Камера вильсона представляет собой сосуд

Подробности

Просмотров: 394

«Физика – 11 класс»

Выражения атомное ядро и элементарные частицы уже неоднократно упоминались.
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.

Благодаря устройствам для регистрации и изучения столкновений и взаимных превращений ядер и элементарных частиц возникла и начала развиваться физика атомного ядра и элементарных частиц.

Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц

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 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, α-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 разряд 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 γ-квантов (фотонов большой энергии).

В настоящее время созданы счетчики, работающие на иных 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.

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.
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.

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.
Заряженные частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара.
В 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.

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.
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 α-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.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц —
Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения —
Радиоактивные превращения —
Закон радиоактивного распада. Период полураспада —
Открытие нейтрона —
Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы —
Энергия связи атомных ядер —
Ядерные реакции —
Деление ядер урана —
Цепные ядерные реакции —
Ядерный реактор —
Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии —
Получение радиоактивных изотопов и их применение —
Биологическое действие радиоактивных излучений —
Краткие итоги главы —
Три этапа в развитии физики элементарных частиц —
Открытие позитрона. Античастицы