A felhőkamra az elemi töltésű részecskék nyomdetektora, amelyben a részecske nyomvonalát (nyomát) kis folyadékcseppekből álló lánc alkotja a mozgás pályája mentén. Charles Wilson találta fel 1912-ben (Nobel-díj 1927). Egy felhőkamrában (lásd a 7.2. ábrát) a töltött részecskék nyomai láthatóvá válnak a túltelített gőznek a töltött részecske által képzett gázionokon történő lecsapódása miatt. Folyadékcseppek képződnek az ionokon, amelyek megfelelő méretűre nőnek a megfigyeléshez (10 -3 -10 -4 cm) és a fotózáshoz jó megvilágítás mellett. Egy felhőkamra térbeli felbontása jellemzően 0,3 mm. A munkaközeg leggyakrabban 0,1-2 atmoszféra nyomású víz és alkoholgőz keveréke (a vízgőz főként a negatív ionokon kondenzál, az alkoholgőz a pozitívokon). A túltelítettséget a nyomás gyors csökkentésével érik el a munkatérfogat bővülése miatt. A kamera érzékenységi ideje, amely alatt a túltelítettség elegendő marad az ionokon való kondenzációhoz, és maga a térfogat is elfogadhatóan átlátszó (nem túlterhelt cseppekkel, beleértve a háttérben lévőket is), századmásodperctől néhány másodpercig változik. Ezt követően meg kell tisztítani a kamera munkatérfogatát és vissza kell állítani az érzékenységét. Így a felhőkamra ciklikus üzemmódban működik. A teljes ciklusidő általában > 1 perc

A felhőkamra képességei jelentősen megnőnek, ha mágneses térbe helyezik. Egy görbe mentén mágneses mező A töltött részecske pályája határozza meg töltésének és lendületének előjelét. 1932-ben egy felhőkamra segítségével K. Anderson egy pozitront fedezett fel a kozmikus sugarakban.

Fontos fejlesztés, amelyet 1948-ban Nobel-díjjal (P. Blackett) ítéltek oda, az ellenőrzött Wilson-kamra létrehozása volt. A speciális számlálók kiválasztják az eseményeket, amelyeket a felhőkamrának rögzítenie kell, és csak az ilyen események megfigyelésére „indítják be” a kamerát. Az ebben az üzemmódban működő felhőkamra hatékonysága többszörösére nő. A felhőkamra „szabályozhatósága” azzal magyarázható, hogy nagyon nagy tágulási sebességet lehet biztosítani a gáznemű közegben, és a kamrának van ideje reagálni a külső számlálók triggerjelére.

Regisztrációs módszerek és részecskedetektorok

§ Kalorimetriás (a felszabaduló energia alapján)

§ Fénykép emulzió

§ Buborék- és szikrakamrák

§ Szcintillációs detektorok

§ Félvezető detektorok

Ma már szinte hihetetlennek tűnik, hogy az atommag fizikájában mennyi felfedezést tettek néhány MeV energiájú természetes radioaktív sugárforrások és egyszerű detektorok felhasználásával. Felfedezték az atommagot, meghatározták a méreteit, először figyeltek meg magreakciót, felfedezték a radioaktivitás jelenségét, felfedezték a neutront és a protont, megjósolták a neutrínók létezését stb. Fő részecskedetektor hosszú ideig volt egy lemez, amelyre cink-szulfid réteget vittek fel. A részecskéket szemmel regisztrálták a cink-szulfidban keltett fényvillanások alapján. Cserenkov-sugárzást először észlelték vizuálisan. Az első buborékkamra, amelyben Glaser szemcsenyomokat figyelt meg, gyűszű méretű volt. A nagy energiájú részecskék forrása akkoriban a kozmikus sugarak voltak - a világűrben keletkezett részecskék. A kozmikus sugarakban először figyeltek meg új elemi részecskéket. 1932 - felfedezték a pozitront (K. Anderson), 1937 - a müont (K. Anderson, S. Nedermeyer), 1947 - a mezont (Powell), 1947 - furcsa részecskéket fedeztek fel (J. Rochester, K Butler).

Idővel a kísérleti összeállítások egyre bonyolultabbakká váltak. Kidolgozták a részecskegyorsítás és -detektálás technológiáját, valamint a nukleáris elektronikát. Előrelépések a magfizika és elemi részecskék egyre inkább az e területeken elért haladás határozza meg. A fizikai Nobel-díjat gyakran a fizikai kísérleti technológia területén végzett munkáért ítélik oda.

A detektorok egyrészt a részecske jelenlétének tényének regisztrálására, másrészt energiájának és lendületének, a részecske pályájának és egyéb jellemzőinek meghatározására szolgálnak. A részecskék regisztrálására gyakran olyan detektorokat használnak, amelyek maximálisan érzékenyek egy adott részecske észlelésére, és nem érzékelik a más részecskék által létrehozott nagy hátteret.

A mag- és részecskefizikai kísérletekben általában el kell különíteni a „szükséges” eseményeket a „felesleges” események gigantikus hátterétől, talán egy a milliárdhoz. Ehhez különféle számlálók és regisztrációs módszerek kombinációit alkalmazzák, különböző detektorok által rögzített események közötti egybeesések vagy antikoincidenciák sémáját alkalmazzák, eseményeket választanak ki a jelek amplitúdója és alakja alapján stb. A részecskék kiválasztását a detektorok közötti bizonyos távolságon eltöltött idő alapján, mágneses elemzést és más módszereket alkalmaznak, amelyek lehetővé teszik a különböző részecskék megbízható azonosítását.

