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.). U komori oblaka (vidi sliku 7.2), tragovi nabijenih čestica postaju vidljivi zbog kondenzacije prezasićene pare na ionima plina koje formiraju nabijene čestice. Na ionima se stvaraju kapljice tekućine koje rastu do veličine dovoljne za promatranje (10 -3 -10 -4 cm) i fotografiranje pri dobrom osvjetljenju. Prostorna razlučivost oblačne komore je obično 0,3 mm. 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. Vrijeme osjetljivosti kamere, tijekom kojeg supersaturacija ostaje dovoljna za kondenzaciju na ionima, a sam volumen je prihvatljivo proziran (nije preopterećen kapljicama, uključujući pozadinske), varira od stotinki sekunde do nekoliko sekundi. Nakon toga potrebno je očistiti radni volumen kamere i vratiti joj osjetljivost. Dakle, oblačna komora radi u cikličkom načinu rada. Ukupno vrijeme ciklusa je obično > 1 min.

Mogućnosti oblačne komore značajno se povećavaju kada se stave u magnetsko polje. Duž zakrivljene magnetsko polje Putanja nabijene čestice određuje predznak njezina naboja i količine gibanja. Koristeći komoru s oblakom 1932. K. Anderson otkrio je pozitron u kozmičkim zrakama.

Važno poboljšanje, nagrađeno Nobelovom nagradom 1948. (P. Blackett), bilo je stvaranje kontrolirane Wilsonove komore. Posebni brojači odabiru događaje koje oblačna komora treba zabilježiti i “lansiraju” kameru samo za promatranje takvih događaja. Učinkovitost oblačne komore koja radi u ovom načinu rada višestruko se povećava. "Upravljivost" oblačne komore objašnjava se činjenicom da je moguće osigurati vrlo visoku brzinu širenja plinovitog medija i da komora ima vremena odgovoriti na signal okidača vanjskih brojača.

Metode registracije i detektori čestica

§ Kalorimetrijski (na temelju oslobođene energije)

§ Foto emulzija

§ Komore s mjehurićima i iskrama

§ Scintilacijski detektori

§ Poluvodički detektori

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, određene su joj dimenzije, prvi put je uočena nuklearna reakcija, otkriven je fenomen radioaktivnosti, otkriveni su neutron i proton, predviđeno je postojanje neutrina itd. Glavni detektor čestica dugo vremena nalazila se ploča na koju je nanesen sloj cinkovog sulfida. Čestice su registrirane okom bljeskovima svjetlosti koje su proizvele u cinkovom sulfidu. Čerenkovljevo zračenje prvi je put vizualno promatrano. Prva komora s mjehurićima u kojoj je Glaser promatrao tragove čestica bila je veličine naprstka. Izvor čestica visokih energija u to vrijeme bile su kozmičke zrake – čestice nastale u svemiru. U kozmičkom zračenju po prvi su put uočene nove elementarne čestice. 1932. - otkriven je pozitron (K. Anderson), 1937. - otkriven je mion (K. Anderson, S. Nedermeyer), 1947. - otkriven je mezon (Powell), 1947. - otkrivene su čudne čestice (J. Rochester, K. .batler).

S vremenom su eksperimentalne postavke postajale sve složenije. Razvijena je tehnologija akceleracije i detekcije čestica te nuklearna elektronika. Napredak nuklearne fizike i elementarne čestice sve više određena 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 u nuklearnoj fizici i fizici čestica potrebno izolirati "potrebne" događaje iz goleme pozadine "nepotrebnih" događaja, možda jedan u milijardu. Da bi to učinili, koriste različite kombinacije brojača i metoda registracije, koriste sheme slučajnosti ili antislučajnosti između događaja zabilježenih različitim detektorima, biraju događaje na temelju amplitude i oblika signala itd. Često se koriste selekcija čestica na temelju vremena leta na određenoj udaljenosti između detektora, magnetska analiza i druge metode koje omogućuju pouzdanu identifikaciju različitih čestica.

Detekcija nabijenih čestica temelji se na fenomenu ionizacije ili ekscitacije atoma koju one uzrokuju u materijalu 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. Nenabijene čestice (kvanti, neutroni, neutrini) detektiraju se sekundarno nabijenim česticama koje nastaju njihovom interakcijom sa supstancom detektora.

