Презентация по физике 11 класса "Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц"

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

Федоров А.М. – учитель физики Кюкяйской СОШ Сунтарского улуса Республик Саха

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 (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, 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.

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.

Камера Вильсона

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.

Камера Вильсона в магнитном поле

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

Пузырьковая камера была изобретена в 1952 году американским физиком Дональдом Глазером. За своё изобретение учёный получил Нобелевскую премию по физике в 1960 году.
Луис Альварес усовершенствовал пузырьковую камеру, используя в качестве перегретой жидкости водород. Он первым применил компьютерную программу для обработки данных, что позволило делать это намного быстрее.
Пузырьковая камера используется для регистрации треков частиц высокой энергии.
Устройство прибора
Является разновидностью камеры Вильсона. Первая модификация пузырьковой камеры состояла из металлической камеры со стеклянными окнами для освещения и фотографирования, заполненной жидким водородом. Позднее камеры усовершенствовались.
Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии, близком к вскипанию. При резком понижении давления жидкость становится перегретой и существует в таком состоянии некоторое время (10–40 мс). При движении заряженной частицы в такой жидкости вдоль её траектории образуется ряд пузырьков пара.
После фотографирования трека давление поднимается, пузырьки исчезают, камера готова к регистрации следующей ионизирующей частицы. Весь цикл работы составляет менее 1 секунды.
Если пузырьковую камеру поместить в сильное магнитное поле, то по радиусу кривизны траектории можно определить импульс заряженной частицы.

Пузырьковая камера

Преимущества
Обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.
Высокая точность измерения импульсов регистрируемых частиц.
Одинаковая чувствительность к регистрации частиц по всем направлениям.

Недостатки
Меньшая длина треков, чем в камере Вильсона.
Низкая управляемость процессом отбора для регистрации взаимодействия частиц.

Старая пузырьковая камера Лаборатории им. Энрико Ферми

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.

Метод толстослойных фотоэмульсий

Преимущество фотоэмульсий в том, что время экспозиции может быть сколь угодно большим и можно регистрировать траектории всех частиц, пролетевших сквозь фотопластинку за время наблюдения; эмульсия не требует процедур, которые приводили бы ее в рабочее состояние; данный метод дает неисчезающий след частицы, который потом можно тщательно изучать. Всё это позволяет регистрировать редкие явления.

Недостатком метода является длительность и сложность химической обработки фотопластинок и главное — много времени требуется для рассмотрения каждой пластинки в сильном микроскопе.

Упражнения

1. Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на
конденсации перенасыщенного пара, называется
А.Фотокамера Б.Камера Вильсона В.Толстослойная фотоэмульсия
Г.Счетчик Гейгера Д. Пузырьковая камера
2.Прибор для регистрации ядерных излучений, в котором прохождение быстрой заряженной
частицы вызывает появление следа из капель жидкости в газе, называется
А. Счетчик Гейгера Б. Камера Вильсона В.Толстослойная фотоэмульсия
Г. Пузырьковая камера Д.Экран, покрытый сернистым цинком
3.В каком из перечисленных ниже приборов для регистрации ядерных излучений
прохождение быстрой заряженной частицы вызывает появление импульса электрического
тока в газе?
А.В счетчике Гейгера Б.В камере Вильсона В. В фотоэмульсии
Г. В сцинтилляционном счетчике.
4. Фотоэмульсионный метод регистрации заряженных частиц основан на
А. Ударной ионизации. Б. Расщеплении молекул движущейся заряженной частицей.
  В.Образовании пара в перегретой жидкости.  Г.Конденсации перенасыщенных паров.
Д. Выделении энергии частицей
5. Заряженная частица вызывает появление следа из пузырьков пара жидкости в
А.Счетчике Гейгера. Б.Камере Вильсона В. Фотоэмульсии.
Г. Сцинтилляционном счетчике. Д. Пузырьковой камере

Упражнения

Упражнения

Использованные ссылки

https://mydozimetr.ru/upload/iblock/fdd/fdd0b2592934c4f38d26fafea07eee1f.jpg
https://www.yaklass.ru/p/fizika/9-klass/kvantovye-iavleniia-344899/metody-nabliudeniia-i-registratcii-chastitc-v-iadernoi-fizike-551054/re-9e109e34-b433-432a-93a1-0010321d16f3
http://digitrode.ru/uploads/posts/2018-10/1539574483_geiger.jpg
https://scask.ru/archive/arch.php?path=../htm/sernam/book_phis_t3/files.book&file=phis_t3_213.files/image016.jpg
https://www.yaklass.ru/p/fizika/9-klass/kvantovye-iavleniia-344899/metody-nabliudeniia-i-registratcii-chastitc-v-iadernoi-fizike-551054/re-3fb5c8f5-1a2b-4308-aae8-6dd698522386/pe?resultId=3777287834&c=1
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/76/Liquid_hydrogen_bubblechamber.jpg/200px-Liquid_hydrogen_bubblechamber.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3f/Fermilab.jpg/800px-Fermilab.jpg
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Liquid_hydrogen_bubblechamber.jpg?uselang=ru
http://phys.vspu.ac.ru/for%20students/TSOR/Kutseva/registratsya_chastits/%D1%8D%D0%BC-3.png
https://kopilkaurokov.ru/fizika/testi/11_kl_tiest_mietody_rieghistratsii_eliemientarnykh_chastits