Экспериментальные методы исследования частиц

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Лицей № 7» г. Бердск

Экспериментальные методы исследования элементарных частиц

9 класс

Учитель физики

И.В.Торопчина

Лицей №7, г. Бердск

Сцинтилляционный

метод

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

Счётчик Гейгера

Камера Вильсона

Пузырьковая камера

Искровая камера

Фотографические

эмульсии

Искровая камера

Методы регистрации

• Сцинтилляционный метод
• Счетчик Гейгера
• Камера Вильсона
• Пузырьковая камера
• Метод толстослойных фотоэмульсий
• Искровая камера

Сцинтилляционный метод

• СЦИНТИЛЛЯЦИЯ (от лат. scintillatio — мерцание), кратковременная вспышка люминесценции, возникающая в сцинтилляторах под действием ионизирующих излучений (например, быстрых электронов)

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР (сцинтилляционный спектрометр).

Действие основано на возбуждении заряженными частицами в ряде веществ световых вспышек (сцинтилляций), которые регистрируются фотоэлектронными умножителями. Сцинтилляционные детекторы обладают высокой эффективностью регистрации нейтронов и γ-квантов и быстродействием. Используются в телевизорах (светящийся при работе экран). Э. Резерфорд применил в опытах по рассеянию α- частиц.

Сцинтилляционный счётчик, прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, y - квантов, мезонов и т. д.) . Основным элементом счетчика является вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор).

При попадании заряженной частицы на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка, возникает вспышка света (СЦИНТИЛЛЯЦИЯ). Вспышку можно наблюдать и фиксировать.

Прибор состоит из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и электронной системы.

Счетчик Гейгера, 1908 г.

Ханс Гейгер

Счетчик Гейгера

В газоразрядном счетчике имеются катод в виде цилиндра и анод в виде тонкой проволоки по оси цилиндра. Пространство между катодом и анодом заполняется специальной смесью газов. Между катодом и анодом прикладывается напряжение.

U

Счетчик Гейгера

• Действие счетчика основано на ударной ионизации. Когда элементарная частица пролетает сквозь счетчик, она ионизирует газ, и ток через счетчик очень резко возрастает. Образующийся при этом на нагрузке импульс напряжения подается к регистрирующему устройству .

Счетчик Гейгера.

• Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и y - квантов(фотонов большой энергии).
• Счётчик регистрирует почти все падающие в него электроны.
• Регистрация сложных частиц затруднена.

R

+

К усилителю

-

Стеклянная трубка

Анод

Чтобы зарегистритровать y- кванты, стенки трубки покрывают материалом, из которого они выбивают электроны.

Катод

Чтобы зарегистрировать y- кванты, стенки трубки покрывают специальным материалом, из которого они выбивают электроны.

• В изображенном приборе радиационного контроля используется счетчик Гейгера, который может определить наличие радиоактивного излучения и позволяет оценить его интенсивность.

Камера Вильсона

• Вильсон - шотландский физик, член Лондонского королевского общества. Изобрёл в 1912 г прибор для наблюдения и фотографирования следов заряжённых частиц, впоследствии названную камерой Вильсона (Нобелевская премия, 1927).

Камера Вильсона

Действие камеры основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды

Стеклянная

пластина

• Камеру Вильсона можно назвать “ окном ” в микромир. Она представляет собой герметично закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению.

поршень

Камера Вильсона

• Советские физики П.Л. Капица и
• Д.В. Скобельцин предложили помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле.

вентиль

Если частицы проникают в камеру, то на их пути возникают капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы - трек. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины оценивается её скорость. Трек имеет кривизну.

Первое искусственное превращение элементов – взаимодействие  льфа частицы с ядром азота, в результате которого образовались ядро кислорода и протон.

Первое искусственное превращение элементов – взаимодействие a - частицы с ядром азота, в результате которого образовались ядро кислорода и протон.

13

Пузырьковая камера

1952г. Д.Глейзер . Вскипание перегретой жидкости.

Действие пузырьковых камер основано на том, что они заполнены перегретой жидкостью, в которой появляются маленькие пузырьки пара на ионах, возникающих при движении быстрых частиц

Пузырьковая камера

При понижении давления жидкость в камере переходит в перегретое состояние.

поршень

Пузырьковая камера

Пролёт частицы вызывает образование цепочки капель, которые можно сфотографировать .

Пузырьковая камера

Фотография столкновения элементарных частиц в главной пузырьковой камере ускорителя Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария.

Траектории движения элементарных частиц расцвечены для большей ясности картины. Голубыми линиями отмечены следы пузырьков, образующихся вокруг атомов, возбужденных в результате пролета быстрых заряженных частиц.

Метод толстослойных фотоэмульсий

1928 г. Л.В.Мысовский, А.П.Жданов

Александр Павлович Жданов (1904-1969) Советский физик, один из видных участников создания советской атомной бомбы. За открытие новых видов расщепления атомных ядер, вызывыемых космическими лучами, изложенное в статье «Аномальное расщепление ядер брома и серебра космическими лучами» награждён Сталинской премией.

Лев Владимирович Мысовский ( 1888 — 1939) — русский и советский физик, доктор физико-математических наук. Автор большого количества теоретических разработок и практических изобретений. Первый заведующий физическим отделом Радиевого института, где проработал 17 лет.

Метод толстослойных фотоэмульсий

Фотоэмульсия содержит мельчайшие кристаллы бромистого серебра, его атомы ионизируются при пролете элементарной частицы.

Фотографические эмульсии

Заряженная частица, двигаясь в фотоэмульсии, разрушает молекулы бромида серебра в зернах, сквозь которые прошла. После проявления такой пластинки в ней возникают «дорожки» из осевшего серебра, хорошо видимые в микроскоп. Каждая такая дорожка — это след движущейся частицы. По характеру видимого следа (его длине, толщине и т. п.) можно судить как о свойствах частицы, которая оставила след (ее энергии, скорости, массе, направлении движения), так и о характере процесса (рассеивание, ядерная реакция, распад частиц), если он произошел в эмульсии.

Треки элементарных частиц в толстослойной фотоэмульсии

Фотографические эмульсии

Заряжённые частицы создают скрытые изображения следа движения.

По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.

Фотоэмульсия имеет большую плотность, поэтому треки

получаются короткими.

П реиму щ ества метод а :

1. можно регистрировать траектории всех частиц, пролетевших сквозь фотопластинку за время наблюдения .

2. Фотопластинка всегда готова для применения (эмульсия не требует процедур, которые приводили бы ее в рабочее состояние) .

3.Эмульсия обладает большой тормозящей способностью, обусловленной большой плотностью .

4 Д ает неисчезающий след частицы,  который потом можно тщательно изучать.

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

Искровая камера

Искровая камера – трековый детектор заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка искровых электрических разрядов вдоль траектории её движения.

Трек частицы в узкозазорной искровой камере

1959 г. С.Фукуи, С.Миямото. Искровая камера. Разряд в газе при его ударной ионизации.

.

Искровая камера обычно представляет собой систему параллельных металлических электродов, пространство между которыми заполнено инертным газом. Расстояние между пластинами от 1-2 см до 10 см .

Разрядные искры строго локализованы. Они возникают там, где появляются свободные заряды, и поэтому воспроизводят траекторию движения частицы через камеру. Искровые камеры могут иметь размеры порядка нескольких метров .

Внешний вид двухсекционной искровой камеры

Заполнить таблицу

Название прибора, метода

Автор, год

Принцип действия

Какие частицы регистри-

рует

Преимущест-ва

Недостатки

Подумай и ответь

1.Для регистрации каких частиц в основном используется счетчик Гейгера?

А) Альфа-частиц

Б) Электронов

В) Протонов

2.В каком приборе для регистрации частиц прохождение быстрой заряженной частицы вызывает появление следа из капелек жидкости?

А) Счетчик Гейгера

Б) Камера Вильсона

В) Пузырьковая камера

Дом. задание: § 54,

Заполнить таблицу

Спасибо

за внимание!