Регистрация элементарных частиц

План:

1. Приборы для обнаружения заряженных частиц.

2. Устройство и принцип работы.

 

Методы регистрации элементарных частиц основаны на использовании систем в долгоживущем неустойчивом состоянии, в которых под действием пролетающей заряженной частицы происходит переход в устойчивое состояние. Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называется детекторами ядерных излучений.

Регистрирующий прибор – более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванной пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние.

Газоразрядные счетчики. Счетчик Гейгера – детектор частиц, действие которого основано на возникновении самостоятельного электрического разряда в газе при попадании частицы в его объем. Изобретен в 1908 г. X. Гейгером и Э. Резерфордом, позднее был усовершенствован Гейгером и Мюллером.

Счетчик (рис. 3.3.1) состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод) и тонкой металлической нити, идущей вдоль трубки (анод). Трубка заполнена газом. Действие счетчика основа на ударной ионизации. Заряженная частица пролетая в газе, отрывает от атома электрон и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов и ток через счетчик резко возрастает. При этом нагрузочном резисторе образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Рис. 3.3.1. Счетчик Гейгера.

Для того чтобы счетчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо погасить.

Это происходит автоматически. Так как в момент появления импульса тока, падает напряжение на нагрузочном резисторе велико, то напряжение между анодом и катодом резко уменьшается, что разряд прекращается.

Счетчиком Гейгера регистрируют в основном электроны и гамма-кванты (последние, правда, с помощью дополнительного материала, наносимого на стенки сосуда, из которых гамма-кванты выбивают электроны).

В настоящее время созданы счетчики, работающие на иных принципах.

Камера Вильсона. Счетчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать её некоторые характеристики. В камере же Вильсон быстро заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или сфотографировать.

Рис. 3.3.2. Камера Вильсона

Камера Вильсона – трековый (от англ. «track» – след, траектория) детектор частиц. Создана Ч. Вильсоном в 1912 г. С помощью камеры Вильсона был сделан ряд открытий в ядерной физике и физике элементарных частиц, таких, как открытие широких атмосферных ливней (в области космических лучей) в 1929 г., позитрона в 1932 г., обнаружение следов мюонов, открытие странных частиц.

Принцип действия камеры Вильсона основан на конденсации пара на ионах с образованием капель воды.

Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парам воды или спирта. При резком опускании поршня, вызванный уменьшением давления под ним, пар в камере адиабатно расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение и пар становится перенасыщенным. Неустойчивое состояние пара легко конденсируется, если в сосуде появляются центры конденсации.

Капельки жидкости, осевшие на ионах, делают видимым след проле­тевшей частицы – трек, что дает возможность его сфотографировать. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека – оценить ее скорость. Помещение камеры в магнитное поле позволяет определить по кривизне трека отношение заряда частицы к ее массе (впервые предложено советскими физиками П. Л. Капицей[11] и Д. В. Скобельцыным[12]).

Пузырьковая камера. В 1952 г. Д. Глейзером было предложено использовать для обнаружения частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах (центрах парообразования), образующихся при движении быстрой заряженной частицы, появляется пузырьки пара, дающие видимый трек.

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. Заряженные частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара. В 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.

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[13], Г. Б. Ждановым и др.

Способность быстрых заряженных частиц создавать скрытое изображение в фотоэмульсии широко используется в ядерной физике и в настоящее время. Ядерные фотоэмульсии особенно успешно применяются при исследовании в области физики элементарных частиц и космических лучей. Быстрая заряженная частица при движении в слое фотоэмульсии создает вдоль пути движения центры скрытого изображения.

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. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.

Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (порядка  для альфа-частиц, испускаемых радиоактивными элементами), но при фотографировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсий в том, что время экспозиции может быть сколь угодно большим.

Сцинтилляционный счетчик. Устройство для регистрации альфа-частиц – спинтарископ.

Рис. 3.3.3.

Основными деталями спинтарископа является экран 3, покрытый слоем сульфида финка и короткофокусная лупа 4. Альфа-радиоактивный препарат помещают на конце стержня 1 примерно против середины экрана. При попадании альфа-частицы в кристаллы сульфида финка возникает вспышка света.

Процесс преобразования кинетической энергии быстро заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией. сцинтилляция представляет собой одну из разновидностей явления люминесценции.

Метод фотоэмульсий. Фотографический метод является исторически первым экспериментальным методом регистрации ядерных излучений, так как явление радиоактивности было открыто А. Беккерелем с помощью этого метода.

 

Задание

Тестирование по теме атомное ядро

[1] Энрико Ферми (1901 – 1954) – итальянский физик, наиболее известный благодаря созданию первого в мире ядерного реактора, внёсший большой вклад в развитие ядерной физики, физики элементарных частиц, квантовой и статистической механики. Считается одним из «отцов атомной бомбы».

[2] Энрико Ферми (1901 – 1954) – итальянский физик, наиболее известный благодаря созданию первого в мире ядерного реактора, внёсший большой вклад в развитие ядерной физики, физики элементарных частиц, квантовой и статистической механики. Считается одним из «отцов атомной бомбы».

[3] Демокрит (460 – 370 гг. до н.э) – дневрегреческий философ, один из основателей атомистики и материалистической философии.

[4] Мари Гелл-Ман (род. 1929 г.) – американский физик. Известен работами связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействия.

[5] Джорд Цвейг (род. 1934 г.) – американский физик и нейробилог.

[6] Карл Дейвид Андерсон (1905 – 1991) – американский физик-экспериментатор. Известен открытием позитрона.

[7] Джулиан Сеймур Швингер (1918 – 1994) – американский физик. Внесший вклад в исследовании физики элементарных частиц.

[8] Шелдон Ли Глэшоу (род. 1932) – американский физик. Работает в области элементарных частиц.

[9] Карло Руббиа (род. 1934) – итальянский физик. Внесший вклад W и Z переносчиков слабого взаимодействия.

[10] Симон ван дер Мер (1925 – 2011) – нидерландский физик. Внесший вклад W и Z переносчиков слабого взаимодействия.

[11] Петр Леонидович Капица (1894 – 1984) – российский и советский физик, инженер и инноватор. Видный организатор науки. Основатель Института физических проблем (ИФП). Один из основателей Московского физико-технического института (МФТИ).

[12] Дмитрий Владимирович Скобельцын (1892 – 1990) – российский и советский физик-экспериментатор, специалист в области космических излучений и физики высоких энергий.

[13] Лев Владимирович Мысовский (1888 – 1939) – российский и советский физик. Автор большинства теоретических и практических разработок. Известен как создатель гамма-дефектоскопии.