Методы наблюдения элементарных частиц. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

В данной статье мы поможем подготовиться к уроку по физике (9 класс). исследования частиц - это не обычная тема, а очень интересная и захватывающая экскурсия в мир молекулярной ядерной науки. Достичь такого уровня прогресса цивилизация смогла совсем недавно, и ученые до сих пор спорят, а нужны ли человечеству такие знания? Ведь если люди смогут повторить процесс атомного взрыва, который привел к появлению Вселенной, то может, разрушится не только наша планета, но и весь Космос.

О каких частицах идет речь и зачем их исследовать

Частично ответы на эти вопросы дает курс физики. Экспериментальные методы исследования частиц - это способ увидеть то, что недоступно человеку даже при использовании самых мощных микроскопов. Но обо всем по-порядку.

Элементарная частица - это совокупный термин, под которым подразумеваются такие частицы, которые уже нельзя расщепить на меньшие кусочки. Всего физиками открыто более 350 элементарных частиц. Мы больше всего привыкли слышать о протонах, нейронах, электронах, фотонах, кварках. Это так называемые фундаментальные частицы.

Характеристика элементарных частиц

Все наименьшие частицы имеют одно и тоже свойство: они могут взаимопревращаться под влиянием собственного воздействия. Одни имеют сильные электромагнитные свойства, другие слабые гравитационные. Но все элементарные частицы характеризуются по следующим параметрам:

  • Масса.
  • Спин - собственный момент импульса.
  • Электрический заряд.
  • Время жизни.
  • Четность.
  • Магнитный момент.
  • Барионный заряд.
  • Лептонный заряд.

Краткий экскурс в теорию строения вещества

Любое вещество состоит из атомов, которые в свою очередь имеют ядро и электроны. Электроны, подобно планетам в Солнечной системе, двигаются вокруг ядра каждый по своей оси. Расстояние между ними очень большое, в атомных масштабах. Ядро состоит из протонов и нейронов, связь между ними настолько крепкая, что их невозможно разъединить ни одним известным науке способом. В этом и состоит суть экспериментальных методов исследования частиц (кратко).

Нам тяжело это представить, но ядерная связь превосходит все известные на земле силы в миллионы раз. Мы знаем химический, ядерный взрыв. Но то, что сдерживает протоны и нейроны в совокупности - это нечто иное. Возможно, это ключ к разгадке тайны возникновения мироздания. Именно поэтому так важно изучать экспериментальные методы изучения частиц.

Многочисленные опыты натолкнули ученых на мысль, что нейроны состоят из еще меньших единиц и назвали их кварками. Что находится внутри них, пока не известно. Но кварки - это неразделяемые единицы. То есть, выделить одну не получается никаким способом. Если ученые используют экспериментальный метод исследования частиц с целью выделить один кварк, то сколько бы попыток они не предпринимали, всегда выделяется минимум два кварка. Это еще раз подтверждает нерушимую силу ядерного потенциала.

Какие существуют методы исследования частиц

Перейдем непосредственно к экспериментальным методам исследования частиц (таблица 1).

Название метода

Принцип действия

Свечение (люминесценция)

Радиоактивный препарат испускает волны, благодаря которым происходит столкновение частиц и могут наблюдаться отдельные свечения.

Ионизация молекул газа быстрыми заряженными частицами

Опускает с большой скоростью поршень, что приводит к сильному охлаждению пара, который становится перенасыщенным. Капельки конденсата указывают на траектории движения цепочки ионов.

Пузырьковая камера

Ионизация жидкости

Объем рабочего пространства наполнен горячим жидким водородом или пропаном, на которые воздействуют под давлением. Доводят состояние до перегретого и резко уменьшают давление. Заряженные частицы, воздействуя еще большей энергией, заставляют водород или пропан закипеть. На той траектории, по которой двигалась частица образовываются капельки пара.

Метод сцинтилляций (Спинтарископ)

Свечение (люминесценция)

Когда молекулы газа ионизируются, возникает большое количество электронно-ионных пар. Чем больше напряженность, тем больше возникает свободных пар, пока не достигнет пика и не останется ни одного свободного иона. В этот момент счетчик регистрирует частицу.

Это один из первых экспериментальных методов исследования заряженных частиц, и был изобретен на пять лет позже счетчика Гейгера - в 1912 году.

Строение простое: стеклянный цилиндр, внутри - поршень. Внизу постелена черная ткань, пропитанная водой и спиртом, благодаря чему воздух в камере насыщен их парами.