Detektor ne detektira izravno neutrine. Sa sobom nose određenu energiju i impuls. Nedostatak energije i količine gibanja može se otkriti primjenom zakona o održanju energije i količine gibanja na druge čestice otkrivene u reakciji.

Čestice koje se brzo raspadaju bilježe njihovi produkti razgradnje. Detektori koji omogućuju izravno promatranje putanje čestica našli su široku primjenu. Tako su pomoću Wilsonove komore postavljene u magnetsko polje otkriveni pozitron, mion i -mezoni, pomoću komore s mjehurićima - mnoge čudne čestice, uz pomoć iskre komore zabilježeni su neutrinski događaji itd. .

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. Proporcionalni brojač. Proporcionalni brojač ima isti dizajn kao Geigerov brojač. Međutim, zbog odabira napona napajanja i sastava plinske smjese u proporcionalnom brojaču, kada plin ionizira leteća nabijena čestica, ne dolazi do koronskog pražnjenja. Pod utjecajem električnog polja stvorenog u blizini pozitivne elektrode, primarne čestice proizvode sekundarnu ionizaciju i stvaraju električne lavine, što dovodi do povećanja primarne ionizacije stvorene čestice koja leti kroz brojač za 10 3 - 10 6 puta. Proporcionalni brojač omogućuje bilježenje energije čestica.

3. Ionizacijska komora. Kao i kod Geigerovog brojača i proporcionalnog brojača, u ionizacijskoj komori koristi se mješavina plinova. Međutim, u usporedbi s proporcionalnim brojačem, napon napajanja u ionizacijskoj komori je niži i ionizacija se u njoj ne povećava. Ovisno o zahtjevima eksperimenta, za mjerenje energije čestice koristi se ili samo elektronička komponenta strujnog impulsa ili elektronička i ionska komponenta.

4. Poluvodički detektor. Dizajn poluvodičkog detektora, koji je obično izrađen od silicija ili germanija, sličan je dizajnu ionizacijske komore. Ulogu plina u poluvodičkom detektoru ima na određeni način stvoreno osjetljivo područje u kojem u normalnom stanju nema slobodnih nositelja naboja. Jednom kada nabijena čestica uđe u ovo područje, uzrokuje ionizaciju; u skladu s tim, elektroni se pojavljuju u vodljivom pojasu, a šupljine u valentnom pojasu. Pod utjecajem napona koji se primjenjuje na površinu elektroda osjetljive zone, dolazi do kretanja elektrona i rupa i formira se strujni impuls. Naboj strujnog impulsa nosi informaciju o broju elektrona i šupljina te, sukladno tome, o energiji koju je nabijena čestica izgubila u osjetljivom području. A, ako je čestica potpuno izgubila energiju u osjetljivom području, integracijom strujnog impulsa dobiva se informacija o energiji čestice. Poluvodički detektori imaju visoku energetsku rezoluciju.

Broj ionskih parova niona u poluvodičkom brojaču određen je formulom N ion = E/W,

gdje je E kinetička energija čestice, W je energija potrebna za stvaranje jednog para iona. Za germanij i silicij W ~ 3-4 eV i jednaka je energiji potrebnoj za prijelaz elektrona iz valentnog pojasa u vodljivi pojas. Mala vrijednost W određuje visoku rezoluciju poluvodičkih detektora, u usporedbi s drugim detektorima kod kojih se energija primarne čestice troši na ionizaciju (Eion >> W).

5. Oblačna komora. 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

6. Komora s mjehurićima. 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.

7. 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 je jedinstveno sredstvo za registraciju rijetki događaji. Hrpe nuklearnih emulzija omogućuju otkrivanje čestica vrlo visokih energija. Uz njihovu pomoć možete 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.

8. Komora za iskru. Iskrište se sastoji od nekoliko ravnih iskrišta spojenih u jedan volumen. Nakon što nabijena čestica prođe kroz komoru iskre, na njezine elektrode se primjenjuje kratki visokonaponski impuls. Kao rezultat, formira se vidljiv kanal iskre duž staze. Komora za iskru postavljena u magnetsko polje omogućuje ne samo otkrivanje smjera kretanja čestice, već i određivanje vrste čestice i njezine količine gibanja prema zakrivljenosti putanje. Dimenzije elektroda komore iskre mogu doseći nekoliko metara.