A töltött részecskék kimutatása az atomok ionizációjának vagy gerjesztésének jelenségén alapul, amelyet a detektor anyagában okoznak. Ez az alapja az olyan detektorok munkájának, mint a felhőkamra, buborékkamra, szikrakamra, fényképészeti emulziók, gázszcintillációs és félvezető detektorok. A töltetlen részecskéket (kvantumok, neutronok, neutrínók) a másodlagos töltésű részecskék érzékelik, amelyek a detektoranyaggal való kölcsönhatásból származnak.

A neutrínókat nem érzékeli közvetlenül a detektor. Egy bizonyos energiát és impulzust hordoznak magukkal. Az energia- és impulzushiány kimutatható az energia- és impulzusmegmaradás törvényének a reakcióban észlelt többi részecskére történő alkalmazásával.

A gyorsan bomló részecskéket bomlástermékeik rögzítik. A részecskepályák közvetlen megfigyelését lehetővé tevő detektorok széles körben alkalmazhatók. Így egy mágneses térbe helyezett Wilson-kamra segítségével fedezték fel a pozitront, müont és -mezonokat, egy buborékkamra segítségével - sok furcsa részecskét, egy szikrakamra segítségével neutrínó eseményeket rögzítettek stb. .

1. Geiger-számláló. A Geiger-számláló általában egy hengeres katód, amelynek tengelye mentén egy huzal van megfeszítve - az anód. A rendszer gázkeverékkel van feltöltve.

Amikor a számlálón áthalad, egy töltött részecske ionizálja a gázt. A keletkező elektronok, amelyek a pozitív elektród - az izzószál felé haladnak, az erős elektromos tér tartományába belépve, felgyorsulnak, és ionizálják a gázmolekulákat, ami koronakisüléshez vezet. A jel amplitúdója több voltot is elér, és könnyen rögzíthető. A Geiger-számláló rögzíti, hogy egy részecske áthalad a számlálón, de nem méri a részecske energiáját.

2. Arányos számláló. Az arányos számláló kialakítása megegyezik a Geiger-számlálóval. A tápfeszültség megválasztása és a gázkeverék arányos számlálóban való összetétele miatt azonban, amikor a gázt egy repülő töltött részecske ionizálja, koronakisülés nem következik be. A pozitív elektróda közelében létrehozott elektromos tér hatására az elsődleges részecskék másodlagos ionizációt idéznek elő, és elektromos lavinákat hoznak létre, ami a számlálón átrepülő létrehozott részecske elsődleges ionizációjának 10 3 - 10 6-szoros növekedéséhez vezet. Az arányos számláló lehetővé teszi a részecskeenergia rögzítését.

3. Ionizációs kamra. A Geiger-számlálóhoz és az arányos számlálóhoz hasonlóan az ionizációs kamrában is gázkeveréket használnak. Az arányos számlálóhoz képest azonban az ionizációs kamrában alacsonyabb a tápfeszültség, és nem növekszik benne az ionizáció. A részecskeenergia mérésére a kísérlet követelményeitől függően vagy csak az áramimpulzus elektronikus komponensét, vagy az elektronikus és ionkomponenseket használjuk.

4. Félvezető detektor. Az általában szilíciumból vagy germániumból készült félvezető detektor felépítése hasonló az ionizációs kamráéhoz. A félvezető detektorban a gáz szerepét egy bizonyos módon létrehozott érzékeny tartomány tölti be, amelyben normál állapotban nincsenek szabad töltéshordozók. Amint egy töltött részecske belép ebbe a tartományba, ennek megfelelően ionizációt okoz, a vezetési sávban elektronok jelennek meg, a vegyértéksávban pedig lyukak jelennek meg. Az érzékeny zónaelektródák felületére adott feszültség hatására az elektronok és a lyukak mozgása következik be, és áramimpulzus jön létre. Az áramimpulzus töltése információt hordoz az elektronok és lyukak számáról, és ennek megfelelően arról az energiáról, amelyet a töltött részecske elveszített az érzékeny tartományban. És ha a részecske teljesen elvesztette az energiáját az érzékeny területen, az áramimpulzus integrálásával információt kapunk a részecske energiájáról. A félvezető detektorok nagy energiafelbontásúak.

A nion ionpárok számát egy félvezető számlálóban az N ion = E/W képlet határozza meg,

ahol E a részecske kinetikus energiája, W pedig egy ionpár kialakításához szükséges energia. Germánium és szilícium esetében W ~ 3-4 eV, és egyenlő az elektronnak a vegyértéksávból a vezetési sávba való átmenetéhez szükséges energiával. A W kis értéke meghatározza a félvezető detektorok nagy felbontását, összehasonlítva más detektorokkal, amelyekben a primer részecske energiáját ionizációra fordítják (Eion >> W).

