Eksperimentalne metode proučavanja čestica. Metode snimanja nabijenih čestica Koje metode korištenja nabijenih čestica poznajete?

Natrag naprijed

Pažnja! Pregledi slajdova služe samo u informativne svrhe i možda neće predstavljati sve značajke prezentacije. Ako ste zainteresirani za ovaj rad, preuzmite punu verziju.

Vrsta lekcije: sat učenja novog gradiva.

Vrsta lekcije: kombinirani.

Tehnologija: problemsko-dijaloški.

Svrha lekcije: organizirati aktivnosti učenika za proučavanje i početno učvršćivanje znanja o metodama snimanja nabijenih čestica.

Oprema: računalo i multimedijski projektor, Prezentacija .

Metode detekcije nabijenih čestica

Danas se čini gotovo nevjerojatnim koliko je otkrića u fizici atomske jezgre napravljeno korištenjem prirodnih izvora radioaktivnog zračenja s energijama od samo nekoliko MeV i jednostavnim uređajima za detekciju. Otkrivena je atomska jezgra, dobivene su njezine dimenzije, prvi put je uočena nuklearna reakcija, otkriven je fenomen radioaktivnosti, otkriveni su neutron i proton, predviđeno je postojanje neutrina itd. Dugo je vremena glavni detektor čestica bila ploča na koju je nanesen sloj cinkovog sulfida. Čestice su registrirane okom bljeskovima svjetlosti koje su proizvele u cinkovom sulfidu.

S vremenom su eksperimentalne postavke postajale sve složenije. Razvijena je tehnologija akceleracije i detekcije čestica te nuklearna elektronika. Napredak nuklearne fizike i fizike čestica sve je više određen napretkom u tim područjima. Nobelove nagrade za fiziku često se dodjeljuju za rad u području fizikalnih eksperimentalnih tehnika.

Detektori služe kako za registraciju same činjenice prisutnosti čestice tako i za određivanje njene energije i momenta, putanje čestice i drugih karakteristika. Za registraciju čestica često se koriste detektori koji su maksimalno osjetljivi na detekciju pojedine čestice i ne osjećaju veliku pozadinu koju stvaraju druge čestice.

Obično je u eksperimentima nuklearne fizike i fizike čestica potrebno izolirati "potrebne" događaje iz ogromne pozadine "nepotrebnih" događaja, možda jedan u milijardu. Za to se koriste različite kombinacije brojača i metoda registracije.

Detekcija nabijenih čestica temelji se na fenomenu ionizacije ili ekscitacije atoma, koju oni uzrokuju u tvari detektora. To je osnova za rad takvih detektora kao što su oblačna komora, komora s mjehurićima, komora iskre, fotografske emulzije, plinski scintilacijski i poluvodički detektori.

1. Geigerov brojač

Geigerov brojač je, u pravilu, cilindrična katoda, duž čije je osi zategnuta žica - anoda. Sustav je ispunjen plinskom smjesom. Prolazeći kroz brojač, nabijena čestica ionizira plin. Nastali elektroni, krećući se prema pozitivnoj elektrodi - filamentu, ulazeći u područje jakog električnog polja, ubrzavaju se i zauzvrat ioniziraju molekule plina, što dovodi do koronskog pražnjenja. Amplituda signala doseže nekoliko volti i lako se bilježi. Geigerov brojač bilježi činjenicu da čestica prolazi kroz brojač, ali ne mjeri energiju čestice.

2. Oblačna komora

Oblačna komora je detektor tragova elementarnih nabijenih čestica, u kojem je trag (trag) čestice formiran lancem malih kapljica tekućine duž putanje njenog kretanja. Izumio ga je Charles Wilson 1912. (Nobelova nagrada 1927.).

Princip rada oblačne komore temelji se na kondenzaciji prezasićene pare i stvaranju vidljivih kapljica tekućine na ionima duž traga nabijene čestice koja leti kroz komoru. Da bi se stvorila prezasićena para, dolazi do brzog adijabatskog širenja plina pomoću mehaničkog klipa. Nakon fotografiranja staze, plin u komori se ponovno komprimira, a kapljice na ionima ispare. Električno polje u komori služi za “čišćenje” komore od iona nastalih tijekom prethodne ionizacije plina. U komori oblaka tragovi nabijenih čestica postaju vidljivi zbog kondenzacije prezasićene pare na ionima plina koje formira nabijena čestica. Na ionima se stvaraju kapljice tekućine koje rastu do veličine dovoljne za promatranje (10 –3 -10 –4 cm) i fotografiranje pri dobrom osvjetljenju. Radni medij je najčešće mješavina vode i alkoholne pare pod tlakom od 0,1-2 atmosfere (vodena para se kondenzira uglavnom na negativne ione, alkoholna para na pozitivne). Supersaturacija se postiže naglim smanjenjem tlaka zbog ekspanzije radnog volumena. Mogućnosti oblačne komore značajno se povećavaju kada se stave u magnetsko polje. Na temelju putanje nabijene čestice zakrivljene magnetskim poljem određuju se predznak njezina naboja i količina gibanja. Koristeći komoru s oblakom 1932. K. Anderson otkrio je pozitron u kozmičkim zrakama.

3. Komora s mjehurićima

Komora s mjehurićima– detektor tragova elementarnih nabijenih čestica, kod kojeg trag (trag) čestice tvori lanac mjehurića pare duž putanje njezina kretanja. Izumio A. Glaser 1952. (Nobelova nagrada 1960.).

Princip rada temelji se na vrenju pregrijane tekućine duž staze nabijene čestice. Komora s mjehurićima je posuda ispunjena prozirnom pregrijanom tekućinom. Naglim padom tlaka nastaje lanac mjehurića pare duž staze ionizirajuće čestice, koji se osvjetljavaju vanjskim izvorom i fotografiraju. Nakon snimanja traga, tlak u komori raste, mjehurići plina kolabiraju i aparat je ponovno spreman za korištenje. Kao radna tekućina u komori koristi se tekući vodik, koji ujedno služi i kao vodikova meta za proučavanje interakcije čestica s protonima.

Komora s oblakom i komora s mjehurićima imaju veliku prednost jer se sve nabijene čestice proizvedene u svakoj reakciji mogu izravno promatrati. Da bi se odredila vrsta čestice i njezina količina gibanja, oblačne komore i komore s mjehurićima stavljaju se u magnetsko polje. Komora s mjehurićima ima veću gustoću materijala detektora u usporedbi s komorom s oblakom i stoga su staze nabijenih čestica u potpunosti sadržane u volumenu detektora. Dešifriranje fotografija iz komora s mjehurićima predstavlja zaseban, naporan problem.

4. Nuklearne emulzije

Slično, kao što se događa u običnoj fotografiji, nabijena čestica na svom putu remeti strukturu kristalne rešetke zrnaca srebrnog halida, čineći ih sposobnima za razvoj. Nuklearna emulzija jedinstveno je sredstvo za snimanje rijetkih događaja. Hrpe nuklearnih emulzija omogućuju otkrivanje čestica vrlo visokih energija. Uz njihovu pomoć moguće je odrediti koordinate staze nabijene čestice s točnošću od ~1 mikrona. Nuklearne emulzije naširoko se koriste za otkrivanje kozmičkih čestica na sondirajućim balonima i svemirskim letjelicama.
Fotografske emulzije kao detektori čestica donekle su slične oblačnim komorama i komorama s mjehurićima. Prvi ih je upotrijebio engleski fizičar S. Powell za proučavanje kozmičkih zraka. Fotografska emulzija je sloj želatine u kojem su raspršena zrnca srebrnog bromida. Pod utjecajem svjetla u zrncima srebrnog bromida stvaraju se latentni centri slike koji pridonose redukciji srebrnog bromida u metalno srebro kada se razvijaju konvencionalnim fotografskim razvijačem. Fizikalni mehanizam nastanka ovih centara je stvaranje metalnih atoma srebra zbog fotoelektričnog efekta. Ionizacija koju proizvode nabijene čestice daje isti rezultat: pojavljuje se trag senzibiliziranih zrnaca, koji se nakon razvoja mogu vidjeti pod mikroskopom.

5. Scintilacijski detektor

Scintilacijski detektor koristi svojstvo određenih tvari da svijetle (scintiliraju) kada nabijena čestica prolazi kroz njih. Svjetlosni kvanti proizvedeni u scintilatoru zatim se snimaju pomoću fotomultiplikatorskih cijevi.

Suvremene mjerne instalacije u fizici visokih energija složeni su sustavi koji uključuju desetke tisuća brojača, složenu elektroniku i sposobne su istovremeno bilježiti desetke čestica nastalih u jednom sudaru.

>> Metode promatranja i snimanja elementarnih čestica

Poglavlje 13. FIZIKA ATOMSKE JEZGRE

Pojmovi atomska jezgra i elementarne čestice već su nekoliko puta spomenuti. Znate da se atom sastoji od jezgre i elektrona. Sama atomska jezgra sastoji se od elementarnih čestica, neutrona i protona. Grana fizike koja proučava strukturu i transformaciju atomskih jezgri naziva se nuklearna fizika. U početku nije postojala podjela između nuklearne fizike i fizike elementarnih čestica. S raznolikošću svijeta elementarnih čestica fizičari su se susreli proučavajući nuklearne procese. Odvajanje fizike elementarnih čestica u samostalno područje proučavanja dogodilo se oko 1950. godine. Danas postoje dvije neovisne grane fizike: sadržaj jedne od njih je proučavanje atomskih jezgri, a sadržaj druge je proučavanje atomskih jezgri. priroda, svojstva i međusobne pretvorbe elementarnih čestica.

§ 97. METODE PROMATRANJA I REGISTRACIJE ELEMENTARNIH ČESTICA

Prvo, upoznajmo se s uređajima zahvaljujući kojima je nastala i počela se razvijati fizika atomske jezgre i elementarnih čestica. To su uređaji za snimanje i proučavanje sudara i međusobnih transformacija jezgri i elementarnih čestica. Oni su ti koji ljudima daju potrebne informacije o mikrosvijetu.

Princip rada uređaja za snimanje elementarnih čestica. Svaki uređaj koji detektira elementarne čestice ili pokretne atomske jezgre je poput napunjenog pištolja s napetim čekićem. Mala količina sile pri pritisku na okidač pištolja uzrokuje učinak koji se ne može usporediti s uloženim naporom - pucanjem.

Uređaj za snimanje je više ili manje složen makroskopski sustav koji može biti u nestabilnom stanju. Malim poremećajem uzrokovanim prolaznom česticom počinje proces prijelaza sustava u novo, stabilnije stanje. Ovaj proces omogućuje registraciju čestice. Trenutno se koriste mnoge različite metode detekcije čestica.

Ovisno o namjeni pokusa i uvjetima u kojima se provodi, koriste se određeni uređaji za snimanje koji se međusobno razlikuju po svojim glavnim karakteristikama.

Geigerov brojač s izbojem u plinu. Geigerov brojač jedan je od najvažnijih uređaja za automatsko brojanje čestica.

Brojač (sl. 13.1) sastoji se od staklene cijevi obložene s unutarnje strane metalnim slojem (katoda) i tanke metalne niti koja ide uzduž osi cijevi (anoda). Cijev je napunjena plinom, obično argonom. Brojač radi na temelju udarne ionizacije. Nabijena čestica (elektron, -čestica, itd.), leteći kroz plin, uklanja elektrone iz atoma i stvara pozitivne ione i slobodne elektrone. Električno polje između anode i katode (na njih se dovodi visoki napon) ubrzava elektrone do energija pri kojima počinje udarna ionizacija. Dolazi do lavine iona, a struja kroz brojač naglo raste. U tom slučaju, naponski impuls se stvara preko otpornika opterećenja R, koji se dovodi u uređaj za snimanje.

Kako bi brojač registrirao sljedeću česticu koja ga pogodi, lavinsko pražnjenje se mora ugasiti. To se događa automatski. Budući da je u trenutku pojave strujnog impulsa pad napona na otporniku opterećenja R velik, napon između anode i katode naglo opada - toliko da se pražnjenje zaustavlja.

Geigerov brojač koristi se uglavnom za snimanje elektrona i -kvanta (fotona visoke energije).

Trenutno su stvorena brojila koja rade na istim principima.

Wilsonova komora. Brojači vam omogućuju samo registraciju činjenice da čestica prolazi kroz njih i zabilježite neke od njezinih karakteristika. U komori oblaka, stvorenoj 1912., brza nabijena čestica ostavlja trag koji se može izravno promatrati ili fotografirati. Ovaj uređaj možemo nazvati prozorom u mikrosvijet, odnosno svijet elementarnih čestica i sustava koji se od njih sastoje.

Princip rada oblačne komore temelji se na kondenzaciji prezasićene pare na ionima kako bi se formirale kapljice vode. Ove ione stvara duž svoje putanje pokretna nabijena čestica.

Oblačna komora je hermetički zatvorena posuda ispunjena vodom ili alkoholnom parom blizu zasićenja (slika 13.2). Kada se klip naglo spusti, uzrokovano smanjenjem tlaka ispod njega, para u komori se adijabatski širi. Kao rezultat toga dolazi do hlađenja i para postaje prezasićena. Ovo je nestabilno stanje pare: lako se kondenzira ako se u posudi pojave centri kondenzacije. Centri
kondenzacije postaju ioni, koji se formiraju u radnom prostoru komore pomoću leteće čestice. Ako čestica uđe u komoru odmah nakon što se para proširi, tada se na njenom putu pojavljuju kapljice vode. Te kapljice tvore vidljivi trag leteće čestice - trag (sl. 13.3). Komora se zatim vraća u prvobitno stanje, a ioni se uklanjaju pomoću električnog polja. Ovisno o veličini kamere, vrijeme vraćanja u radni način rada varira od nekoliko sekundi do desetaka minuta.

Informacije koje pružaju staze u komori oblaka mnogo su bogatije od onih koje mogu pružiti brojači. Po duljini staze može se odrediti energija čestice, a po broju kapljica po jedinici duljine staze njezina brzina. Što je duži trag čestice, veća je njena energija. Što se više kapljica vode formira po jedinici duljine staze, to je manja njezina brzina. Čestice s većim nabojem ostavljaju deblji trag.

Sovjetski fizičari P. L. Kapitsa i D. V. Skobeltsyn predložili su postavljanje komore oblaka u jednolično magnetsko polje.

Magnetsko polje djeluje na pokretnu nabijenu česticu određenom silom (Lorentzova sila). Ta sila savija putanju čestice bez promjene modula njezine brzine. Što je veći naboj čestice i manja njena masa, veća je zakrivljenost staze. Iz zakrivljenosti staze može se odrediti omjer naboja čestice i njezine mase. Ako je jedna od ovih veličina poznata, onda se druga može izračunati. Na primjer, iz naboja čestice i zakrivljenosti njezine staze može se odrediti masa čestice.

Komora s mjehurićima. Godine 1952. američki znanstvenik D. Glaser predložio je korištenje pregrijane tekućine za otkrivanje tragova čestica. U takvoj tekućini na ionima (centrima isparavanja) nastalim tijekom gibanja brzo nabijene čestice pojavljuju se mjehurići pare, dajući vidljiv trag. Komore ovog tipa zvale su se komore s mjehurićima.

U početnom stanju tekućina u komori je pod visokim tlakom koji sprječava njeno vrenje, unatoč činjenici da je temperatura tekućine nešto viša od vrelišta pri atmosferskom tlaku. S oštrim smanjenjem tlaka, tekućina postaje pregrijana i kratko vrijeme će biti u nestabilnom stanju. Nabijene čestice koje lete u ovom trenutku uzrokuju pojavu tragova koji se sastoje od mjehurića pare (slika 1.4.4). A tekućine koje se koriste uglavnom su tekući vodik i propan. Radni ciklus komore s mjehurićima je kratak - oko 0,1 s.

Prednost komore s mjehurićima u odnosu na Wilsonovu komoru je zbog veće gustoće radne tvari. Kao rezultat toga, putovi čestica su prilično kratki, a čestice čak i visokih energija zaglave u komori. To omogućuje promatranje niza uzastopnih transformacija čestice i reakcija koje ona uzrokuje.

Tragovi komore oblaka i komore mjehurića jedan su od glavnih izvora informacija o ponašanju i svojstvima čestica.

Promatranje tragova elementarnih čestica ostavlja snažan dojam i stvara osjećaj neposrednog kontakta s mikrokozmosom.

Metoda debeloslojnih fotografskih emulzija. Za detekciju čestica, uz oblačne komore i komore s mjehurićima, koriste se debeloslojne fotografske emulzije. Ionizirajuće djelovanje brzih nabijenih čestica na emulziju fotografske ploče omogućilo je francuskom fizičaru A. Becquerelu da 1896. godine otkrije radioaktivnost. Metodu fotoemulzije razvili su sovjetski fizičari L. V. Mysovsky, G. B. Zhdanov i drugi.

Fotografska emulzija sadrži velik broj mikroskopskih kristala srebrnog bromida. Brzo nabijena čestica, prodirući u kristal, uklanja elektrone iz pojedinačnih atoma broma. Lanac takvih kristala tvori latentnu sliku. Kada se razvije, metalno srebro se obnavlja u ovim kristalima i lanac srebrnih zrnaca formira trag čestica (Sl. 13.5). Duljina i debljina traga mogu se koristiti za procjenu energije i mase čestice.

Zbog velike gustoće fotografske emulzije tragovi su vrlo kratki (oko 10 -3 cm za -čestice koje emitiraju radioaktivni elementi), ali se prilikom fotografiranja mogu povećati.

Prednost fotografskih emulzija je što vrijeme ekspozicije može biti koliko god želite. To omogućuje snimanje rijetkih događaja. Također je važno da se zbog velike zaustavne moći fotoemulzija povećava broj uočenih zanimljivih reakcija između čestica i jezgri.

Nismo govorili o svim uređajima koji snimaju elementarne čestice. Moderni instrumenti za detekciju rijetkih i kratkotrajnih čestica vrlo su sofisticirani. U njihovom stvaranju sudjeluju stotine ljudi.

1. Je li moguće registrirati nenabijene čestice pomoću oblačne komore?
2. Koje prednosti ima komora s mjehurićima u odnosu na Wilsonovu komoru!

Sadržaj lekcije bilješke lekcije prateći okvir lekcija prezentacija metode ubrzanja interaktivne tehnologije Praksa zadaci i vježbe radionice za samotestiranje, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća pitanja za raspravu retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video isječci i multimedija fotografije, slike, grafike, tablice, dijagrami, humor, anegdote, vicevi, stripovi, parabole, izreke, križaljke, citati Dodaci sažetakačlanci trikovi za znatiželjne jaslice udžbenici osnovni i dodatni rječnik pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i nastaveispravljanje grešaka u udžbeniku ažuriranje ulomka u udžbeniku, elementi inovacije u nastavi, zamjena zastarjelih znanja novima Samo za učitelje savršene lekcije kalendarski plan za godinu, metodološke preporuke, programi rasprava Integrirane lekcije

Ciljevi lekcije

Obrazovni: dati ideju o metodama snimanja nabijenih čestica, otkriti značajke svake metode, identificirati glavne obrasce, proučiti primjenu metoda.
Razvojni: razvijati pamćenje, mišljenje, percepciju, pažnju, govor kroz individualnu pripremu za sat; razvijati vještine rada s dodatnom literaturom i internetskim resursima.
Odgojni: razvijati obrazovnu motivaciju, njegovati domoljublje kroz proučavanje doprinosa domaćih znanstvenika svjetskoj znanosti.

Tijekom nastave

І . Upoznati se s teorijskim gradivom.

Teorijske informacije

Za proučavanje nuklearnih pojava razvijene su brojne metode za snimanje elementarnih čestica i zračenja. Pogledajmo neke od njih koji se najčešće koriste.

1) Geigerov brojač s izbojem u plinu

Geigerov brojač jedan je od najvažnijih uređaja za automatsko brojanje čestica. Brojač se sastoji od staklene cijevi obložene s unutarnje strane metalnim slojem (katoda) i tanke metalne niti koja prolazi uzduž osi cijevi (anoda).

Cijev je napunjena plinom, obično argonom. Brojač radi na temelju udarne ionizacije. Nabijena čestica (elektron, Υ-čestica itd.), leteći kroz plin, oduzima elektrone iz atoma i stvara pozitivne ione i slobodne elektrone. Električno polje između anode i katode (na njih se dovodi visoki napon) ubrzava elektrone do energije pri kojoj počinje udarna ionizacija. Dolazi do lavine iona, a struja kroz brojač naglo raste. U tom slučaju, naponski impuls se stvara preko otpornika opterećenja R, koji se dovodi u uređaj za snimanje. Kako bi brojač registrirao sljedeću česticu koja ga pogodi, lavinsko pražnjenje se mora ugasiti. To se događa automatski.

Geigerov brojač koristi se uglavnom za bilježenje elektrona i Y-kvanta (fotona visoke energije). Međutim, Y-kvanti se ne bilježe izravno zbog svoje niske ionizirajuće sposobnosti. Da bi ih se otkrilo, unutarnja stijenka cijevi presvučena je materijalom iz kojeg Y-kvanti izbacuju elektrone.

Brojač registrira gotovo sve elektrone koji ulaze u njega; Što se tiče Y-kvanta, on registrira otprilike samo jedan Y-kvant od stotinu. Registracija teških čestica (npr. J-čestica) je teška, jer je teško napraviti dovoljno tanak “prozor” u brojaču koji je proziran za te čestice.

2) Oblačna komora

Djelovanje oblačne komore temelji se na kondenzaciji prezasićene pare na ionima radi stvaranja kapljica vode. Ove ione stvara duž svoje putanje pokretna nabijena čestica.

Uređaj je cilindar s klipom 1 (slika 2), prekriven ravnim staklenim poklopcem 2. Radni volumen komore ispunjen je plinom, koji sadrži zasićenu paru. Kada se klip brzo pomiče prema dolje, plin u volumenu se adijabatski širi i hladi, pri čemu postaje prezasićen. Kada čestica leti kroz ovaj prostor, stvarajući ione duž svoje staze, tada se na tim ionima stvaraju kapljice kondenzirane pare. Trag putanje čestice (track) pojavljuje se u kameri u obliku trake magle (slika 3), koju je moguće promatrati i fotografirati. Staza postoji desetinke sekunde. Vraćanjem klipa u prvobitni položaj i uklanjanjem iona električnim poljem može se ponovno izvršiti adijabatsko širenje. Stoga se pokusi s kamerom mogu ponavljati.

Ako se kamera postavi između polova elektromagneta, tada se mogućnosti kamere za proučavanje svojstava čestica značajno proširuju. U ovom slučaju Lorentzova sila djeluje na pokretnu česticu, što omogućuje određivanje vrijednosti naboja čestice i njezine količine gibanja iz zakrivljenosti putanje. Slika 4 prikazuje moguću verziju dekodiranja fotografija staza elektrona i pozitrona. Vektor indukcije B magnetskog polja usmjeren je okomito na ravninu crteža iza crteža. Pozitron skreće ulijevo, a elektron udesno.

3 ) Komora s mjehurićima

Razlikuje se od oblačne komore po tome što se prezasićene pare u radnom volumenu komore zamjenjuju pregrijanom tekućinom, tj. tekućina koja je pod tlakom manjim od tlaka svoje zasićene pare.

Proletjevši kroz takvu tekućinu, čestica uzrokuje pojavu mjehurića pare, stvarajući pritom trag (slika 5).

U početnom stanju klip komprimira tekućinu. Uz nagli pad tlaka, vrelište tekućine niže je od temperature okoline.

Tekućina postaje nestabilno (pregrijano) stanje. To osigurava pojavu mjehurića duž putanje čestice. Kao radna smjesa koriste se vodik, ksenon, propan i neke druge tvari.

4) Metoda emulzije debelog filma

Za detekciju čestica, uz oblačne komore i komore s mjehurićima, koriste se debeloslojne fotografske emulzije. Ionizirajuće djelovanje brzonabijenih čestica na emulziju fotografske ploče. Fotografska emulzija sadrži velik broj mikroskopskih kristala srebrnog bromida.

Brzo nabijena čestica, prodirući u kristal, uklanja elektrone iz pojedinačnih atoma broma. Lanac takvih kristala tvori latentnu sliku. Kada se metalno srebro pojavi u tim kristalima, lanac srebrnih zrnaca formira trag čestica.

Duljina i debljina traga mogu se koristiti za procjenu energije i mase čestice. Zbog velike gustoće fotografske emulzije tragovi su vrlo kratki, ali se prilikom fotografiranja mogu povećati. Prednost fotografske emulzije je što vrijeme ekspozicije može biti koliko god želite. To omogućuje snimanje rijetkih događaja. Također je važno da se zbog velike zaustavne moći fotoemulzije povećava broj promatranih zanimljivih reakcija između čestica i jezgri.

