке мы рассмотрим три прибора:

а) счетчик Гейгера; б) камера Вильсона; в) пузырьковая камера.

Работая по учебнику, вы должны ответить на вопрос какие существуют приборы, с помощью которых регистрируют частицы.

Задание 1. Сначала определим, на чем основан принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц.

Ответ: Система находится в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении начинается процесс перехода системы в более устойчивое состояние.

Изучение приборов проведем по плану в таблице (заполнение таблицы на интерактивной доске).

Задание 2. Составить рассказ о приборе по плану:

- назначение

- принцип действия

- схема (устройство)

- применение

	Счетчик Гейгера, 1928г.	Камера Вильсона, 1912г.	Пузырьковая камера, 1952г.
Назначение	Определяет число элементарных частиц	Позволяет видеть и изучать следы (трек) элементарных частиц.	Позволяет видеть и изучать следы элементарных частиц
Принцип действия	Ударная ионизация	Конденсация пересыщенного пара	Испарение перегретой жидкости
Схема (устройство)
Применение	Для регистрации e- и γ-квантов (из-за явления фотоэффекта)	Для определения заряда, массы, скорости частиц, отношения е/m (в магнитном поле)	Для определения параметров частиц и наблюдения серии ядерных реакций превращения частиц

 

 

Задание 3. Сравнить приборы по их действию:

 

Система находится в неустойчивом состоянии. При попадании элементарной частицы в прибор, начинается процесс перехода системы в более устойчивое состояние. Во всех приборах используется явление ионизации.

 

Задание 4. Сравнить приборы по их применению:

 

а) преимущества трековых приборов? – счетчик только регистрирует частицы, в трековых приборах можно распознать не только сами частицы, но и процессы, в которых они участвуют.

б) преимущества пузырьковой камеры? - в качестве рабочей среды в ней используется жидкость, которые обладают большей плотностью, чем газы, что многократно увеличивает вероятность появления в них событий, достойных изучения.

 

Приложение 1

МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Счетчик 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.

 

Достоинства:
- компактность
- эффективность
- быстродействие
- высокая точность (10ООО частиц/с).

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, Th)

Камера Вильсона

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

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.
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 характеристикипролетевшей радиоактивной частицы.
Например, альфа-частица дает сплошной толстый трек,
протон - тонкий трек,
электрон - пунктирный трек.

Пузырьковая камера

- вариант камеры Вильсона

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

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

Метод толстослойных фотоэмульсий

- 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 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.

 

Ядерные эмульсии

Аналогично, как это происходит в обычной фотографии, заряженная частица нарушает вдоль своего пути структуру кристаллической решётки зерен галоидного серебра делая их способными к проявлению. Ядерная эмульсия является уникальным средством для регистрации редких событий. Стопки ядерных эмульсий позволяют регистрировать частицы очень больших энергий. С их помощью можно определить координаты трека заряженной частицы с точностью ~1 микрона. Ядерные эмульсии широко используются для регистрации космических частиц на шарах-зондах и космических аппаратах.
Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатины с диспергированными в ней зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Физический механизм образования этих центров состоит в образовании атомов металлического серебра за счет фотоэффекта. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом.