Для дальнейшего развития ядерной физики (в частности, для исследования строения атомных ядер) необходимы были специальные устройства, с помощью которых можно было бы регистрировать ядра и различные частицы, а также изучать их взаимодействия.
Один из известных вам методов регистрации частиц - метод сцинтилляций - не даёт необходимой точности, так как результат подсчёта вспышек на экране в большой степени зависит от остроты зрения наблюдателя. Кроме того, длительное наблюдение оказывается невозможным, так как глаз быстро устаёт.
Более совершенным прибором для регистрации частиц является так называемый счётчик Гейгера, изобретённый в 1908 г. немецким физиком Гансом Гейгером.
Для рассмотрения устройства и принципа действия этого прибора обратимся к рисунку 159. Счётчик Гейгера состоит из металлического цилиндра, являющегося катодом (т. е. отрицательно заряженным электродом), и натянутой вдоль его оси тонкой проволочки - анода (т. е. положительного электрода). Катод и анод через сопротивление R присоединены к источнику высокого напряжения (порядка 200-1000 В), благодаря чему в пространстве между электродами возникает сильное электрическое поле. Оба электрода помещают в герметичную стеклянную трубку, заполненную разреженным газом (обычно аргоном).
Рис. 159. Схема устройства счётчика Гейгера
Пока газ не ионизирован, ток в электрической цепи источника напряжения отсутствует. Если же в трубку сквозь её стенки влетает какая-нибудь частица, способная ионизировать атомы газа, то в трубке образуется некоторое количество электрон-ионных пар. Электроны и ионы начинают двигаться к соответствующим электродам.
Если напряжённость электрического поля достаточно велика, то электроны на длине свободного пробега (т. е. между соударениями с молекулами газа) приобретают достаточно большую энергию и тоже ионизируют атомы газа, образуя новое поколение ионов и электронов, которые тоже могут принять участие в ионизации, и т. д. В трубке образуется так называемая электронно-ионная лавина, в результате чего происходит кратковременное и резкое возрастание силы тока в цепи и напряжения на сопротивлении R. Этот импульс напряжения, свидетельствующий о попадании в счётчик частицы, регистрируется специальным устройством.
Поскольку сопротивление R очень велико (порядка 10 9 Ом), то в момент протекания тока основная доля напряжения источника падает именно на нём, в результате чего напряжение между катодом и анодом резко уменьшается и разряд автоматически прекращается (так как это напряжение становится недостаточным для образования новых поколений электронн-ионных пар). Прибор готов к регистрации следующей частицы.
Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов, но существуют модели, пригодные и для регистрации γ-квантов.
Счётчик позволяет только регистрировать тот факт, что через него пролетает частица. Гораздо большие возможности для изучения микромира даёт прибор, изобретённый шотландским физиком Чарлзом Вильсоном в 1912 г. и называемый камера Вильсона.
Камера Вильсона (рис. 160) состоит из невысокого стеклянного цилиндра СС со стеклянной крышкой LL (на рисунке цилиндр показан в разрезе). Внутри цилиндра может двигаться поршень Р. На дне камеры находится чёрная ткань FF. Благодаря тому что ткань увлажнена смесью воды с этиловым спиртом, воздух в камере насыщен парами этих жидкостей.
Рис. 160. Схема устройства камеры Вильсона
При быстром движении поршня вниз находящиеся в камере воздух и пары жидкостей расширяются, их внутренняя энергия уменьшается, температура понижается.
В обычных условиях это вызвало бы конденсацию паров (появление тумана). Однако в камере Вильсона этого не происходит, так как из неё предварительно удаляются так называемые ядра конденсации (пылинки, ионы и пр.). Поэтому в данном случае при понижении температуры в камере пары жидкостей становятся пересыщенными, т. е. переходят в крайне неустойчивое состояние, при котором они будут легко конденсироваться на любых образующихся в камере ядрах конденсации, например на ионах.
Изучаемые частицы впускаются в камеру через тонкое окошко (иногда источник частиц помещают внутри камеры). Пролетая с большой скоростью через газ, частицы создают на своём пути ионы. Эти ионы и становятся ядрами конденсации, на которых пары жидкостей конденсируются в виде маленьких капелек (водяной пар конденсируется преимущественно на отрицательных ионах, пары этилового спирта - на положительных). Вдоль всего пути частицы возникает тонкий след из капелек (трек), благодаря чему её траектория движения становится видимой.
Если поместить камеру Вильсона в магнитное поле, то траектории заряженных частиц искривляются. По направлению изгиба следа можно судить о знаке заряда частицы, а по радиусу кривизны определять её массу, энергию, заряд.
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, как показано на рисунке 160.
С помощью камеры Вильсона был сделан ряд важнейших открытий в области ядерной физики и физики элементарных частиц.
Одной из разновидностей камеры Вильсона является изобретённая в 1952 г. пузырьковая камера. Она действует примерно по тому же принципу, что и камера Вильсона, но вместо пересыщенного пара в ней используется перегретая выше точки кипения жидкость (например, жидкий водород). При движении в этой жидкости заряженной частицы вдоль её траектории образуется ряд пузырьков пара. Пузырьковая камера обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.
Вопросы
- По рисунку 159 расскажите об устройстве и принципе действия счётчика Гейгера.
- Для регистрации каких частиц применяется счётчик Гейгера?
- По рисунку 160 расскажите об устройстве и принципе действия камеры Вильсона.
- Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле?
- В чём преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона? Чем отличаются эти приборы?
Сегодня мы поговорим об экспериментальных методах исследования частиц. На уроке мы обсудим, как с помощью альфа-частиц, образующихся в результате распада радиоактивного элемента радия, можно изучить внутреннее строение атомов. Также поговорим об экспериментальных методах исследования частиц, входящих в состав атома.
Тема: Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер
Урок 54. Экспериментальные методы исследования частиц
Ерюткин Евгений Сергеевич
Данный урок будет посвящен обсуждению экспериментальных методов регистрации частиц. Ранее мы говорили о том, что в начале ХХ века появился инструмент, с помощью которого можно изучать строение атома и строение ядра. Это a-частицы, которые образуются в результате радиоактивного распада.
Чтобы регистрировать те частицы и излучения, которые образуются в результате ядерных реакций, нужны какие-то новые методы, отличные от использующихся в макромире. Кстати, в опытах Резерфорда уже использовался один такой метод. Он называется методом сцинтилляций (вспышек). В 1903 г. было обнаружено, что если a-частица попадает на сернистый цинк, то в том месте, куда она попала, возникает небольшая вспышка. Это явление и было положено в основу сцинтилляционного метода.
Этот метод был все же несовершенен. Приходилось очень тщательно наблюдать за экраном, чтобы увидеть все вспышки, глаз уставал: ведь приходилось пользоваться микроскопом. Возникла необходимость в новых способах, которые давали бы возможность более четко, быстро и достоверно регистрировать те или иные излучения.
Такой способ впервые бы предложен сотрудником лаборатории, которой руководил Резерфорд, - Гейгером. Он создал прибор, способный «считать» заряженные частицы, попадающие в него, т.н. счетчик Гейгера. После того как немецкий ученый Мюллер усовершенствовал этот самый счетчик, он стал называться счетчиком Гейгера - Мюллера.
Как же он устроен? Счетчик этот газоразрядный, т.е. работает по такому принципу: внутри этого самого счетчика, в главной его части, образуется газовый разряд при пролете частицы. Напомню, что разряд - это протекание электрического тока в газе.
Рис. 1. Принципиальная схема счетчика Гейгера-Мюллера
Стеклянный баллон, внутри которого расположены анод и катод. Катод представлен в виде цилиндра, а внутри этого цилиндра протянут анод. Между катодом и анодом за счет источника тока создается достаточно высокое напряжение. Между электродами, внутри вакуумного баллона находится, как правило, инертный газ. Делается это специально, чтобы создать в дальнейшем тот самый электрический разряд. Кроме этого, в схеме присутствует высокое (R~10 9 Ом) сопротивление. Нужно оно, чтобы погасить ток, протекающий в этой цепи. А работа счетчика происходит следующим образом. Как мы знаем, частицы, которые образуются в результате ядерных реакций, обладают достаточно большой проникающей способностью. Поэтому стеклянный баллон, внутри которого находятся указанные элементы, не представляет для них какой-либо преграды. В результате частица проникает внутрь этого газоразрядного счетчика, ионизирует газ, который находится внутри. В результате такой ионизации образуются энергичные ионы, которые в свою очередь сталкиваются и создают, сталкиваясь между собой, лавину заряженных частиц. Эта лавина заряженных частиц будет состоять из ионов отрицательных, положительно заряженных, а также из электронов. И когда проходит эта лавина, мы можем зафиксировать электрический ток. Это и даст нам возможность понять, что через газоразрядный счетчик прошла частица.