5. Felhőkamra. A felhőkamra működési elve a túltelített gőz lecsapódásán és az ionokon látható folyadékcseppek képződésén alapul, a kamrán átrepülő töltött részecske nyomában. A túltelített gőz létrehozásához a gáz gyors adiabatikus expanziója mechanikus dugattyú segítségével történik. A pálya fényképezése után a kamrában lévő gáz ismét összenyomódik, és az ionokon lévő cseppek elpárolognak. Elektromos mező kamrában a kamra „megtisztítására” szolgál a gáz előző ionizációja során keletkezett ionoktól

6. Buborékkamra. A működés elve a túlhevített folyadék felforralásán alapul egy töltött részecske nyomvonala mentén. A buborékkamra átlátszó túlhevített folyadékkal töltött edény. A nyomás gyors csökkenésével az ionizáló részecske nyomvonala mentén gőzbuborékok lánca képződik, amelyeket külső forrás megvilágít és lefényképez. A nyom lefényképezése után a kamrában megnő a nyomás, a gázbuborékok összeomlanak és a fényképezőgép ismét használatra kész. A kamrában folyékony hidrogént használnak munkafolyadékként, amely egyidejűleg hidrogén célpontként szolgál a részecskék protonokkal való kölcsönhatásának tanulmányozására.

A felhőkamra és a buborékkamra nagy előnye, hogy az egyes reakciókban keletkező összes töltött részecske közvetlenül megfigyelhető. A részecske típusának és lendületének meghatározásához felhőkamrákat és buborékkamrákat helyeznek mágneses mezőbe. A buborékkamrában a detektor anyagának sűrűsége nagyobb, mint egy felhőkamrában, ezért a töltött részecskék útjai teljes mértékben beletartoznak a detektor térfogatába. A fényképek buborékkamrákból való megfejtése külön, munkaigényes problémát jelent.

7. Nukleáris emulziók. Hasonlóképpen, mint a hétköznapi fényképezésben, egy töltött részecske az útja mentén megbontja az ezüsthalogenid szemcsék kristályrácsának szerkezetét, és ezáltal képessé válik a fejlődésre. A nukleáris emulzió a regisztráció egyedülálló módja ritka események. A nukleáris emulziók halmaza lehetővé teszi a nagyon nagy energiájú részecskék kimutatását. Segítségükkel ~1 mikronos pontossággal meg lehet határozni egy töltött részecske nyomvonalának koordinátáit. A nukleáris emulziókat széles körben használják kozmikus részecskék kimutatására szonda léggömbökön és űrhajókon.

8. Szikrakamra. A szikrakamra több lapos szikraközből áll, amelyek egy térfogatban vannak kombinálva. Miután egy töltött részecske áthalad a szikrakamrán, egy rövid nagyfeszültségű feszültségimpulzust vezetnek az elektródáira. Ennek eredményeként látható szikracsatorna képződik a pálya mentén. A mágneses térben elhelyezett szikrakamra nemcsak a részecske mozgási irányának érzékelését teszi lehetővé, hanem a részecske típusának és lendületének meghatározását is a pálya görbülete alapján. A szikrakamra elektródák mérete elérheti a több métert is.

9. Folyadékkamra. Ez egy szikrakamra analógja, nagy, ~0,5 m-es elektródák közötti távolsággal. A szikraközökbe táplált nagyfeszültségű kisülés időtartama ~10 -8 s. Ezért nem szikrabontás jön létre, hanem különálló rövid világító fénycsatornák - streamerek. Egy streamer kamrában egyszerre több töltött részecske is detektálható.

10. Arányos kamra. Az arányos kamra általában lapos vagy hengeres alakú, és bizonyos értelemben analóg a többelektródos arányos számlálóval. A nagyfeszültségű huzalelektródák néhány mm távolságra vannak egymástól. A feltöltött részecskék az elektródák rendszerén áthaladva ~10 -7 s időtartamú áramimpulzust hoznak létre a vezetékeken. Ezeket az impulzusokat egyedi vezetékekről rögzítve több mikronos pontossággal rekonstruálható a részecskepálya. Egy arányos kamera felbontási ideje több mikroszekundum. Az arányos kamra energiafelbontása ~5-10%.

11. Sodródó kamra. Ez egy arányos kamra analógja, amely lehetővé teszi a részecskék pályájának még nagyobb pontosságú visszaállítását.

A szikra-, streamer-, arányos és drift kamrák a buborékkamrák számos előnnyel rendelkeznek, lehetővé téve, hogy egy érdekes esemény hatására aktiválódjanak, és a szcintillációs detektorokkal egybeesve használják őket.

12. Szcintillációs detektor. A szcintillációs detektor bizonyos anyagok azon tulajdonságát használja fel, hogy izzanak, amikor egy töltött részecske áthalad rajta. A szcintillátorban keletkezett fénykvantumokat ezután fotosokszorozó csövek segítségével detektáljuk. Mindkét kristályos szcintillátort, például NaI-t, BGO-t, valamint műanyagot és folyékonyat használnak. A kristályszcintillátorokat elsősorban a gamma-sugarak észlelésére és röntgensugárzás, műanyag és folyadék - neutronok és időmérések rögzítésére. A nagy térfogatú szcintillátorok lehetővé teszik nagyon nagy hatékonyságú detektorok létrehozását kis keresztmetszetű részecskék kimutatására az anyaggal való kölcsönhatáshoz.

13. Kaloriméterek. A kaloriméterek egy anyag váltakozó rétegei, amelyekben a nagy energiájú részecskéket lassítják (általában vas- és ólomrétegek), valamint detektorok, amelyek szikrát és arányos kamrákat vagy szcintillátorrétegeket használnak. A kaloriméteren áthaladó nagy energiájú ionizáló részecske (E > 1010 eV) nagy számban másodlagos részecskék, amelyek a kaloriméterrel kölcsönhatásba lépve másodlagos részecskéket hoznak létre - részecskék záporát képezik az elsődleges részecske mozgásának irányában. A szikra- vagy arányos kamrák ionizációjának vagy a szcintillátorok fénykibocsátásának mérésével meghatározható a részecske energiája és típusa.

