METODY OBSERWACJI I REJESTRACJI CZĄSTEK ELEMENTARNYCH

licznik Geigera

Służy do liczenia cząstek radioaktywnych ( głównie elektrony).

Jest to szklana rurka wypełniona gazem (argonem) z dwiema elektrodami wewnątrz (katodą i anodą).
Kiedy cząstka przechodzi, następuje jonizacja udarowa gazu i następuje impuls prądu elektrycznego.

Zalety:
- zwartość
- efektywność
- wydajność
- wysoka dokładność (10OO cząstek/s).

Były użyte:
- rejestracja skażeń radioaktywnych gruntu, pomieszczeń, odzieży, produktów itp.
- w magazynach materiałów promieniotwórczych lub przy działających reaktorach jądrowych
- przy poszukiwaniu złóż rud radioaktywnych (U, Th)

Komora Wilsona

Służy do obserwacji i fotografowaniaślady przejścia cząstek (ślady).

Wewnętrzna objętość komory wypełniona jest alkoholem lub parą wodną w stanie przesyconym:
Po opuszczeniu tłoka zmniejsza się ciśnienie wewnątrz komory i spada temperatura, w wyniku procesu adiabatycznego para przesycona.
Po przejściu cząsteczki kropelki wilgoci kondensują się i tworzy się ślad – widoczny ślad.
Po umieszczeniu kamery w polu magnetycznym można określić ślad energia, prędkość, masa i ładunek cząstki.

Długość i grubość toru oraz jego krzywizna w polu magnetycznym decydują o charakterystyce przechodzącej cząstki radioaktywnej.
Na przykład cząstka alfa tworzy ciągłą grubą ścieżkę,
proton - cienka ścieżka,
elektron - ścieżka przerywana.

Komora bąbelkowa

Wariant komory Wilsona

Gdy tłok zostanie gwałtownie opuszczony, ciecz pod wysokim ciśnieniem przechodzi w stan przegrzania. Kiedy cząstka porusza się szybko wzdłuż szlaku, tworzą się pęcherzyki pary, tj. ciecz wrze, ślad jest widoczny.

Zalety w porównaniu z komorą chmurową:
- duża gęstość medium, stąd krótkie ścieżki
- cząstki utknęły w komorze i można prowadzić dalszą obserwację cząstek
- większa prędkość.

Metoda emulsji grubowarstwowej

Służy do rejestracji cząstek
- pozwala na rejestrację rzadkich zjawisk ze względu na długi czas naświetlania.

Fotoemulsja zawiera dużą liczbę mikrokryształów bromek srebra.
Dochodzące cząstki jonizują powierzchnię fotoemulsji. Kryształy AgBr rozpadają się pod wpływem naładowanych cząstek, a po rozwinięciu ujawnia się ślad przejścia cząstki – ślad.
W zależności od długości i grubości toru można wyznaczyć energię i masę cząstek.

Przypomnij sobie temat „Fizyka atomowa” dla klasy 9:

Radioaktywność.
Transformacje radioaktywne.
Skład jądra atomowego. Siły nuklearne.
Energia komunikacji. Wada masowa
Rozszczepienie jąder uranu.
Jądrowa reakcja łańcuchowa.
Reaktor jądrowy.
Reakcja termojądrowa.

Inne strony na temat „Fizyka atomowa” dla klas 10-11:

CO WIEMY O FIZYKACH?

Niels Bohr powiedział w 1961 roku: „A. Einstein na każdym etapie rzucał wyzwanie nauce, a bez tych wyzwań rozwój fizyki kwantowej byłby długo opóźniony”.
___

W 1943 roku Niels Bohr uciekając przed najeźdźcami, został zmuszony do opuszczenia Kopenhagi. Nie ryzykując zabrania ze sobą jednej rzeczy, która była dla niego bardzo cenna, rozpuścił ją w „aqua regia” i pozostawił kolbę w laboratorium. Po wyzwoleniu Danii, kiedy wrócił, wyizolował z roztworu to, co rozpuścił, i na jego rozkaz utworzono nowe Medal Nobla.
__

W 1933 roku kierował laboratorium Ernesta Rutherforda, zbudowano potężny akcelerator na tamte czasy. Naukowiec był bardzo dumny z tej instalacji i pewnego razu, pokazując ją jednemu ze zwiedzających, zauważył: „Ta rzecz dużo nas kosztowała. Za te pieniądze możesz wesprzeć jednego absolwenta przez cały rok! Ale czy każdy absolwent może zrobić to w ciągu roku? tyle odkryć!»