Удобен тем, что в одну секунду такой счетчик может регистрировать приблизительно 10000 частиц. После некоторого усовершенствования этот счетчик стал регистрировать еще и g-лучи.
Конечно, счетчик Гейгера - удобная вещь, которая дает возможность определить существование вообще радиоактивности. Однако определить параметры частицы, провести с этими частицами какие-либо исследования, счетчик Гейгера - Мюллера не позволяет. Для этого нужны совсем другие способы, совсем другие методы. Вскоре после создания счетчика Гейгера, появились такие методы, такие устройства. Одно из самых известных и распространенных - камера Вильсона.
Рис. 2. Камера Вильсона
Обратите внимание на устройство камеры. Цилиндр, внутри которого располагается поршень, который может ходить вверх-вниз. Внутри на этом поршне находится темная ткань, смоченная спиртом и водой. Верхняя часть цилиндра закрыта прозрачным материалом, как правило, это достаточно плотное стекло. Над ним располагается фотоаппарат, чтобы производить фотографирование того, что будет происходить внутри камеры Вильсона. Чтобы все это было видно очень хорошо, с левой стороны производится подсветка. Через окошко, справа, направляется поток частиц. Эти частицы, попадая внутри в среду, которая состоит из воды и спирта, будут с частицами воды и частицами спирта взаимодействовать. Тут как раз и кроется самое интересное. Пространство между стеклом и поршнем заполнено парами воды и спирта, образующимися в результате испарения. Когда поршень резко опускается вниз, то давление понижается и пары, которые здесь находятся, приходят в очень неустойчивое состояние, т.е. готовы перейти в жидкость. Но поскольку в это пространство помещаются чистые спирт и вода, без примесей, то какое-то время (оно может быть и достаточно большим) такое неравновесное состояние сохраняется. В момент, когда в область такого перенасыщения попадают заряженные частицы, они и становятся теми центрами, на которых начинается конденсация пара. Причем, если попадают отрицательные частицы, они взаимодействуют с одними ионами, а если положительные - то с ионами другого вещества. Там, где эта частица пролетела, остается так называемый трек, проще говоря, след. Если камеру Вильсона теперь поместить в магнитное поле, то частицы, которые обладают зарядами, начинают в магнитном поле отклоняться. А дальше все очень просто: если частица положительно заряженная, то она отклоняется в одну сторону. Если отрицательная - в другую. Так мы можем определить знак заряд, а по радиусу того самого закругления, по которому частица движется, мы можем определить или оценить массу этой частицы. Теперь можно говорить о том, что мы можем получить полноценную информацию о частицах, из которых состоит то или иное излучение.
Рис. 3. Треки частиц в камере Вильсона
У камеры Вильсона есть один недостаток. Те самые треки, которые образуются в результате прохождения частиц, недолговечны. Каждый раз приходится снова готовить камеру, чтобы получить новую картину. Поэтому сверху над камерой и располагается фотоаппарат, который регистрирует те самые треки.
Естественно, - это не последнее устройство, которое используют для регистрации частиц. В 1952 г. было изобретено устройство, которое получило название пузырьковой камеры. Принцип работы у нее примерно такой же, как у камеры Вильсона; только работа проводится с перегретой жидкостью, т.е. в состоянии, когда жидкость вот-вот готова закипеть. В этот момент через такую жидкость пролетают частицы, которые и создают центры образования пузырьков. Треки, образованные в такой камере, сохраняются гораздо дольше, и этим камера удобнее.
Рис. 4. Внешний вид пузырьковой камеры
В России был создан еще один метод наблюдения за радиоактивными различными частицами, распадами, реакциями. Это метод толстослойных фотоэмульсий. Частицы попадают в эмульсии, приготовленные определенным образом. Взаимодействуя с частицами эмульсий, они не просто создают треки, но треки, которые уже сами по себе представляют фотографию, которую мы получаем, когда фотографируем треки в камере Вильсона или в пузырьковой камере. Это гораздо удобнее. Но и здесь есть один важный недостаток. Чтобы фотоэмульсионный метод работал довольно долгое время, должно происходить постоянное проникновение, попадание образовавшихся новых частиц или излучений, т.е. регистрировать кратковременные импульсы таким способом проблематично.
Можно говорить и о других методах: например, есть такой метод, как искровая камера. Там в результате протекания радиоактивных реакций по следу движения частицы образуются искры. Их тоже хорошо видно и легко регистрировать.