14. Cserenkov-számláló. A Cserenkov-számláló működése a Cserenkov-Vavilov sugárzás rögzítésén alapul, ami akkor következik be, amikor egy részecske a közegben a fény terjedési sebességét (v > c/n) meghaladó sebességgel mozog a közegben. A Cserenkov-sugárzás fénye a részecskék mozgásának irányában szögben előre irányul.

A fénysugárzás rögzítése fotosokszorozó csővel történik. A Cserenkov-számláló segítségével meghatározhatja a részecske sebességét, és sebesség alapján kiválaszthatja a részecskéket.

A legnagyobb vízdetektor, amelyben a részecskéket Cherenkov-sugárzással detektálják, a SuperKamiokande detektor (Japán). Az érzékelő hengeres alakú. A detektor munkatérfogatának átmérője 39,3 m, magassága 41,4 m. A detektor tömege 50 kton, a napneutrínók rögzítésének munkatérfogata 22 kton. A SuperKamiokande detektor 11 000 fénysokszorozó csővel rendelkezik, amelyek a detektor felületének ~40%-át pásztázzák.

ÖSSZES FIZIKA ÓRA 11. évfolyam
AKADÉMIAI SZINT

2. félév

ATOM- ÉS Atommag-fizika

LECKE 11/88

Téma. Az ionizáló sugárzás rögzítésének módszerei

Az óra célja: megismertetni a tanulókkal a töltött részecskék kimutatásának és tanulmányozásának modern módszereit.

Az óra típusa: lecke az új tananyag elsajátításáról.

ÓRATERV

Tudáskontroll		1. Felezési idő. 2. A radioaktív bomlás törvénye. 3. A felezési idő állandó és a radioaktív sugárzás intenzitása közötti kapcsolat.
Tüntetések		2. Részecskenyomok megfigyelése felhőkamrában. 3. Fényképek töltött részecskék nyomvonalairól buborékkamrában.
Új anyagok tanulása		1. A Geiger-Muller számláló felépítése és működési elve. 2. Ionizációs kamra. 3. Felhőkamra. 4. Buborékkamra. 5. Vastagréteg fotoemulziós módszer.
A tanult anyag megerősítése		1. Kvalitatív kérdések. 2. Problémamegoldás megtanulása.

ÚJ ANYAG TANULÁSA

A nukleáris részecskék és sugárzások modern regisztrálása két csoportra osztható:

a) a műszerhasználaton alapuló számítási módszerek megszámolják az egyik vagy olyan típusú részecskék számát;

b) nyomkövetési módszerek, amelyek lehetővé teszik a részecskék újbóli létrehozását. A Geiger-Muller számláló az egyik legfontosabb eszköz az automatikus részecskeszámláláshoz. A számláló ütési ionizáción alapul. Egy töltött részecske repül át a gázon, leválasztja az elektronokat az atomokról, és pozitív ionokat és szabad elektronokat hoz létre. Az anód és a katód közötti elektromos tér olyan energiákra gyorsítja az elektronokat, amelyeknél az ionizáció megindul. A Geiger-Muller számlálót elsősorban elektronok és γ-sugarak rögzítésére használják.

Ez a kamera lehetővé teszi az ionizáló sugárzás dózisának mérését. Általában ez egy hengeres kondenzátor, amelynek lemezei között gáz van. A lemezek közé nagy feszültség van kapcsolva. Ionizáló sugárzás hiányában gyakorlatilag nincs áram, és egy gáz besugárzása esetén szabad töltésű részecskék (elektronok és ionok) jelennek meg benne, és gyenge áram folyik. Ezt a gyenge áramot felerősítik és mérik. Az áramerősség a sugárzás ionizáló hatását (γ-kvantum) jellemzi.

Az 1912-ben létrehozott Wilson-kamra sokkal nagyobb lehetőségeket kínál a mikrovilág tanulmányozására. Ebben a fényképezőgépben egy gyorsan feltöltött részecske nyomot hagy, amely közvetlenül megfigyelhető vagy fényképezhető.

A felhőkamra működése a túltelített gőz ionokon történő lecsapódásán alapul, vízcseppeket képezve. Ezeket az ionokat a pályája mentén egy mozgó töltött részecske hozza létre. A cseppek az elrepült részecske látható nyomát képezik - egy nyomvonalat.

A felhőkamrában lévő sávok által szolgáltatott információ sokkal teljesebb, mint amit a számlálók nyújthatnak. A részecske energiája a pálya hosszával határozható meg, sebessége pedig a pálya egységnyi hosszára eső cseppek számával becsülhető meg.

P. L. Kapitsa és D. V. Skobeltsin orosz fizikusok egy felhőkamra egységes mágneses térbe helyezését javasolták. A mágneses tér meghatározott erővel hat egy töltött mozgó részecskére. Ez az erő meggörbíti a részecske pályáját anélkül, hogy a sebesség modulusát megváltoztatná. A pályagörbület mögött meg lehet határozni a részecske töltésének és tömegének arányát.

A felhőkamrában lévő részecskenyomokat általában nem csak megfigyelik, hanem le is fényképezik.

