ELEMENTAARILISTE OSAKESTE VAATLUS- JA REGISTREERIMISMEETODID

Geigeri loendur

Kasutatakse radioaktiivsete osakeste arvu loendamiseks ( enamasti elektronid).

See on gaasiga (argooniga) täidetud klaastoru, mille sees on kaks elektroodi (katood ja anood).
Kui osake läbib, siis see tekib gaasi löökionisatsioon ja tekib elektrivooluimpulss.

Eelised:
- kompaktsus
- tõhusus
- jõudlus
- kõrge täpsus (10OO osakest/s).

Kus kasutatakse:
- radioaktiivse saaste registreerimine maapinnal, ruumides, riietes, toodetes jne.
- radioaktiivsete materjalide hoidlates või töötavates tuumareaktorites
- radioaktiivse maagi (U, Th) maardlate otsimisel

Wilsoni kamber

Teenib vaatlemiseks ja pildistamiseks osakeste läbipääsu jäljed (jäljed).

Kambri siseruum on täidetud üleküllastunud olekus alkoholi või veeauruga:
Kolvi langetamisel langeb rõhk kambri sees ja temperatuur langeb; adiabaatilise protsessi tulemusena üleküllastunud aur.
Pärast osakese läbimist kondenseeruvad niiskuse tilgad ja moodustub jälg - nähtav jälg.
Kui kaamera asetatakse magnetvälja, saab raja abil määrata osakese energia, kiirus, mass ja laeng.

Rööbastee pikkus ja paksus ning selle kõverus magnetväljas määravad mööduva radioaktiivse osakese omadused.
Näiteks alfaosake tekitab pideva paksu jälje,
prooton - õhuke rada,
elektron - punktiirjoon.

Mullikamber

Wilsoni kambri variant

Kui kolb on järsult langetatud, liigub kõrge rõhu all olev vedelik läbi ülekuumenenud olekusse. Kui osake liigub kiiresti mööda jälge, tekivad aurumullid, s.t. vedelik keeb, jälg on näha.

Eelised pilvekambri ees:
- keskmise tihedusega, seega lühikesed rajad
- osakesed jäävad kambrisse kinni ja osakesi saab edasi jälgida
- suurem kiirus.

Paksu kile emulsiooni meetod

Kasutatakse osakeste registreerimiseks
- võimaldab registreerida haruldasi nähtusi tänu pikale säritusajale.

Fotoemulsioon sisaldab suurel hulgal mikrokristalle hõbebromiid.
Sissetulevad osakesed ioniseerivad fotoemulsioonide pinna. AgBr kristallid lagunevad laetud osakeste mõjul ja nende arenemisel ilmneb osakese läbipääsu jälg – jälg.
Vastavalt raja pikkusele ja paksusele saab määrata osakeste energiat ja massi.

Pidage meeles 9. klassi teemat "Aatomifüüsika":

Radioaktiivsus.
Radioaktiivsed transformatsioonid.
Aatomituuma koostis. Tuumajõud.
Suhtlemise energia. Massiline defekt
Uraani tuumade lõhustumine.
Tuuma ahelreaktsioon.
Tuumareaktor.
Termotuumareaktsioon.

Teised leheküljed teemal "Aatomifüüsika" 10.-11.klassile:

MIDA ME TEAME FÜÜSIKUTE KOHTA?

Niels Bohr ütles 1961. aastal: "Igal etapil esitas A. Einstein teadusele väljakutse ja ilma nende väljakutseteta oleks kvantfüüsika areng pikaks ajaks viibinud."
___

1943. aastal oli sissetungijate eest põgenenud Niels Bohr sunnitud Kopenhaagenist lahkuma. Riskeerimata võtta kaasa üht talle väga väärtuslikku asja, lahustas ta selle “aqua regia” vees ja jättis kolvi laborisse. Pärast Taani vabastamist eraldas ta tagasi tulles lahusest selle, mille oli lahustanud, ja tema käsul loodi uus. Nobeli medal.
__

1933. aastal laboris juhatas Ernest Rutherford, ehitati nende aegade jaoks võimas kiirendi. Teadlane oli selle installatsiooni üle väga uhke ja kord seda ühele külastajale näidates märkis ta: “See asi maksis meile palju. Selle rahaga saad toetada ühte magistranti terve aasta! Kuid kas iga kraadiõppur suudab seda aastaga teha? nii palju avastusi!»

