Какие методы регистрации частиц существуют. A

Автор: Фомичева С.Е., учитель физики МБОУ «Средняя школа №27» города Кирова Методы регистрации и наблюдения элементарных частиц Счетчик Гейгера Камера Вильсона Пузырьковая камера Метод фотоэмульсий Сцинтилляционный метод Искровая камера (1908 г.) Предназначен для автоматического подсчета частиц. Позволяет регистрировать до 10000 и более частиц в секунду. Регистрирует почти каждый электрон (100%) и 1 из 100 гамма-кванта (1%) Регистрация тяжелых частиц затруднена Ханс Вильгельм Гейгер 1882-1945 Устройство: 2. Катод –тонкий металлический слой 3. Анод – тонкая металлическая нить 1. Стеклянная трубка, заполненная аргоном 4. Регистрирующее устройство Для обнаружения γ-кванта внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого γ-кванты вырывают электроны. Принцип действия: Действие основано на ударной ионизации. Заряженная частица, пролетая в газе, отрывает у атомов электроны. Возникает лавина электронов и ионов. Ток через счетчик резко возрастает. На резисторе R образуется импульс напряжения, который фиксируется счетным устройством. Напряжение между анодом и катодом резко уменьшается. Разряд прекращается, счетчик снова готов к работе (1912г.) Предназначена для наблюдения и получения информации о частицах. Частица при прохождении оставляет след – трек, который можно наблюдать непосредственно или фотографировать. Фиксируют только заряженные частицы, нейтральные не вызывают ионизацию атома, об их присутствии судят по вторичным эффектам. Чарльз Томсон Риз Вильсон 1869-1959 Устройство: 7. Камера заполнена парами воды и спирта 1. Источник частиц 2. Кварцевое стекло 3. Электроды для создания электрического поля 6. Треки 5. Поршень 4. Вентилятор Принцип действия: Действие основано на использовании неустойчивого состояния среды. В камере пар близок к насыщению. При опускании поршня происходит адиабатное расширение и пар становится перенасыщенным. Капельки воды образуют треки. Пролетающая частица ионизирует атомы, на которых конденсирует пар, находящийся в неустойчивом состоянии. Поднимается поршень, капельки испаряются, электрическое поле удаляет ионы и камера готова принять следующую частицу Информация о частицах: по длине трека – об энергии частицы (чем L, тем W); по количеству капель на единицу длины – о скорости (чем N, тем v); По толщине трека – о величине заряда (чем d, тем q) По кривизне трека в магнитном поле об отношении заряда частицы к ее массе (чем R, тем m и v, тем q); По направлению изгиба о знаке заряда частицы. (1952г.) Предназначена для наблюдения и получения информации о частицах. Изучаются треки, но, в отличии от камеры Вильсона, позволяет изучать частицы с большими энергиями. Имеет более короткий рабочий цикл – около 0,1 с. Позволяет наблюдать распад частиц и вызываемые ею реакции. Дональд Артур Глейзер 1926-2013 Устройство: Аналогично, как у камеры Вильсона, но вместо паров используется жидкий водород или пропан Жидкость находится под высоким давлением при температуре выше температуры кипения. Опускается поршень, давление падает и жидкость оказывается в неустойчивом, перегретом состоянии. Пузырьки пара образуют треки. Пролетающая частица ионизирует атомы, которые становятся центрами парообразования. Поднимается поршень, пар конденсирует, электрическое поле удаляет ионы и камера готова принять следующую частицу (1895г.) Пластинка покрыта эмульсией, содержащую большое количество кристаллов бромида серебра. Пролетая, частица отрывает электроны у атомов брома, цепочка таких кристаллов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристаллах восстанавливавется металлическое серебро. Цепочка зерен серебра образует трек. Антуан Анри Беккерель Этот метод позволяет регистрировать редкие явления между частицами и ядрами. 1. Алюминиевая фольга 4. Динод 5. Анод 3. Фотокатод 2. Сцинтиллятор Метод сцинтилляций состоит в подсчете крохотных вспышек света при попадании α-частиц на экран, покрытый сульфидом цинка. Представляет собой комбинацию сцинтиллятора и фотоумножителя. Регистрируют все частицы и 100% гамма-квантов. Позволяет определить энергию частиц. Представляет систему параллельных металлических электродов, пространство между которыми заполнено инертным газом. Расстояние между пластинами от 1 до 10 см. Разрядные искры строго локализованы. Они возникают там, где появляются свободные заряды. Искровые камеры могут иметь размеры порядка нескольких метров. При пролете частицы между пластинами пробивает искра, создавая огненный трек. Преимущество в том, что процесс регистрации управляем.

