Методы регистрации элементарных частиц

Тема урока: Методы наблюдения и регистрации элементарных

частиц.

Цель урока: Объяснить учащимся устройство и принцип действия установок для регистрации и изучения элементарных частиц.

Тип урока: Урок усвоения новых знаний.

Эпиграф:

“ ….. воспитание творческих способностей

в человеке основывается на развитии

самостоятельного мышления”

П.П. Капица

Структура урока:

1. Организационный этап.

Приветствие учеников и гостей семинара. Проверка подготовленности уч-ся к учебному занятию

2. Цели и задачи урока. (Подготовка учащихся к работе на основном этапе)

Объявление цели урока (Сегодня на уроке вы узнаете с помощью каких приборов осуществляют наблюдение и регистрацию заряженных частиц, как они устроены и их принцип действия).

1. Изложение нового материала

Вначале проведем фронтальный опрос:

• Что такое ионизация?

(Процесс распада нейтральных атомов на ионы и электроны)

• Как получить пересыщенный пар?

(Ответ. Резко увеличить объём сосуда. При этом температура

понизится и пар станет пересыщенным.)

• Что произойдёт с пересыщенным паром, если в нём появится частица?

(Ответ. Она явится центром конденсации, на ней образуется роса.)

• Как влияет магнитное поле на движение заряженной частицы?

(Ответ. В поле скорость частицы меняется по направлению, но не по

модулю.)

• Как называется сила, с которой магнитное поле действует на заряженную частицу? Куда она направлена?

(Ответ. Это сила Лоренца; она направлена к центру окружности.)

Вступительное слово преподавателя

Изучая квантовую физику, уже неоднократно упоминались выражения - атомное ядро и элементарные частицы. Однако элементарные частицы (например, электроны и ионы), а также атомные ядра невозможно увидеть ни в один микроскоп, даже электронный. Поэтому вначале ознакомимся с устройствами, благодаря которым возникла и начала развиваться физика атомного ядра и элементарных частиц. Именно они дают людям необходимую информацию о микромире.

Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы, подобно заряженному ружью со взведенным курком. Небольшое усилие при нажатии на спусковой крючок ружья вызывает эффект, не сравнимый с затраченным усилием, – выстрел.

Регистрирующий прибор – это более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу. В настоящее время используется много различных методов регистрации частиц.

В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам.

Сообщение № 1

Газоразрядный счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера – один из важнейших приборов. Для автоматического счета частиц. Хорошие счетчики позволяют регистрировать до 10000 и более частиц в секунду. Счетчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод).

Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица, пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении нагрузки образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и у-квантов (фотонов большой энергии). При регистрации электронов эффективность счетчика порядка 100%, а при регистрации у-квантов – лишь около 1 %. Регистрация тяжелых частиц (например, а-частиц) затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.

Дополнение...
Усовершенствован был счетчик другим немецким физиком В. Мюллером, поэтому иногда этот счетчик называют счетчиком Гейгера-Мюллера.

Сообщение № 2

Камера Вильсона

Счетчики позволяют лишь, регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые ее характеристики. В камере же Вильсона быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или фотографировать. Этот прибор можно назвать «окном» в микромир.
Камера Вильсона состоит из невысокого стеклянного цилиндра со стеклянной крышкой. Внутри цилиндра может двигаться поршень. На дне камеры находится черная ткань. Благодаря тому, что ткань увлажнена смесью воды со спиртом, воздух в камере насыщен парами этих жидкостей.
Действие камеры Вильсона, созданной в 1912 г., основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы.
Изучаемые частицы впускаются в камеру через тонкое окошко (иногда источник частиц помещают внутри камеры).При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под поршнем, пар в камере расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение и пар становится пересыщенным. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или после него, те ионы, которые она образует, будут действовать как центры конденсации. Возникающие на них капельки воды образуют след пролетевшей частицы - трек. Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счетчики. По длине треки можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оценивается ее скорость.

Помещая камеру в однородное магнитное поле (метод, предложенный советскими физиками П. Л. Капицей и Д. В. Скобельциным), можно по направлению изгиба траектории и ее кривизне определить знак заряда и отношение заряда к массе или импульс частицы (если ее заряд известен).

Треки существуют в камере недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капельки испаряются. Чтобы получить новые следы, необходимо удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать воздух поршнем, выждать, пока воздух в камере, нагревшийся при сжатии, охладится, и произвести новое расширение.

Обычно треки частиц в камере Вильсона не только наблюдают, но и фотографируют. При этом камеру освещают сбоку мощным пучком световых лучей.

Дополнение...

• 
  Кроме названия окно в микромир, камеру Вильсона называли «туманная камера»

• 
  В 1932 г. именно при помощи этой камеры Андерсон открыл позитрон-антиэлектрон.

Сообщение № 3

Пузырьковая камера

В 1952 г. американским ученым Д. Глейзером было предложено использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. Они состоят из стеклянного цилиндра, заполненного жидкостью и немного напоминают камеру Вильсона. В такой жидкости на ионах, образующихся при движении быстрой заряженной частицы, возникают пузырьки пара, дающие видимый трек. Камеры такого типа были названы пузырьковыми.

В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженные частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков состоящих из пузырьков пара. В качестве жидкостей используются главным образом жидкий водород и пропан.

Таким образом, действие пузырьковой камеры основано на вскипании перегретой жидкости.

Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры невелика — около 0,1с. Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере – один из главных источников информации о поведении и свойствах частиц.

Дополнение...

• 
  Размеры пузырьковых камер бывают от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров.

Сообщение № 4

Метод толстослойных фотоэмульсий

Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона применяются толстослойные фотоэмульсии. Этот метод проделывают при помощи фотопластины покрытой фотоэмульсией. Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Беккерелю открыть 1896г. радиоактивность. Метод фотоэмульсии был развит советскими физиками Л. В. Мысовским. А. П. Ждановым и др.

Действие этого метода основано на фотохимических реакциях.

Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряженная частица пронизывая, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро, и цепочка зерен серебра образует трек частицы. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими.

Преимущество фотоэмульсий состоит в непрерывном суммирующем действии. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря высокой тормозящей способности фотоэмульсий увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами. 

Дополнение...

• 
  Толщина слоя фотоэмульсии очень мала всего 200 мкм.

• 
  Именно этим методом используют на космических кораблях для исследования космических лучей.

Дополнение преподавателя
Кроме этих методов существуют некоторые другие:

1. 
   Искровая камера. В 1959г. С. Фукуи и С. Миямото сконструировали искровую камеру, в которой трек частицы регистрируется по искровому разряду в неоне, аргоне. Вес ее достигает 10 тонн.

2. 
   Сцинтилляционные счетчики. Сцинтилляция – это мерцание. Заряженная частица, ударяясь об экран, вызывает вспышку света. Наблюдая в микроскоп за экраном, ведется подсчет вспышек.

3. Закрепление изученного материала

4. 
   
   
   

5. Подведение итогов урока.

Итак, сегодня мы с вами познакомились с методами регистрации частиц.

Мы рассказали далеко не о всех приборах, регистрирующих элементарные частицы. Современные приборы для обнаружения редко встречающихся и очень мало живущих частиц очень сложны. В их сооружении принимают участие сотни людей.

А теперь проведем тест на закрепление материала( слайды)

     1.Действие счетчика Гейгера основано  на

1. Ударной ионизации.

2. Расщеплении молекул движущейся заряженной частицей.

3. Выделении энергии частицей.

4. Образовании пара в перегретой жидкости.

5. Конденсации перенасыщенных паров.

2.Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на образовании пузырьков пара в перегретой жидкости, называется

1. Толстослойная фотоэмульсия.

2. Счетчик Гейгера.

3. Фотокамера.

4. Камера Вильсона.

5. Пузырьковая камера.

3.Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы?

1. Можно, если они имеют маленькую массу (электрона)

2. Можно, если они имеют большую массу (нейтроны)

3. Можно, если они имеют маленький импульс

4. Можно, если они имеют большой импульс

5. Нельзя

4. Фотоэмульсионный метод регистрации заряженных частиц основан на

1.  Ударной ионизации.

2.  Расщеплении молекул движущейся заряженной частицей.

3.  Образовании пара в перегретой жидкости.

4.  Конденсации перенасыщенных паров.

5.  Выделении энергии частицей.

5. Прибор для регистрации элементарных частиц, действие которого основано на конденсации перенасыщенного пара, называется

1. Фотокамера

2. Камера Вильсона

3. Толстослойная фотоэмульсия

4. Счетчик Гейгера

5. Пузырьковая камера

6. Чем заполнена камера Вильсона

1.  Парами воды или спирта.

2.  Газом, обычно аргоном.

3.  нагретым почти до кипения жидким водородом или пропаном

4.  Химическими реагентами

7.что представляет собой трек, образованный методом толстослойной фотоэмульсии?

1. Цепочка капелек воды

2. Цепочка пузырьков пара

3. Лавина электронов

4. Цепочка зерен серебра

6. Домашнее задание.

п. 97 лабораторная работа по физике

Тема: Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям

Цели: объяснить характер движения заряженных частиц

Приборы и материалы: фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона, пузырьковой камере и фотоэмульсии

Помните, что:

1. длина трека тем больше, чем больше энергия частицы и чем меньше плотность среды)

2. толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше её скорость

3. при движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривлённым, причём радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше её заряд и модуль индукции магнитного поля

4. частица двигалась от конца трека с большим радиусом к концу трека с меньшим радиусом кривизны (радиус кривизны по мере движения уменьшения, так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы)

Задание:

1. На двух из трёх представленных вам фотографий изображены треки частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите, на каких ______________________________ Почему? __________________________________________________________________

I - треки α-частиц, II - треки α-частиц III - трек электрона

двигавшихся в камере Вильсона, в пузырьковой камере, в камере Вильсона находившейся в магнитном поле находившейся в магнитном поле

1. Рассмотрите фотографию I, и ответьте на вопросы:

1. в каком направлении двигались α-частицы? _________________________________

2. длина треков α-частиц примерно одинакова. О чём это говорит? _______________ _______________________________________________________________________

3. как менялась толщина трека по мере движения частиц? ____________________ что из этого следует? ____________________________________________________

1. Определите по фотографии II:

1. почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движения α-частиц? _______________________________________________________________________

2. в какую сторону двигались частицы? _______________________________________

1. Определите по фотографии III:

1. почему трек имеет форму спирали? _________________________________________

2. что могло случиться причиной того, что трек электрона (III) гораздо длиннее треков α-частиц (II) _____________________________________________________________