1952-ben D. Glaser amerikai tudós túlhevített folyadék használatát javasolta a részecskenyomok kimutatására. Ebben a folyadékban a gyorsan töltött részecske mozgása során keletkező ionokon gőzbuborékok jelennek meg, amelyek látható nyomot adnak. Az ilyen típusú kamrákat buborékkamráknak nevezték.

A buborékkamra előnye a Wilson-kamrával szemben a munkaanyag nagyobb sűrűségének köszönhető. Ennek eredményeként a részecskék útjai meglehetősen rövidnek bizonyulnak, és a nagy energiájú részecskék is „elakadnak” a kamrában. Ez lehetővé teszi egy részecske egymás utáni átalakulásának és az általa kiváltott reakciók sorozatának megfigyelését.

A felhőkamra és a buborékkamra nyomai az egyik fő információforrás a részecskék viselkedéséről és tulajdonságairól.

A részecskék és a sugárzás kimutatásának legolcsóbb módja a fotoemulzió. Azon a tényen alapszik, hogy egy töltött részecske, amely egy fényképészeti emulzióban mozog, elpusztítja az ezüst-bromid molekulákat azokban a szemcsékben, amelyeken áthaladt. A fejlesztés során a fémes ezüst helyreáll a kristályokban, és ezüstszemcsékből álló lánc alkot egy részecskepályát. A pálya hossza és vastagsága felhasználható a részecske energiájának és tömegének becslésére.

KÉRDÉSEK DIÁKHOZ AZ ÚJ ANYAG BEMUTATÁSA ALATT

Első szint

1. Lehetséges-e a töltetlen részecskék kimutatása felhőkamra segítségével?

2. Milyen előnyei vannak a buborékkamrának a felhőkamrával szemben?

Második szint

1. Miért nem észleli az alfa-részecskéket a Geiger-Muller számláló?

2. Milyen jellemzők határozhatók meg a részecskék mágneses térbe helyezett felhőkamrájával?

TANULT ANYAG ÉPÍTÉSE

1. Hogyan határozható meg egy felhőkamra segítségével a kamrán átrepült részecske természete, energiája és sebessége?

2. Milyen célból zárják le néha ólomréteggel a Wilson-kamrát?

3. Hol nagyobb egy részecske átlagos szabad útja: a Föld felszínén vagy a légkör felső rétegeiben?

1. Az ábra egy egyenletes mágneses térben mozgó, 100 mT mágneses indukciójú részecske nyomvonalát mutatja az ábra síkjára merőlegesen. Az ábrán látható rácsvonalak távolsága 1 cm Mekkora a részecske sebessége?

2. Az ábrán látható fénykép vízgőzzel teli felhőkamrában készült. Milyen részecske repülhet át egy felhőkamrán? A nyíl mutatja a részecske kezdeti sebességének irányát.

2. Szo.: 17.49 sz.; 17,77; 17,78; 17,79; 17.80.

3. D: felkészülni önálló munkavégzés № 14.

FELADATOK ÖNMUNKÁBÓL 14. sz. „ATOMMAG. NUKLEÁRIS ERŐK. RADIOAKTIVITÁS"

A rádium 226 88 Ra bomlása megtörtént

A Az atommagban lévő protonok száma 1-gyel csökkent.

Egy 90-es atommag keletkezne.

B Egy ​​224-es tömegszámú mag keletkezett.

D Egy másik atom magja keletkezik kémiai elem.

Felhőkamrát használnak a töltött részecskék kimutatására.

A Felhőkamra pedig csak az elrepülő részecskék számának meghatározását teszi lehetővé.

A neutronokat felhőkamra segítségével lehet kimutatni.

A felhőkamrán átrepülő töltött részecske a túlhevített folyadékot felforralja.

D Felhőkamrát mágneses térbe helyezve meg lehet határozni az elrepülő részecskék töltésének előjelét.

A 3. feladat megfeleltetés (logikai pár) felállítását célozza. Minden betűvel jelölt sorhoz válasszon egy számmal jelölt állítást.

És Proton.

Neutron lenne.

Izotópokban.

G Alfa részecske.

1 Semleges részecske, amelyet egy proton és egy neutron alkot.

2 Pozitív töltésű részecske, amelyet két proton és két neutron alkot. Azonos a hélium atom magjával

3 Olyan részecske, amelynek nincs elektromos töltése, tömege 1,67 · 10-27 kg.

4 Pozitív töltésű, egy elektron töltésével egyenlő nagyságú részecske, tömege 1,67 · 10-27 kg.

5 azonos elektromos töltésű, de eltérő tömegű atommag.

Milyen izotóp keletkezik a 23992 U uránból két β-bomlás és egy bomlás után? Írd fel a reakcióegyenletet!

Először is ismerkedjünk meg azokkal az eszközökkel, amelyeknek köszönhetően az atommag és az elemi részecskék fizikája kialakult és fejlődésnek indult. Ezek olyan eszközök, amelyek rögzítik és tanulmányozzák az atommagok és elemi részecskék ütközését és kölcsönös átalakulását. Megadják a szükséges információkat a mikrovilág eseményeiről. Az elemi részecskék rögzítésére szolgáló eszközök működési elve. Bármilyen eszköz, amely regisztrálja az elemi részecskéket vagy a mozgást atommagok , mint egy töltött fegyver, felhúzott kalapáccsal. Egy kis erő a pisztoly ravaszának megnyomásakor olyan hatást vált ki, amely nem hasonlítható össze a ráfordított erőfeszítéssel - egy lövés. A rögzítőeszköz többé-kevésbé összetett makroszkopikus rendszer, amely instabil állapotban lehet. Egy áthaladó részecske által okozott kis zavarral megkezdődik a rendszer átmenete egy új, stabilabb állapotba. Ez a folyamat lehetővé teszi egy részecske regisztrálását. Jelenleg számos különböző részecskedetektálási módszert alkalmaznak. A kísérlet céljától és a végrehajtás körülményeitől függően bizonyos rögzítő eszközöket használnak, amelyek fő jellemzőikben különböznek egymástól. Gázkisüléses Geiger számláló. A Geiger-számláló az egyik legfontosabb eszköz az automatikus részecskeszámláláshoz. A számláló (253. ábra) egy belül fémréteggel (katód) bevont üvegcsőből és a cső tengelye mentén futó vékony fémszálból (anód) áll. A cső tele van gázzal, általában argonnal. A számláló ütési ionizáción alapul. A gázon átrepülő töltött részecske (elektron, alfa részecske stb.) eltávolítja az elektronokat az atomokból, és pozitív ionokat és szabad elektronokat hoz létre. Az anód és a katód közötti elektromos tér (nagy feszültség van rájuk kapcsolva) olyan energiákra gyorsítja az elektronokat, amelyeknél megindul az ütközési ionizáció. Ionlavina következik be, és a számlálón áthaladó áram erősen megnő. Ebben az esetben az R terhelőellenálláson keresztül feszültségimpulzus keletkezik, amely a rögzítőeszközre kerül. Ahhoz, hogy a számláló regisztrálja a következő részecskét, amely eltalálja, a lavinakisülést el kell oltani. Ez automatikusan megtörténik. Mivel az áramimpulzus megjelenésének pillanatában az R terhelőellenálláson a feszültségesés nagy, az anód és a katód közötti feszültség élesen csökken - annyira, hogy a kisülés leáll. A Geiger-számlálót elsősorban elektronok és y-kvantumok (nagy energiájú fotonok) rögzítésére használják. Az y-kvantumokat azonban nem közvetlenül rögzítik alacsony ionizáló képességük miatt. Ezek kimutatására a cső belső falát olyan anyaggal vonják be, amelyből az y-kvanták kiütik az elektronokat. A számláló szinte minden elektront rögzít, amely belép; Ami az y-kvantumokat illeti, körülbelül csak egy y-kvantumot regisztrál a százból. A nehéz részecskék (például az a-részecskék) regisztrálása nehézkes, mivel nehéz kellően vékony ablakot készíteni a pultban, amely átlátszó ezeknek a részecskéknek. Jelenleg olyan számlálókat hoztak létre, amelyek a Geiger-számlálótól eltérő elveken működnek. Wilson kamra. A számlálók csak a rajtuk áthaladó részecske tényének regisztrálását és egyes jellemzőinek rögzítését teszik lehetővé. Az 1912-ben létrehozott felhőkamrában egy gyorsan töltött részecske közvetlenül megfigyelhető vagy fényképezhető nyomot hagy maga után. Ezt az eszközt nevezhetjük ablaknak a mikrovilágba, vagyis az elemi részecskék és az azokból álló rendszerek világába. A felhőkamra működése a túltelített gőz ionokon történő lecsapódásán alapul, vízcseppeket képezve. Ezeket az ionokat a pályája mentén egy mozgó töltött részecske hozza létre. A felhőkamra egy hermetikusan lezárt edény, amely telítettséghez közeli vízzel vagy alkoholgőzzel van feltöltve (254. ábra). Amikor a dugattyút élesen leeresztik az alatta lévő nyomás csökkenése miatt, a kamrában lévő gőz adiabatikusan kitágul. Ennek eredményeként lehűlés következik be, és a gőz túltelítetté válik. Ez a gőz instabil állapota: a gőz könnyen lecsapódik. A kondenzációs központok ionokká válnak, amelyeket a kamra munkaterében egy repülő részecske hoz létre. Ha egy részecske közvetlenül a tágulás előtt vagy közvetlenül utána belép a kamrába, vízcseppek jelennek meg az útjában. Ezek a cseppek a repülő részecske látható nyomát alkotják - egy pályát (255. ábra). Ezután a kamra