Uurides luminestseeruvate ainete mõju fotofilmile, avastas prantsuse füüsik Antoine Becquerel tundmatu kiirguse. Ta töötas välja fotoplaadi, millel asus mõnda aega pimedas uraanisoolaga kaetud vaskrist. Fotoplaat tekitas kujutise selge risti varju kujul. See tähendas, et uraanisool kiirgab spontaanselt. Loodusliku radioaktiivsuse nähtuse avastamise eest pälvis Becquerel 1903. aastal Nobeli preemia. RADIOAKTIIVSUS on mõne aatomituuma võime iseeneslikult muutuda teisteks tuumadeks, eraldades erinevaid osakesi: Igasugune spontaanne radioaktiivne lagunemine on eksotermiline, see tähendab, et see toimub soojuse vabanemisega.
ALFA OSAKESED(a-osake) – heeliumi aatomi tuum. Sisaldab kahte prootonit ja kahte neutronit. A-osakeste emissiooniga kaasneb mõnede keemiliste elementide üks radioaktiivsetest transformatsioonidest (tuumade alfa lagunemine).
BEETA OSAKESED –beeta-lagunemise ajal emiteeritud elektron. Beetaosakeste voog on teatud tüüpi radioaktiivne kiirgus, mille läbitungimisvõime on suurem kui alfaosakestel, kuid väiksem kui gammakiirgusel. GAMMAKIIRGUS (gamma quanta) on lühilaineline elektromagnetkiirgus, mille lainepikkus on alla 2 × 10–10 m. Lühikese lainepikkuse tõttu avalduvad gammakiirguse laineomadused nõrgalt ning esiplaanile tulevad korpuskulaarsed omadused ning seetõttu. seda kujutatakse gammakvantide (footonite) voona. Aega, mille jooksul pool radioaktiivsete aatomite esialgsest arvust laguneb, nimetatakse poolestusajaks. Selle aja jooksul väheneb radioaktiivse aine aktiivsus poole võrra. Poolväärtusaeg määratakse ainult aine tüübi järgi ja see võib võtta erinevaid väärtusi - mitmest minutist mitme miljardi aastani. ISOTOOPID- need on antud keemilise elemendi sordid, mis erinevad tuumade massiarvu poolest. Sama elemendi isotoopide tuumad sisaldavad sama palju prootoneid, kuid erineva arvu neutroneid. Elektronkestade sama struktuuriga isotoopidel on peaaegu identsed keemilised omadused. Kuid isotoobid võivad oma füüsikaliste omaduste poolest üsna dramaatiliselt erineda. Kõik kolm radioaktiivse kiirguse komponenti, mis läbivad keskkonda, interakteeruvad keskkonna aatomitega. Selle interaktsiooni tulemuseks on keskkonna aatomite ergastumine või isegi ionisatsioon, mis omakorda käivitab erinevate keemiliste reaktsioonide toimumise. Seetõttu on radioaktiivsel kiirgusel keemiline toime. Kui elusorganismi rakud puutuvad kokku radioaktiivse kiirgusega, siis võib radioaktiivse kiirguse poolt algatatud reaktsioonide toimumine viia antud organismile kahjulike ainete tekkeni ja lõppkokkuvõttes kudede hävimiseni. Sel põhjusel on radioaktiivse kiirguse mõju elusorganismidele hävitav. Suured kiirgusdoosid võivad põhjustada tõsiseid haigusi või isegi surma. 3. Tuumareaktsioonid
TUUMAREAKTSIOONID on aatomituumade transformatsioonid üksteise või mis tahes elementaarosakeste vastasmõju tulemusena. Tuumareaktsiooni läbiviimiseks on vajalik, et põrkuvad osakesed läheneksid üksteisele umbes 10–15 m kaugusel Tuumareaktsioonid järgivad energia, impulsi, elektri- ja barüonlaengute jäävuse seadusi. Tuumareaktsioonid võivad toimuda nii kineetilise energia vabanemisel kui ka neeldumisel ning see energia on ligikaudu 106 korda suurem kui keemiliste reaktsioonide käigus neeldunud või vabanev energia.

D. Chadwicki neutroni avastamine 1932. aastal

1932. aastal asusid saksa füüsik W. Heisenberg ja nõukogude füüsik D.D. Ivanenkole pakuti aatomituuma prooton-neutron mudel. Selle mudeli järgi koosnevad aatomituumad elementaarosakestest – prootonitest ja neutronitest.

Tuumajõud on väga võimsad, kuid vähenevad kauguse suurenedes väga kiiresti. Need on nn tugeva interaktsiooni ilming. Tuumajõudude eripäraks on nende lühimaa olemus: need avalduvad tuuma enda suuruse suurusjärgus kaugustel. Füüsikud nimetavad tuumajõude naljaga pooleks "lühikeste kätega kangelaseks". Minimaalset energiat, mis on vajalik tuuma täielikuks jagamiseks üksikuteks nukleoniteks, nimetatakse tuuma sidumisenergiaks. See energia võrdub vabade nukleonide koguenergia ja tuuma koguenergia vahega. Seega on vabade nukleonide koguenergia suurem kui nendest nukleonitest koosneva tuuma koguenergia. Väga täpsed mõõtmised võimaldasid fikseerida tõsiasja, et tuuma puhkemass on alati väiksem kui selle koostisosade ülejäänud masside summa. kalded teatud määral, mida nimetatakse massidefektiks. Spetsiifiline sidumisenergia iseloomustab tuumade stabiilsust. Spetsiifiline sidumisenergia on võrdne sidumisenergia ja massiarvu suhtega ning iseloomustab tuuma stabiilsust. Mida suurem on spetsiifiline sidumisenergia, seda stabiilsem on tuum. Spetsiifilise sidumisenergia sõltuvuse nukleonide arvust tuumas on nõrk maksimum vahemikus 50 kuni 60. See viitab sellele, et keskmise massiarvuga tuumad, näiteks raud, on kõige stabiilsemad. Kerged tuumad kipuvad sulanduma, rasked aga eralduma.

Näited tuumareaktsioonidest.