9. Streamer komora. Ovo je analogna iskričasta komora, s velikim međuelektrodnim razmakom od ~0,5 m. Trajanje visokonaponskog pražnjenja dovedenog do iskrišta je ~10 -8 s. Dakle, ne nastaje proboj iskre, već odvojeni kratki svijetleći svjetlosni kanali - trake. Nekoliko nabijenih čestica može se detektirati istovremeno u streamer komori.

10. Proporcionalna komora. Proporcionalna komora obično ima ravni ili cilindrični oblik i na neki je način analogna proporcionalnom brojaču s više elektroda. Visokonaponske žičane elektrode razmaknute su nekoliko mm. Nabijene čestice prolazeći kroz sustav elektroda stvaraju strujni impuls na žicama u trajanju od ~10 -7 s. Snimanjem tih impulsa iz pojedinačnih žica moguće je rekonstruirati putanju čestice s točnošću od nekoliko mikrona. Vrijeme rezolucije proporcionalne kamere je nekoliko mikrosekundi. Energetska rezolucija proporcionalne komore je ~5-10%.

11. Drift komora. Ovo je analog proporcionalne komore, koja vam omogućuje vraćanje putanje čestica s još većom točnošću.

Iskrene, strimerne, proporcionalne i drift komore imaju mnoge prednosti komora s mjehurićima, omogućujući im da se aktiviraju iz događaja od interesa, koristeći ih da se podudaraju sa scintilacijskim detektorima.

12. Scintilacijski detektor. Scintilacijski detektor koristi svojstvo određenih tvari da svijetle kada nabijena čestica prolazi kroz njega. Svjetlosni kvanti proizvedeni u scintilatoru zatim se detektiraju pomoću fotomultiplikatorskih cijevi. Koriste se i kristalni scintilatori, na primjer NaI, BGO, i plastični i tekući. Kristalni scintilatori se uglavnom koriste za detekciju gama zraka i rendgensko zračenje, plastični i tekući - za snimanje neutrona i mjerenje vremena. Veliki volumeni scintilatora omogućuju stvaranje detektora vrlo visoke učinkovitosti za detekciju čestica s malim presjekom za interakciju s materijom.

13. Kalorimetri. Kalorimetri su izmjenični slojevi tvari u kojima se čestice visoke energije usporavaju (obično slojevi željeza i olova) i detektori koji koriste iskru i proporcionalne komore ili slojeve scintilatora. Ionizirajuća čestica visoke energije (E > 1010 eV) prolazeći kroz kalorimetar stvara veliki broj sekundarne čestice, koje u interakciji s kalorimetrskom supstancom stvaraju zauzvrat sekundarne čestice – tvore pljusak čestica u smjeru kretanja primarne čestice. Mjerenjem ionizacije u iskričastim ili proporcionalnim komorama ili svjetlosnog izlaza scintilatora može se odrediti energija i vrsta čestice.

14. Čerenkovljev brojač. Rad Čerenkovljevog brojača temelji se na snimanju Čerenkov-Vavilovljevog zračenja, koje nastaje kada se čestica giba u mediju brzinom v većom od brzine širenja svjetlosti u mediju (v > c/n). Svjetlost Čerenkovljevog zračenja usmjerena je naprijed pod kutom u smjeru gibanja čestica.

Svjetlosno zračenje se bilježi pomoću fotomultiplikatorske cijevi. Pomoću Čerenkovljevog brojača možete odrediti brzinu čestice i odabrati čestice po brzini.

Najveći detektor vode u kojem se čestice detektiraju Čerenkovljevim zračenjem je detektor SuperKamiokande (Japan). Detektor je cilindričnog oblika. Promjer radnog volumena detektora je 39,3 m, visina 41,4 m Masa detektora je 50 ktona, radni volumen za snimanje solarnih neutrina je 22 ktona. Detektor SuperKamiokande ima 11 000 fotomultiplikatorskih cijevi koje skeniraju ~40% površine detektora.

SVE LEKCIJE IZ FIZIKE 11. razred
AKADEMSKA RAZINA

2. semestar

ATOMSKA I NUKLEARNA FIZIKA

LEKCIJA 11/88

Predmet. Metode snimanja ionizirajućeg zračenja

Svrha lekcije: upoznati studente sa suvremenim metodama detekcije i proučavanja nabijenih čestica.

Vrsta lekcije: lekcija učenja novog materijala.

PLAN NASTAVNOG SATA

Kontrola znanja		1. Poluživot. 2. Zakon radioaktivnog raspada. 3. Odnos između konstante poluživota i intenziteta radioaktivnog zračenja.
Demonstracije		2. Promatranje tragova čestica u oblačnoj komori. 3. Fotografije tragova nabijenih čestica u mjehurastoj komori.
Učenje novog gradiva		1. Građa i princip rada Geiger-Mullerovog brojača. 2. Ionizacijska komora. 3. Oblačna komora. 4. Komora s mjehurićima. 5. Metoda debeloslojne fotoemulzije.
Učvršćivanje naučenog gradiva		1. Kvalitativna pitanja. 2. Učenje rješavanja problema.

UČENJE NOVOG GRADIVA

Sve moderne registracije nuklearnih čestica i zračenja mogu se podijeliti u dvije skupine:

a) računalne metode temeljene na uporabi instrumenata broje broj čestica jedne ili druge vrste;

b) metode praćenja koje vam omogućuju ponovno stvaranje čestica. Geiger-Mullerov brojač jedan je od najvažnijih uređaja za automatsko brojanje čestica. Brojač radi na temelju udarne ionizacije. Nabijena čestica leti kroz plin, oduzimajući elektrone iz atoma i stvarajući pozitivne ione i slobodne elektrone. Električno polje između anode i katode ubrzava elektrone do energija pri kojima počinje ionizacija. Geiger-Mullerov brojač koristi se uglavnom za snimanje elektrona i γ-zraka.

Ova kamera vam omogućuje mjerenje doza ionizirajućeg zračenja. Obično je to cilindrični kondenzator s plinom između njegovih ploča. Visoki napon se primjenjuje između ploča. U nedostatku ionizirajućeg zračenja praktički nema struje, a u slučaju ozračivanja plina u njemu se pojavljuju slobodne nabijene čestice (elektroni i ioni) te teče slaba struja. Ova slaba struja se pojačava i mjeri. Jakost struje karakterizira ionizirajuće djelovanje zračenja (γ-kvanti).

Wilsonova komora stvorena 1912. pruža mnogo veće mogućnosti za proučavanje mikrosvijeta. U ovoj kameri brza nabijena čestica ostavlja trag koji se može izravno promatrati ili fotografirati.

Djelovanje oblačne komore temelji se na kondenzaciji prezasićene pare na ionima radi stvaranja kapljica vode. Ove ione stvara duž svoje putanje pokretna nabijena čestica. Kapljice čine vidljivi trag čestice koja je proletjela – trag.

Informacije koje pružaju staze u komori oblaka puno su potpunije od onih koje mogu pružiti brojači. Energija čestice može se odrediti duljinom staze, a njezina brzina može se procijeniti brojem kapljica po jedinici duljine staze.

Ruski fizičari P. L. Kapitsa i D. V. Skobeltsin predložili su postavljanje komore oblaka u jednolično magnetsko polje. Na nabijenu pokretnu česticu djeluje magnetsko polje određenom silom. Ta sila savija putanju čestice bez promjene modula njezine brzine. Iza zakrivljenosti staze može se odrediti omjer naboja čestice i njezine mase.

Obično se tragovi čestica u komori oblaka ne samo promatraju, već i fotografiraju.

1952. američki znanstvenik D. Glaser predložio je korištenje pregrijane tekućine za otkrivanje tragova čestica. U ovoj tekućini na ionima nastalim tijekom gibanja brzo nabijene čestice pojavljuju se mjehurići pare koji daju vidljiv trag. Komore ovog tipa zvale su se komore s mjehurićima.

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

Oblačna komora i tragovi komore s mjehurićima jedan su od glavnih izvora informacija o ponašanju i svojstvima čestica.

Najjeftinija metoda detekcije čestica i zračenja je fotoemulzija. Temelji se na činjenici da nabijena čestica, krećući se u fotografskoj emulziji, uništava molekule srebrnog bromida u zrncima kroz koja je prošla. Tijekom razvoja, metalno srebro se obnavlja u kristalima i lanac srebrnih zrnaca formira trag čestica. Duljina i debljina traga mogu se koristiti za procjenu energije i mase čestice.

PITANJA UČENICIMA TIJEKOM PREZENTACIJE NOVOG GRADIVA

Prva razina

1. Je li moguće detektirati nenabijene čestice pomoću oblačne komore?

2. Koje prednosti ima komora s mjehurićima u odnosu na komoru s oblakom?

Druga razina

1. Zašto se alfa čestice ne detektiraju Geiger-Mullerovim brojačem?

2. Koje karakteristike čestica se mogu odrediti pomoću komore za oblake postavljene u magnetsko polje?

KONSTRUKCIJA NAUČENOG GRADIVA

1. Kako pomoću oblačne komore odrediti prirodu čestice koja je proletjela kroz komoru, njezinu energiju i brzinu?

2. U koju svrhu je Wilsonova komora ponekad blokirana slojem olova?

3. Gdje je srednji slobodni put čestice veći: na površini Zemlje ili u višim slojevima atmosfere?

1. Na slici je prikazan trag čestice koja se giba u jednoličnom magnetskom polju s magnetskom indukcijom od 100 mT, usmjeren okomito na ravninu slike. Udaljenost između linija mreže na slici je 1 cm. Kolika je brzina čestice?

2. Fotografija prikazana na slici snimljena je u oblačnoj komori ispunjenoj vodenom parom. Koja bi čestica mogla letjeti kroz komoru oblaka? Strelica pokazuje smjer početne brzine čestice.

2. sub.: br. 17.49; 17.77; 17.78; 17,79; 17.80.

3. D: pripremiti se za samostalan rad № 14.

ZADACI IZ SAMOSTALNOG RADA br. 14 “ATOMSKA JEZGRA. NUKLEARNE SILE. RADIOAKTIVNOST"

Došlo je do raspada radija 226 88 Ra

A Broj protona u jezgri smanjio se za 1.

Nastala bi jezgra s atomskim brojem 90.

B Nastala je jezgra masenog broja 224.

D Nastaje jezgra drugog atoma kemijski element.

Oblačna komora se koristi za detekciju nabijenih čestica.

A Cloud Chamber vam omogućuje da odredite samo broj čestica koje lete.

Neutroni se mogu detektirati pomoću komore s oblakom.

Nabijena čestica koja leti kroz komoru oblaka uzrokuje ključanje pregrijane tekućine.

D Postavljanjem komore oblaka u magnetsko polje možete odrediti predznak naboja čestica koje lete.

Zadatak 3 ima za cilj uspostaviti korespondenciju (logički par). Za svaki redak označen slovom odaberite izjavu označenu brojem.

I Proton.

Bi li Neutron.

U izotopima.

G Alfa čestica.

1 Neutralna čestica koju čine jedan proton i jedan neutron.

2 Pozitivno nabijena čestica koju čine dva protona i dva neutrona. Identičan jezgri atoma helija

3 Čestica koja nema električni naboj i ima masu 1,67 · 10-27 kg.

4 Čestica s pozitivnim nabojem, koji je po veličini jednak naboju elektrona i mase 1,67 10-27 kg.

5 Jezgre s istim električnim nabojem, ali različite mase.

Koji izotop nastaje iz urana 23992 U nakon dva β-raspada i jednog -raspada? Napiši jednadžbu reakcije.

