Средства методы регистрации заряженных частиц. Методы регистрации заряженных частиц

Методы регистрации заряженных частиц.

Строение атомного ядра. Массовое число, заряд. Дефект массы и энергия связи. Изотопы.

Существуют различные модели атома, которые используются в различных условиях. Рассмотрим протонно-нейтронную модель ядра атома.
Согласно этой модели:
- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов
- заряд ядра обусловлен только протонами
- число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента
- число нейтронов равно разности между атомным числом и числом протонов (N=A-Z)
Условное обозначение ядра атома химического элемента: z A X
X – символ химического элемента
А – массовое число, которое показывает - массу ядра в целых атомных единицах массы (а.е.м.) ,- число нуклонов в ядре
- (A = N + Z) ,
Z – зарядовое число, которое показывает- заряд ядра, число протонов, число электронов в атоме,- порядковый номер в таблице Менделеева

N – число нейтронов в ядре атома(N = A - Z)
Масса ядра всегда меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, его составляющих. Это объясняется тем, что протоны и нейтроны в ядре очень сильно притягиваются друг к другу. Чтобы разъединить их требуется затра-тить большую работу. Поэтому полная энергия покоя ядра не равна энергии покоя составляющих его частиц.
Разность между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов называется дефектом масс.

Дефект масс - недостаток массы ядра по сравнению с суммой масс свободных нуклонов

Расчетная формула для дефекта масс: Δm=(z *m p +N * m n)- mя

где m я - масса ядра; (z * m p +N * m n)- сумма масс свободных нуклонов, сливающихся в ядро
Z- число протонов; m p -масса свободного протона; N - число нейтронов; m n - масса свободного нейтрона

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ -- минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на свободные нуклоны; или - энергия, выделяющаяся при слиянии свободных нуклонов в ядро.

Расчетная формула для энергии связи: E= mc 2 (с - скорость света в вакууме)

Счетчик Гейгера - служит для подсчета количества радиоактив-ных частиц (в основном электронов).
Это стеклянная трубка, заполненная газом (аргоном), с двумя электродами внутри (катод и анод).При пролете частицы воз-никает ударная ионизация газа и возникает импульс электри-ческого тока.

Достоинства:
- компактность
- эффективность
- быстродействие
- высокая точность (10ООО частиц/с).
Где используется:
- регистрация радиоактивных загрязнений на местности, в помещениях, одежды, продуктов и т.д.
- на объектах хранения радиоактивных материалов или с работающими ядерными реакторами
- при поиске залежей радиоактивной руды (U, Th)
Камера Вильсона - служит для наблюдения и фотографирования следов от пролета частиц (треков).
Внутренний объем камеры заполнен парами спирта или воды в перенасыщенном состоянии:
при опускании поршня уменьшается давление внутри камеры и понижается температура, в результате адиабатного процесса образуется перенасыщенный пар.
По следу пролета частицы конденсируются капельки влаги и образуется трек – видимый след.
При помещении камеры в магнитное поле по треку можно определить энергию, скорость, массу и заряд частицы. По длине и толщине трека, по его искривлению в магнитном поле определяют характеристики пролетевшей радиоактивной частицы.
Например, альфа-частица дает сплошной толстый трек, протон - тонкий трек, электрон - пунктирный трек.
Пузырьковая камера - вариант камеры Вильсона
При резком понижении поршня жидкость, находящаяся под высоким давление, переходит в перегретое состояние. При быстром движении частицы по следу образуются пузырьки пара, т.е. жидкость закипает, виден трек.
Преимущества перед камерой Вильсона:
- большая плотность среды, следовательно короткие треки
- частицы застревают в камере и можно проводить дальнейшее наблюдение частиц
- большее быстродействие.
Метод толстослойных фотоэмульсий - служит для регистрации частиц, позволяет регистрировать редкие явления из-за большого время экспозиции.
Фотоэмульсия содержит большое количество микрокристаллов бромида серебра. Влетающие частицы ионизируют поверхность фотоэмульсий. Кристаллики AgВr распадаются под действием заряженных частиц и при проявлении выявляется след от пролета частицы - трек. По длине и толщине трека можно определить энергию и массу частиц.

Цели урока

Образовательная: дать представление о методах регистрации заряженных частиц, раскрыть особенности каждого метода, выявить основные закономерности, изучить применение методов.
Развивающая: развивать память, мышление, восприятие, внимание, речь через индивидуальную подготовку к уроку; развивать навыки работы с дополнительной литературой и ресурсами Internet .
Воспитательная: развивать учебную мотивацию, воспитывать патриотизм через изучение вклада отечественных учёных в мировую науку.

Ход урока

І. Ознакомьтесь с теоретическим материалом.

Теоретические сведения

Для изучения ядерных явлений были разработаны многочисленные методы регистрации элементарных частиц и излучений. Рассмотрим некоторые из них, которые наиболее широко используются.

1) Газоразрядный счётчик Гейгера

Счётчик Гейгера - один из важнейших приборов для автоматического счёта частиц. Счётчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод).

Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счётчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон, Υ-частица и т.д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создаёт положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергии, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счётчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подаётся в регистрирующее устройство. Для того чтобы счётчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически.

Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и Y-квантов (фотонов большой энергии).Однако непосредственно Y-кванты вследствие их малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого Y-кванты выбивают электроны.

Счётчик регистрирует почти все попадающие в него электроны; что же касаетсяY- квантов, то он регистрирует приблизительно только один Y-квант из ста. Регистрация тяжёлых частиц (например, Ј-частиц) затруднена, так как сложно сделать в счётчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.

2) Камера Вильсона

Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создаёт вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.

Прибор представляет собой цилиндр с поршнем 1 (рис. 2), накрытый плоской стеклянной крышкой 2. Рабочий объем камеры заполнен газом, который содержит насыщенный пар. При быстром перемещении поршня вниз газ в объеме адиабатически расширяется и охлаждается, при этом становясь перенасыщенным. Когда в этом пространстве пролетает частица, создающая на своем пути ионы, то на этих ионах образуются капельки сконденсировавшегося пара. В камере возникает след траектории частицы (трек) в виде полоски тумана (рис.3), который можно наблюдать и фотографировать. Трек существует десятые доли секунды. Вернув поршень в исходное положение и удалив ионы электрическим полем, можно вновь выполнить адиабатное расширение. Таким образом, опыты с камерой можно проводить многократно.

Если камеру поместить между полюсами электромагнита, то возможности камеры по изучению свойств частиц значительно расширяются. В этом случае на движущуюся частицу действует сила Лоренца, что позволяет по искривлению траектории определить значение заряда частицы и ее импульс. На рисунке 4 приведен возможный вариант расшифровки фотографии треков электрона и позитрона. Вектор индукции В магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости чертежа за чертеж. Влево отклоняется позитрон, вправо — электрон.

3 ) Пузырьковая камера

Отличается от камеры Вильсона тем, что перенасыщенные пары в рабочем объеме камеры заменяются перегретой жидкостью, т.е. такой жидкостью, которая находится под давлением, меньшим давления ее насыщенных паров.

Пролетая в такой жидкости, частица вызывает возникновение пузырьков пара, образуя тем самым трек (рис.5).

В исходном состоянии поршень сжимает жидкость. При резком понижении давления температура кипения жидкости оказывается меньше температуры окружающей среды.

Жидкость переходит в неустойчивое (перегретое) состояние. Это и обеспечивает появление пузырьков на пути движения частицы. В качестве рабочей смеси применяются водород, ксенон, пропан и некоторые другие вещества.

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.

4) Метод толстослойных фотоэмульсий

Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующие действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра.

Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При появлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зёрен серебра образует трек частицы.

По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими, но при фотографировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсии состоит в том, что время экспозиции может быть сколько угодно большим. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсии увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.

5) Сцинтилляционный метод

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и электронных устройств для усиления и подсчета импульсов.Сцинтиллятор преобразует энергию ионизирующего излучения в кванты видимого света, величина которых зависит от типа частиц и материала сцинтиллятора. Кванты видимого света, попав на фотокатод, выбивают из него электроны, число которых многократно увеличивается фотоумножителем. В результате этого на выходе фотоумножителя образуется значительный импульс, который затем усиливается и сосчитывается пересчетной установкой. Таким образом, за счет энергии a -или b -частицы, g -кванта или другой ядерной частицы в сцинтилляторе появляется световая вспышка-сцинтилляция, которая затем с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) преобразуется в импульс тока и регистрируется.

ІІ. Используя теоретический материал и ресурсы Internet, заполните таблицу

Спинтарископ

Счётчик Гейгера

Камера Вильсона

Пузырьковая камера

2. Устройство

3. Информация о частице

4. Тип частиц

5. Преимущества

6. Недостатки

7. Физические законы

8. Принцип работы

9. Открытия, сделанные с использованием прибора

ІІІ. Выполните лабораторную работу

Тема: «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»

Цель: провести идентификацию заряженной частицы по результатам сравнения ее трека с треком протона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле; оценить погрешность эксперимента, систематизировать полученные из анализа треков на фотографиях сведения, сформировать выводы и заключения.