5) Metoda scintilacije

Scintilacijski brojač sastoji se od scintilatora, fotomultiplikatora i elektroničkih uređaja za pojačavanje i brojanje impulsa.Scintilator pretvara energiju ionizirajućeg zračenja u kvant vidljive svjetlosti čija veličina ovisi o vrsti čestica i materijalu scintilatora. Kvanti vidljive svjetlosti, udarajući u fotokatodu, izbacuju iz nje elektrone, čiji se broj višestruko povećava fotomultiplikatorom. Kao rezultat, na izlazu fotomultiplikatora formira se značajan puls, koji se zatim pojačava i broji pomoću jedinice za ponovni izračun. Dakle, zbog energije a-ili b-čestice, g-kvantne ili druge nuklearne čestice, u scintilatoru se pojavljuje svjetlosni bljesak-scintilacija, koji se zatim pomoću fotomultiplikatorske cijevi (PMT) pretvara u strujni impuls i snima.

II. Koristeći teorijski materijal i internetske resurse ispunite tablicu

Spintariskop

Geigerov brojač

Wilsonova komora

Komora s mjehurićima

2. Uređaj

3. Informacije o česticama

4. Vrsta čestice

5. Prednosti

6. Nedostaci

7. Fizikalni zakoni

8. Princip rada

9. Otkrića napravljena pomoću uređaja

III. Uradi laboratorij

Predmet: “Proučavanje tragova nabijenih čestica pomoću gotovih fotografija”

Cilj: identificirati nabijenu česticu uspoređujući njen trag s tragom protona u komori oblaka postavljenoj u magnetsko polje; procijeniti pogrešku pokusa, sistematizirati informacije dobivene analizom tragova na fotografijama, oblikovati zaključke i zaključke.

Oprema: gotova fotografija dvaju tragova nabijenih čestica. Staza I je proton, staza II je čestica koju treba identificirati.

Objašnjenja

Prilikom izvođenja ovog laboratorijskog rada imajte na umu sljedeće:

što je dužina staze veća, to je veća energija čestice (i manja gustoća medija);
što je veći naboj čestice i manja njezina brzina, veća je debljina staze;
Kada se nabijena čestica giba u magnetskom polju, njezina staza ispada zakrivljena, a polumjer zakrivljenosti staze je veći, što je veća masa i brzina čestice, a manji je njezin naboj i modul indukcije magnetskog polja. .
čestica se kretala od kraja staze s velikim radijusom zakrivljenosti do kraja s manjim radijusom zakrivljenosti (polumjer zakrivljenosti se smanjuje dok se giba, jer se brzina čestice smanjuje zbog otpora medija).

Radni nalog

Pogledajte fotografiju tragova dviju nabijenih čestica. (Staza I pripada protonu, staza II čestici koju treba identificirati) (vidi sliku 1).
Izmjerite polumjere zakrivljenosti staza u njihovim početnim dijelovima (vidi sliku 2).

Ovdje će biti slika:

Stolna čestica

Relativna greška,

6. Dodatni zadatak.

a) U kojem su se smjeru kretale čestice?

b) Duljina tragova čestica je približno jednaka. Što to znači?

c) Kako se mijenjala debljina staze tijekom gibanja čestica? Što iz ovoga slijedi?

Ovdje će biti datoteka: /data/edu/files/y1445085758.doc (Larisa Belova: Metode snimanja nabijenih čestica)

Izvješće:

Metode snimanja elementarnih čestica

1) Geigerov brojač s izbojem u plinu

Geigerov brojač jedan je od najvažnijih uređaja za automatsko brojanje čestica.

Brojač se sastoji od staklene cijevi obložene s unutarnje strane metalnim slojem (katoda) i tanke metalne niti koja prolazi uzduž osi cijevi (anoda).

Cijev je napunjena plinom, obično argonom. Brojač radi na temelju udarne ionizacije. Nabijena čestica (elektron, £-čestica itd.), leteći kroz plin, oduzima elektrone atomima i stvara pozitivne ione i slobodne elektrone. Električno polje između anode i katode (na njih se dovodi visoki napon) ubrzava elektrone do energije pri kojoj počinje udarna ionizacija. Dolazi do lavine iona, a struja kroz brojač naglo raste. U tom slučaju, naponski impuls se stvara preko otpornika opterećenja R, koji se dovodi u uređaj za snimanje. Kako bi brojač registrirao sljedeću česticu koja ga pogodi, lavinsko pražnjenje se mora ugasiti. To se događa automatski. Budući da je u trenutku pojave strujnog impulsa pad napona na otporniku pražnjenja R velik, napon između anode i katode naglo opada - toliko da pražnjenje prestaje.

Brojač registrira gotovo sve elektrone koji ulaze u njega; Što se tiče Y-kvanta, on registrira otprilike samo jedan Y-kvant od stotinu. Registracija teških čestica (npr. £-čestica) je otežana, jer je teško napraviti dovoljno tanak “prozor” u brojaču koji je proziran za te čestice.

2) Wilsonova komora

Djelovanje oblačne komore temelji se na kondenzaciji prezasićene pare na ionima radi stvaranja kapljica vode. Ove ione stvara duž svoje putanje pokretna nabijena čestica.