Вопросы.

1. По рисунку 170 расскажите об устройстве и принципе действия счетчика Гейгера.

Счетчик Гейгера состоит из стеклянной трубки, заполненной разряженным газом (аргоном) и запаянной с обоих концов, внутри которой находится металлический цилиндр (катод) и натянутой внутри цилиндра проволочки (анод). Катод и анод соединены через сопротивление с источником высокого напряжения (200- 1000 В). Поэтому между анодом и катодом возникает сильное электрическое поле. При попадании ионизирующей частицы внутрь трубки образуется электронно - ионная лавина и в цепи возникает электрический ток, регистрируемый счетным устройством.

2. Для регистрации каких частиц применяется счетчик Гейгера?

Счетчик Гейгера применяется для регистрации электронов и ϒ- квантов.

3. По рисунку 171 расскажите об устройстве и принципе действия камеры Вильсона.

Камера Вильсона представляет собой невысокий стеклянный цилиндр с крышкой, поршнем внизу и, насыщенным паром смеси спирта с водой. При движении поршня вниз пары становятся пересыщенными, т.е. способными к быстрой конденсации. При попадании какой-либо частицы, через специальное окошко, внутрь камеры они создают ионы, которые становятся ядрами конденсации и вдоль траектории движения частицы возникает след (трек) из сконденсированных капелек, которые можно сфотографировать. Если поместить камеру в магнитное поле, то траектории заряженных частиц будут искривлены.

4. Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле?

По направлению изгиба судят о заряде частицы, а по радиусу кривизны можно узнать величину заряда, массу и энергию частицы.

5. В чем преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона? Чем отличаются эти приборы?

В пузырьковой камере вместо пересыщенного пара используется перегретая выше точки кипения жидкость, что делает её быстродейственнее.

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).

Изучение строения атомного ядра неразрывно связано с рассмотрением явлений самопроизвольного или вынужденного распада атомного ядра и ядерных частиц. Исследуя осколки разрушившегося атомного ядра, прослеживая судьбу этих осколков, мы получаем возможность делать заключения о структуре ядра и о ядерных силах.

Вполне естественно, что вначале были детально изучены явления самопроизвольного распада ядер, т. е. радиоактивные явления. Параллельно с этим началось изучение космических лучей - радиации, обладающей исключительной проникающей силой и приходящей к нам из космического пространства. Взаимодействуя с веществом, частицы космического излучения играют роль частиц-снарядов. Долгое время исследование космических лучей было важнейшим способом изучения взаимопревращаемости элементарных частиц и даже в какой-то степени методом изучения атомного ядра. В настоящее время основное значение приобретают исследования разрушений атомного ядра бомбардировкой потоками частиц, создаваемых в ускорителях.

Экспериментальные методы, о которых пойдет сейчас речь, одинаково применимы к изучению космических лучей и частиц, возникающих в результате ядерной бомбардировки тех или иных мишеней.

Следовые камеры.

Первым прибором, позволяющим видеть след (трек) частицы, явилась камера Вильсона. Если через камеру, содержащую пересыщенные водяные пары, пролетит быстрая частица, создавшая на своем пути ионы, то за такой частицей остается след, весьма похожий на «хвост», который иногда остается в небе после самолета. Этот след создан сконденсировавшимся паром. Ионы, отмечающие путь частицы, являются центрами конденсации пара - в этом причина возникновения хорошо видимого следа. След частицы можно и наблюдать непосредственно, и фотографировать.