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 daju potrebne informacije o događajima u mikrosvijetu. Princip rada uređaja za snimanje elementarnih čestica. Svaki uređaj koji registrira elementarne čestice ili kretanje atomske jezgre , 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 (slika 253) 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, alfa 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 y-kvanta (fotona visoke energije). Međutim, y-kvanti nisu izravno zabilježeni zbog svoje niske ionizirajuće sposobnosti. Da bi ih se otkrilo, unutarnja stijenka cijevi presvučena je materijalom iz kojeg y-kvanti izbacuju elektrone. Brojač bilježi 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. a-čestica) je otežana, jer je teško napraviti dovoljno tanak prozor u brojaču koji je proziran za te čestice. Trenutno su stvoreni brojači koji rade na principima drugačijim od Geigerovog brojača. Wilsonova komora. Brojači vam omogućuju samo registraciju činjenice da čestica prolazi kroz njih i zabilježite neke od njezinih karakteristika. U oblačnoj komori, 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. Djelovanje oblačne komore temelji se na kondenzaciji prezasićene pare na ionima radi stvaranja kapljica vode. Ove ione stvara duž svoje putanje pokretna nabijena čestica. Oblačna komora je hermetički zatvorena posuda ispunjena vodenom ili alkoholnom parom blizu zasićenja (slika 254). 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: para se lako kondenzira. Centri kondenzacije postaju ioni, koji se formiraju u radnom prostoru komore pomoću leteće čestice. Ako čestica uđe u komoru neposredno prije ili neposredno nakon širenja, na njenom putu se pojavljuju kapljice vode. Te kapljice tvore vidljivi trag leteće čestice – trag (slika 255). Komora se zatim vraća u prvobitno stanje, a ioni se uklanjaju pomoću električnog polja. Ovisno o veličini kamere, vrijeme vraćanja u radni način rada kreće se od nekoliko sekundi do desetaka minuta. Informacije koje pružaju staze u komori oblaka mnogo su bogatije od onih koje mogu pružiti brojači. Iz duljine staze možete odrediti energiju čestice, a iz broja kapljica po jedinici duljine staze možete procijeniti njezinu brzinu. 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 izračunajte masu. Komora s mjehurićima. Godine 1952. američki znanstvenik D. Glazer predložio je korištenje pregrijane tekućine za otkrivanje tragova čestica. U takvoj tekućini pojavljuju se mjehurići pare na ionima nastalim tijekom kretanja brzo nabijene čestice, dajući vidljiv trag. Fotoaparati ove vrste nazvane su vezikularne. U početnom stanju tekućina u komori je pod visokim tlakom koji sprječava njeno vrenje, unatoč činjenici da je temperatura tekućine 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 upravo u to vrijeme uzrokuju pojavu tragova koji se sastoje od mjehurića pare (Sl. 256). 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, A.P. Zhdanov i drugi. 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 oblikuje trag čestica (Sl. 257). Duljina i debljina traga mogu se koristiti za procjenu energije i mase čestice. Zbog velike gustoće fotoemulzije, staze su vrlo kratke (reda veličine 1(G3 cm za emitirane alfa čestice radioaktivni elementi), ali se mogu povećati prilikom snimanja fotografija. 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. Suvremeni instrumenti za detekciju rijetkih i vrlo kratkotrajnih čestica vrlo su sofisticirani. U njihovoj izgradnji sudjeluju stotine ljudi. E 1- Je li moguće registrirati nenabijene čestice pomoću oblačne komore? 2. Koje prednosti komora s mjehurićima ima u odnosu na Wilsonovu komoru!

11. razred

1 opcija

1. Rad Geigerovog brojača temelji se na

A. Cijepanje molekula pokretnom nabijenom česticom B. Udarna ionizacija.

B. Oslobađanje energije česticom. D. Stvaranje pare u pregrijanoj tekućini.

D. Kondenzacija prezasićenih para.

2. Uređaj za snimanje elementarnih čestica čije se djelovanje temelji na

stvaranje mjehurića pare u pregrijanoj tekućini naziva se

A. Emulzija debelog filma. B. Geigerov brojač. B. Kamera.

G. Wilsonova komora. D. Komora s mjehurićima.

3. Oblačna komora se koristi za proučavanje radioaktivnog zračenja. Njegovo djelovanje temelji se na činjenici da kada brza nabijena čestica prolazi kroz njega:
A. u plinu se pojavljuje trag kapljica tekućine; B. u plinu se javlja impuls električna struja;
V. u ploči se stvara latentna slika traga ove čestice;

U tekućini se pojavi bljesak svjetla.

4. Što je trag formiran metodom debeloslojne fotografske emulzije?

A Lanac kapljica vode B. Lanac mjehurića pare

V. Lavina elektrona G. Lanac srebrnih zrnaca

5. Je li moguće detektirati nenabijene čestice pomoću oblačne komore?

A. Moguće je ako imaju malu masu (elektron)

B. Moguće je ako imaju mali impuls

B. Moguće je ako imaju veliku masu (neutroni)

D. Moguće je ako imaju veliki impuls D. Nemoguće

6. Čime se puni Wilsonova komora?

A. Vodena ili alkoholna para. B. Plin, obično argon. B. Kemijski reagensi

D. Tekući vodik ili propan zagrijan gotovo do vrenja

7. Radioaktivnost je...

A. Sposobnost jezgri da spontano emitiraju čestice, dok se pretvaraju u jezgre drugih

kemijski elementi

B. Sposobnost jezgri da emitiraju čestice, dok se pretvaraju u jezgre drugih kemikalija

elementi

B. Sposobnost jezgri da spontano emitiraju čestice

D. Sposobnost jezgri da emitiraju čestice

8. alfa - zračenje- Ovo

9. Gama zračenje- Ovo

A. Protok pozitivnih čestica B. Protok negativnih čestica C. Protok neutralnih čestica

10. Što je beta zračenje?