Uređaj je cilindar s klipom 1 (slika 2), prekriven ravnim staklenim poklopcem 2. Cilindar sadrži zasićene pare vode ili alkohola. Radioaktivni lijek 3 koji se proučava uvodi se u komoru, koja stvara ione u radnom volumenu komore. Kada se klip naglo spusti, tj. Tijekom adijabatskog širenja, para se hladi i postaje prezasićena. U tom stanju para se lako kondenzira. Centri kondenzacije postaju ioni koje stvara čestica koja u tom trenutku leti. Tako se u kameri pojavljuje magloviti trag (trag) (slika 3), koji se može promatrati i fotografirati. Staza postoji desetinke sekunde. Vraćanjem klipa u prvobitni položaj i uklanjanjem iona električnim poljem može se ponovno izvršiti adijabatsko širenje. Stoga se pokusi s kamerom mogu ponavljati.

3) Komora s mjehurićima

Razlikuje se od oblačne komore po tome što se prezasićene pare u radnom volumenu komore zamjenjuju pregrijanom tekućinom, tj. tekućina koja je pod tlakom manjim od tlaka svoje zasićene pare.

Proletjevši kroz takvu tekućinu, čestica uzrokuje pojavu mjehurića pare, stvarajući pritom trag (slika 5).

U početnom stanju klip komprimira tekućinu. Uz nagli pad tlaka, vrelište tekućine niže je od temperature okoline.

Tekućina postaje nestabilno (pregrijano) stanje. To osigurava pojavu mjehurića duž putanje čestice. Kao radna smjesa koriste se vodik, ksenon, propan i neke druge tvari.

4) Metoda emulzije debelog filma

U ovom članku ćemo vam pomoći da se pripremite za lekciju fizike (9. razred). Istraživanje čestica nije obična tema, već vrlo zanimljiv i uzbudljiv izlet u svijet molekularne nuklearne znanosti. Civilizacija je nedavno uspjela postići takav stupanj napretka, a znanstvenici još uvijek raspravljaju treba li čovječanstvu takvo znanje? Uostalom, ako ljudi uspiju ponoviti proces atomske eksplozije koja je dovela do nastanka Svemira, možda će se urušiti ne samo naš planet, već i cijeli Kozmos.

O kojim česticama govorimo i zašto ih proučavati?

Djelomične odgovore na ova pitanja daje kolegij fizike. Eksperimentalne metode proučavanja čestica način su da se vidi ono što je ljudima nedostupno čak i uz najjače mikroskope. Ali prvo o svemu.

Elementarna čestica je skupni pojam koji se odnosi na čestice koje se više ne mogu rastaviti na manje dijelove. Ukupno su fizičari otkrili više od 350 elementarnih čestica. Najviše smo navikli slušati o protonima, neuronima, elektronima, fotonima i kvarkovima. To su takozvane fundamentalne čestice.

Karakteristike elementarnih čestica

Sve najmanje čestice imaju isto svojstvo: mogu se međusobno pretvarati pod utjecajem vlastitog utjecaja. Neki imaju jaka elektromagnetska svojstva, drugi slaba gravitacijska. Ali sve elementarne čestice karakteriziraju sljedeći parametri:

Težina.
Spin je intrinzični kutni moment.
Električno punjenje.
Doživotno.
Paritet.
Magnetski moment.
Barionski naboj.
Leptonski naboj.

Kratak izlet u teoriju strukture materije

Svaka tvar sastoji se od atoma, koji zauzvrat imaju jezgru i elektrone. Elektroni se, poput planeta u Sunčevom sustavu, kreću oko jezgre, svaki oko svoje osi. Udaljenost između njih je vrlo velika, na atomskoj skali. Jezgra se sastoji od protona i neurona, veza između njih je toliko jaka da se ne mogu razdvojiti nijednom metodom poznatom znanosti. To je bit eksperimentalnih metoda za proučavanje čestica (ukratko).

Teško nam je zamisliti, ali nuklearna komunikacija milijunima puta premašuje sve sile poznate na zemlji. Poznajemo kemijsku, nuklearnu eksploziju. Ali ono što drži protone i neurone zajedno je nešto drugo. Možda je to ključ za razotkrivanje misterija nastanka svemira. Zbog toga je tako važno proučavati eksperimentalne metode za proučavanje čestica.

Brojni eksperimenti doveli su znanstvenike do ideje da se neuroni sastoje od još manjih jedinica i nazvali su ih kvarkovi. Što je u njima još nije poznato. Ali kvarkovi su neodvojive jedinice. Odnosno, nema načina da se izdvoji jedan. Ako znanstvenici koriste eksperimentalnu metodu proučavanja čestica kako bi izolirali jedan kvark, tada bez obzira na to koliko su pokušavali, uvijek su izolirana najmanje dva kvarka. Time se još jednom potvrđuje neuništiva snaga nuklearnog potencijala.

Koje metode istraživanja čestica postoje?

Prijeđimo izravno na eksperimentalne metode za proučavanje čestica (tablica 1).