Badając wpływ substancji luminescencyjnych na kliszę fotograficzną, francuski fizyk Antoine Becquerel odkrył nieznane promieniowanie. Wywołał kliszę fotograficzną, na której przez pewien czas znajdował się w ciemności miedziany krzyż pokryty solą uranową. Płyta fotograficzna wytwarzała obraz w postaci wyraźnego cienia krzyża. Oznaczało to, że sól uranu spontanicznie promieniuje. Za odkrycie zjawiska promieniotwórczości naturalnej Becquerel otrzymał w 1903 roku Nagrodę Nobla. RADIOAKTYWNOŚĆ to zdolność niektórych jąder atomowych do samorzutnego przekształcania się w inne jądra, emitując różne cząstki: Każdy spontaniczny rozpad promieniotwórczy jest egzotermiczny, to znaczy zachodzi z wydzieleniem ciepła.
CZĄSTECZKA ALFA(cząstka a) – jądro atomu helu. Zawiera dwa protony i dwa neutrony. Emisji cząstek a towarzyszy jedna z przemian radioaktywnych (rozpad alfa jąder) niektórych pierwiastków chemicznych.
CZĄSTECZKA BETA –elektron emitowany podczas rozpadu beta. Strumień cząstek beta to rodzaj promieniowania radioaktywnego o sile przenikania większej niż cząstki alfa, ale mniejszej niż promieniowanie gamma. PROMIENIOWANIE GAMMA (kwanty gamma) to krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali mniejszej niż 2 × 10–10 m. Ze względu na małą długość fali właściwości falowe promieniowania gamma są słabo widoczne, na pierwszy plan wysuwają się właściwości korpuskularne, dlatego jest reprezentowany jako strumień kwantów gamma (fotonów). Czas, w którym rozpada się połowa początkowej liczby atomów promieniotwórczych, nazywany jest okresem półtrwania. W tym czasie aktywność substancji radioaktywnej zmniejsza się o połowę. Okres półtrwania zależy wyłącznie od rodzaju substancji i może przyjmować różne wartości – od kilku minut do kilku miliardów lat. IZOTOPY- są to odmiany danego pierwiastka chemicznego, różniące się liczbą masową jąder. Jądra izotopów tego samego pierwiastka zawierają tę samą liczbę protonów, ale inną liczbę neutronów. Mając tę ​​samą strukturę powłok elektronowych, izotopy mają prawie identyczne właściwości chemiczne. Jednak izotopy mogą znacznie różnić się właściwościami fizycznymi. Wszystkie trzy składniki promieniowania radioaktywnego przechodząc przez ośrodek oddziałują z atomami ośrodka. Efektem tego oddziaływania jest wzbudzenie lub nawet jonizacja atomów ośrodka, co z kolei inicjuje zachodzenie różnorodnych reakcji chemicznych. Dlatego promieniowanie radioaktywne ma działanie chemiczne. Jeśli komórki żywego organizmu zostaną poddane działaniu promieniowania radioaktywnego, wówczas zajście reakcji inicjowanych przez promieniowanie radioaktywne może doprowadzić do powstania substancji szkodliwych dla danego organizmu i ostatecznie do zniszczenia tkanek. Z tego powodu wpływ promieniowania radioaktywnego na organizmy żywe jest destrukcyjny. Duże dawki promieniowania mogą powodować poważne choroby, a nawet śmierć. 3. Reakcje jądrowe
REAKCJE JĄDROWE to przemiany jąder atomowych w wyniku interakcji między sobą lub z dowolnymi cząstkami elementarnymi. Aby przeprowadzić reakcję jądrową, konieczne jest, aby zderzające się cząstki zbliżyły się do siebie na odległość około 10–15 m. Reakcje jądrowe podlegają prawom zachowania energii, pędu, ładunków elektrycznych i barionowych. Reakcje jądrowe mogą zachodzić zarówno z uwolnieniem, jak i absorpcją energii kinetycznej, a energia ta jest około 106 razy większa niż energia pochłonięta lub uwolniona podczas reakcji chemicznych.

Odkrycie neutronu przez D. Chadwicka w 1932 roku

W 1932 roku niemiecki fizyk W. Heisenberg i radziecki fizyk D.D. Zaproponowano Iwanienkę model protonowo-neutronowy jądra atomowego. Według tego modelu jądra atomowe składają się z cząstek elementarnych - protonów i neutronów.

Siły nuklearne są bardzo potężne, ale zmniejszają się bardzo szybko wraz ze wzrostem odległości. Są one przejawem tzw. silnego oddziaływania. Szczególną cechą sił nuklearnych jest ich charakter krótkiego zasięgu: objawiają się one na odległościach rzędu wielkości samego jądra. Fizycy żartobliwie nazywają siły nuklearne „bohaterami z krótkimi rękami”. Minimalna energia wymagana do całkowitego rozbicia jądra na pojedyncze nukleony nazywana jest energią wiązania jądrowego. Energia ta jest równa różnicy między całkowitą energią wolnych nukleonów a całkowitą energią jądra. Zatem całkowita energia wolnych nukleonów jest większa niż całkowita energia jądra składającego się z tych nukleonów. Dzięki bardzo precyzyjnym pomiarom udało się zarejestrować fakt, że masa spoczynkowa jądra jest zawsze mniejsza od sumy mas spoczynkowych jego części składowych. nachyla się o określoną wielkość, zwaną defektem masy. Specyficzna energia wiązania charakteryzuje stabilność jąder. Specyficzna energia wiązania jest równa stosunkowi energii wiązania do liczby masowej i charakteryzuje stabilność jądra. Im wyższa specyficzna energia wiązania, tym stabilniejsze jest jądro. Wykres zależności specyficznej energii wiązania od liczby nukleonów w jądrze ma słabe maksimum w zakresie od 50 do 60. Sugeruje to, że jądra o średnich liczbach masowych, takich jak żelazo, są najbardziej stabilne. Lekkie jądra mają tendencję do łączenia się, podczas gdy ciężkie mają tendencję do oddzielania się.

Przykłady reakcji jądrowych.

Jądrowe reakcje łańcuchowe. Reakcje termojądrowe to reakcje jądrowe pomiędzy lekkimi jądrami atomowymi, które zachodzą w bardzo wysokich temperaturach (~108 K i więcej). W tym przypadku substancja znajduje się w stanie całkowicie zjonizowanej plazmy. Potrzebę wysokich temperatur tłumaczy się tym, że do stopienia jąder w reakcji termojądrowej konieczne jest, aby zbliżyły się one na bardzo małą odległość i znalazły się w strefie działania sił jądrowych. Podejściu temu zapobiegają siły odpychające Coulomba działające pomiędzy podobnie naładowanymi jądrami. Aby je pokonać, jądra muszą mieć bardzo wysoką energię kinetyczną. Po rozpoczęciu reakcji termojądrowej cała energia zużyta na ogrzewanie mieszaniny jest kompensowana energią uwolnioną podczas reakcji.
4. Energia jądrowa. Wykorzystanie energii jądrowej jest ważnym zadaniem naukowym i praktycznym. Urządzenie umożliwiające zajście kontrolowanej reakcji jądrowej nazywa się reaktorem jądrowym. Współczynnik mnożenia neutronów w reaktorze utrzymuje się na poziomie jedności poprzez wprowadzanie lub usuwanie prętów regulacyjnych z reaktora. Pręty te wykonane są z substancji dobrze pochłaniającej neutrony - kadmu, boru lub grafitu.
Głównymi elementami reaktora jądrowego są: – paliwo jądrowe: uran-235, pluton-239; – moderator neutronów: ciężka woda lub grafit; – chłodziwo do usuwania uwolnionej energii; – regulator szybkości reakcji jądrowej: substancja pochłaniająca neutrony (bor, grafit, kadm).

Metody obserwacji cząstek elementarnych

Cząstki elementarne można obserwować dzięki śladom, jakie pozostawiają podczas przechodzenia przez materię. Charakter śladów pozwala ocenić znak ładunku cząstki, jej energię, pęd itp. Naładowane cząstki powodują jonizację cząsteczek na swojej drodze. Cząstki neutralne nie pozostawiają śladów, ale mogą ujawnić się w momencie rozpadu na cząstki naładowane lub w momencie zderzenia z dowolnym jądrem. Dlatego cząstki obojętne są również wykrywane poprzez jonizację powodowaną przez generowane przez nie naładowane cząstki.

Przyrządy służące do rejestracji cząstek jonizujących dzielą się na dwie grupy. Do pierwszej grupy zaliczają się urządzenia, które rejestrują przejście cząstki i pozwalają ocenić jej energię. Drugą grupę stanowią urządzenia śledzące, czyli urządzenia umożliwiające obserwację śladów cząstek w materii. Do przyrządów rejestrujących zaliczają się komory jonizacyjne i liczniki wyładowań gazowych. Liczniki Czerenkowa i liczniki scyntylacyjne stały się powszechne.

Naładowana cząstka przelatująca przez substancję powoduje nie tylko jonizację, ale także wzbudzenie atomów. Wracając do normalnego stanu, atomy emitują światło widzialne. Substancje, w których naładowane cząstki wzbudzają zauważalny błysk światła (scyntylację), nazywane są luminoforami. Fosfor może być organiczny lub nieorganiczny.

Licznik scyntylacyjny składa się z fosforu, z którego światło dostarczane jest poprzez specjalny światłowód do fotopowielacza. Zliczane są impulsy uzyskane na wyjściu fotopowielacza. Określana jest także amplituda impulsów (która jest proporcjonalna do intensywności błysków światła), co dostarcza dodatkowych informacji o wykrytych cząstkach.

Liczniki często łączy się w grupy i włącza, dzięki czemu rejestrowane są tylko zdarzenia rejestrowane jednocześnie przez kilka urządzeń lub tylko przez jedno z nich. W pierwszym przypadku mówią, że liczniki są włączane zgodnie ze schematem zbiegu okoliczności, w drugim - zgodnie ze schematem antyzbiegowym.

Instrumenty śledzące obejmują komory chmurowe, komory pęcherzykowe, komory iskrowe i komory emulsyjne.

Komora Wilsona. Tak nazywa się urządzenie stworzone przez angielskiego fizyka Charlesa Wilsona w 1912 roku. Ścieżka jonów ułożona przez latającą naładowaną cząstkę staje się widoczna w komorze chmurowej, ponieważ na jonach skrapla się przesycona para cieczy. Urządzenie nie działa w sposób ciągły, lecz cyklicznie. Stosunkowo krótki czas czułości kamery przeplata się z czasem martwym (100-1000 razy dłuższym), podczas którego kamera przygotowuje się do kolejnego cyklu pracy. Przesycenie osiąga się w wyniku nagłego ochłodzenia spowodowanego ostrym (adiabatycznym) rozprężeniem mieszaniny roboczej składającej się z nieskraplającego się gazu (hel, azot, argon) i pary wodnej, alkoholu etylowego itp. Jednocześnie stereoskopowo (tj. kilka punktów) fotografując objętość roboczą aparatu. Zdjęcia stereo pozwalają na odtworzenie przestrzennego obrazu zarejestrowanego zjawiska. Ponieważ stosunek czasu czułości do czasu martwego jest bardzo mały, czasami konieczne jest wykonanie dziesiątek tysięcy zdjęć, zanim zostanie zarejestrowane jakiekolwiek zdarzenie o małym prawdopodobieństwie. Aby zwiększyć prawdopodobieństwo obserwacji rzadkich zdarzeń, stosuje się kontrolowane komory chmurowe, w których pracą mechanizmu rozprężania sterują liczniki cząstek zawarte w obwodzie elektronicznym izolującym pożądane zdarzenie.

Komora bąbelkowa. W komorze pęcherzykowej wynalezionej przez D. A. Glezera w 1952 r. pary przesycone zastępuje się przezroczystą przegrzaną cieczą (tj. cieczą pod ciśnieniem zewnętrznym niższym niż ciśnienie jej par nasyconych). Przelatująca przez komorę cząsteczka jonizująca powoduje gwałtowne wrzenie cieczy, w wyniku czego ślad cząstki jest wskazywany przez łańcuch pęcherzyków pary – powstaje ślad. Komora pęcherzykowa, podobnie jak komora Wilsona, działa cyklicznie. Komora uruchamiana jest przez gwałtowny spadek (uwolnienie) ciśnienia, w wyniku czego płyn roboczy przechodzi w metastabilny stan przegrzania. Ciekły wodór pełni rolę płynu roboczego, który jednocześnie jest celem dla przelatujących przez niego cząstek (w tym przypadku wymagane są niskie temperatury).

Komory iskrowe. W 1957 Cranschau i de Beer zaprojektowali urządzenie do rejestracji trajektorii naładowanych cząstek, zwane komorą iskrową. Urządzenie składa się z układu równoległych do siebie płaskich elektrod, wykonanych w formie ramek z naciągniętą na nie folią metalową lub w postaci metalowych płytek. Elektrody są połączone poprzez jeden. Jedna grupa elektrod jest uziemiona, a do drugiej okresowo przykładany jest krótkotrwały (trwający 10–7 sekund) impuls wysokiego napięcia (10–15 kV). Jeżeli w momencie podania impulsu przez komorę przeleci cząsteczka jonizująca, jej drogę wyznaczy łańcuch iskier przeskakujących pomiędzy elektrodami. Urządzenie uruchamia się automatycznie za pomocą dodatkowych liczników włączanych według schematu koincydencji, które rejestrują przejście badanych cząstek przez objętość roboczą komory. W komorach wypełnionych gazami obojętnymi odległość między elektrodami może sięgać kilku centymetrów. Jeżeli kierunek lotu cząstki tworzy z normalną do elektrod kąt nie większy niż 40°, to wyładowanie w takich komorach rozwija się w kierunku toru cząstki.

Metoda fotoemulsyjna. Radzieccy fizycy L.V. Mysovsky i A.P. Żdanow jako pierwsi użyli klisz fotograficznych do rejestrowania cząstek elementarnych. Naładowana cząstka przechodząca przez emulsję fotograficzną powoduje taki sam efekt jak fotony. Dlatego po wywołaniu płytki w emulsji powstaje widoczny ślad (ślad) lecącej cząstki. Wadą metody klisz fotograficznych była mała grubość warstwy emulsyjnej, w wyniku czego uzyskiwano jedynie ślady cząstek unoszących się równolegle do płaszczyzny warstwy. W komorach emulsyjnych napromienianiu poddawane są grube paczki (o wadze do kilkudziesięciu kilogramów), złożone z pojedynczych warstw emulsji fotograficznej (bez podłoża). Po napromieniowaniu opakowanie rozkłada się na warstwy, z których każda jest wywoływana i oglądana pod mikroskopem. Aby móc prześledzić drogę cząstki przechodzącej z jednej warstwy do drugiej, przed demontażem pakietu, do wszystkich warstw nakładana jest ta sama siatka współrzędnych za pomocą promieni rentgenowskich.

Atomistyczna koncepcja budowy świata

Kwantowy model atomu zakłada, że ​​jądro atomu składa się z dodatnio naładowanych protonów i neutronów, które nie mają ładunku. Jądro jest również otoczone elektronami, które z kolei mają ładunek ujemny...

Najprostsza forma tego źródła APPJ składa się z rurki dielektrycznej z dwiema rurkowymi metalowymi elektrodami i przepływającym przez nią gazem szlachetnym (He, Ar). Aby to zademonstrować...

Technologia plazmy próżniowej o wysokiej energii

Metod wykonywania diagnostyki APP (plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym) jest niewiele. Bardzo potężnym narzędziem jest kamera ICCD (zintensyfikowane obciążenie urządzenia łączącego)...

Badanie procesów parowania i kondensacji kropelek cieczy

Poszczególne cząstki charakteryzują się tzw. cechami morfologicznymi: wielkością, gęstością, kształtem, strukturą, składem chemicznym...

Poszukiwanie cząstek ciemnej materii

Akustyczna detekcja masywnych naładowanych cząstek ciemnej materii w eksperymentach na satelitach Do wykrywania naładowanych masywnych cząstek ciemnej materii proponuje się zastosowanie metod akustyki radiacyjnej...

Opracowanie pracy laboratoryjnej „Ruchy Browna”

2.1 Analiza prac na temat ruchów Browna Artykuł „Ruchy Browna przez „oczy” mikroskopu cyfrowego” ukazał się w czasopiśmie „1 września” Fizyka nr 16/08. Autor /Carkow I.S./ opowiada w nim o doświadczeniach Miejskiej Szkoły Oświatowej nr 29 w mieście Podolsk...

Fazy ​​potencjału czynnościowego. Promieniowanie radioaktywne

Różnorodne urządzenia rejestrujące umożliwiają badanie głównie cząstek naładowanych, które powodują jonizację ośrodka, tj. po zderzeniu wyrywają elektron z atomów cząstek ośrodka, przekazując mu energię jonizacji Ei. Jednak nienaładowane cząstki...

Fizyczne podstawy kosmologii i astrofizyki

Bogactwo rodzajów cząstek elementarnych zrodziło przed fizykami trudne pytania: co leży u podstaw budowy materii, czy istnieje jakiś ogólny schemat, systematyka...

Cząstki elementarne

Cząstki elementarne

Przez cząstki elementarne rozumie się mikrocząstki, których struktury wewnętrznej, na obecnym poziomie rozwoju fizyki, nie można sobie wyobrazić jako połączenia innych cząstek...

Cząstki elementarne

Aby zrozumieć, co doprowadziło naukowców do poglądu, że hadrony składają się z kwarków, należy najpierw zrozumieć, co wiąże protony i neutrony w jądrze atomu, a następnie udać się z nimi w głąb materii...

Cząstki elementarne

Siły nuklearne

W 1932 roku w promieniowaniu kosmicznym odkryto pozyton, którego istnienie przewidywała teoria Diraca już w 1929 roku. Fakt ten był bardzo ważny nie tylko dla potwierdzenia poprawności teorii Diraca, ale także dlatego, że…

Temat lekcji: Metody obserwacji i zapisu elementarnego

cząsteczki.