Tuuma ahelreaktsioonid. Termotuumareaktsioonid on tuumareaktsioonid kergete aatomituumade vahel, mis toimuvad väga kõrgetel temperatuuridel (~108 K ja kõrgemal). Sel juhul on aine täielikult ioniseeritud plasma olekus. Kõrgete temperatuuride vajalikkust seletatakse asjaoluga, et tuumade ühinemiseks termotuumareaktsioonis on vajalik, et need jõuaksid väga väikese vahemaa lähedale ja jääksid tuumajõudude toimesfääri. Seda lähenemist takistavad sarnaselt laetud tuumade vahel toimivad Coulombi tõukejõud. Nende ületamiseks peab tuumadel olema väga kõrge kineetiline energia. Pärast termotuumareaktsiooni algust kompenseeritakse kogu segu kuumutamiseks kuluv energia reaktsiooni käigus vabaneva energiaga.
4. Tuumaenergia. Tuumaenergia kasutamine on oluline teaduslik ja praktiline ülesanne. Seadet, mis võimaldab toimuda kontrollitud tuumareaktsiooni, nimetatakse tuumareaktoriks. Neutronite korrutustegur reaktoris hoitakse ühtsusega võrdsena, sisestades või eemaldades reaktorisse juhtvardad. Need vardad on valmistatud ainest, mis neelab hästi neutroneid – kaadmiumist, boorist või grafiidist.
Tuumareaktori põhielemendid on: – tuumakütus: uraan-235, plutoonium-239; – neutronite moderaator: raske vesi või grafiit; – jahutusvedelik vabanenud energia eemaldamiseks; – tuumareaktsiooni kiiruse regulaator: aine, mis neelab neutroneid (boor, grafiit, kaadmium).

Meetodid elementaarosakeste vaatlemiseks

Elementaarosakesi saab jälgida tänu jälgedele, mille nad jätavad ainet läbides. Jälgede olemus võimaldab hinnata osakese laengu märki, energiat, impulssi jne. Laetud osakesed põhjustavad molekulide ionisatsiooni oma teel. Neutraalsed osakesed ei jäta jälgi, kuid võivad end paljastada laetud osakesteks lagunemise hetkel või mis tahes tuumaga kokkupõrke hetkel. Seetõttu tuvastatakse neutraalsed osakesed ka nende tekitatud laetud osakeste põhjustatud ionisatsiooni abil.

Ioniseerivate osakeste registreerimiseks kasutatavad instrumendid jagunevad kahte rühma. Esimesse rühma kuuluvad seadmed, mis registreerivad osakese läbimise ja võimaldavad hinnata selle energiat. Teise rühma moodustavad rajaseadmed, st seadmed, mis võimaldavad jälgida aines olevate osakeste jälgi. Salvestusseadmete hulka kuuluvad ionisatsioonikambrid ja gaaslahendusloendurid. Tšerenkovi loendurid ja stsintillatsiooniloendurid on laialt levinud.

Aine kaudu lendav laetud osake ei põhjusta mitte ainult ionisatsiooni, vaid ka aatomite ergastumist. Normaalsesse olekusse naastes kiirgavad aatomid nähtavat valgust. Aineid, milles laetud osakesed ergutavad märgatavat valgussähvatust (stsintillatsiooni), nimetatakse fosforiteks. Fosfor võib olla orgaaniline või anorgaaniline.

Stsintillatsiooniloendur koosneb fosforist, millest valgus suunatakse läbi spetsiaalse valgusjuhiku fotokordisti torusse. Loendatakse fotokordisti väljundis saadud impulsid. Samuti määratakse impulsside amplituud (mis on võrdeline valgussähvatuste intensiivsusega), mis annab täiendavat teavet tuvastatud osakeste kohta.

Loendurid ühendatakse sageli rühmadesse ja lülitatakse sisse nii, et salvestatakse ainult need sündmused, mis salvestatakse samaaegselt mitme seadmega või ainult ühe neist. Esimesel juhul väidavad nad, et loendurid lülitatakse sisse juhuste kokkulangemise skeemi järgi, teisel juhul - kokkusattumusvastase skeemi järgi.

Jälgimisriistade hulka kuuluvad pilvekambrid, mullikambrid, sädemekambrid ja emulsioonikambrid.

Wilsoni kamber. See on Inglise füüsiku Charles Wilsoni 1912. aastal loodud seadme nimetus. Pilvekambris muutub nähtavaks lendava laetud osakese poolt tekitatud ioonide tee, kuna ioonidele kondenseerub vedeliku üleküllastunud aur. Seade ei tööta pidevalt, vaid tsüklitena. Kaamera suhteliselt lühike tundlikkusaeg vaheldub surnud ajaga (100-1000 korda pikem), mille jooksul kaamera valmistub järgmiseks töötsükliks. Üleküllastus saavutatakse mittekondenseeruvast gaasist (heelium, lämmastik, argoon) ja veeaurust, etüülalkoholist jne koosneva töösegu järsust (adiabaatilisest) paisumisest põhjustatud äkilise jahtumise tõttu. Samal hetkel on stereoskoopiline (s.t. mitu punkti) kaamera töömahu pildistamine. Stereofotod võimaldavad taasluua salvestatud nähtuse ruumilise pildi. Kuna tundlikkuse aja ja surnud aja suhe on väga väike, on mõnikord vaja teha kümneid tuhandeid pilte, enne kui mõni väikese tõenäosusega sündmus salvestatakse. Haruldaste sündmuste jälgimise tõenäosuse suurendamiseks kasutatakse juhitud pilvekambreid, milles paisumismehhanismi tööd juhivad soovitud sündmuse isoleerivasse elektroonilisse vooluringi kuuluvad osakeste loendurid.

Mullikamber. D. A. Glezeri 1952. aastal leiutatud mullikambris asendatakse üleküllastunud aurud läbipaistva ülekuumendatud vedelikuga (st vedelikuga, mille välisrõhk on väiksem kui selle küllastunud aurude rõhk). Läbi kambri lendav ioniseeriv osake põhjustab vedeliku ägeda keemise, mille tulemusena annab osakese jäljele märku aurumullide ahel - tekib jälg. Mullikamber, nagu ka Wilsoni kamber, töötab tsüklitena. Kambri käivitamine toimub rõhu järsu languse (leevendusega), mille tulemusena töövedelik läheb metastabiilsesse ülekuumenenud olekusse. Töövedelikuna kasutatakse vedelat vesinikku, mis on samaaegselt sihtmärgiks seda läbivatele osakestele (sel juhul on vaja madalaid temperatuure).