Чтобы регулировать состояние пара в камере, объем камеры меняют движением поршня. Быстрым адиабатическим расширением пар приводится в состояние пересыщения.

Если следовая камера помещена в магнитное поле, то по кривизне траектории можно определять либо скорость частицы при известном отношении либо, наоборот, при известной скорости (ср. формулы на стр. 406).

Камера Вильсона уже принадлежит истории. Поскольку камера заполнена газом, столкновения редки. Очень велико время «очищения» камеры: фотографии могут сниматься лишь через 20 секунд. Наконец, след живет время порядка секунды, что может привести к смещению картин.

В 1950 г. была предложена пузырьковая камера, которая играет большую роль в физике элементарных частиц. Веществом камеры является перегретая жидкость. Заряженная частица образовывает ионы, а около ионов создаются пузырьки, которые и делают след видимым. В такой камере можно получать 10 фотографий в секунду. Самым большим недостатком камеры является невозможность управлять ее включением. Поэтому зачастую нужны тысячи фотографий, чтобы отобрать одну, фиксирующую исследуемое явление.

Большое значение имеют искровые камеры, основанные на ином принципе. Если на плоский конденсатор наложить высокое напряжение, то между пластинами проскочит искра. Если в зазоре имеются ионы, то искра проскочит при меньшем напряжении. Таким образом, ионизующая частица, пролетающая между обкладками, создает искру.

В искровой камере сама частица включает высокое напряжение между обкладками конденсатора на миллионную долю секунды. Однако достоинства в отношении возможности включения в нужный момент ослабляются недостатками: видны лишь частицы, образующие угол не более 45° с пластинками, след очень короток и не все вторичные явления успевают проявить себя.

Недавно советские исследователи предложили новый тип следовой камеры (так называемой стримерной камеры), уже нашедшей широкое применение. Блок-схема такой камеры показана на рис. 237. Частица, попадающая между пластинами, расположенными, в отличие от искровой камеры, на большом расстоянии друг от друга, обнаруживается счетчиком. Электронно-логическое устройство

различает первичные события и выбирает то, которое интересует экспериментатора. В этот момент высокое напряжение на короткое время подается на пластины. Ионы, образовавшиеся на пути прохождения частицы, образуют черточки (стримеры), которые и фотографируются. Путь частицы обрисован этими черточками.

Если фотография снята вдоль направления черточек, то путь частицы выглядит, как пунктирная линия.

Успех работы стримерной камеры зависит от правильной корреляции образования электронной лавины от первичного иона с параметрами импульса высокого напряжения. В смеси 90% неона и 10% гелия при расстоянии между пластинами 30 см хорошие результаты получаются при напряжении 600 000 В и времени импульса При этом импульс должен накладываться не позже чем через с после первичного акта ионизации. Следовая камера этого типа представляет собой сложную дорогую установку, которая ушла так же далеко от камеры Вильсона, как современные ускорители частиц от электронной трубки.

Ионизационные счетчики и ионизационные камеры.

Ионизационное устройство, предназначенное для работы с излучением, большей частью представляет собой цилиндрический конденсатор, наполненный газом; одним электродом является цилиндрическая обкладка, а другим - нить или острие, идущие по оси цилиндра (рис. 237а). Напряжение, прикладываемое к конденсатору, и давление газа, заполняющего счетчик, должны быть подобраны специальным образом в зависимости от постановки задачи. В распространенной разновидности такого устройства, называемой счетчиком Гейгера, к цилиндру и нити прикладывают напряжение пробоя. Если через стенку или через торец такого счетчика в него попадет

ионизующая частица, то через конденсатор пойдет импульс тока, продолжающийся до тех пор, пока первичные электроны и созданные ими электроны и ионы самостоятельного разряда не подойдут к положительной обкладке конденсатора. Этот импульс тока можно усилить обычными радиотехническими методами и фиксировать прохождение частицы через счетчик либо щелчком, либо световой вспышкой, либо, наконец, цифровым счетчиком.