Оборудование: готовая фотография двух треков заряженных частиц. I трек- протон, II - частица, которую необходимо идентифицировать.

Пояснения

При выполнении данной лабораторной работы следует помнить, что:

длина трека тем больше, чем больше энергия частицы (и чем меньше плотность среды);
толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость;
при движении заряженной частицы в магнитном поле трек ее получается искривленным, причем радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше ее заряд и модуль индукции магнитного поля.
частица двигалась от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшим радиусом кривизны (радиус кривизны по мере движения уменьшается, так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы).

Порядок выполнения работы

Ознакомьтесь с фотографией треков двух заряженных частиц. (Трек I принадлежит протону, трек II - частице, которую надо идентифицировать) (см. рис.1) .
Измерьте радиусы кривизны треков, на их начальных участках (см. рис. 2).

Здесь будет изображение:

Табличная частица

Относительная погрешность,

6. Дополнительное задание.

а) В каком направлении двигались частицы?

б) Длина треков частиц примерно одинакова. О чем это говорит?

в) Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует?

Здесь будет файл: /data/edu/files/y1445085758.doc (Лариса Белова: Методы регистрации заряженных частиц)

В развитии знаний о «микромире», в частности в изучении явлений радиоактивности, исключительную роль сыграли приборы, позволяющие регистрировать ничтожное действие одной-единственной частицы атомных размеров. Одним из таких замечательных приборов является камера Вильсона, делающая видимыми траектории отдельных быстродвижущихся заряженных частиц (§ 212). Другой прибор этого рода, с примитивной формой которого мы познакомились в § 203, это - так называемый счетчик сцинтилляций.

При бомбардировке некоторых люминесцирующих веществ (сернистый цинк, нафталин и др.) быстрыми заряженными частицами наблюдается, что заметная доля энергии тормозящихся в них заряженных частиц превращается в видимый свет: попадание быстрой заряженной частицы на слой такого вещества вызывает кратковременную вспышку света, называемую сцинтилляцией. Яркость вспышки особенно велика в случае частиц, так как частица тормозится на пути длины менее , и выделяющаяся световая энергия оказывается сосредоточенной в ничтожном объеме. Сцинтилляции, вызываемые частицами в экране из сернистого цинка, могут быть обнаружены глазом. Простейший прибор, служащий для этой цели,- спинтарископ - изображен на рис. 382. Однако визуальный (при помощи глаза) способ наблюдения сцинтилляций крайне утомителен. В настоящее время для счета сцинтилляций пользуются особо чувствительными фотоэлементами (см. § 185) - так называемыми фотоэлектронными умножителями, изобретенными советским физиком Л. А. Кубецким. Сцинтилляции, производимые и частицами, гораздо слабее свечения, вызываемого частицами; они недоступны глазу, и регистрация их производится только с помощью фотоэлектронных умножителей.

Рис. 382. Спинтарископ в раз резе (а) и внешний вид (б). 1 – иголка, на конце которой находится крупинка радия, 2 – экран из сернистого цинка, 3 - лупа

Очень распространенным прибором для регистрации отдельных заряженных частиц
является газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера. Газоразрядный счетчик (рис. 383) представляет собой металлический цилиндр 2, но оси которого натянута тонкая проволока 1, изолированная от цилиндра. Цилиндр заполняется специальной смесью газов (например, аргон + пары спирта) до давления На нить подается положительный потенциал порядка относительно цилиндра.

Рис. 383. Газоразрядный счетчик: 1 – анод счетчика (тонкая нить), 2 – катод (металлический цилиндр), 3 – изоляторы, 4 – электрометр для регистрации разрядов в счетчике. При разряде на нити счетчика скапливаются электроны и потенциал ее снижается. По окончании разряда потенциал нити восстанавливается благодаря притоку зарядов от батареи через сопротивление

Прохождение каждой ионизующей частицы через счетчик вызывает в нем кратковременную вспышку газового разряда. При этом по цепи счетчика проходит кратковременный импульс тока. Если сопротивление достаточно велико , то потенциал нити сохраняется сниженным в течение нескольких миллисекунд, и этот импульс можно обнаружить по отбросу чувствительного электрометра 4. На практике импульс тока, вызванный прохождением заряженной частицы через счетчик, усиливают транзисторным или электронно-ламповым усилителем и регистрируют по передвижению стрелки присоединенного к усилителю электромагнитного нумератора (рис. 384) или с помощью электронного цифрового индикатора.

Рис. 384. Схема установки для регистрации радиоактивных излучений с помощью газоразрядного счетчика: 1 – газоразрядный счетчик, 2 – усилитель, 3 – электромагнитный нумератор,

Рассмотрим подробнее механизм действия газоразрядного счетчика. Счетчик представляет собой два коаксиальных цилиндра, и потому электрическое поле в нем неоднородно (см. том , § 30). Напряженность электрического поля достигает наибольшей величины у нити и быстро спадает при удалении от нее (рис. 385, а). При разности потенциалов около напряженность электрического поля вблизи нити оказывается достаточно большой, чтобы сообщать медленные электронам скорость, необходимую для ионизации газа.

Рис. 385. К механизму работы газоразрядного счетчика частиц (1 – цилиндр счетчика, 2 – нить, диаметр которой преувеличен): а) Счетчик заряжен для рабочей разности потенциалов, при которой прохождение заряженной частицы через счетчик вызывает в нем вспышку газового разряда. Изображены линии электрического поля, наибольшая у нити; б) поле в счетчике в момент самогашения разряда. Электроны, образованные при ионизации газа, собрались на нити и компенсируют часть ее положительного заряда. Положительные ионы продолжают двигаться к цилиндру. Поле у нити ослаблено; в) поле в счетчике, не присоединенном к батареи, после того как разряд погас и положительные ионы дошли до цилиндра

Пусть где-либо в объеме счетчика образовался свободный медленный электрон (например, в результате ионизации газа под действием быстрой частицы, пролетающей через счетчик). Этот электрон будет двигаться к положительно заряженной нити и в области сильного поля вблизи нити начнет ионизовать атомы газа. Электроны - продукты ионизации - ускоряются полем и в свою очередь производят ионизацию, давая начало новым и новым электронам и новой ионизации.

Число ионизованных атомов лавинообразно нарастает - в газе вспыхивает электрический разряд. Образующиеся при разряде электроны очень скоро собираются на нити, тогда как тяжелые и потому малоподвижные ионы медленно движутся к цилиндру. Накопление электронов на нити снижает ее положительный заряд и все более и более уменьшает напряженность электрического поля у нити (рис. 385, б). Через короткое время (порядка микросекунды, т.е. миллионной доли секунды) поле ослабляется настолько, что уже не сообщает электронам нужной для ионизации скорости. Ионизация прекращается, и начавшийся разряд обрывается.

Если счетчик не подключен к батарее, то после разряда электрическое поле в нем остается ослабленным, и новый разряд невозможен (рис. 385, в). В обычно же употребляемых схемах включения (рис. 383 и 384) поле в счетчике быстро восстанавливается за счет притока зарядов от батареи, к которой счетчик подключен через сопротивление . Счетчик оказывается снова готовым к действию уже через после вспышки разряда.

Отметим, что быстрое гашение разряда происходит только при специальном подборе газового заполнения счетчика и при не слишком большом напряжении на нем. При чрезмерном повышении напряжения в счетчике возникает негаснущий разряд, состоящий из непрерывно следующих друг за другом вспышек описанного выше типа. Повторение вспышек разряда вызывается электронами, которые выбиваются из цилиндра счетчика при попадании на него положительных ионов.

В счетчике Гейгера-Мюллера амплитуда и длительность импульса тока, развивающегося в результате лавинного процесса в газе, не зависит от природы и энергии регистрируемой заряженной частицы «поджигающей» счетчик (т.е. вызывающей этот лавинный процесс). Можно выбрать и другой режим работы газоразрядного прибора – так называемый пропорциональный режим. Если уменьшить напряжение, приложенное к счетчику, так чтобы лавинный процесс не развивался очень сильно и не переходил в разряд, то число пар ионов в этой «ограниченной лавине» будет пропорционально начальной ионизации. Такие пропорциональные счетчики могут не только регистрировать отдельные частицы, но и измерять вызываемую ими ионизацию (т.е. энергетические потери частицы в газе), что очень важно для идентификации частиц.

В последнее время широкое распространение получили так называемые полупроводниковые детекторы. Такой детектор по существу представляет собой ионизационную камеру (рис. 376), в которой воздух заменен полупроводником. Использование кремния или германия, соответствующим образом обработанных, позволяет снизить темновой ток (ток в отсутствии ионизующего излучения) до приемлемых для регистрации ионизующего излучения значений величин. Преимуществом полупроводниковых детекторов является то, что, благодаря большой плотности вещества этих счетчиков, в них может быть поглощена большая часть энергии ионизующих излучений.