Sädemekambrid. 1957. aastal kavandasid Cranschau ja de Beer seadme laetud osakeste trajektooride registreerimiseks, mida nimetatakse sädemekambriks. Seade koosneb üksteisega paralleelsete lamedate elektroodide süsteemist, mis on valmistatud raamide kujul, mille peale on venitatud metallfoolium, või metallplaatide kujul. Elektroodid on ühendatud läbi ühe. Üks elektroodide rühm on maandatud ja teisele rakendatakse perioodiliselt lühiajalist (kestusega 10–7 sekundit) kõrgepinge impulssi (10–15 kV). Kui impulsi rakendamise hetkel lendab kambrist läbi ioniseeriv osake, märgib selle tee elektroodide vahele hüppav sädemete kett. Seade käivitub automaatselt juhusskeemi järgi sisse lülitatud lisaloendurite abil, mis fikseerivad uuritavate osakeste läbimise läbi kambri töömahu. Inertgaasidega täidetud kambrites võib elektroodidevaheline kaugus ulatuda mitme sentimeetrini. Kui osakese lennusuund moodustab elektroodide suhtes normaalsega nurga, mis ei ületa 40°, areneb tühjenemine sellistes kambrites osakeste raja suunas.

Fotoemulsiooni meetod. Nõukogude füüsikud L. V. Mysovsky ja A. P. Ždanov olid esimesed, kes kasutasid elementaarosakeste salvestamiseks fotoplaate. Fotoemulsiooni läbiv laetud osake põhjustab sama efekti kui footonid. Seetõttu tekib pärast plaadi emulsioonis ilmutamist lendava osakese nähtav jälg (jälg). Fotoplaadi meetodi puuduseks oli emulsioonikihi väike paksus, mille tulemusena saadi ainult kihi tasapinnaga paralleelselt lendavate osakeste jäljed. Emulsioonikambrites kiiritatakse paksud pakid (kaaluga kuni mitukümmend kilogrammi), mis koosnevad üksikutest fotograafilise emulsiooni kihtidest (ilma substraadita). Pärast kiiritamist võetakse pakend lahti kihtideks, millest igaüks arendatakse ja vaadeldakse mikroskoobi all. Selleks, et oleks võimalik jälgida osakese liikumisteed ühelt kihilt teisele, rakendatakse enne paki lahtivõtmist röntgenikiirte abil kõikidele kihtidele sama koordinaatvõrk.

Atomistlik arusaam maailma ehitusest

Aatomi kvantmudel eeldab, et aatomi tuum koosneb positiivselt laetud prootonitest ja neutronitest, millel puudub laeng. Tuuma ümbritsevad ka elektronid, millel on omakorda negatiivne laeng...

Selle APPJ allika lihtsaim vorm koosneb kahe torukujulise metallelektroodiga dielektrilisest torust ja sellest voolavast väärisgaasist (He, Ar). Et demonstreerida, et...

Kõrge energiaga vaakumplasmatehnoloogia

APP (atmospheric pressure plasma) diagnostika läbiviimiseks pole palju meetodeid. Üks väga võimas tööriist on ICCD (intensified interconnect device load) kaamera...

Vedelikupiiskade aurustumis- ja kondenseerumisprotsesside uurimine

Üksikuid osakesi iseloomustavad nn morfoloogilised tunnused: suurus, tihedus, kuju, struktuur, keemiline koostis...

Tumeaine osakeste otsimine

Massiivsete laetud tumeaine osakeste akustiline tuvastamine katsetes satelliitidel Laetud massiivsete tumeaine osakeste tuvastamiseks tehakse ettepanek kasutada kiirgusakustika meetodeid...

Laboritöö "Browni liikumine" väljatöötamine

2.1 Browni liikumist käsitlevate tööde analüüs Artikkel “Browni liikumine digitaalmikroskoobi “silmade” kaudu” ilmus ajalehes “1. september” Füüsika nr 16/08. Selles räägib autor /Tsarkov I.S. Podolski linna munitsipaalharidusasutuse 29. keskkooli kogemusest...

Tegevuspotentsiaali faasid. Radioaktiivne kiirgus

Erinevad salvestusseadmed võimaldavad uurida peamiselt laetud osakesi, mis põhjustavad keskkonna ionisatsiooni, s.o. kokkupõrkel rebivad nad keskkonna osakeste aatomitest välja elektroni, andes sellele ionisatsioonienergia Ei. Kuid laenguta osakesed...

Kosmoloogia ja astrofüüsika füüsikalised alused

Elementaarosakeste tüüpide rohkus on tekitanud füüsikutele keerulisi küsimusi: mis on aine struktuuri aluseks, kas on olemas mingi üldine skeem, süstemaatika...

Elementaarosakesed

Elementaarosakesed

Elementaarosakeste all mõistetakse mikroosakesi, mille sisemist ehitust ei saa füüsika praegusel arengutasemel ette kujutada teiste osakeste kombinatsioonina...

Elementaarosakesed

Selleks, et mõista, mis viis teadlased ideeni, et hadronid koosnevad kvarkidest, peate esmalt mõistma, mis seob prootonid ja neutronid aatomi tuumaga, ning minema nendega kaasa teel aine sügavustesse...