Cel lekcji: Wyjaśnij uczniom budowę i zasadę działania instalacji do rejestracji i badania cząstek elementarnych.

Typ lekcji: Lekcja uczenia się nowej wiedzy.

Epigraf:

„….. pielęgnowanie kreatywności

w człowieku opiera się na rozwoju

niezależne myślenie”

P.P. Kapica

Struktura lekcji:

Etap organizacyjny.

Powitanie studentów i gości seminarium. Sprawdzenie gotowości kursanta do udziału w szkoleniu

2. Cele i zadania lekcji. (Przygotowanie uczniów do pracy na scenie głównej)

Deklaracja celu lekcji (Dzisiaj na lekcji dowiecie się, jakie przyrządy służą do obserwacji i rejestracji cząstek naładowanych, jaką mają budowę i zasadę działania).

Prezentacja nowego materiału

Najpierw przeprowadźmy ankietę frontalną:

Co to jest jonizacja?

(Proces rozpadu atomów neutralnych na jony i elektrony)

Jak uzyskać parę przesyconą?

(Odpowiedź: Ostro zwiększ objętość naczynia. Jednocześnie zwiększ temperaturę

zmniejszy się, a para stanie się przesycona.)

Co stanie się z parą przesyconą, jeśli pojawi się w niej cząsteczka? ?

(Odpowiedź: Będzie to centrum kondensacji i utworzy się na nim rosa.)

Jak pole magnetyczne wpływa na ruch naładowanej cząstki?

(Odpowiedź: W polu prędkość cząstki zmienia się w kierunku, ale nie w

moduł.)

Jak nazywa się siła, z jaką pole magnetyczne działa na naładowaną cząstkę? Dokąd zmierza?

(Odpowiedź: To jest siła Lorentza; jest skierowana w stronę środka okręgu.)

Wystąpienie wprowadzające nauczyciela

Podczas studiowania fizyki kwantowej wielokrotnie przywoływano już wyrażenia - jądro atomowe i cząstki elementarne. Jednak cząstek elementarnych (na przykład elektronów i jonów), a także jąder atomowych, nie można zobaczyć w żadnym mikroskopie, nawet elektronowym. Dlatego najpierw zapoznamy się z urządzeniami, dzięki którym powstała i zaczęła się rozwijać fizyka jądra atomowego i cząstek elementarnych. To oni przekazują ludziom niezbędne informacje o mikroświecie.

Każde urządzenie rejestrujące cząstki elementarne jest jak naładowany pistolet z napiętym kurkiem. Niewielka siła przy naciśnięciu spustu pistoletu powoduje efekt nieporównywalny z włożonym wysiłkiem - strzał.

Urządzenie rejestrujące to mniej lub bardziej złożony układ makroskopowy, który może znajdować się w stanie niestabilnym. Przy niewielkim zakłóceniu wywołanym przez przechodzącą cząstkę rozpoczyna się proces przejścia układu do nowego, bardziej stabilnego stanu. Proces ten umożliwia rejestrację cząstki. Obecnie stosuje się wiele różnych metod wykrywania cząstek.

W zależności od celów eksperymentu i warunków, w jakich jest on przeprowadzany, stosuje się określone urządzenia rejestrujące, różniące się między sobą głównymi cechami.

Wiadomość nr 1

Licznik Geigera wyładowania gazowego

Licznik Geigera jest jednym z najważniejszych urządzeń. Do automatycznego zliczania cząstek. Dobre liczniki mogą zarejestrować do 10 000 lub więcej cząstek na sekundę. Licznik składa się ze szklanej rurki pokrytej od wewnątrz warstwą metalu (katoda) oraz cienkiej metalowej nitki biegnącej wzdłuż osi rurki (anoda).

Rura jest wypełniona gazem, zwykle argonem. Licznik działa w oparciu o jonizację uderzeniową. Naładowana cząstka przelatująca przez gaz odrywa elektrony od atomów i tworzy jony dodatnie oraz wolne elektrony. Pole elektryczne pomiędzy anodą i katodą (przyłożone do nich wysokie napięcie) przyspiesza elektrony do energii, przy której rozpoczyna się jonizacja uderzeniowa. Następuje lawina jonów, a prąd płynący przez licznik gwałtownie wzrasta. W tym przypadku na rezystancji obciążenia powstaje impuls napięciowy, który jest doprowadzany do urządzenia rejestrującego.

Licznik Geigera służy głównie do rejestracji elektronów i kwantów y (fotonów o wysokiej energii). Przy rejestracji elektronów sprawność licznika wynosi około 100%, a przy rejestracji kwantów y tylko około 1%. Rejestracja ciężkich cząstek (np. cząstek alfa) jest trudna, ponieważ trudno jest wykonać w liczniku wystarczająco cienkie „okno”, które byłoby przezroczyste dla tych cząstek.

Dodatek...
Licznik został udoskonalony przez innego niemieckiego fizyka W. Mullera, dlatego czasami licznik ten nazywany jest licznikiem Geigera-Mullera.

Wiadomość nr 2

Komora Wilsona

Liczniki pozwalają jedynie zarejestrować fakt przejścia przez nie cząstki i zapisać niektóre jej cechy. W komorze chmurowej szybko naładowana cząstka pozostawia ślad, który można obserwować bezpośrednio lub sfotografować. Urządzenie to można nazwać „oknem” na mikroświat.
Komora mgłowa składa się z niskiego szklanego cylindra ze szklaną pokrywą. Tłok może poruszać się wewnątrz cylindra. Na dnie komory znajduje się czarna tkanina. Dzięki zwilżeniu tkaniny mieszaniną wody i alkoholu powietrze w komorze nasycone jest oparami tych cieczy.
Działanie komory mgłowej utworzonej w 1912 roku polega na kondensacji pary przesyconej na jonach, powstają w objętości roboczej komory wzdłuż trajektorii naładowanej cząstki.
Badane cząstki wprowadzane są do komory przez cienkie okienko (czasami źródło cząstek umieszcza się wewnątrz komory) W przypadku nagłego opuszczenia tłoka, spowodowanego spadkiem ciśnienia pod tłokiem, para w komorze rozszerza się. W rezultacie następuje ochłodzenie i para staje się przesycona. Jeśli cząstka dostanie się do komory tuż przed lub po ekspansji, wytwarzane przez nią jony będą działać jak jądra kondensacji. Pojawiające się na nich kropelki wody tworzą ślad lecącej cząstki – ślad. Informacje dostarczane przez ślady w komorze chmurowej są znacznie bogatsze niż te, które mogą dostarczyć liczniki. Na podstawie długości toru można określić energię cząstki, a na podstawie liczby kropel na jednostkę długości toru oszacować jej prędkość.

Umieszczając kamerę w jednolitym polu magnetycznym (metoda zaproponowana przez radzieckich fizyków P. L. Kapitsa i D. V. Skobeltsin), można wyznaczyć znak ładunku oraz stosunek ładunku do masy lub pęd cząstki (jeśli jej ładunek jest znana) od kierunku zakrętu trajektorii i jej krzywizny.

Ślady nie istnieją długo w komorze, ponieważ powietrze nagrzewa się, odbierając ciepło ze ścian komory, a kropelki odparowują. Aby uzyskać nowe ślady, należy usunąć istniejące jony za pomocą pola elektrycznego, sprężyć powietrze tłokiem, poczekać, aż nagrzane podczas sprężania powietrze w komorze ostygnie i wykonać ponowne rozprężenie.

Zazwyczaj ślady cząstek w komorze chmurowej są nie tylko obserwowane, ale także fotografowane. W tym przypadku kamera oświetlana jest z boku potężną wiązką promieni świetlnych.

Dodatek...

Oprócz tego, że nazywano ją oknem na mikroświat, komorę Wilsona nazywano „komorą mglistą”

W 1932 roku za pomocą tej kamery Anderson odkrył pozyton-antyelektron.

Wiadomość nr 3

Komora bąbelkowa

W 1952 roku amerykański naukowiec D. Glaser zaproponował wykorzystanie przegrzanej cieczy do wykrywania śladów cząstek. Składają się ze szklanego cylindra wypełnionego płynem i wyglądają trochę jak komora chmurowa. W takiej cieczy na bazie jonów, powstający podczas ruchu szybko naładowanej cząstki, pojawiają się pęcherzyki pary, dając widoczny ślad. Komory tego typu nazywano komorami pęcherzykowymi.

W stanie początkowym ciecz w komorze znajduje się pod wysokim ciśnieniem, co zapobiega jej wrzeniu. Przy gwałtownym spadku ciśnienia ciecz ulega przegrzaniu i przez krótki czas będzie w stanie niestabilnym. Naładowane cząstki lecące dokładnie w tym czasie powodują pojawienie się tory składające się z pęcherzyków pary. Stosowanymi cieczami są głównie ciekły wodór i propan.

Zatem działanie komory pęcherzykowej opiera się na wrzeniu przegrzanej cieczy.

Cykl pracy komory pęcherzykowej jest krótki – około 0,1 s. Przewaga komory pęcherzykowej nad komorą Wilsona wynika z większej gęstości substancji roboczej. W rezultacie ścieżki cząstek okazują się dość krótkie, a cząstki nawet o dużych energiach utykają w komorze. Pozwala to zaobserwować szereg kolejnych przemian cząstki i reakcje jakie one powodują.

Ślady w komorze chmurowej i komorze pęcherzykowej są jednym z głównych źródeł informacji o zachowaniu i właściwościach cząstek.

Dodatek...

Wymiary komór pęcherzykowych wahają się od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów.

Wiadomość nr 4

Metoda emulsji grubowarstwowej

Do wykrywania cząstek stosuje się grubowarstwowe emulsje fotograficzne wraz z komorami chmurowymi. W metodzie tej stosuje się kliszę fotograficzną pokrytą fotoemulsją. Jonizujący wpływ szybko naładowanych cząstek na emulsję kliszy fotograficznej pozwolił francuskiemu fizykowi A. Becquerelowi odkryć w 1896 roku. radioaktywność. Metodę fotoemulsyjną opracowali radzieccy fizycy L. V. Mysovsky. A. P. Żdanow i inni.

Działanie tej metody opiera się na reakcjach fotochemicznych.

Emulsja fotograficzna zawiera dużą liczbę mikroskopijnych kryształków bromku srebra. Szybko naładowana cząstka, penetrując, usuwa elektrony z poszczególnych atomów bromu. Łańcuch takich kryształów tworzy ukryty obraz. Po wywołaniu przywracana jest zawartość metali w tych kryształach. srebro, a łańcuch ziaren srebra tworzy ścieżkę cząstek. Długość i grubość ścieżki można wykorzystać do oszacowania energii i masy cząstki. Ze względu na dużą gęstość emulsji fotograficznej ścieżki są bardzo krótkie.

Zaletą emulsji fotograficznych jest ich ciągłe działanie sumujące. Umożliwia to rejestrację rzadkich zdarzeń. Ważne jest również to, że dzięki dużej sile hamowania fotoemulsji zwiększa się liczba interesujących reakcji obserwowanych pomiędzy cząstkami a jądrami.

Dodatek...

Grubość warstwy fotoemulsji jest bardzo mała, tylko 200 mikronów.

Jest to metoda stosowana na statkach kosmicznych do badania promieni kosmicznych.

Dodatek nauczyciela
Oprócz tych metod istnieją inne:

Komora iskrowa. W 1959 r S. Fukui i S. Miyamoto zaprojektowali komorę iskrową, w której ślad cząstki rejestrowany jest poprzez wyładowanie iskrowe w neonie i argonie. Jego waga sięga 10 ton.

Liczniki scyntylacyjne. Scyntylacja migocze. Naładowana cząstka uderzająca w ekran powoduje błysk światła. Obserwując ekran przez mikroskop, liczy się błyski.

Utrwalenie poznanego materiału

5 . Podsumowanie lekcji.

Tak więc dzisiaj zapoznaliśmy się z metodami rejestracji cząstek.

Nie mówiliśmy o wszystkich urządzeniach rejestrujących cząstki elementarne. Nowoczesne instrumenty do wykrywania rzadkich i bardzo nielicznych żywych cząstek są bardzo wyrafinowane. W ich budowie bierze udział kilkaset osób.

Teraz zróbmy test mocowania materiału (slajdów)

1. Zasada działania licznika Geigera opiera się na

Jonizacja uderzeniowa.

Wyzwolenie energii przez cząstkę.

2. Nazywa się urządzenie do rejestracji cząstek elementarnych, którego działanie polega na tworzeniu się pęcherzyków pary w przegrzanej cieczy

Emulsja grubowarstwowa.

Licznik Geigera.

Kamera.

Komora Wilsona.

Komora bąbelkowa.

3. Czy można wykryć cząstki nienaładowane za pomocą komory chmurowej?

Jest to możliwe jeśli mają małą masę (elektron)

Jest to możliwe, jeśli mają dużą masę (neutrony)

Jest to możliwe, jeśli mają mały impuls

Tak, jeśli mają duży rozmach.

To jest zabronione

4. Metoda fotoemulsji polega na rejestrowaniu cząstek naładowanych

Jonizacja uderzeniowa.

Rozszczepienie cząsteczek przez poruszającą się naładowaną cząstkę.

Tworzenie się pary w przegrzanej cieczy.

Kondensacja par przesyconych.

Wyzwolenie energii przez cząstkę.

5. Nazywa się urządzenie do rejestracji cząstek elementarnych, którego działanie opiera się na kondensacji pary przesyconej

Kamera

Komora Wilsona

Emulsja grubowarstwowa

licznik Geigera

Komora bąbelkowa

6. Czym wypełniona jest komora Wilsona?

Opary wody lub alkoholu.

Gaz, zwykle argon.

ciekły wodór lub propan podgrzany prawie do wrzenia

Odczynniki chemiczne

7.Jaki jest ślad powstający metodą grubowarstwowej emulsji fotograficznej?

Łańcuch kropelek wody

Łańcuch pęcherzyków pary

Lawina elektronów

Łańcuch srebrnych ziaren

6 . Praca domowa.

paragraf 97 praca laboratoryjna z fizyki

Temat: Badanie śladów naładowanych cząstek z wykorzystaniem gotowych fotografii

Cele: wyjaśnić naturę ruchu cząstek naładowanych

Urządzenia i materiały: fotografie śladów naładowanych cząstek uzyskane w komorze chmurowej, komorze pęcherzykowej i emulsji fotograficznej

Zapamietaj to:

Im dłuższa długość ścieżki, tym wyższa energia cząstki i mniejsza gęstość ośrodka)

Im większy ładunek cząstki i mniejsza jej prędkość, tym większa jest grubość toru

Kiedy naładowana cząstka porusza się w polu magnetycznym, jej tor okazuje się zakrzywiony, a promień krzywizny toru jest tym większy, im większa jest masa i prędkość cząstki oraz im mniejszy jest jej ładunek i moduł indukcji pola magnetycznego

cząstka przemieszczała się od końca toru o dużym promieniu do końca toru o mniejszym promieniu krzywizny (promień krzywizny maleje w miarę ruchu, ponieważ prędkość cząstki maleje ze względu na opór ośrodka)

Ćwiczenia:

I - tory cząstek α, II - tory cząstek α, III - tory elektronów

poruszanie się w komorze chmurowej, w komorze bąbelkowej, w komorze chmurowej znajdującej się w polu magnetycznym, znajdującej się w polu magnetycznym

Spójrz na zdjęcie I i odpowiedz na pytania:

W jakim kierunku poruszały się cząstki α? ________________________________________________

długości torów cząstek α ​​są w przybliżeniu takie same. Co to znaczy? _______________ ______________________________________________________________________________

Jak zmieniała się grubość toru w miarę przemieszczania się cząstek? ____________________ co z tego wynika? ________________________________________

Ustal ze zdjęcia II:

Dlaczego promień krzywizny i grubość torów zmieniały się w miarę ruchu cząstek α? __________________________________________________________

w jakim kierunku poruszały się cząstki? _________________________

Ustal ze zdjęcia III:

dlaczego tor ma kształt spirali? __________________________________________

co może być przyczyną tego, że ścieżka elektronów (III) jest znacznie dłuższa niż ścieżka cząstek α ​​(II) ________________________________

Raport:

Metody rejestracji cząstek elementarnych

1) Licznik Geigera wyładowania gazowego

Licznik Geigera jest jednym z najważniejszych urządzeń do automatycznego zliczania cząstek.

Licznik składa się ze szklanej rurki pokrytej od wewnątrz warstwą metalu (katoda) oraz cienkiej metalowej nitki biegnącej wzdłuż osi rurki (anoda).