На сегодняшний день чаще всего используют полупроводниковые датчики, которые и компактны, и удобны, и дают достаточно хороший результат.
О том, какие же открытия удалось сделать при помощи описанных выше методов, мы поговорим на следующем уроке.
Список дополнительной литературы
- Боровой А.А. Как регистрируют частицы (по следам нейтрино). «Библиотечка “Квант”». Вып. 15. М.: Наука, 1981
- Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980
- Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
- Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
- Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа
Элементарные частицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при 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 себя обнаружить 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. К первой группе относятся приборы, которые регистрируют факт пролета частицы и, кроме того, позволяют в отдельных случаях судить об ее энергии. Вторую группу образуют так называемые трековые приборы, т. е. приборы, позволяющие наблюдать следы (треки) частиц в веществе.
К числу регистрирующих приборов относятся сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик.
1. Сцинтилляционный счетчик . 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 вызывают заметную световую вспышку (сцинтилляцию), называются фосфорами . Наиболее употребительными фосфорами являются (сернистый цинк, активированный серебром) и (йодистый натрий, активированный таллием).
Сцинтилляционный счетчик состоит из фосфора, от которого свет по специальному световоду подается к фотоумножителю. Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету. Определяется также амплитуда импульсов, пропорциональная интенсивности вспышки. Это дает дополнительную информацию о регистрируемых частицах. Для этого типа счетчиков эффективность регистрации для заряженных частиц 100 %.
2. Черенковский счетчик . Принцип действия этого счетчика рассмотрен в п. 3.3.3. (с. 84). Назначение счетчиков – это измерение энергии частиц, движущихся в веществе со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде. Кроме этого, счетчики позволяют разделять частицы по массе. Зная угол испускания излучения, можно определить скорость частицы, что при известной массе равносильно определению ее энергии. Если же масса частицы неизвестна, то она может быть определена по независимому измерению энергии частицы.
Черенковские счетчики устанавливаются на космических кораблях для исследования космического излучения.
3. Ионизационная камера представляет собой электрический конденсатор, заполненный газом, к электродам которого подается постоянное напряжение. Регистрируемая частица, попадая в пространство между электродами, ионизует газ. Напряжение на обкладках конденсатора подбирается так, чтобы все образовавшиеся ионы, с одной стороны, доходили до электродов, не успев рекомбинировать, а с другой – не разгонялись настолько сильно, чтобы производить вторичную ионизацию. Следовательно, на обкладках собираются ионы, возникшие непосредственно под действием заряженных частиц: измеряется суммарный ионизационный ток либо регистрируется прохождение одиночных частиц. В последнем случае камера работает как счетчик.
4. Газоразрядный счетчик обычно выполняется в виде наполненного газом металлического цилиндра с тонкой проволокой, натянутой по его оси. Цилиндр служит катодом, проволока – анодом. В отличие от ионизационной камеры в газоразрядном счетчике основную роль играет вторичная ионизация. Различают два типа газоразрядных счетчиков: пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера–Мюллера. В первых – газовый разряд несамостоятельный, во вторых – самостоятельный.
В пропорциональных счетчиках выходной импульс пропорционален первичной ионизации, т. е. энергии частицы, влетевшей в счетчик. Поэтому эти счетчики не только регистрируют частицу, но и измеряют ее энергию.
Счетчик Гейгера–Мюллера по конструкции и принципу действия существенно не отличается от пропорционального счетчика, но он работает в области вольтамперной характеристики, соответствующей самостоятельному разряду, т. е. в области высоких напряжений, когда выходной импульс не зависит от первичной ионизации. Этот счетчик регистрирует частицу без измерения ее энергии. Для регистрации отдельных импульсов возникший самостоятельный разряд нужно гасить. Для этого последовательно с нитью (анодом) включается такое сопротивление, чтобы возникший в счетчике ток разряда вызывал на сопротивлении падение напряжения, достаточное для прерывания разряда.
5. Полупроводниковый счетчик . Основным элементом этого счетчика является полупроводниковый диод, который имеет очень малую толщину рабочей области (десятые доли миллиметра). Вследствие этого счетчик не может регистрировать высокоэнергетические частицы. Но он обладает высокой надежностью и может работать в магнитных полях, поскольку для полупроводников магниторезистивный эффект (зависимость сопротивления от напряженности магнитного поля) очень мал.