Elementaarosakesed

Tuumajõud

1932. aastal avastati kosmilises kiirguses positroon, mille olemasolu ennustas Diraci teooria juba aastal 1929. See fakt oli väga oluline mitte ainult Diraci teooria õigsuse kinnitamiseks, vaid ka seetõttu, et...

Tunni teema: Algasjade vaatlemise ja jäädvustamise meetodid

osakesed.

Tunni eesmärk: Selgitage õpilastele elementaarosakeste salvestamise ja uurimise installatsioonide ehitust ja tööpõhimõtet.

Tunni tüüp: Uute teadmiste õppimise õppetund.

Epigraaf:

“….. loovuse kasvatamine

inimeses põhineb arengul

iseseisev mõtlemine"

P.P. Kapitsa

Tunni struktuur:

Organisatsiooniline etapp.

Õpilaste ja seminari külaliste tervitamine. Õpilase koolituseks valmisoleku kontrollimine

2. Tunni eesmärgid ja eesmärgid. (Õpilaste ettevalmistamine tööks põhietapil)

Tunni eesmärgi deklareerimine (Tänases tunnis saate teada, milliseid instrumente kasutatakse laetud osakeste vaatlemiseks ja registreerimiseks, kuidas need on üles ehitatud ja nende tööpõhimõte).

Uue materjali esitlus

Esmalt viime läbi frontaaluuringu:

Mis on ionisatsioon?

(Neutraalsete aatomite lagunemise protsess ioonideks ja elektronideks)

Kuidas saada üleküllastunud auru?

(Vastus: suurendage järsult anuma mahtu. Samal ajal suurendage temperatuuri

väheneb ja aur muutub üleküllastuks.)

Mis juhtub üleküllastunud auruga, kui sellesse ilmub osake? ?

(Vastus: see on kondensatsiooni keskpunkt ja sellele tekib kaste.)

Kuidas mõjutab magnetväli laetud osakese liikumist?

(Vastus: Väljal muutub osakese kiirus suunas, kuid mitte sissepoole

moodul.)

Kuidas nimetatakse jõudu, millega magnetväli mõjub laetud osakesele? Kuhu see suundub?

(Vastus: see on Lorentzi jõud; see on suunatud ringi keskpunkti poole.)

Õpetaja sissejuhatav kõne

Kvantfüüsikat õppides on juba korduvalt mainitud väljendeid - aatomituum ja elementaarosakesed. Elementaarosakesi (näiteks elektrone ja ioone), aga ka aatomituumasid ei saa näha ühegi mikroskoobiga, isegi elektronmikroskoobiga. Seetõttu tutvume esmalt seadmetega, tänu millele tekkis ja hakkas arenema aatomituuma ja elementaarosakeste füüsika. Just nemad annavad inimestele vajalikku infot mikromaailma kohta.

Iga seade, mis registreerib elementaarosakesi, on nagu laetud relv, mille haamer on keeratud. Väike jõud relva päästikule vajutamisel põhjustab efekti, mis ei ole võrreldav kulutatud pingutusega – lasu.

Salvestusseade on enam-vähem keeruline makroskoopiline süsteem, mis võib olla ebastabiilses olekus. Mööduv osakese põhjustatud väikese häirega algab süsteemi ülemineku protsess uude, stabiilsemasse olekusse. See protsess võimaldab osakest registreerida. Praegu kasutatakse palju erinevaid osakeste tuvastamise meetodeid.

Sõltuvalt katse eesmärkidest ja selle läbiviimise tingimustest kasutatakse teatud salvestusseadmeid, mis erinevad üksteisest oma põhiomaduste poolest.

Sõnum nr 1

Gaaslahendus Geigeri loendur

Geigeri loendur on üks olulisemaid seadmeid. Osakeste automaatseks loendamiseks. Head loendurid suudavad registreerida kuni 10 000 või enam osakest sekundis. Loendur koosneb klaastorust, mis on seest kaetud metallikihiga (katood) ja õhukesest metallniidist, mis kulgeb piki toru telge (anood).

Toru täidetakse gaasiga, tavaliselt argooniga. Loendur töötab löökionisatsiooni alusel. Läbi gaasi lendav laetud osake eraldab aatomitelt elektronid ja loob positiivseid ioone ja vabu elektrone. Anoodi ja katoodi vaheline elektriväli (neile rakendatakse kõrget pinget) kiirendab elektronid energiani, mille juures algab löökionisatsioon. Tekib ioonide laviin ja loendurit läbiv vool suureneb järsult. Sel juhul moodustub koormustakistusel pingeimpulss, mis suunatakse salvestusseadmesse.

Geigeri loendurit kasutatakse peamiselt elektronide ja y-kvantide (kõrge energiaga footonite) registreerimiseks. Elektronide registreerimisel on loenduri kasutegur ca 100% ja y-kvantide registreerimisel vaid ca 1%. Raskete osakeste (näiteks alfaosakeste) registreerimine on keeruline, kuna letti on keeruline teha piisavalt õhukest “akent”, mis oleks nendele osakestele läbipaistev.

Lisa...
Loendurit täiustas teine ​​saksa füüsik W. Muller, nii et mõnikord nimetatakse seda loendurit Geigeri-Mülleri loenduriks.