visszatér eredeti állapotába, és az ionokat elektromos tér eltávolítja. A kamera méretétől függően az üzemmód visszaállításának ideje néhány másodperctől több tíz percig terjed. A felhőkamrában lévő sávok által szolgáltatott információ sokkal gazdagabb, mint amit a számlálók nyújthatnak. A pálya hosszából meghatározható a részecske energiája, a pálya egységnyi hosszára eső cseppek számából pedig a sebességét. Minél hosszabb a részecske nyomvonala, annál nagyobb az energiája. És minél több vízcsepp képződik a pálya egységnyi hosszában, annál kisebb a sebessége. A nagyobb töltésű részecskék vastagabb nyomot hagynak. P. L. Kapitsa és D. V. Skobeltsyn szovjet fizikusok egy felhőkamra egységes mágneses térbe helyezését javasolták. A mozgó töltött részecskére a mágneses tér bizonyos erővel hat (Lorentz-erő). Ez az erő elhajlítja a részecske pályáját anélkül, hogy a sebesség modulusát megváltoztatná. Minél nagyobb a részecske töltése és minél kisebb a tömege, annál nagyobb a pálya görbülete. A pálya görbületéből meg lehet határozni a részecske töltésének arányát a tömegéhez. Ha ezen mennyiségek egyike ismert, akkor a másik is kiszámítható. Például egy részecske töltéséből és nyomvonalának görbületéből számítsa ki a tömeget. Buborékkamra. 1952-ben D. Glazer amerikai tudós túlhevített folyadék használatát javasolta a részecskenyomok kimutatására. Egy ilyen folyadékban a gyorsan töltött részecske mozgása során keletkező ionokon gőzbuborékok jelennek meg, amelyek látható nyomot adnak. Fényképezőgépek ebből a típusból hólyagosnak nevezték. A kiindulási állapotban a kamrában lévő folyadék nagy nyomás alatt van, ami megakadályozza a forrást, annak ellenére, hogy a folyadék hőmérséklete magasabb, mint a légköri nyomáson lévő forráspont. A nyomás éles csökkenésével a folyadék túlmelegszik, és rövid ideig instabil állapotba kerül. A pontosan ilyenkor repülő töltött részecskék gőzbuborékokból álló nyomok megjelenését idézik elő (256. ábra). A felhasznált folyadékok főként folyékony hidrogén és propán. A buborékkamra működési ciklusa rövid - körülbelül 0,1 másodperc. A buborékkamra előnye a Wilson-kamrával szemben a munkaanyag nagyobb sűrűségének köszönhető. Ennek eredményeként a részecskék útjai meglehetősen rövidnek bizonyulnak, és még nagy energiájú részecskék is megakadnak a kamrában. Ez lehetővé teszi egy részecske egymás utáni átalakulásának és az általa okozott reakciók sorozatának megfigyelését. A felhőkamra és a buborékkamra nyomai az egyik fő információforrás a részecskék viselkedéséről és tulajdonságairól. Az elemi részecskék nyomainak megfigyelése erős benyomást kelt, és a mikrokozmosszal való közvetlen érintkezés érzését kelti. Vastagrétegű fényképészeti emulziók módszere. A részecskék kimutatására a felhőkamrák és buborékkamrák mellett vastagrétegű fényképészeti emulziókat is használnak. A gyorsan töltött részecskék ionizáló hatása egy fotólemez emulziójára tette lehetővé A. Becquerel francia fizikus számára, hogy 1896-ban felfedezze a radioaktivitást. A fotoemulziós módszert szovjet fizikusok, L. V. Mysovsky, A. P. Zhdanov és mások fejlesztették ki. Egy gyors töltésű részecske, amely áthatol a kristályon, eltávolítja az elektronokat az egyes brómatomokról. Az ilyen kristályokból álló lánc látens képet alkot. Kifejlesztéskor a fémes ezüst helyreáll ezekben a kristályokban, és az ezüstszemcsékből álló lánc részecskéket alkot (257. ábra). A pálya hossza és vastagsága felhasználható a részecske energiájának és tömegének becslésére. A fotoemulzió nagy sűrűsége miatt a pályák nagyon rövidek (nagyságrendileg 1(G3 cm a kibocsátott alfa-részecskéknél radioaktív elemek), de fényképezéskor nagyíthatók. A fényképészeti emulziók előnye, hogy az expozíciós idő a kívánt hosszúságú lehet. Ez lehetővé teszi a ritka események rögzítését. Fontos az is, hogy a fotoemulziók nagy megállító ereje miatt megnő a megfigyelt érdekes reakciók száma a részecskék és az atommagok között. Nem beszéltünk az összes elemi részecskéket rögzítő eszközről. A ritka és nagyon rövid élettartamú részecskék kimutatására szolgáló modern eszközök nagyon kifinomultak. Több százan vesznek részt az építkezésükben. E 1- Lehetséges-e a töltetlen részecskék regisztrálása felhőkamrával? 2. Milyen előnyei vannak a buborékkamrának a Wilson-kamrához képest!