Naziv metode		Princip rada
	Sjaj (luminiscencija)	Radioaktivni lijek emitira valove, zbog kojih se čestice sudaraju i mogu se uočiti pojedinačni sjajevi.
	Ionizacija molekula plina brzo nabijenim česticama	Klip se spušta velikom brzinom, što dovodi do jakog hlađenja pare koja postaje prezasićena. Kapljice kondenzata označavaju putanje lanca iona.
Komora s mjehurićima	Ionizacija tekućine	Volumen radnog prostora ispunjava se vrućim tekućim vodikom ili propanom na koji se djeluje pod pritiskom. Stanje se dovodi do pregrijavanja i pritisak se naglo smanjuje. Nabijene čestice, dajući još više energije, uzrokuju ključanje vodika ili propana. Na putanji kojom se čestica kretala stvaraju se kapljice pare.
Metoda scintilacije (Spinthariscope)	Sjaj (luminiscencija)	Kada se molekule plina ioniziraju, stvara se veliki broj parova elektron-ion. Što je napetost veća, stvara se više slobodnih parova dok ne dosegne vrhunac i ne preostane slobodnih iona. U ovom trenutku brojač registrira česticu. Ovo je jedna od prvih eksperimentalnih metoda za proučavanje nabijenih čestica, a izumljena je pet godina kasnije od Geigerovog brojača - 1912. godine. Struktura je jednostavna: stakleni cilindar s klipom iznutra. Na dnu se nalazi crna tkanina natopljena vodom i alkoholom, kako bi zrak u komori bio zasićen njihovim parama. Klip se počinje spuštati i podizati, stvarajući pritisak, zbog čega se plin hladi. Kondenzacija bi se trebala stvoriti, ali se ne stvara jer u komori nema centra kondenzacije (iona ili mrvice prašine). Nakon toga, tikvica se podiže kako bi omogućila ulazak čestica - iona ili prašine. Čestica se počinje kretati i duž njezine putanje stvara se kondenzat, što se može vidjeti. Put kojim se čestica kreće naziva se staza. Nedostatak ove metode je što je domet čestica premalen. To je dovelo do pojave naprednije teorije koja se temelji na uređaju s gušćim medijem. Komora s mjehurićima Sljedeća eksperimentalna metoda proučavanja čestica ima sličan princip rada oblačne komore - samo se umjesto zasićenog plina u staklenoj tikvici nalazi tekućina. Osnova teorije je da pod visokim tlakom tekućina ne može početi ključati iznad točke vrenja. Ali čim se pojavi nabijena čestica, tekućina počinje ključati duž staze svog kretanja, pretvarajući se u stanje pare. Kapljice ovog procesa snima kamera. Metoda emulzije debelog filma Vratimo se na tablicu fizike "Eksperimentalne metode za proučavanje čestica". U njoj je, uz Wilsonovu komoru i metodu mjehurića, razmatrana metoda detekcije čestica pomoću debeloslojne fotografske emulzije. Eksperiment su prvi izveli sovjetski fizičari L.V. Mysovsky i A.P. Ždanov 1928. godine. Ideja je vrlo jednostavna. Za pokuse se koristi ploča premazana debelim slojem fotografske emulzije. Ova fotografska emulzija sastoji se od kristala srebrnog bromida. Kada nabijena čestica prodre u kristal, ona odvaja elektrone od atoma, koji tvore skriveni lanac. To se vidi razvijanjem filma. Dobivena slika omogućuje izračunavanje energije i mase čestice. Zapravo, ispada da je staza vrlo kratka i mikroskopski mala. No, dobra stvar kod ove metode je što se razvijena slika može povećati beskonačan broj puta, čime se bolje proučava. Metoda scintilacije Prvi ga je proveo Rutherford 1911. godine, iako je ideja nastala nešto ranije od drugog znanstvenika, W. Krupea. Unatoč činjenici da je razlika bila 8 godina, za to vrijeme uređaj je morao biti poboljšan. Osnovno načelo je da će zaslon obložen luminiscentnom tvari prikazivati bljeskove svjetlosti dok nabijena čestica prolazi kroz njega. Atomi tvari su pobuđeni kada su izloženi česticama snažne energije. U trenutku sudara dolazi do bljeska koji se promatra kroz mikroskop. Ova metoda je vrlo nepopularna među fizičarima. Ima nekoliko nedostataka. Prvo, točnost dobivenih rezultata uvelike ovisi o vidnoj oštrini osobe. Ako trepnete, možete propustiti vrlo važnu točku. Drugo, s produljenim promatranjem, oči se vrlo brzo umaraju, pa stoga proučavanje atoma postaje nemoguće. zaključke Postoji nekoliko eksperimentalnih metoda za proučavanje nabijenih čestica. Budući da su atomi tvari toliko mali da ih je teško vidjeti čak i najsnažnijim mikroskopom, znanstvenici moraju provoditi razne eksperimente kako bi shvatili što se nalazi u sredini središta. U ovoj fazi razvoja civilizacije prevaljen je dug put i proučavani su najnepristupačniji elementi. Možda se upravo u njima kriju tajne Svemira.