Физика атомного ядра. Экспериментальные методы регистрации элементарных частиц. Методы регистрации элементарных частиц Методы наблюдения и регистрации частиц таблица
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
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.
>> 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!
Методы регистрации элементарных частиц основаны на использовании систем в долгоживущем неустойчивом состоянии, в которых под действием пролетающей заряженной частицы происходит переход в устойчивое состояние.
Счетчик Гейгера.
Счетчик Гейгера — детектор частиц, действие которого основано на возникновении самостоятельного электрического разряда в газе при попадании частицы в его объем. Изобретен в 1908 г. X. Гейгером и Э. Резерфордом, позднее был усовершенствован Гейгером и Мюллером.
Счетчик Гейгера состоит из металлического цилиндра — катода — и тонкой проволочки, натянутой вдоль его оси — анода, заключенных в герметический объем, заполненный газом (обычно аргоном) под давлением порядка 100-260 ГПа (100-260 мм рт. ст.). Между катодом и анодом прикладывается напряжение порядка 200-1000 В. Заряженная частица, попав в объем счетчика, образует неко-торое количество электронно-ионных пар, которые движутся к соответствующим электродам и при большом напряжении на длине свободного пробега (на пути до следующего стол-кновения) набирают энергию, превосходящую энергию ио-низации, и ионизируют молекулы газа. Образуется лавина, ток в цепи возрастает. С нагрузочного сопротивления им-пульс напряжения подается на регистрирующее устройство. Резкое увеличение падения напряжения на нагрузочном со-противлении приводит к резкому уменьшению напряжения между анодом и катодом, разряд прекращается, и трубка готова к регистрации следующей частицы.
Счетчиком Гейгера регистрируют в основном электроны и γ-кванты (последние, правда, с помощью дополнительного материала, наносимого на стенки сосуда, из которых γ-кванты выбивают электроны).
Камера Вильсона.
Камера Вильсона — трековый (от англ. track — след, траектория) детектор частиц. Создана Ч. Вильсоном в 1912 г. С помощью камеры Вильсона был сделан ряд открытий в ядер-ной физике и физике элементарных частиц, таких, как открытие широких атмосферных ливней (в области космических лучей) в 1929 г., позитрона в 1932 г., обнаружение следов мюонов, откры-тие странных частиц. В дальнейшем камера Вильсона была практически вытеснена пузырьковой камерой как более быстродействующей. Камера Вильсона представляет со-бой сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению (см. рис.). Действие ее основано на конденсации перенасыщенного пара (воды или спирта) на ионах, образованных пролетевшей частицей. Перенасыщенный пар создастся резким опусканием поршня (см. рис.) (пар в камере при этом адиабатически расширяется, вследствие чего тем-пература его резко надает).
Капельки жидкости, осевшие на ионах, делают видимым след проле-тевшей частицы — трек, что дает возможность его сфотографировать. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека — оценить ее скорость. Помещение камеры в магнитное поле позволяет определить по кривизне трека отношение заряда частицы к ее массе (впервые предложено советскими физиками П. Л. Ка-пицей и Д. В. Скобельцыным).
Пузырьковая камера.
Пузырьковая камера — прибор для регистрации следов (треков) заряженных частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы.
Первая пузырьковая камера (1954 г.) представляла собой металлическую камеру со стеклянными окнами для освещения и фотографирования, заполненную жидким водородом. В дальнейшем она создавалась и совершенствовалась во всех лабораториях мира, оснащенных ускорителями заряженных частиц. От колбочки объемом 3 см 3 размер пузырьковой камеры достиг нескольких кубических метров. Большинство пузырьковых камер имеют объем 1 м 3 . За изобретение пузырь-ковой камеры Глейзеру в 1960 г. была присуждена Нобелевская премия.
Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры составляет 0,1 . Преимущество ее перед камерой Вильсона — в большей плотности рабочего вещества, позволяющей регистрировать частицы больших энергий.
МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Счетчик Гейгера
Служит для подсчета количества радиоактивных частиц ( в основном электронов ).
Это стеклянная трубка, заполненная газом (аргоном), с двумя электродами внутри (катод и анод).
При пролете частицы возникает ударная ионизация газа
и возникает импульс электрического тока.
Достоинства:
- компактность
- эффективность
- быстродействие
- высокая точность (10ООО частиц/с).
Где используется:
- регистрация радиоактивных загрязнений на местности, в помещениях, одежды, продуктов и т.д.
- на объектах хранения радиоактивных материалов или с работающими ядерными реакторами
- при поиске залежей радиоактивной руды (U, Th)
Камера Вильсона
Служит для наблюдения и фотографирования следов от пролета частиц (треков).
Внутренний объем камеры заполнен парами спирта или воды в перенасыщенном состоянии:
при опускании поршня уменьшается давление внутри камеры и понижается температура, в результате адиабатного процесса образуется перенасыщенный пар
.
По следу пролета частицы конденсируются капельки влаги и образуется трек – видимый след.
При помещении камеры в магнитное поле по треку можно определить энергию, скорость, массу и заряд частицы.
По длине и толщине трека, по его искривлению в магнитном поле определяют характеристики
пролетевшей радиоактивной частицы.
Например, альфа-частица дает сплошной толстый трек,
протон - тонкий трек,
электрон - пунктирный трек.
Пузырьковая камера
Вариант камеры Вильсона
При резком понижении поршня жидкость, находящаяся под высоким давление, переходит в перегретое состояние . При быстром движении частицы по следу образуются пузырьки пара, т.е. жидкость закипает, виден трек .
Преимущества
перед камерой Вильсона:
-
большая плотность среды, следовательно короткие треки
-
частицы застревают в камере и можно проводить дальнейшее наблюдение частиц
-
большее быстродействие.
Метод толстослойных фотоэмульсий
Служит для регистрации
частиц
- позволяет регистрировать редкие явления из-за большого время экспозиции.
Фотоэмульсия содержит большое количество микрокристаллов бромида серебра.
Влетающие частицы ионизируют поверхность фотоэмульсий. Кристаллики AgВr распадаются под действием заряженных частиц и при проявлении выявляется след от пролета частицы - трек.
По длине и толщине трека
можно определить энергию и массу частиц.
Вспомни тему "Атомная физика" за 9 класс:
Радиоактивность.
Радиоактивные превращения.
Состав атомного ядра. Ядерные силы.
Энергия связи. Дефект масс.
Деление ядер урана.
Ядерная цепная реакция.
Ядерный реактор.
Термоядерная реакция.
Другие страницы по теме "Атомная физика" за 10-11 класс:
ЧТО МЫ ЗНАЕМ О ФИЗИКАХ?
Нильс Бор
в 1961 году говорил: "На каждом этапе А.Эйнштейн
бросал вызов науке
, и не будь этих вызовов, развитие квантовой физики затянулось бы надолго".
___
В 1943 году Нильс Бор
, спасаясь от оккупантов, вынужден был покинуть Копенгаген. Не рискуя взять с собой одну очень ценную для него вещь, он растворил
ее в "царской водке"
и колбу оставил в лаборатории. После освобождения Дании, вернувшись, он выделил из раствора то, что растворил, и по его заказу создали новую Нобелевскую медаль
.
__
В 1933 году в лаборатории, которую возглавлял Эрнест Резерфорд , был сооружен мощный по тем временам ускоритель . Ученый очень гордился этой установкой и как-то раз, показывая ее одному из посетителей, заметил: «Эта штука обошлась нам очень дорого. На эти деньги можно целый год содержать одного аспиранта! Но разве какой-нибудь аспирант может сделать за год столько открытий !»