Поршень начинают опускать и поднимать, создавая давление, в результате чего газ остывает. Должен образоваться конденсат, но его нет, поскольку в камере отсутствует центр конденсации (ион или пылинка). После этого колбу приподнимают для попадания частички - иона или пыли. Частица начинает движение и по ее траектории образовывается конденсат, который можно увидеть. Путь, который проходит частица, называется трек.

Недостатком такого метода является слишком маленький пробег частиц. Это привело к появлению более прогрессивной теории, основанной на устройстве с более плотной средой.

Пузырьковая камера

Аналогичный принцип действия камеры Вильсона имеет следующий экспериментальный метод исследования частиц - Только вместо насыщенного газа, в стеклянной колбе находится жидкость.

Основа теории такова, что под высоким давлением жидкость не может начать кипеть выше точки закипания. Но как только появляется заряженная частица, по треку ее движения жидкость начинает закипать, переходя в парообразное состояние. Капельки этого процесса фиксируются камерой.

Метод толстослойных фотоэмульсий

Вернемся к таблице по физике "Экспериментальные методы исследования частиц". В ней, на ряду с камерой Вильсона и пузырьковым методом, рассматривался способ регистрации частиц с помощью толстослойной фотоэмульсии. Впервые эксперимент был поставлен советскими физиками Л.В. Мысовским и А.П. Ждановым в 1928 году.

Идея очень проста. Для опытов используют пластину, покрытую толстым слоем фотоэмульсий. Эта фотоэмульсия состоит из кристалликов бромида серебра. Когда заряженная частица пронизывает кристаллик, она отделяет от атома электроны, которые образуют скрытую цепочку. Ее можно увидеть, проявив пленку. Полученное изображение позволяет рассчитать энергию и массу частицы.

На самом деле, трек получается очень коротким и микроскопически маленьким. Но метод хорош тем, что проявленный снимок можно увеличивать бесконечное число раз, тем самым лучше изучая его.

Метод сцинтилляций

Впервые его провел Резерфорд в 1911 году, хотя идея возникла немного раньше и у другого ученого - У. Крупе. Несмотря на то, что разница составляла 8 лет, за это время пришлось усовершенствовать прибор.

Основной принцип состоит в том, что на экране, покрытом люминесцирующим веществом, будут отображаться вспышки света при прохождении заряженной частицы. Атомы вещества возбуждаются при воздействии на них частицы с мощной энергией. В момент столкновения происходит вспышка, которую наблюдают в микроскоп.

Этот метод очень непопулярен среди физиков. У него есть несколько недостатков. Первое, точность полученных результатов очень сильно зависит от остроты зрения человека. Если моргнуть - можно пропустить очень важный момент.

Второе - при длительном наблюдении очень быстро устают глаза, и поэтому, изучение атомов становится невозможным.

Выводы

Существует несколько экспериментальных методов исследования заряженных частиц. Поскольку атомы веществ настолько маленькие, что их тяжело увидеть даже в самый мощный микроскоп, ученым приходится ставить различные опыты, чтобы понять, что находится в середине центра. На данном этапе развития цивилизации проделан огромный путь и изучены самые недоступные взору элементы. Возможно, именно в них кроются тайны Вселенной.

>> 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!

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

План урока по физике в 11 классе.

Тема: Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

Цель урока: ознакомить учащихся с устройствами, с помощью которых развивалась физика атомных ядер и элементарных частиц; необходимую информацию о процессах в микромире получили именно благодаря этим приборам.

Ход урока

    Проверка домашнего задания методом фронтального опроса

    В чем заключалось противоречие модели атома Резерфорда с классической физикой.

    Квантовые постулаты Бора.

9) Задача. Насколько изменилась энергия электрона в атоме водорода при излучении атомом фотона с длиной волны 4,86 ∙10-7м?

Решение. ∆Е = h ν; ν = c/λ; ∆Е = h c /λ; ∆E=4,1 ∙10-19 Дж.

2. Изучение нового материала

Регистрирующий прибор – это макроскопическая система, находящаяся в неустойчивом положении. При любом возмущении, которое вызывает пролетевшая частица, система переходит в более устойчивое положение. Процесс перехода позволяет регистрировать частицу. В настоящее время имеется много устройств, для регистрации элементарных частиц. Рассмотрим некоторые из них.