К числу трековых приборов относятся камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая камера и ядерные фотоэмульсии.
1. Камера Вильсона . Так называют прибор, созданный английским физиком 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. Выполняется камера обычно в виде стеклянного цилиндра с плотно прилегающим поршнем. Цилиндр наполняется нейтральным газом, насыщенным парами воды или спирта. При резком расширении газа пар становится пересыщенным, и на траекториях частиц, пролетевших через камеру, образуются треки из тумана, которые фотографируются под разными углами. По внешнему виду треков можно судить о типе пролетевших частиц, об их количестве и их энергии. Поместив камеру в магнитное поле, можно по искривлению траекторий частиц судить о знаке их заряда.
Камера Вильсона долгое время была единственным прибором трекового типа. Однако и она не лишена недостатков, главный из которых – малое рабочее время, которое составляет примерно 1 % от времени, затрачиваемого на подготовку камеры к очередному запуску.
2. Диффузионная камера является разновидностью камеры Вильсона. Пересыщение достигается диффузией паров спирта от нагреваемой крышки к охлаждаемому дну. Возле дна возникает слой пересыщенного пара, в котором пролетающие заряженные частицы создают треки. В отличие от камеры Вильсона диффузионная камера работает непрерывно.
3. Пузырьковая камера. Этот прибор тоже является модификацией камеры Вильсона. Рабочим веществом является перегретая жидкость под высоким давлением. Резким сбросом давления жидкость переводится в неустойчивое перегретое состояние. Пролетающая частица вызывает резкое вскипание жидкости, и траектория оказывается обозначенной цепочкой пузырьков пара. Трек, как и в камере Вильсона, фотографируется.
Пузырьковая камера работает циклами. Ее размеры такие же, как и размеры камеры Вильсона. Жидкость много плотнее пара, что позволяет использовать камеру для исследования длинных цепей рождений и распадов высокоэнергетических частиц.
4. Ядерные фотоэмульсии . При использовании этого метода регистрации заряженная частица проходит в эмульсии, вызывая ионизацию атомов. После проявления эмульсии следы заряженных частиц обнаруживаются в виде цепочки зерен серебра. Эмульсия – среда более плотная, чем пар в камере Вильсона или жидкость в пузырьковой камере, поэтому протяженность трека в эмульсии более короткая. (Трек длиной в эмульсии соответствует треку длиной в камере Вильсона.) Метод фотоэмульсий применяется для изучения частиц сверхвысоких энергий, которые находятся в космических лучах либо получаются в ускорителях.
Преимущества счетчиков и трековых детекторов объединены в искровых камерах, в которых быстрота регистрации, свойственная счетчикам, сочетается с более полной информацией о частицах, получаемой в камерах. Можно сказать, что искровая камера – это набор счетчиков. Информация в искровых камерах выдается немедленно, без последующей обработки. В то же время по действию многих счетчиков можно установить треки частиц.
Приборы для регистрации заряженных частиц называются детекторами. Существует два основных вида детекторов:
1) дискретные (счетные и определяющие энергию частиц): счетчик Гейгера, ионизационная камера и др.;
2) трековые (дающие возможность наблюдать и фотографировать следы (треки) частиц в рабочем объеме детектора): камера Вильсона, пузырьковая камера, толстослойные фотоэмульсии и др.
1. Газоразрядный счетчик Гейгера. Для регистрации электронов и \(~\gamma\)-квантов (фотонов) большой энергии используется счетчик Гейгера-Мюллера. Он состоит из стеклянной трубки (рис. 22.4), к внутренним стенкам которой прилегает катод К - тонкий металлический цилиндр; анодом А служит тонкая металлическая проволока, натянутая по оси счетчика. Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Счетчик включается в регистрирующую схему. На корпус подается отрицательный потенциал, на нить - положительный. Последовательно счетчику включается резистор R, с которого сигнал подается к регистрирующему устройству.
Действие счетчика основано на ударной ионизации. Пусть в счетчик попала частица, создавшая на своем пути хотя бы одну пару: "ион + электрон". Электроны, двигаясь к аноду (нити), попадают в поле с нарастающей напряженностью (напряжение между А и K ~ 1600 В), их скорость стремительно возрастает, и на своем пути они создают ионную лавину (возникает ударная ионизация). Попав на нить, электроны снижают ее потенциал, вследствие чего по резистору R пойдет ток. На его концах возникает импульс напряжения, который и поступает в регистрационное устройство.
