Муниципальное общеобразовательное автономное учреждение средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов 1 Презентация по. - презентация

1 Муниципальное общеобразовательное автономное учреждение средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов 1 Презентация по физике, 11 кл Знакомство с миром элементарных частиц Автор: Клименко Е.Н. учитель физики I квалификационной категории г. Белогорск, Амурская область

2 Необходимую информацию о событиях в микромире можно получить с помощью специальных устройств, к которым относятся: газоразрядный счетчик Гейгера; камера Вильсона; пузырьковая камера; сцинтилляционный счетчик; метод толстослойных фотоэмульсий.

3 Счетчик Гейгера представляет собой несложный прибор для регистрации излучения. Он способен определять различные виды радиоактивного излучения (альфа, бета, гамма), но наиболее чувствителен к гамма- и бета-частицам.

4 Конструкция проста: трубка счетчика Гейгера-Мюллера заполнена газом и имеет два электрода, к которым приложено высокое напряжение. При попадании в трубку ионизирующей частицы между электродами на некоторое время возникает проводящий канал. Возникший в результате ток детектируется электронным усилителем.

5 Работа счетчика основана на ударной ионизации. Гамма кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

6 Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный заряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

7 Камера Вильсона Камера Вильсона была изобретена шотландским физиком Ч. Вильсоном в 1910–1912 гг. и являлась одним из первых приборов для регистрации заряженных частиц. В основе действия камеры лежит свойство конденсации капелек воды на ионах, образовавшихся вдоль трека (следа) частицы. Появление камеры Вильсона не только позволило увидеть треки частиц, но и сделало возможным «распознавание» этих частиц (заряд, энергия), а также дало много нового материала, который послужил основанием для некоторых важных открытий.

8 Принцип работы камеры Вильсона довольно прост. Известно, что если парциальное давление водяного пара превышает его давление насыщения при данной температуре. то может образоваться туман и выпасть роса. Показатель перенасыщения S – это отношение парциального давления к давлению насыщения при данной температуре. Для самопроизвольной конденсации пара в чистом воздухе нужны большие показатели перенасыщения (S ~ 10), но если в воздухе присутствуют посторонние частицы, способные служить центрами конденсации, то образование микрокапелек может начаться и при меньших значениях S.

9 Частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают достаточной энергией для ионизации большого числа молекул газа, составляющего среду. Образующиеся при пролете частицы ионы эффективно притягивают молекулы воды вследствие несимметричности распределения заряда в этих молекулах. Таким образом, частица, высвободившаяся при радиоактивном распаде, пролетая перенасыщенную среду, должна оставлять за собой след из капелек воды. Его можно увидеть и заснять на фотопластинку в камере Вильсона.

10 Камера Вильсона представляет собой цилиндр, заполненный парами спирта и воды. В камере имеется поршень, при быстром опускании которого вследствие адиабатического расширения температура падает, и пары приобретают способность легко конденсироваться (показатель перенасыщения 1 < S < 10). Влетающие через отверстие в камере частицы вызывают ионизацию молекул среды, то есть появление туманного следа – трека частицы. Вследствие того, что частицы обладают разными энергиями, размерами и зарядами, треки от различных частиц выглядят по-разному. Например, трек электрона выглядит тоньше и прерывистей, чем трек, полученный при пролете значительно более массивной альфа- частицы.

11 В 1923 г. советский физик П.Л. Капица поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле, которое искривляло траекторию движения частиц. По величине искривления траектории можно определять заряды и энергии частиц.

12 Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.). Пузырьковые камеры могут достигать очень больших размеров (до 40 м 3 ).А. Глэзером

13 Принцип действия пузырьковой камеры напоминает принцип действия камеры Вильсона. В последней используется свойство перенасыщенного пара конденсироваться в мельчайшие капельки вдоль траектории заряженных частиц. В пузырьковой камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль пути пролёта заряженной частицы. Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров парообразования, например, ионов. Таким образом, если в камере Вильсона заряженная частица инициирует на своём пути превращение пара в жидкость, то в пузырьковой камере, наоборот, заряженная частица вызывает превращение жидкости в пар.