А) Газоразрядный счетчик Гейгера.

Этот прибор служит для автоматического подсчета частиц.

Устройство счетчика объяснить, используя плакат. Действие счетчика основано на ударной ионизации.

Применяется счетчик Гейгера для регистрации γ – квантов и электронов, счетчик хорошо замечает и считает почти все электроны и только один из ста γ – квант.

Тяжелые частицы счетчиком не подсчитываются. Имеются счетчики, которые работают на других принципах.

Б) Камера Вильсона.

Счетчик только подсчитывает число пролетевших частиц. Камера Вильсона, сконструированная в 1912 году, располагает оставшимся, после пролета частицы треком (след), который можно наблюдать, фотографировать, изучать.

Ученые называли камеру Вильсона окном в микромир.

Устройство и принцип действия камеры объяснить по плакату. Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара, который образует на ионах треки из капелек воды. По длине трека можно определить энергию частицы; по числу капелек на единицу длины трека вычисляют ее скорость; по толщине трека определяют заряд пролетевшей частицы. Поместив камеру в магнитное поле, заметили кривизну трека, которая тем больше, чем больше заряд и чем меньше масса частицы. Определив, заряд частицы и зная кривизну трека, вычисляют ее массу.

В) Пузырьковая камера.

Американский ученый Глейзер, в 1952 году, для изучения элементарных частиц создал новый тип камеры. Она была похожа на камеру Вильсона, но в ней было заменено рабочее тело; перенасыщенные пары были заменены на перегретую жидкость. Быстродвижущаяся частица, при движении по жидкости, образовывала пузырьки на ионах (так как жидкость закипала) – камеру назвали пузырьковой.

Большая плотность рабочего вещества дает преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона.

Пробеги частиц в пузырьковой камере короткие, а взаимодействия более сильными и часть частиц застревает в рабочем веществе. В результате появляется возможность наблюдать превращения частиц. Треки – главный источник информации о свойствах частиц.

Г) Метод толстослойных фотоэмульсий.

Ионизирующее действие заряженных частиц на эмульсию фотопластинки, используется для изучения свойств элементарных частиц наряду с пузырьковой камерой и камерой Вильсона. Заряженная частица с большой скоростью пронизывает фотоэмульсию, которая содержит кристаллы бромида серебра. Отрывая электроны, от некоторых атомов брома в фотоэмульсии появляется, скрытое изображение. Трек частицы появляется после проявления фотопластинки. По длине и толщине трека вычисляют энергию и массу частиц.

Существует много других устройств и приборов, которые регистрируют и исследуют элементарные частицы.

3. Закрепление изученного материала.

1) Что такое регистрирующий прибор?

2) Принцип действия счетчика Гейгера; камеры Вильсона; пузырьковой камеры, метода толстослойных фотоэмульсий.

3) Какие преимущества имеет пузырьковая камера перед камерой Вильсона?

Подведем итоги урока.

Домашнее задание: §98, повт, §97

Источники элементарных частиц

Для изучения элементарных частиц требуются их источники. До создания ускорителей в качестве таких источников использовались природные радиоактивные элементы и космические лучи. В космических лучах присутствуют элементарные частицы самых разных энергий вплоть до таких, которые нельзя получить сегодня искусственным путем. Недостаток космических лучей как источника частиц с высокими энергиями в том, что таких частиц очень немного. Появление частицы с высокой энергией в поле зрения прибора носит случайный характер.

Ускорители элементарных частиц дают потоки элементарных частиц, обладающих одинаково высокой энергией. Ускорители существуют различных типов: бетатрон, циклотрон, линейный ускоритель.

Расположенная недалеко от Женевы Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН *) является обладателем самого большого на сегодняшний день ускорителя элементарных частиц, построенного в кольцевом туннеле под землей на глубине 100 м. Общая длина туннеля составляет 27 км. (кольцо примерно 8.6 км в диаметре). Супер коллайдер должен был быть запущен в соответствии с программой в 2007 г. Около 4000 т металла будет охлаждено до температуры всего на 2° выше абсолютного нуля. В результате ток в 1,8 миллиона ампер будет проходить по сверхпроводящим кабелям почти без потерь.

Ускорители элементарных частиц являются настолько грандиозными сооружениями, что их называют пирамидами XX века.

* Аббревиатура CERN произошла от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Европейский Совет по Ядерным Исследованиям). В русском языке обычно используется аббревиатура ЦЕРН.