Sõnum nr 2

Wilsoni kamber

Loendurid võimaldavad registreerida ainult neid läbiva osakese fakti ja salvestada mõned selle omadused. Pilvekambris jätab kiirelt laetud osake jälje, mida saab otse jälgida või pildistada. Seda seadet võib nimetada "aknaks" mikromaailma.
Pilvekamber koosneb madalast klaaskaanega klaassilindrist. Kolb võib liikuda silindri sees. Kambri põhjas on must riie. Kuna kangas on niisutatud vee ja alkoholi seguga, on kambri õhk küllastunud nende vedelike aurudega.
1912. aastal loodud pilvekambri tegevus põhineb üleküllastunud auru kondenseerumisel ioonidele, moodustub kambri töömahus piki laetud osakese trajektoori.
Uuritavad osakesed juhitakse kambrisse läbi õhukese akna (mõnikord asetatakse osakeste allikas kambri sisse) Kolvi järsul langetamisel, mis on põhjustatud kolvialuse rõhu langusest, paisub kambris olev aur. Selle tulemusena toimub jahtumine ja aur muutub üleküllastumaks. Kui osake siseneb kambrisse vahetult enne või pärast paisumist, toimivad selle toodetud ioonid kondensatsioonituumadena. Neile ilmuvad veepiisad moodustavad lendava osakese jälje – jälje. Teave, mida pilvekambris olevad rajad pakuvad, on palju rikkalikum kui loendurid. Raja pikkuse järgi saate määrata osakese energia ja tilkade arvu järgi raja pikkuseühiku kohta hinnatakse selle kiirust.

Paigutades kaamera ühtlasesse magnetvälja (meetod, mille pakkusid välja nõukogude füüsikud P. L. Kapitsa ja D. V. Skobeltsin), on võimalik määrata laengu märk ja laengu-massi suhe ehk osakese impulss (kui selle laeng on on teada) trajektoori käänaku suunast ja selle kõverusest.

Rajad ei eksisteeri kambris kaua, kuna õhk soojeneb, saades soojust kambri seintelt ja tilgad aurustuvad. Uute jälgede saamiseks on vaja elektrivälja abil eemaldada olemasolevad ioonid, suruda õhk kolviga kokku, oodata, kuni kambris kokkusurumisel kuumenenud õhk jahtub ja teostada uus paisumine.

Tavaliselt pilvekambris olevaid osakeste jälgi mitte ainult ei vaadelda, vaid ka pildistatakse. Sel juhul valgustatakse kaamerat küljelt võimsa valguskiirte kiirega.

Lisa...

Lisaks sellele, et Wilsoni kambrit kutsuti aknaks mikromaailma, kutsuti seda ka "uduseks kambriks".

1932. aastal avastas Anderson selle kaamera abil positroni-antielektroni.

Sõnum nr 3

Mullikamber

1952. aastal tegi Ameerika teadlane D. Glaser ettepaneku kasutada osakeste jälgede tuvastamiseks ülekuumendatud vedelikku. Need koosnevad vedelikuga täidetud klaassilindrist ja näevad välja nagu pilvekamber. Sellises ioonidel põhinevas vedelikus moodustub kiirelt laetud osakese liikumisel, ilmuvad aurumullid, mis annavad nähtava jälje. Seda tüüpi kambreid nimetati mullikambriteks.

Algolekus on kambris olev vedelik kõrge rõhu all, mis takistab selle keemist. Rõhu järsu langusega vedelik kuumeneb üle ja on lühikest aega ebastabiilses olekus. Täpselt sel ajal lendavad laetud osakesed põhjustavad välimuse aurumullidest koosnevad rajad. Kasutatavad vedelikud on peamiselt vedel vesinik ja propaan.

Seega põhineb mullikambri tegevus ülekuumenenud vedeliku keemisel.

Mullikambri töötsükkel on lühike - umbes 0,1 s. Mullikambri eelis Wilsoni kambri ees tuleneb töötava aine suuremast tihedusest. Selle tulemusena osutuvad osakeste rajad üsna lühikesteks ja isegi suure energiaga osakesed jäävad kambrisse kinni. See võimaldab jälgida osakeste järjestikuste teisenduste jada ja selle põhjustatud reaktsioone.

Pilvekambris ja mullikambris olevad jäljed on üks peamisi teabeallikaid osakeste käitumise ja omaduste kohta.

Lisa...

Mullikambrite mõõtmed ulatuvad mitmekümnest sentimeetrist mitme meetrini.

Sõnum nr 4

Paksu kile emulsiooni meetod

Osakeste tuvastamiseks kasutatakse koos pilvekambritega paksukihilisi fotoemulsioone. Seda meetodit kasutatakse fotoemulsiooniga kaetud fotoplaadi abil. Kiirelt laetud osakeste ioniseeriv toime fotoplaadi emulsioonile võimaldas prantsuse füüsikul A. Becquerel avastada 1896. a. radioaktiivsus. Fotoemulsiooni meetodi töötas välja Nõukogude füüsikud L. V. Mysovsky. A. P. Ždanov ja teised.

Selle meetodi toime põhineb fotokeemilistel reaktsioonidel.

Fotomulsioon sisaldab suurel hulgal hõbebromiidi mikroskoopilisi kristalle. Kiirelt laetud osake, mis tungib, eemaldab üksikutelt broomiaatomitelt elektronid. Selliste kristallide ahel moodustab varjatud kujutise. Töötamisel taastub nende kristallide metallisisaldus. hõbe ja hõbedaterade kett moodustab osakeste raja. Raja pikkust ja paksust saab kasutada osakese energia ja massi hindamiseks. Fotomulsiooni suure tiheduse tõttu on rajad väga lühikesed.

Fotoemulsioonide eeliseks on nende pidev summeerimine. See võimaldab salvestada haruldasi sündmusi. Samuti on oluline, et fotoemulsioonide suure pidurdusjõu tõttu suureneb osakeste ja tuumade vahel täheldatud huvitavate reaktsioonide arv.

Lisa...

Fotoemulsioonikihi paksus on väga väike, vaid 200 mikronit.

Seda meetodit kasutatakse kosmoselaevadel kosmiliste kiirte uurimiseks.

Õpetaja täiendus
Lisaks nendele meetoditele on ka teisi:

Sädemekamber. 1959. aastal S. Fukui ja S. Miyamoto kavandasid sädemekambri, milles osakese jälg salvestatakse sädelahendusega neoonis ja argoonis. Selle kaal ulatub 10 tonnini.

Stsintillatsiooniloendurid. Stsintsillatsioon vilgub. Ekraanile sattunud laetud osake põhjustab valgussähvatuse. Vaadates ekraani läbi mikroskoobi, loetakse sähvatusi.

Õpitud materjali tugevdamine

5 . Õppetunni kokkuvõte.

Niisiis, täna tutvusime osakeste registreerimismeetoditega.

Me pole rääkinud kõigist elementaarosakesi salvestavatest seadmetest. Kaasaegsed instrumendid haruldaste ja väga väheste elusate osakeste tuvastamiseks on väga keerukad. Nende ehitamisel osalevad sajad inimesed.

Nüüd teeme materjali (slaidid) kinnitamise testi

1. Geigeri loenduri töö põhineb

Löögiionisatsioon.

Osakese poolt energia vabanemine.

2. Seade elementaarosakeste registreerimiseks, mille toime põhineb aurumullide tekkimisel ülekuumutatud vedelikus, on nn.

Paksu kile emulsioon.

Geigeri loendur.

Kaamera.

Wilsoni kamber.

Mullikamber.

3. Kas pilvekambri abil on võimalik tuvastada laenguta osakesi?

See on võimalik, kui neil on väike mass (elektronid)

See on võimalik, kui neil on suur mass (neutronid)

See on võimalik, kui neil on väike impulss

Jah, kui neil on palju hoogu.

See on keelatud

4. Laetud osakeste salvestamise fotoemulsioonimeetod põhineb

Löögiionisatsioon.

Molekulide lõhenemine liikuva laetud osakese toimel.

Auru teke ülekuumutatud vedelikus.

Üleküllastunud aurude kondenseerumine.

Osakese poolt energia vabanemine.

5. Seade elementaarosakeste registreerimiseks, mille toime põhineb üleküllastunud auru kondenseerumisel, on nn.

Kaamera

Wilsoni kamber

Paksu kile emulsioon

Geigeri loendur

Mullikamber

6. Millega on täidetud Wilsoni kamber?

Vee- või alkoholiaur.

Gaas, tavaliselt argoon.

peaaegu keemiseni kuumutatud vedel vesinik või propaan

Keemilised reaktiivid

7.Mis on paksukihilise fotograafilise emulsiooni meetodil moodustatud rada?

Veepiiskade ahel

Aurumullide kett

Elektronide laviin

Hõbedaterade kett

6 . Kodutöö.

punkt 97 laboritööd füüsikas

Teema: Laetud osakeste jälgede uurimine valmisfotode abil

Eesmärgid: selgitada laetud osakeste liikumise olemust

Seadmed ja materjalid: fotod laetud osakeste jälgedest, mis on saadud pilvekambris, mullikambris ja fotograafilises emulsioonis

Mäleta seda:

Mida pikem on raja pikkus, seda suurem on osakese energia ja seda väiksem on keskkonna tihedus)

Mida suurem on osakese laeng ja mida väiksem on selle kiirus, seda suurem on raja paksus

Kui laetud osake liigub magnetväljas, osutub tema jälg kõveraks ja raja kõverusraadius on suurem, mida suurem on osakese mass ja kiirus ning seda väiksem on selle laeng ja magnetvälja induktsioonimoodul

osake liikus suure raadiusega raja lõpust väiksema kõverusraadiusega raja lõppu (kõverusraadius väheneb liikumisel, kuna osakeste kiirus väheneb keskkonna takistuse tõttu)

Harjutus:

I – α-osakeste rajad, II – α-osakeste rajad III – elektronide rada

liikumine pilvekambris, mullikambris, magnetväljas paiknevas magnetväljas asuvas pilvekambris

Vaata fotot I ja vasta küsimustele:

Millises suunas α osakesed liikusid? ______________________________________

α-osakeste radade pikkused on ligikaudu samad. Mida see tähendab? _______________ ______________________________________________________________________________________

Kuidas muutus raja paksus osakeste liikudes? _____________________ Mis sellest järeldub? ______________________________________________________________

Tehke II foto järgi:

Miks muutusid α-osakeste liikumisel radade kõverusraadius ja paksus? ___________________________________________________________________________

mis suunas osakesed liikusid? ________________________________________________

Määrake III foto järgi:

miks on rada spiraalikujuline? ______________________________________________

mis võib olla põhjus, et elektronide rada (III) on palju pikem kui α-osakeste rada (II) _________________________________________________________________

Aruanne:

Meetodid elementaarosakeste registreerimiseks

1) Gaaslahendus Geigeri loendur

Geigeri loendur on osakeste automaatloenduse üks olulisemaid seadmeid.

Loendur koosneb klaastorust, mis on seest kaetud metallikihiga (katood) ja õhukesest metallniidist, mis kulgeb piki toru telge (anood).