Такое устройство может считать количество частиц, поступающих в прибор. Для этого необходимо лишь одно: импульс тока должен прекратиться к моменту, когда в счетчик поступает следующая частица. Если режим работы счетчика подобран неправильно, то счетчик начинает «захлебываться» и считает неверно. Разрешающая способность ионизационного счетчика ограничена, но все же достаточно велика: до частиц в секунду.

Можно понизить напряжение и добиться такого режима, при котором через конденсатор проходил бы импульс тока, пропорциональный числу образованных ионов (пропорциональный счетчик). Для этого нужно работать в области несамостоятельного газового разряда. Первичные электроны, двигаясь в электрическом поле конденсатора, набирают энергию. Начинается ионизация ударом, создаются новые ионы и электроны. Созданные влетевшей в счетчик частицей начальные пар ионов превращаются в пар ионов. При работе в режиме несамостоятельного разряда коэффициент усиления будет постоянной величиной и пропорциональные счетчики не только установят факт прохождения частицы через счетчик, но и измерят ее ионизующую способность.

Разряд в пропорциональных счетчиках, так же как и в описанных выше счетчиках Гейгера, гаснет с прекращением ионизации. Отличие счетчика Гейгера заключается в том, что в нем влетевшая частица действует наподобие спускового механизма и время пробоя не находится в связи с первоначальной ионизацией.

Так как пропорциональные счетчики реагируют на ионизующую способность частицы, то режим работы счетчика может быть подобран так, чтобы он отмечал только частицы определенного сорта.

Если прибор работает в режиме тока насыщения (чего можно добиться, снижая напряжение), то ток через него является мерой энергии излучения, поглощаемой в объеме прибора за единицу времени. В этом случае устройство называют ионизационной камерой. Коэффициент усиления равняется в этом случае единице. Преимуществом ионизационной камеры является большая устойчивость работы. Конструкции ионизационных камер могут значительно варьировать. Наполнение камеры, материалы стенок, число и форма электродов меняются в зависимости от цели исследования. Наряду с крошечными камерами с объемом порядка кубического миллиметра приходится иметь дело с камерами объемом до сотни метров. Под действием постоянного источника ионизации в камерах возникают токи в пределах от до

Сцинтилляционные счетчики.

Метод счета вспышек флуоресцирующего вещества (сцинтилляций) как средство счета элементарных частиц был впервые применен Резерфордом для его классических исследований строения атомного ядра. Современное воплощение этой идеи мало напоминает простенький прибор Резерфорда.

Частица вызывает световую вспышку в твердом веществе - фосфоре. Известно весьма большое число органических и неорганических веществ, обладающих способностью преобразовывать энергию заряженных частиц и фотонов в световую энергию. Многие фосфоры обладают весьма малой длительностью послесвечения, порядка миллиардных долей секунды. Это позволяет строить сцинтилляционные счетчики с большой скоростью счета. У ряда фосфоров световой выход пропорционален энергии частиц. Это дает возможность конструировать счетчики для оценки энергии частиц.

В современных счетчиках фосфоры комбинируют с фотоумножителями, имеющими обычные фотокатоды, чувствительные к видимому свету. Электрический ток, создаваемый в умножителе, усиливается и далее направляется на счетное приспособление.

Наиболее часто применяемые органические фосфоры: антрацен, стильбен, терфенил и т. д. Все эти химические соединения принадлежат к классу так называемых ароматических соединений, построенных из шестиугольников углеродных атомов. Для применения в качестве сцинтилляторов надо брать эти вещества в виде монокристаллов. Так как выращивание крупных монокристаллов несколько затруднительно и так как кристаллы органических соединений весьма хрупки, то существенный интерес представляет применение пластических сцинтилляторов, - так называют твердые растворы органических фосфоров в прозрачных пластмассах - полистироле или другом аналогичном высокополимерном веществе. Из неорганических фосфоров применяются галогениды щелочных металлов, сернистый цинк, вольфраматы щелочноземельных металлов.