11. Tijekom α-raspada, jezgra...

A. Pretvara se u jezgru drugog kemijskog elementa, koji je dvije stanice bliže

početak periodnog sustava

B. Pretvara se u jezgru drugog kemijskog elementa, koja se nalazi stanicu dalje

od početka periodnog sustava

G. Ostaje jezgra istog elementa s masenim brojem smanjenim za jedan.

12. Detektor radioaktivnog zračenja nalazi se u zatvorenoj kartonskoj kutiji debljine stijenke veće od 1 mm. Koje zračenje može otkriti?

13. U što se pretvara uran-238 nakonα - i dvaβ - raskidi?

14. Koji element treba zamijeniti X?

204 79 Au X + 0 -1 e

11. razred

Test “Metode registracije elementarnih čestica. Radioaktivnost".

opcija 2.

1. Uređaj za snimanje elementarnih čestica čije se djelovanje temelji na

naziva se kondenzacija prezasićene pare

A. Foto kamera B. Wilsonova komora C. Emulzija debelog filma

D. Geigerov brojač D. Komora s mjehurićima

2.Uređaj za snimanje nuklearnog zračenja, u kojem prolaz brzog naboja

čestica uzrokuje pojavu traga kapljica tekućine u plinu, tzv

A. Geigerov brojač B. Oblačna komora C. Emulzija debelog sloja

D. Komora s mjehurićima D. Zaslon presvučen cink sulfidom

3.Koji od navedenih uređaja za snimanje nuklearnog zračenja

prolazak brze nabijene čestice uzrokuje pojavu električnog impulsa

struja u plinu?

A. U Geigerovom brojaču B. U oblačnoj komori C. U fotografskoj emulziji

D. U scintilacijskom brojaču.

4. Metoda fotoemulzije za snimanje nabijenih čestica temelji se na

A. Udarna ionizacija. B. Cijepanje molekula pokretnom nabijenom česticom.

B. Stvaranje pare u pregrijanoj tekućini. D. Kondenzacija prezasićenih para.

D. Oslobađanje energije česticom

5. Nabijena čestica uzrokuje pojavu traga mjehurića tekuće pare

A. Geigerov brojač. B. Wilsonova komora B. Foto emulzija.

D. Scintilacijski brojač. D. Komora s mjehurićima

6. Čime je ispunjena komora s mjehurićima?

A. Vodena ili alkoholna para. B. Plin, obično argon. B. Kemijski reagensi.

D. Tekući vodik ili propan zagrijan gotovo do vrenja.

7. Spremnik sa radioaktivna tvar smješteno u

magnetsko polje, uzrokujući snop

radioaktivno zračenje raspada se na tri

komponente (vidi sliku). Komponente (3)

odgovara

A. Gama zračenje B. Alfa zračenje

B. Beta zračenje

8. Beta zračenje- Ovo

A. Protok pozitivnih čestica B. Protok negativnih čestica C. Protok neutralnih čestica

9. Što je alfa zračenje?

A. Strujanje jezgri helija B. Strujanje protona C. Strujanje elektrona

D. Elektromagnetski valovi visoke frekvencije

10. Što je gama zračenje?

A. Strujanje jezgri helija B. Strujanje protona C. Strujanje elektrona

D. Elektromagnetski valovi visoke frekvencije

11. Tijekom β-raspada, jezgra...

A. Pretvara se u jezgru drugog kemijskog elementa, koja se nalazi jednu stanicu dalje

od početka periodnog sustava

B. Pretvara se u jezgru drugog kemijskog elementa, koji je dvije stanice bliže

početak periodnog sustava

B. Ostaje jezgra istog elementa s istim masenim brojem

G. Ostaje jezgra istog elementa s masenim brojem smanjenim za jedan

12 Koja od tri vrste zračenja ima najveću prodornu moć?

A. Gama zračenje B. Alfa zračenje C. Beta zračenje

13. Jezgra kojeg je kemijskog elementa proizvod jednog alfa raspada

i dva beta raspada jezgre danog elementa 214 90 Th?

14.Koji element treba stajati umjesto njegaX?