Toru täidetakse gaasiga, tavaliselt argooniga. Loendur töötab löökionisatsiooni alusel. Laetud osake (elektron, £-osake jne), mis lendab läbi gaasi, eemaldab aatomitelt elektronid ning loob positiivseid ioone ja vabu elektrone. Anoodi ja katoodi vaheline elektriväli (neile rakendatakse kõrget pinget) kiirendab elektronid energiani, mille juures algab löökionisatsioon. Tekib ioonide laviin ja loendurit läbiv vool suureneb järsult. Sel juhul genereeritakse koormustakistile R pingeimpulss, mis suunatakse salvestusseadmesse. Selleks, et loendur registreeriks järgmise teda tabava osakese, tuleb laviiniheide kustutada. See juhtub automaatselt. Kuna hetkel ilmub vooluimpulss, on tühjendustakisti R pingelangus suur, väheneb anoodi ja katoodi vaheline pinge järsult - nii palju, et tühjenemine peatub.

Geigeri loendurit kasutatakse peamiselt elektronide ja Y-kvantide (kõrge energiaga footonite) registreerimiseks, kuid Y-kvante nende madala ioniseerimisvõime tõttu otseselt ei registreerita. Nende tuvastamiseks kaetakse toru sisesein materjaliga, millest Y-kvandid löövad välja elektronid.

Loendur registreerib peaaegu kõik sellesse sisenevad elektronid; Mis puutub Y-kvanti, siis see registreerib ligikaudu vaid ühe Y-kvanti sajast. Raskete osakeste (näiteks £-osakeste) registreerimine on keeruline, kuna loendurisse on keeruline teha piisavalt õhukest “akent”, mis oleks nendele osakestele läbipaistev.

2) Wilsoni kamber

Pilvekambri tegevus põhineb üleküllastunud aurude kondenseerumisel ioonidel, moodustades veepiiskad. Need ioonid luuakse mööda selle trajektoori liikuva laetud osakese poolt.

Seade on silinder kolviga 1 (joonis 2), mis on kaetud lameda klaaskaanega 2. Silinder sisaldab küllastunud vee- või alkoholiaure. Kambrisse juhitakse uuritav radioaktiivne ravim 3, mis moodustab kambri töömahus ioone. Kui kolb langeb järsult alla, st. Adiabaatilise paisumise käigus aur jahtub ja muutub üleküllastunuks. Selles olekus aur kondenseerub kergesti. Kondensatsioonikeskused muutuvad ioonideks, mille moodustavad sel ajal lendava osakese. Nii tekib kaamerasse udune jälg (rada) (joon. 3), mida saab jälgida ja pildistada. Rada eksisteerib kümnendiku sekundi jooksul. Kolvi tagasi algasendisse viimisel ja ioonide eemaldamisel elektriväljaga saab uuesti läbi viia adiabaatilise paisumise. Seega saab kaameraga katsetada korduvalt.

Kui kaamera asetada elektromagneti pooluste vahele, siis laienevad oluliselt kaamera võimalused osakeste omaduste uurimiseks. Sel juhul mõjub liikuvale osakesele Lorentzi jõud, mis võimaldab määrata osakese laengu väärtuse ja selle impulsi trajektoori kõveruse järgi. Joonisel 4 on kujutatud elektronide ja positroni jälgede fotode dekodeerimise võimalik versioon. Magnetvälja induktsioonivektor B on suunatud joonise taga oleva joonestustasandiga risti. Positron kaldub vasakule ja elektron paremale.

3) Mullikamber

See erineb pilvekambrist selle poolest, et üleküllastunud aurud kambri töömahus asendatakse ülekuumendatud vedelikuga, s.t. vedelik, mille rõhk on väiksem kui selle küllastunud auru rõhk.

Läbi sellise vedeliku lennates tekitab osake aurumullide väljanägemise, moodustades seeläbi jälje (joonis 5).

Algolekus surub kolb vedeliku kokku. Rõhu järsu languse korral on vedeliku keemistemperatuur madalam kui ümbritseva õhu temperatuur.

Vedelik muutub ebastabiilseks (ülekuumenenud). See tagab mullide ilmumise osakeste teele. Tööseguna kasutatakse vesinikku, ksenooni, propaani ja mõningaid muid aineid.

Mullikambri eelis Wilsoni kambri ees tuleneb töötava aine suuremast tihedusest. Selle tulemusena osutuvad osakeste rajad üsna lühikesteks ja isegi suure energiaga osakesed jäävad kambrisse kinni. See võimaldab jälgida osakeste järjestikuste teisenduste jada ja selle põhjustatud reaktsioone.

4) Paksu kile emulsiooni meetod

Osakeste tuvastamiseks kasutatakse koos pilvekambrite ja mullikambritega paksukihilisi fotoemulsioone. Kiirelt laetud osakeste ioniseeriv toime fotoplaadi emulsioonile. Fotomulsioon sisaldab suurel hulgal hõbebromiidi mikroskoopilisi kristalle.

Kiirelt laetud osake, mis tungib läbi kristalli, eemaldab üksikutelt broomiaatomitelt elektronid. Selliste kristallide ahel moodustab varjatud kujutise. Kui nendesse kristallidesse ilmub metalliline hõbe, moodustab hõbedaterade kett osakeste jälje.

Raja pikkust ja paksust saab kasutada osakese energia ja massi hindamiseks. Fotomulsiooni suure tiheduse tõttu on rajad väga lühikesed, kuid pildistades saab neid suurendada. Fotoemulsiooni eeliseks on see, et säriaeg võib olla nii pikk, kui soovitakse. See võimaldab salvestada haruldasi sündmusi. Samuti on oluline, et fotoemulsiooni suure pidurdusjõu tõttu suureneb osakeste ja tuumade vahel täheldatud huvitavate reaktsioonide arv.