На резисторе происходит падение напряжения, потенциал анода уменьшается, и напряженность поля внутри счетчика убывает, вследствие чего уменьшается кинетическая энергия электронов. Разряд прекращается. Таким образом, резистор играет роль сопротивления, автоматически гасящего лавинный разряд. Положительные ионы стекают к катоду в течение \(~t \approx 10^{-4}\) с после начала разряда.
Счетчик Гейгера позволяет регистрировать 10 4 частиц в секунду. Он применяется в основном для регистрации электронов и \(~\gamma\)-квантов. Однако непосредственно \(~\gamma\)-кванты вследствие своей малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого \(~\gamma\)-кванты выбивают электроны. При регистрации электронов эффективность счетчика 100 %, а при регистрации \(~\gamma\)-квантов - лишь около 1 %.
Регистрация тяжелых \(~\alpha\)-частиц затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое "окошко", прозрачное для этих частиц.
2. Камера Вильсона.
В камере используется способность частиц больших энергий ионизировать атомы газа. Камера Вильсона (рис. 22.5) представляет собой цилиндрический сосуд с поршнем 1. Верхняя часть цилиндра сделана из прозрачного материала, в камеру вводится небольшое количество воды или спирта, для чего снизу сосуд покрыт слоем влажного бархата или сукна 2. Внутри камеры образуется смесь насыщенных паров и воздуха. При быстром опускании поршня 1 смесь адиабатически расширяется, что сопровождается понижением ее температуры. За счет охлаждения пар становится пересыщенным.
Если воздух очищен от пылинок, то конденсация пара в жидкость затруднена из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому если через камеру (впускают через окошко 3) пролетает заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры благодаря осевшим маленьким капелькам жидкости становится видимой. Цепочка образовавшихся капель жидкости образует трек частицы. Тепловое движение молекул быстро размывает трек частиц, и траектории частиц видны отчетливо лишь около 0,1 с, что, однако, достаточно для фотографирования.
Вид трека на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине ее энергии. Так, \(~\alpha\)-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны - более тонкий, а электроны - пунктирный (рис. 22.6). Появляющееся расщепление трека - "вилки" свидетельствует о происходящей реакции.
Чтобы подготовить камеру к действию и очистить ее от оставшихся ионов, внутри нее создают электрическое поле, притягивающее ионы к электродам, где они нейтрализуются.
Советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили размещать камеру в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. По радиусу кривизны траектории и интенсивности треков определяют энергию и массу частицы (удельный заряд).
3. Пузырьковая камера. В настоящее время в научных исследованиях используется пузырьковая камера. Рабочий объем в пузырьковой камере заполнен жидкостью под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени находится в неустойчивом состоянии. Если через такую жидкость пролетит заряженная частица, то вдоль ее траектории жидкость закипит, поскольку образовавшиеся в жидкости ионы служат центрами парообразования. При этом траектория частицы отмечается цепочкой пузырьков пара, т.е. делается видимой. В качестве жидкостей используются главным образом жидкий водород и пропан С 3 Н 3 . Длительность рабочего цикла порядка 0,1 с.
Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества, вследствие чего частица теряет больше энергии, чем в газе. Пробеги частиц оказываются более короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет гораздо точнее определить направление движения частицы и ее энергию, наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.
4. Метод толстослойных фотоэмульсий разработан Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым.
Он основан на использовании почернения фотографического слоя под действием проходящих через фотоэмульсию быстрых заряженных частиц. Такая частица вызывает распад молекул бромистого серебра на ионы Ag + и Вг - и почернение фотоэмульсии вдоль траектории движения, образуя скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и образуется трек частицы. По длине и толщине трека судят об энергии и массе частицы.
Для изучения следов частиц, обладающих очень высокой энергией и дающих длинные следы, большое количество пластинок складывается в стопу.
Существенным преимуществом метода фотоэмульсий, помимо простоты применения, является то, что он дает неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Это привело к широкому применению данного метода при исследовании новых элементарных частиц. Этим методом с добавлением к эмульсии соединений бора или лития могут быть изучены следы нейтронов, которые в результате реакций с ядрами бора и лития создают \(~\alpha\)-частицы, вызывающие почернение в слое ядерной эмульсии. По следам \(~\alpha\)-частиц делаются выводы о скорости и энергиях нейтронов, вызвавших появление \(~\alpha\)-частиц.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 618-621.
>> 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!