Методы регистрации элементарных частиц

1. Сцинтилляционные счетчики

Первоначально для регистрации элементарных частиц использовались люминесцентные экраны – экраны, покрытые специальным веществом, люминофором, способным преобразовывать поглощаемую ими энергию в световое излучение (люминесцировать). Элементарная частица при попадании в такой экран дает слабую вспышку, настолько слабую, что наблюдать ее можно только в полной темноте. Необходимо было иметь изрядные терпение и внимание, чтобы, сидя в полной темноте, часами подсчитывать количество замеченных вспышек.

В современном сцинтилляционном счетчике подсчет вспышек производится автоматически. Счетчик состоит из сцинтиллятора, фотоумножителя и электронных устройств для усиления и подсчета импульсов.

Сцинтиллятор преобразует энергию частицы в кванты видимого света.

Кванты света попадают в фотоумножитель, который преобразует их в импульсы тока.

Импульсы усиливаются электрической схемой и автоматически сосчитываются.

2. Химические методы

Химические методы основаны на том, что ядерные излучения являются катализаторами некоторых химических реакций, то есть ускоряют или создают возможность их протекания.

3. Калориметрические методы

В калориметрических методах регистрируют количество теплоты, которая выделяется при поглощении излучения веществом. Один грамм радия, например, выделяет в час примерно 585 дж. тепла.

4. Методы, основанные на применении эффекта Черенкова

Ничто в природе не может двигаться быстрее света. Но когда мы так говорим, мы имеем в виду движение света в вакууме. В веществе свет распространяется со скоростью , где с – скорость света в вакууме, а n – показатель преломления вещества. Следовательно, в веществе свет движется медленнее, чем в вакууме. Элементарная частица, двигаясь в веществе, может превысить скорость света в этом веществе, не превосходя при этом скорость света в вакууме. В этом случае возникает излучение, которое открыл в свое время Черенков. Излучение Черенкова регистрируется фотоумножителями так же, как и в сцинтилляционном методе. Метод позволяет регистрировать только быстрые, то есть обладающие высокими энергиями, элементарные частицы.

Следующие методы не только позволяют зарегистрировать элементарную частицу, но и увидеть ее след.

5. Камера Вильсона

Изобретена Чарльзом Вильсоном в 1912 г., а в 1927 г. он получил за нее Нобелевскую премию. Камера Вильсона – это очень сложное инженерное сооружение. Мы приводим только упрощенную схему.

Рабочий объем камеры Вильсона заполнен газом и содержит в себе пар воды или спирта. При быстром перемещении поршня вниз газ резко охлаждается и пар становится перенасыщенным. Когда в этом пространстве пролетает частица, создающая на своем пути ионы, то на этих ионах образуются капелькисконденсировавшегося пара. В камере возникает след траектории частицы (трек) в виде узкой полоски капелек тумана. При сильном боковом освещении трек можно видеть и сфотографировать.

6. Пузырьковая камера (изобретена Глезером в 1952 г.)

Пузырьковая камера действует аналогично камере Вильсона. Только в качестве рабочего тела используется не переохлажденный пар, а перегретая жидкость (пропан, жидкий водород, азот, эфир, ксенон, фреон...). Перегретая жидкость, так же как и переохлажденный пар, находится в неустойчивом состоянии. Пролетающая через такую жидкость частица образует ионы, на которых сразу же образуются пузырьки. Жидкостная пузырьковая камера эффективнее газовой камеры Вильсона. Физикам ведь важно не только наблюдать трек пролетевшей частицы. Важно, чтобы в пределах области наблюдения частица столкнулась с другой частицей. Картина взаимодействия частиц гораздо более информативна. Пролетая через более плотную жидкость, в которой высокая концентрация протонов и электронов, частица имеет гораздо больше шансов испытать столкновение.

7. Эмульсионная камера

Впервые использовалась советскими физиками Мысовским и Ждановым. Фотографическая эмульсия изготавливается на основе желатины. Продвигаясь в плотной желатине, элементарная частица подвергается частым столкновениям. За счет этого путь частицы в эмульсии часто очень короткий и его после проявления фотоэмульсии изучают под микроскопом.

8. Искровая камера (изобретатель Краншау)

В камере А расположена система сетчатых электродов. На эти электроды подается высокое напряжение с блока питания Б . Когда через камеру пролетает элементарная частица В , она создает ионизированный след. По этому следу проскакивает искра, которая и делает видимым трек частицы.