Rura jest wypełniona gazem, zwykle argonem. Licznik działa w oparciu o jonizację uderzeniową. Naładowana cząstka (elektron, cząstka £ itp.) przelatując przez gaz, usuwa elektrony z atomów i tworzy jony dodatnie oraz wolne elektrony. Pole elektryczne pomiędzy anodą a katodą (przyłożone do nich wysokie napięcie) przyspiesza elektrony do energii, przy której rozpoczyna się jonizacja uderzeniowa. Następuje lawina jonów, a prąd płynący przez licznik gwałtownie wzrasta. W tym przypadku na rezystorze obciążającym R generowany jest impuls napięcia, który jest doprowadzany do urządzenia rejestrującego. Aby licznik zarejestrował kolejną cząstkę, która w niego uderzy, wyładowanie lawinowe musi zostać zgaszone. Dzieje się to automatycznie. Ponieważ w momencie pojawienia się impulsu prądowego spadek napięcia na rezystorze rozładowczym R jest duży, napięcie między anodą a katodą gwałtownie maleje - tak bardzo, że wyładowanie ustanie.

Licznik Geigera służy głównie do rejestracji elektronów i kwantów Y (fotonów o wysokiej energii), jednakże kwanty Y nie są rejestrowane bezpośrednio ze względu na ich niską zdolność jonizacyjną. Aby je wykryć, wewnętrzna ścianka rurki pokryta jest materiałem, z którego kwanty Y wybijają elektrony.

Licznik rejestruje prawie wszystkie wchodzące do niego elektrony; Jeśli chodzi o kwant Y, rejestruje on w przybliżeniu tylko jeden kwant Y na sto. Rejestracja ciężkich cząstek (na przykład cząstek £) jest trudna, ponieważ trudno jest wykonać w liczniku wystarczająco cienkie „okno”, które byłoby przezroczyste dla tych cząstek.

2) Komora Wilsona

Działanie komory mgłowej polega na kondensacji pary przesyconej na jonach w celu utworzenia kropelek wody. Jony te powstają wzdłuż jego trajektorii przez poruszającą się naładowaną cząstkę.

Urządzeniem jest cylinder z tłokiem 1 (ryc. 2), przykryty płaską szklaną pokrywą 2. Cylinder zawiera nasycone pary wody lub alkoholu. Do komory wprowadzany jest badany radioaktywny lek 3, który tworzy jony w roboczej objętości komory. Gdy tłok gwałtownie opadnie, tj. Podczas rozprężania adiabatycznego para ochładza się i staje się przesycona. W tym stanie para łatwo się skrapla. Ośrodkami kondensacji stają się jony utworzone przez lecącą w tym czasie cząstkę. Tak w aparacie pojawia się mglisty ślad (ślad) (ryc. 3), który można obserwować i fotografować. Utwór istnieje przez dziesiąte sekundy. Przywracając tłok do pierwotnego położenia i usuwając jony za pomocą pola elektrycznego, można ponownie przeprowadzić rozprężanie adiabatyczne. Dzięki temu eksperymenty z kamerą można przeprowadzać wielokrotnie.

Jeśli kamerę umieszczono pomiędzy biegunami elektromagnesu, wówczas możliwości kamery w zakresie badania właściwości cząstek znacznie się zwiększają. W tym przypadku na poruszającą się cząstkę działa siła Lorentza, co pozwala wyznaczyć wartość ładunku cząstki i jej pęd na podstawie krzywizny trajektorii. Rysunek 4 przedstawia możliwą wersję dekodowania zdjęć śladów elektronów i pozytonów. Wektor indukcji B pola magnetycznego jest skierowany prostopadle do płaszczyzny rysunku za rysunkiem. Pozyton odchyla się w lewo, a elektron w prawo.

3) Komora bąbelkowa

Różni się od komory mgłowej tym, że pary przesycone w objętości roboczej komory zastępuje się przegrzaną cieczą, tj. ciecz znajdująca się pod ciśnieniem niższym niż ciśnienie pary nasyconej.

Przelatując przez taką ciecz, cząsteczka powoduje pojawienie się pęcherzyków pary, tworząc w ten sposób ślad (rys. 5).

W stanie początkowym tłok ściska ciecz. Przy gwałtownym spadku ciśnienia temperatura wrzenia cieczy jest niższa niż temperatura otoczenia.

Ciecz staje się niestabilna (przegrzana). Zapewnia to pojawienie się pęcherzyków na drodze cząstki. Jako mieszaninę roboczą stosuje się wodór, ksenon, propan i niektóre inne substancje.

Przewaga komory pęcherzykowej nad komorą Wilsona wynika z większej gęstości substancji roboczej. W rezultacie ścieżki cząstek okazują się dość krótkie, a cząstki nawet o dużych energiach utykają w komorze. Pozwala to zaobserwować szereg kolejnych przemian cząstki i reakcje jakie one powodują.

4) Metoda emulsji grubowarstwowej

Do wykrywania cząstek oraz komór chmurowych i pęcherzykowych stosuje się grubowarstwowe emulsje fotograficzne. Jonizujący wpływ szybko naładowanych cząstek na emulsję do płyt fotograficznych. Emulsja fotograficzna zawiera dużą liczbę mikroskopijnych kryształków bromku srebra.

Szybko naładowana cząstka, penetrując kryształ, odrywa elektrony od poszczególnych atomów bromu. Łańcuch takich kryształów tworzy ukryty obraz. Kiedy w tych kryształach pojawia się metaliczne srebro, łańcuch ziaren srebra tworzy ścieżkę cząstek.

Długość i grubość ścieżki można wykorzystać do oszacowania energii i masy cząstki. Ze względu na dużą gęstość emulsji fotograficznej ścieżki są bardzo krótkie, ale podczas fotografowania można je powiększyć. Zaletą emulsji fotograficznej jest to, że czas ekspozycji może być dowolnie długi. Umożliwia to rejestrację rzadkich zdarzeń. Ważne jest również, że dzięki dużej sile hamowania fotoemulsji wzrasta liczba obserwowanych interesujących reakcji pomiędzy cząstkami i jądrami.