11. évfolyam

1 Opció

1.A Geiger-számláló működése azon alapul

A. Molekulák felhasadása mozgó töltött részecske által B. Impact ionization.

B. Egy részecske energiafelszabadulása. D. Gőzképződés túlhevített folyadékban.

D. Túltelített gőzök kondenzációja.

2. Elemi részecskék rögzítésére szolgáló eszköz, melynek működése azon alapul

túlhevített folyadékban gőzbuborékok képződését ún

A. Vastagfilm emulzió. B. Geiger-számláló. B. Kamera.

G. Wilson kamra. D. Buborékkamra.

3. A radioaktív sugárzás tanulmányozására felhőkamrát használnak. Működése azon a tényen alapul, hogy amikor egy gyorsan töltött részecske áthalad rajta:
A. folyadékcseppek nyoma jelenik meg a gázban; B. impulzus jelenik meg a gázban elektromos áram;
V. e részecske nyomának látens képe keletkezik a lemezben;

G. a folyadékban fényvillanás jelenik meg.

4.Mit jelent a vastagrétegű fényképészeti emulziós módszerrel kialakított pálya?

A vízcseppek lánca B. Gőzbuborékok lánca

V. Elektronlavina G. Ezüstszemcsék lánca

5. Lehetséges-e a töltetlen részecskék kimutatása felhőkamra segítségével?

V. Lehetséges, ha kicsi a tömegük (elektron)

B. Lehetséges, ha van egy kis impulzusuk

B. Lehetséges, ha nagy tömegűek (neutronok)

D. Lehetséges, ha nagy az impulzusuk D. Lehetetlen

6. Mivel van tele a Wilson-kamra?

A. Víz- vagy alkoholgőz. B. Gáz, általában argon. B. Kémiai reagensek

D. Csaknem forrásig melegített folyékony hidrogén vagy propán

7. A radioaktivitás...

A. Az atommagok azon képessége, hogy spontán részecskéket bocsátanak ki, miközben mások atommagjaivá alakulnak

kémiai elemek

B. Az atommagok azon képessége, hogy részecskéket bocsátanak ki, miközben más vegyi anyagok atommagjaivá alakulnak át

elemeket

B. Az atommagok azon képessége, hogy spontán részecskéket bocsátanak ki

D. Az atommagok részecskekibocsátó képessége

8. Alfa - sugárzás- Ezt

9. Gamma sugárzás- Ezt

A. A pozitív részecskék áramlása B. A negatív részecskék áramlása C. A semleges részecskék áramlása

10. Mi a béta-sugárzás?

11. Az α-bomlás során az atommag...

A. Egy másik kémiai elem magjává alakul át, amely két sejttel közelebb van

a periódusos rendszer kezdete

B. Egy másik kémiai elem magjává alakul át, amely egy sejttel távolabb helyezkedik el

a periódusos rendszer elejétől

G. Ugyanannak az elemnek a magja marad eggyel csökkentett tömegszámmal.

12. A radioaktív sugárzás érzékelőt zárt kartondobozba helyezzük, amelynek falvastagsága meghaladja az 1 mm-t. Milyen sugárzást észlel?

13. Mivé válik az urán-238 ezután?α - és kettőβ - szakítások?

14. Milyen elemmel kell helyettesíteni az X-et?

204 79 Au X + 0 -1 e

11. évfolyam

Teszt „Az elemi részecskék regisztrálásának módszerei. Radioaktivitás".

2. lehetőség.

1. Elemi részecskék rögzítésére szolgáló eszköz, melynek működése azon alapul

a túltelített gőz kondenzációját nevezzük

A. Fényképezőgép B. Wilson kamra C. Vastagfilm emulzió

D. Geiger-számláló D. Buborékkamra

2.A nukleáris sugárzás rögzítésére szolgáló készülék, amelyben egy gyorstöltés áthalad

A részecskék folyadékcseppek nyomvonalának megjelenését okozzák a gázban, ún

A. Geiger-számláló B. Felhőkamra C. Vastagfilm-emulzió

D. Buborékkamra D. Cink-szulfiddal bevont szita

3.A következő nukleáris sugárzás rögzítésére szolgáló eszközök közül melyik

egy gyorsan töltött részecske áthaladása elektromos impulzus megjelenését idézi elő

áram a gázban?

A. Geiger pultban B. Felhőkamrában C. Fényképes emulzióban

D. Szcintillációs számlálóban.

4. A töltött részecskék rögzítésének fotoemulziós módszere azon alapul

A. Impact ionization. B. Molekulák hasítása mozgó töltött részecske által.

B. Gőzképződés túlhevített folyadékban. D. Túltelített gőzök kondenzációja.

D. Egy részecske energiafelszabadulása

5. Egy töltött részecske folyékony gőzbuborékok nyomát okozza benne

A. Geiger-számláló. B. Wilson kamra B. Fénykép emulzió.

D. Szcintillációs számláló. D. Buborékkamra

6. Mivel van megtöltve a buborékkamra?

A. Víz- vagy alkoholgőz. B. Gáz, általában argon. B. Kémiai reagensek.

D. Csaknem forrásig melegített folyékony hidrogén vagy propán.

7. Tárolóval radioaktív anyag behelyezve

mágneses mező, ami a nyalábot okozza

a radioaktív sugárzás három részre bomlik

alkatrészek (lásd a képet). Összetevők (3)

megfelel

A. Gamma-sugárzás B. Alfa-sugárzás

B. Béta sugárzás

8. Béta sugárzás- Ezt

A. A pozitív részecskék áramlása B. A negatív részecskék áramlása C. A semleges részecskék áramlása

9. Mi az alfa-sugárzás?

A. Hélium atommagok áramlása B. Protonok áramlása C. Elektronok áramlása

D. Nagy frekvenciájú elektromágneses hullámok

10. Mi a gamma-sugárzás?

A. Hélium atommagok áramlása B. Protonok áramlása C. Elektronok áramlása

D. Nagy frekvenciájú elektromágneses hullámok

11. A β-bomlás során a mag...

A. Egy másik kémiai elem magjává alakul át, amely egy sejttel távolabb helyezkedik el

a periódusos rendszer elejétől

B. Egy másik kémiai elem magjává alakul át, amelyhez két sejttel közelebb van

a periódusos rendszer kezdete

B. Ugyanannak az elemnek az azonos tömegszámú magja marad

G. Ugyanannak az elemnek a magja marad eggyel csökkentett tömegszámmal

12 A három sugárzás közül melyiknek van a legnagyobb áthatoló ereje?

A. Gamma-sugárzás B. Alfa-sugárzás C. Béta-sugárzás

13. Melyik kémiai elem magja egy alfa-bomlás eredménye

és egy adott elem magjának két béta-bomlása 214 90 Th?

14.Melyik elem álljon helyetteX?