Экспериментальные методы исследования частиц

Экспериментальные методы исследования частиц

Работа выполнена ученицей 9-Г класса Федоренко Валерией Руководитель – учитель физики Нечаева Е.В.

Для дальнейшего развития ядерной физики были необходимы специальные

устройства, с помощью которых можно было бы регистрировать ядра и различные частицы. Одним из первых таких приборов стал счетчик Уильяма Крукса.

Английский физик и химик Уильям Крукс

(1832 г. –1919 г. )

Счетчик Крукса или сцинтилляционный счетчик Метод регистрации

заряженных частиц с помощью счета вспышек света, возникающих при попадании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS), является одним из первых методов регистрации ядерных излучений. Еще в 1903 г. Крукс показал, что если рассматривать экран из сернистого цинка, облучаемый альфа-частицами через увеличительное стекло в темном помещении, то на нем можно заметить появление отдельных кратковременных вспышек света — сцинтилляций. Было установлено, что каждая из этих сцинтилляций создается отдельной альфа-частицей, попадающей на экран.

Лишь когда на один и тот же кристаллик сернистого цинка попадало

одновременно достаточно большое число электронов, при облучении электронами сернисто-цинкового экрана удавалось наблюдать вспышки. Круксом был построен простой прибор, названный спинтарископом Крукса, предназначенный для счета альфа-частиц.

Схема спинтарископа Крукса.

Современные сцинтилляционные счётчики основаны на том же принципе, но

вспышка света регистрируется не глазом, а специальным электронным устройством - фотоумножителем.

Следующим прибором для регистрации частиц стал так называемый счетчик

Гейгера, изобретенный в 1908 году.

Счётчик Гейгера состоит из металлического цилиндра, являющегося

катодом(-) и натянутой вдоль его оси тонкой проволочки-анода (+). Катод и анод через сопротивление R присоединены к источнику высокого напряжения (200-1000 В),благодаря чему в пространстве между электродами возникает сильное электрическое поле.

Оба электрода помещают в герметичную стеклянную трубку, заполненную

газом (обычно аргоном). 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 напряженность электрического поля достаточно велика , то электроны на длине свободного пробега приобретают достаточно большую энергию и тоже ионизируют атомы газа, образуя новое поколение ионов и электронов, которые тоже могут принять участие в ионизации. 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 регистрируется специальным устройством.

Поскольку сопротивление R очень велико ,то в момент протекания тока

основная доля напряжения источника падает именно на нем, в результате чего напряжение между катодом и анодом резко уменьшается и разряд автоматически прекращается. Счетчик готов к регистрации следующей частицы. Счетчик Гейгера позволяет только регистрировать тот факт, что через него пролетает частица. Гораздо большие возможности для изучения микромира дает прибор, изобретенный в 1912 году, названный камерой Вильсона

Чарлз Томсон Риз Вильсон

Выдающийся учёный-физик, лауреат Нобелевской премии по физике

Камера Вильсона (1912) — это старейший и на протяжении многих

десятилетий (вплоть до 50—60-х годов) единственный тип трекового детектора. Выполняется обычно в виде стеклянного цилиндра (CC) сo стеклянной крышкой LL и плотно прилегающим поршнем P.На дне камеры находится черная ткань FF Цилиндр наполняется нейтральным газом (обычно гелием или аргоном), насыщенным парами воды или спирта.

При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под ним,

пар в камере расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение, и пар становится перенасыщенным.Если частица проникает в камеру перед расширением или сразу после него, то на её пути появляются капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы- трек. Затем камера возвращается в исходное состояние и ионы удаляются электрическим полем. В зависимости от размеров камеры время восстановления рабочего режима колеблется от нескольких секунд до десятков минут.

Информация, которую треки дают 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 – оценить её 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.Капица и Д. Скобельцын предложили помещать камеру

Вильсона в однородное магнитное поле. М.п. действует на движущуюся заряженную частицу с силой Лоренца. Эта сила искривляет траекторию частицы, не изменяя модуля её скорости. По кривизне трека (видимый след пролетевшей частицы) можно определить отношение заряда частицы к её массе. Если известна одна из этих величин, можно вычислить другую.

В 1952 году американским ученым Глейзером было предложено использовать

для обнаружения треков частиц перегретую жидкость.

В такой жидкости на ионах, 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

несмотря на то, что температура жидкости 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 (рис.1) В качестве жидкости используется жидкий водород или пропан. Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры невелика-0,1 с. Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере-один из главных источников информации о поведении и свойствах частиц.

Рис.1

Наблюдение следов элементарных частиц в пузырьковой камере производит

сильное впечатление, создает ощущение непосредственного соприкосновения с микромиром.

Здесь были представлены далеко не все приборы, регистрирующие частицы

Современные приборы для обнаружения редко встречающихся и очень маложивущих частиц очень сложны. В их сооружении принимают участие сотни людей