9. Стриммерная камера

Стриммерная камера аналогична искровой, только расстояние между электродами больше (до полуметра). Напряжение на электроды подается на очень короткое время с таким расчетом, чтобы настоящая искра не успела бы развиться. Возникнуть успевают только зачатки искры – стриммеры.

10. Счетчик Гейгера

Счётчик Гейгера представляет собой, как правило, цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока – анод. Система заполнена газовой смесью.

При прохождении через счётчик заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду - нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к коронному разряду. Амплитуда сигнала достигает нескольких вольт и легко регистрируется.

Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию частицы.

Цель урока: ознакомить учащихся с устройствами, с помощью которых развивалась физика атомных ядер и элементарных частиц; необходимую информацию о процессах в микромире получили именно благодаря этим приборам.

Ход урока

1. Проверка домашнего задания методом фронтального опроса

1) Какое излучение называется индуцированным?

2) Когда появились первые лазеры; кто их создатели?

3) Каковы свойства лазерного излучения?

4) Каков принцип действия лазеров?

5) Для чего используется трехуровневая система?

6) Как устроен рубиновый лазер?

7) Какие типы лазеров бывают еще?

8) Где применяются лазеры?

9) Задача. Насколько изменилась энергия электрона в атоме водорода при излучении атомом фотона с длиной волны 4,86 ∙10-7м?

Решение. ∆Е = h ν; ν = c/λ; ∆Е = h c /λ; ∆E=4,1 ∙10-19 Дж.

2. Изучение нового материала

Регистрирующий прибор – это макроскопическая система, находящаяся в неустойчивом положении. При любом возмущении, которое вызывает пролетевшая частица, система переходит в более устойчивое положение. Процесс перехода позволяет регистрировать частицу. В настоящее время имеется много устройств, для регистрации элементарных частиц. Рассмотрим некоторые из них.

А) Газоразрядный счетчик Гейгера.

Этот прибор служит для автоматического подсчета частиц.

Устройство счетчика объяснить, используя плакат. Действие счетчика основано на ударной ионизации.

Применяется счетчик Гейгера для регистрации γ – квантов и электронов, счетчик хорошо замечает и считает почти все электроны и только один из ста γ – квант.

Тяжелые частицы счетчиком не подсчитываются. Имеются счетчики, которые работают на других принципах.

Б) Камера Вильсона.

Счетчик только подсчитывает число пролетевших частиц. Камера Вильсона, сконструированная в 1912 году, располагает оставшимся, после пролета частицы треком (след), который можно наблюдать, фотографировать, изучать.

Ученые называли камеру Вильсона окном в микромир.

Устройство и принцип действия камеры объяснить по плакату. Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара, который образует на ионах треки из капелек воды. По длине трека можно определить энергию частицы; по числу капелек на единицу длины трека вычисляют ее скорость; по толщине трека определяют заряд пролетевшей частицы. Поместив камеру в магнитное поле, заметили кривизну трека, которая тем больше, чем больше заряд и чем меньше масса частицы. Определив, заряд частицы и зная кривизну трека, вычисляют ее массу.

В) Пузырьковая камера.

Американский ученый Глейзер, в 1952 году, для изучения элементарных частиц создал новый тип камеры. Она была похожа на камеру Вильсона, но в ней было заменено рабочее тело; перенасыщенные пары были заменены на перегретую жидкость. Быстродвижущаяся частица, при движении по жидкости, образовывала пузырьки на ионах (так как жидкость закипала) – камеру назвали пузырьковой.

Большая плотность рабочего вещества дает преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона.

Пробеги частиц в пузырьковой камере короткие, а взаимодействия более сильными и часть частиц застревает в рабочем веществе. В результате появляется возможность наблюдать превращения частиц. Треки – главный источник информации о свойствах частиц.

Г) Метод толстослойных фотоэмульсий.

Ионизирующее действие заряженных частиц на эмульсию фотопластинки, используется для изучения свойств элементарных частиц наряду с пузырьковой камерой и камерой Вильсона. Заряженная частица с большой скоростью пронизывает фотоэмульсию, которая содержит кристаллы бромида серебра. Отрывая электроны, от некоторых атомов брома в фотоэмульсии появляется, скрытое изображение. Трек частицы появляется после проявления фотопластинки. По длине и толщине трека вычисляют энергию и массу частиц.

Статьи по теме: