Методы изучения заряженных частиц

Методы изучения заряженных частиц

Автор: Фомичева С.Е., учитель физики МБОУ «Средняя школа №27» города Кирова

Методы регистрации и наблюдения элементарных частиц

Счетчик Гейгера

Камера Вильсона

Пузырьковая камера

Метод фотоэмульсий

Сцинтилляционный метод

Искровая камера

Счетчик Гейгера

(1908 г.)

Предназначен для автоматического подсчета частиц.

Позволяет регистрировать до 10000 и более частиц в секунду. Регистрирует почти каждый электрон (100%) и 1 из 100 гамма-кванта (1%)

Регистрация тяжелых частиц затруднена

Ханс Вильгельм Гейгер 1882-1945

Устройство:

3. Анод – тонкая металлическая нить

2. Катод –тонкий металлический слой

1. Стеклянная трубка, заполненная аргоном

4. Регистрирующее устройство

Для обнаружения ?-кванта внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого ?-кванты вырывают электроны.

Принцип действия:

Действие основано на ударной ионизации.

Заряженная частица, пролетая в газе, отрывает у атомов электроны. Возникает лавина электронов и ионов.

Ток через счетчик резко возрастает. На резисторе R образуется импульс напряжения, который фиксируется счетным устройством.

Напряжение между анодом и катодом резко уменьшается. Разряд прекращается, счетчик снова готов к работе

Камера Вильсона

(1912г.)

Предназначена для наблюдения и получения информации о частицах.

Частица при прохождении оставляет след – трек, который можно наблюдать непосредственно или фотографировать.

Фиксируют только заряженные частицы, нейтральные не вызывают ионизацию атома, об их присутствии судят по вторичным эффектам.

Чарльз Томсон Риз Вильсон 1869-1959

Устройство:

7. Камера заполнена парами воды и спирта

3. Электроды для создания электрического поля

6. Треки

5. Поршень

4. Вентилятор

2. Кварцевое стекло

1. Источник частиц

Принцип действия:

Действие основано на использовании неустойчивого состояния среды.

В камере пар близок к насыщению. При опускании поршня происходит адиабатное расширение и пар становится перенасыщенным.

Капельки воды образуют треки. Пролетающая частица ионизирует атомы, на которых конденсирует пар, находящийся в неустойчивом состоянии.

Поднимается поршень, капельки испаряются, электрическое поле удаляет ионы и камера готова принять следующую частицу

Информация о частицах:

По длине трека – об энергии частицы (чем L, тем W ); по количеству капель на единицу длины – о скорости (чем N, тем v);

По толщине трека – о величине заряда ( чем d, тем q) По кривизне трека в магнитном поле об отношении заряда частицы к ее массе (чем R, тем m и v, тем q); По направлению изгиба о знаке заряда частицы.

Пузырьковая камера

(1952г.)

Предназначена для наблюдения и получения информации о частицах.

Изучаются треки, но, в отличии от камеры Вильсона, позволяет изучать частицы с большими энергиями.

Имеет более короткий рабочий цикл – около 0,1 с. Позволяет наблюдать распад частиц и вызываемые ею реакции.

Дональд Артур Глейзер 1926-2013

Устройство:

Аналогично, как у камеры Вильсона, но вместо паров используется жидкий водород или пропан

Жидкость находится под высоким давлением при температуре выше температуры кипения.

Опускается поршень, давление падает и жидкость оказывается в неустойчивом, перегретом состоянии.

Пузырьки пара образуют треки. Пролетающая частица ионизирует атомы, которые становятся центрами парообразования.

Поднимается поршень, пар конденсирует, электрическое поле удаляет ионы и камера готова принять следующую частицу

Метод толстослойных эмульсий

(1895г.)

Пластинка покрыта эмульсией, содержащую большое количество кристаллов бромида серебра. Пролетая, частица отрывает электроны у атомов брома, цепочка таких кристаллов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристаллах восстанавливавется металлическое серебро. Цепочка зерен серебра образует трек.

Этот метод позволяет регистрировать редкие явления между частицами и ядрами.

Антуан Анри Беккерель

Сцинтилляционный счетчик

Метод сцинтилляций состоит в подсчете крохотных вспышек света при попадании ?-частиц на экран, покрытый сульфидом цинка.

4. Динод

1. Алюминиевая фольга

5. Анод

Представляет собой комбинацию сцинтиллятора и фотоумножителя. Регистрируют все частицы и 100% гамма-квантов. Позволяет определить энергию частиц.

3. Фотокатод

2. Сцинтиллятор

Искровая камера

Представляет систему параллельных металлических электродов, пространство между которыми заполнено инертным газом. Расстояние между пластинами от 1 до 10 см.

Разрядные искры строго локализованы. Они возникают там, где появляются свободные заряды. Искровые камеры могут иметь размеры порядка нескольких метров.

При пролете частицы между пластинами пробивает искра, создавая огненный трек. Преимущество в том, что процесс регистрации управляем.