Счетчики Черенкова.

Еще в 1934 г. Черенковым было показано, что при движении быстрой заряженной частицы в совершенно чистом жидком или твердом диэлектрике возникает особое свечение, принципиально отличное как от свечения флуоресценции, связанного с энергетическими переходами в атомах вещества, так и от тормозного излучения типа рентгеновского сплошного спектра. Излучение Черенкова имеет место в том случае, если заряженная частица движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в диэлектрике. Основная особенность излучения состоит в том, что оно распространяется вдоль конической поверхности вперед по направлению движения частицы. Угол конуса определяется формулой:

где есть угол образующей конуса с направлением движения частицы, V - скорость частицы, скорость света в среде. Таким образом, для среды с данным показателем преломления существует критическая скорость ниже которой излучения не будет. При этой критической скорости излучение будет параллельно направлению движения частицы. Для частицы, движущейся со скоростью, весьма близкой к скорости света будет наблюдаться максимальный угол излучения Для циклогексана

Спектр излучения Черенкова, как показывают опыт и теория, располагается в основном в видимой области.

Излучение Черенкова - явление, похожее на образование носовой волны от корабля, движущегося по воде; в этом случае скорость корабля больше, чем скорость волн на поверхности воды.

Рис. 2376 иллюстрирует происхождение излучения. Заряженная частица движется вдоль осевой линии и по пути электромагнитное поле, следующее за частицей, временно поляризует среду в точках траектории частицы.

Все эти точки становятся источниками сферических волн. Имеется один единственный угол, при котором эти сферические волны совпадут по фазе и образуют единый фронт.

Рассмотрим две точки на пути заряженной частицы (рис. 237в). Они создали сферические волны, одна в момент времени другая в момент времени Очевидно, есть время, которое затратила частица на прохождение пути между этими двумя точками. Для того чтобы эти две волны распространялись под каким-то углом 9 в одной фазе, необходимо, чтобы время хода первого луча было больше времени хода второго луча на время Путь, пройденный частицей за время равен Волна пройдет за это же время расстояние Отсюда мы и получаем приведенную выше формулу:

Излучение Черенкова используется в последнее время весьма широко как способ регистрации элементарных частиц. Счетчики, основанные на этом явлении, называются черепковскими счетчиками. Светящееся вещество соединяется, так же как и в сцинтилляционных счетчиках, с фотоумножителями и усилителями

фотоэлектрического тока. Существует множество конструкций счетчиков Черенкова.

У счетчиков Черенкова имеется множество преимуществ. К ним относятся быстрая скорость счета и возможность определения зарядов частиц, движущихся со скоростью, весьма близкой к скорости света (мы не сказали, что световой выход резко зависит от заряда частицы). Только при помощи счетчиков Черенкова могут решаться такие важные задачи как прямое определение скорости заряженной частицы, определение направления, в котором движется ультрабыстрая частица, и т. д.

Размещение счетчиков.

Для того чтобы изучать различные процессы превращения и взаимодействия элементарных частиц, необходимо иметь возможность не только отметить появление частицы в данном месте, но и проследить дальнейшую судьбу этой же частицы. Подобные задачи решаются с помощью специальных расположений счетчиков с обобщенной счетной схемой. Например, можно электрические схемы двух или нескольких счетчиков соединить таким способом, чтобы счет происходил лишь в том случае, если разряд во всех счетчиках начинается в точности в одно и то же время. Это может служить доказательством прохождения одной и той же частицы через все счетчики. Такое включение счетчиков называется «включением на совпадение».

Метод толстослойных фотографических эмульсий.

Как известно, фоточувствительным слоем фотопластинок служит желатиновая пленка, в которую введены микрокристаллики бромистого серебра. Основой фотографического процесса является ионизация этих кристалликов, в результате которой происходит восстановление бромистого серебра. Этот процесс происходит не только под действием света, но и под действием заряженных частиц. Если через эмульсию пролетит заряженная частица, то в эмульсии возникнет скрытый след, который можно увидеть после проявления фотопластинки. Следы в фотоэмульсии рассказывают много подробностей о вызвавшей их частице. Сильно ионизующие частицы оставляют более жирные следы. Так как ионизация зависит от заряда и скорости частиц, то уже один только вид следа говорит о многом. Ценные сведения дает величина пробега (трека) частицы в фотоэмульсии; измеряя длину следа, можно определить энергию частицы.

Исследования при помощи обычных фотопластинок с тонкими эмульсиями мало пригодны для целей ядерной физики. Такие пластинки фиксировали бы только те частицы, которые движутся строго вдоль пластинки. Мысовским и Ждановым, а также через несколько лет Пауэллом в Англии были введены в обиход фотопластинки с толщиной эмульсии, близкой к (у обычных пластинок толщина слоя в сто раз меньше). Фотометод ценен своей наглядностью, возможностью наблюдать сложную картину превращения, происходящего при разрушении какой-либо частицы.

На рис. 238 приведена характерная фотография, полученная этим Методом. В точках произошли ядерные превращения.

В последнем варианте этого метода в качестве среды, в которой фиксируются треки частиц, применяют эмульсионные камеры значительного объема.

Методы анализа наблюдений.

При помощи описанных приборов исследователь получает возможность определить все важнейшие константы элементарной частицы: скорость и энергию, электрический заряд, массу; все эти параметры могут быть определены с достаточно высокой точностью. При наличии потока частиц можно, кроме того, определить значение спина элементарной частицы и ее магнитного момента. Это делается тем же опытом расщепления пучка в магнитном поле, который был описан на стр. 171.

Следует помнить, что непосредственно наблюдаются лишь заряженные частицы. Все данные о нейтральных частицах и о фотонах получаются косвенно изучением характера действия этих невидимых частиц на заряженные. Данные, получаемые о невидимых частицах, обладают, тем не менее, большой степенью достоверности.

Существенную роль при исследовании всякого рода превращений элементарных частиц играет применение законов сохранения импульса и энергии. Так как мы имеем дело с быстрыми частицами, то, применяя закон сохранения энергии, необходимо учитывать возможное изменение массы.

Предположим, что на фотографии наблюдается след частиц в виде «вилки». Первая частица превратилась в две частицы: вторую и третью. Тогда должны выполняться следующие соотношения. Во-первых, импульс первой частицы должен равняться векторной сумме импульсов возникших частиц:

где разность масс

Весь опыт ядерной физики показывает, что законы сохранения выполняются неукоснительно при любых превращениях элементарных частиц. Это позволяет воспользоваться этими законами для выяснения свойств нейтральной частицы, не оставляющей следа в фотографической эмульсии и не ионизующей газа. Если на фотопластинке наблюдаются два расходящихся трека, то исследователю ясно: в точке, откуда эти следы расходятся, произошло превращение нейтральной частицы. Определяя импульсы, энергии и массы возникших частиц, можно сделать уверенные выводы о значении параметров нейтральной частицы. Так был открыт нейтрон, такими способами мы судим о нейтрино и нейтральных мезонах, о которых будет рассказано ниже.

Экспериментальные методы и средства исследования частиц

Конкурс "Я иду на урок"

Г.Г.Емелина,
школа им. Героя России И.В.Сарычева,
г. Кораблино, Рязанская обл.

Экспериментальные методы и средства исследования частиц

Открытый урок. 9-й класс

Хотя предлагаемая тема в соответствии с программой изучается в 9-м классе, материал будет интересен и для уроков в 11-м классе. – Ред.

Образовательные цели урока: ознакомить учащихся с устройствами регистрирации элементарных частиц, раскрыть принципы их работы, научить по трекам определять и сравнивать скорость, энергию, массу, заряд элементарных частиц и их отношение.