14

15 Перегретое состояние достигается быстрым (5-20 мс) уменьшением внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится чувствительной и способна зарегистрировать заряженную частицу. После фотографирования треков давление поднимается до прежней величины, пузырьки схлопываются и камера вновь готова к работе. Цикл работы большой пузырьковой камеры 1 с (т. е. значительно меньше, чем у камеры Вильсона), что позволяет использовать её в экспериментах на импульсных ускорителях. Небольшие пузырьковые камеры могут работать в значительно более быстром режиме – расширений в секунду. Моменты возникновения фазы чувствительности пузырьковой камеры синхронизуют с моментами попадания в камеру частиц от ускорителя.

16

17 Важным преимуществом пузырьковой камеры по сравнению с камерой Вильсона и диффузионной камерой является то, что в качестве рабочей среды в ней используется жидкость (жидкие водород, гелий, неон, ксенон, фреон, пропан и их смеси). Их, как и камеры Вильсона, помещают в магнитное поле. Недостатком пузырьковой камеры является то, что её невозможно (в отличие от камеры Вильсона) быстро включить по сигналам внешних детекторов, осуществляющих предварительный отбор событий, так как жидкость слишком инерционна и не поддается очень быстрому (за время 1 мкс) расширению. Поэтому пузырьковые камеры, будучи синхронизованы с работой ускорителя, регистрируют все события, инициируемые в камере пучком частиц. Значительная часть этих событий не представляет интереса.камерой Вильсонадиффузионной камерой

18 Сцинтилляционный счетчик Метод регистрации заряженных частиц с помощью подсчета вспышек света, возникающих при попадании этих частиц на экран из сернистого цинка (ZnS) считается одним из первых методов регистрации ядерных излучений. Этот метод заключается в следующем. Сцинтилляциями вспышками называют отдельные кратковременные вспышки света, которые можно заметить, наблюдая через увеличительное секло за поверхностью экрана из сернистого цинка, облучаемого a -частицами. Отдельной a -частицей, попадающей на экран создаётся каждая из этих сцентилляций. Эти явления впервые были обнаружены ещё в 1903 г. Круксом и другими.

19

20 В дальнейшем визуальный метод сцинтилляций был использован в основном для регистрации a -частиц и протонов с энергией в несколько миллионов электронвольт регистрировать не удалось. Так как отдельные быстрые электроны вызывают очень слабые сцинтилляции, их зарегистрировать не удалось. То, что гамма-лучи никаких вспышек на экране не вызывают, создавая лишь общее свечение, позволило регистрировать a -частицы в присутствии сильного g -излучения.

21

22 Метод толстослойных фотоэмульсий Советские физики В. Мысовский и А. П. Жданов разработали другой метод наблюдения путей отдельных частиц, получивший название метода толстослойных фотопластинок. Проходя сквозь слой эмульсии, нанесённой на фотопластинку, быстрые заряженные частицы производят в ней такое же действие, как и свет. Зёрна эмульсии, лежащие на пути заряженных частиц, становятся способными к проявлению. Поэтому после проявления пластинки можно отчётливо видеть Фотография цепочки чёрных точекследы отдель- путей альфа-частиц ных частиц. В обычных фотопластинках в камере Вильсона. Приходится увеличивать толщину слоя эмульсии. Так как следы частиц имеют небольшую длину (несколько десятков микрон 6), то наблюдение их производится с помощью микроскопа.

23 Метод толстослойных фотопластинок особенно удобен для изучения чрезвычайно редких явлений при ядерных реакциях. Камера Вильсона позволяет видеть следы частиц только за доли секунды. Чтобы сфотографировать в ней редкое событие, приходится делать десятки тысяч снимков. А фотопластинка может «выжидать» такое событие в течение многих часов.

24 Источники информации: ido.tsu.ru