План-конспект урока

Выполняя домашнее задание, ребята вспомнили и нашли примеры неустойчивых систем (см. рисунки) и способы выведения их из неустойчивого состояния.

Провожу фронтальный опрос:

Как получить пересыщенный пар? (Ответ. Резко увеличить объём сосуда. При этом температура понизится и пар станет пересыщенным.

Что произойдёт с пересыщенным паром, если в нём появится частица? (Ответ. Она явится центром конденсации, на ней образуется роса.)

Как влияет магнитное поле на движение заряженной частицы? (Ответ. В поле скорость частицы меняется по направлению, но не по модулю.)

Как называется сила, с которой магнитное поле действует на заряженную частицу? Куда она направлена? (Ответ. Это сила Лоренца; она направлена к центру окружности.)

При объяснении нового материала использую опорный конспект: большой плакат с ним висит у доски, копии – у каждого учащегося (они возьмут их с собой на дом, занесут в тетрадь и на следующем уроке возвратят учителю). Рассказываю о сцинтилляционном счётчике и счётчике Гейгера, стараясь сэкономить время на работу с фотографиями треков. Опираюсь на знания детей о напряжении в цепи при последовательном соединении. Примерный текст: «Простейшим средством регистрации излучений был экран, покрытый люминесцирующим веществом (от лат. lumen – свет). Это вещество светится при ударе о него заряженной частицы, если энергии этой частицы достаточно для возбуждения атомов вещества. В том месте, куда частица попадает, возникает вспышка – сцинтилляция (от лат. scintillatio – сверкание, искрение). Такие счётчики и получили название сцинтилляционные. Работа всех остальных приборов основана на ионизации атомов вещества пролетающими частицами.

Первый прибор для регистрации частиц был изобретён Гейгером и усовершенствован Мюллером. Счётчик Гейгера–Мюллера (регистрирует и считает частицы) представляет собой заполненный инертным газом (например, аргоном) металлический цилиндр с изолированной от стенок металлической же нитью внутри. На корпус цилиндра подаётся отрицательный потенциал, а на нить – положительный, так что между ними создаётся напряжение около 1500 В, высокое, но недостаточное для ионизации газа. Пролетающая через газ заряженная частица ионизирует его атомы, между стенками и нитью возникает разряд, цепь замыкается, идёт ток, и на нагрузочном резисторе сопротивлением R создаётся падение напряжения UR = IR, которое снимается регистрирующим устройством. Так как прибор и резистор соединены последовательно (Uист = UR + Uприб), то с увеличением UR напряжение Uприб между стенками цилиндра и нитью уменьшается, и разряд быстро прекращается, а счётчик снова готов к работе.

В 1912 г. была предложена камера Вильсона – прибор, который физики называли удивительным инструментом.

Ученик делает 2–3-минутное сообщение, подготовленное заранее и показывающее значение камеры Вильсона для изучения микромира, её недостатки и необходимость усовершенствования. Кратко знакомлю с устройством камеры, показываю её, чтобы учащиеся имели в виду при подготовке домашнего задания, что камера может быть выполнена по-разному (в учебнике – в виде цилиндра с поршнем). Примерный текст: «Камера представляет собой металлическое или пластмассовое кольцо 1, плотно закрытое сверху и снизу стеклянными пластинками 2. Пластинки крепятся к корпусу через два (верхнее и нижнее) металлических кольца 3 четырьмя болтами 4 с гайками. На боковой поверхности камеры есть патрубок для присоединения резиновой груши 5. Внутри камеры размещают радиоактивный препарат. Верхняя стеклянная пластинка имеет на внутренней поверхности прозрачный токопроводящий слой. Внутри камеры размещена металлическая кольцевая диафрагма с рядом щелей. Она прижимается гофрированной диафрагмой 6, которая является боковой стенкой рабочего пространства камеры и служит для устранения вихревых движений воздуха».

Ученик проводит инструктаж по технике безопасности, а затем – опыт, который раскрывает принцип действия камеры Вильсона и наглядно показывает, что твёрдые частицы или ионы могут быть центрами конденсации. Стеклянную колбу ополаскивают водой и укрепляют вверх дном в лапке штатива. Устанавливают подсвет. Отверстие колбы закрывают резиновой пробкой, в которую вставляют резиновую грушу. Сначала грушу медленно сжимают, а затем быстро отпускают – никаких изменений в колбе не наблюдается. Колбу открывают, к горловине подносят горящую спичку, снова закрывают и повторяют опыт. Теперь при расширении воздуха колба наполняется густым туманом.

Рассказываю принцип действия камеры Вильсона, используя результаты опыта. Ввожу понятие трек частицы. Делаем вывод, что частицы и ионы могут быть центрами конденсации. Примерный текст: «При быстром отпускании груши (процесс адиабатный, т.к. не успевает произойти теплообмен с окружающей средой) смесь расширяется и охлаждается, поэтому воздух в камере (колбе) становится перенасыщен парами воды. Но пары не конденсируются, т.к. нет центров конденсации: ни пылинок, ни ионов. После введения в колбу частиц копоти из пламени спички и ионов при нагреве перенасыщенный водяной пар конденсируется на них. То же происходит, если через камеру пролетает заряженная частица: она ионизирует на своём пути молекулы воздуха, на цепочке ионов происходит конденсация паров, и траектория движения частицы внутри камеры отмечается нитью из капелек тумана, т.е. становится видимой. С помощью камеры Вильсона можно не только увидеть движение частиц, но понять характер их взаимодействия с другими частицами».

Ещё один ученик показывает опыт с кюветой.

Самодельную кювету со стеклянным дном устанавливают на аппарате с приспособлением для горизонтального проецирования. На стекло кюветы пипеткой наносят капли воды, толкают шарик. Шарик на своём пути отрывает от капелек «осколки» и оставляет «трек». Аналогично в камере частица ионизирует газ, ионы становятся центрами конденсации и тоже «делают трек». Этот же опыт даёт наглядное представление о поведении частиц в магнитном поле. При анализе опыта заполняем пустые места на втором плакате с характеристиками движения заряженных частиц:

Длина трека тем больше, чем больше (энергия) частицы и чем меньше (плотность среды).

Толщина трека тем больше, чем больше (заряд) частицы и чем меньше её (скорость).

При движении заряженной частицы в магнитном поле трек получается искривлённым, причём радиус кривизны трека тем больше, чем больше (масса) и (скорость) частицы и чем меньше её (заряд) и (модуль индукции) магнитного поля.

Частица движется от конца трека с (большим) радиусом кривизны к концу с (меньшим) радиусом кривизны. Радиус кривизны по мере движения уменьшается, т.к. из-за сопротивления среды (уменьшается) скорость частицы.

Затем рассказываю о недостатках камеры Вильсона (главный – малый пробег частиц) и о необходимости изобретения устройства с более плотной средой – перегретой жидкостью (пузырьковая камера), фотоэмульсией. Их принцип работы тот же, и я предлагаю ребятам изучить его самостоятельно дома.

Провожу работу с фотографиями треков на с. 242 учебника по рис. 196. Ребята работают парами. Заканчивают работу по оставшимся рисункам дома.

Подводим итоги урока. Делаем вывод, что с помощью рассмотренных методов можно непосредственно наблюдать только заряженные частицы. Нейтральные – нельзя, они не ионизируют вещество и, следовательно, не дают треков. Выставляю оценки.

Домашнее задание: § 76 (Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. Физика-11. – М.: Просвещение, 1991), № 1163 по задачнику А.П.Рымкевича; ЛР № 6 «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям». Оформить и выучить ОК.

ОБ АВТОРЕ. Галина Геннадьевна Емелина – учитель I квалификационной категории, педагогический стаж 16 лет. Активно выступает на заседаниях районного методического объединения учителей физики; не раз давала хорошие открытые уроки для физиков района и учителей своей школы. Её любят и уважают ученики.