В начале XX в. были разработаны методы исследования явлении атомной физики и созданы приборы, позволившие не только выяснить основные вопросы строения атомов, но и наблюдать превращения химических элементов.

Трудность создания таких приборов заключалась в том, что используемые в экспериментах заряженные частицы представляют собой ионизированные атомы каких-либо элементов или, например, электроны, и прибор должен регистрировать попадание в него лишь одной частицы или делать видимой траекторию ее движения.

В качестве одного из первых и простейших приборов для регистрации частиц был использован экран, покрытый люминесцирующим составом. В той точке экрана, куда попадает частица с достаточно большой энергией, возникает вспышка - сцинтилляция (от латинского «сцинтилляцио» - сверкание, вспышка).

Первый основной прибор для регистрации частиц был изобретен в 1908 г. Г. Гейгером. После того, как этот прибор был усовершенствован В. Мюллером, он мог подсчитывать число попадающих в него частиц. Действие счетчика Гейгера - Мюллер, а основано на том, что пролетающие через газ заряженные частицы ионизируют встречающиеся на их пути атомы газа: отрицательно заряженная частица, отталкивая электроны, выбивает их из атомов, а положительно заряженная частица притягивает электроны и вырывает их из атомов.

Счетчик состоит из полого металлического цилиндра, диаметром около 3 см (рис. 37.1), с окном из тонкого стекла или алюминия. По осп цилиндра проходит изолированная от стенок металлическая нить. Цилиндр (камера) заполняется разреженным газом, например, аргоном. Между стенками цилиндра и нитью создается напряжение порядка 1500 В, недостаточное для образования самостоятельного разряда. Нить заземляется через большое сопротивление R. При попадании в камеру частицы с большой энергией происходит ионизация атомов газа на пути этой частицы, и между стенками и нитью возникает разряд. Разрядный ток создает большое падение напряжения на сопротивлении R, и напряжение между нитью и стенками сильно уменьшается. Поэтому разряд быстро прекращается. После прекращения тока все напряжение вновь сосредоточивается между стенками камеры и нитью, и счетчик подготовлен к регистрации новой частицы. Напряжение с сопротивления R подается на вход усилительной лампы, в анодную цепь которой включается счетный механизм.

Способность частиц большой энергии ионизировать атомы газа используются и в одном из самых замечательных приборов современной физики - в камере Вильсона. В 1911 г. английский ученый Ч. Вильсон построил прибор, с помощью которого можно было видеть и фотографировать траектории заряженных частиц.

Камера Вильсона (рис. 37.2) состоит из цилиндра с поршнем; верхняя часть цилиндра сделана из прозрачного материала. В камеру вводится небольшое количество воды или спирта, и внутри нее образуется смесь паров и воздуха. При быстром опускании поршня смесь адиабатически расширяется и охлаждается, поэтому воздух в камере оказывается пересыщенным парами.

Если воздух очищен от пылинок, то превращение избытка пара в жидкость затруднено из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому, если через камеру пролетает в это время заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы воздуха, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры получается отмеченной нитью тумана, т. е. становится видимой. Тепловое движение воздуха быстро размывает нити тумана, и траектории частиц видны отчетливо лишь около 0,1 с, что, однако, достаточно для фотографирования.

Вид траектории на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине ее энергии. Так, альфа-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны - более тонкий, а электроны - пунктирный след. Одна из фотографий альфа-частиц в камере Вильсона показана на рис. 37.3.

Чтобы подготовить камеру к действию и очистить ее от оставшихся ионов, внутри нее создают электрическое поле, притягивающее ионы к электродам, где они нейтрализуются.

Как говорилось выше, в камере Вильсона для получения следов частиц используется конденсация пересыщенного пара, т. е. превращение его в жидкость. Для этой же цели можно использовать обратное явление, т. е. превращение жидкости в пар. Если жидкость заключить в замкнутый сосуд с поршнем и при помощи поршня создать повышенное давление, а затем резким перемещением поршня уменьшить давление в жидкости, то при соответствующей температуре жидкость может оказаться в перегретом состоянии. Если через такую жидкость пролетит заряженная частица, то вдоль ее траектории жидкость закипит, поскольку образовавшиеся в жидкости ионы служат центрами парообразования. При этом траектория частицы отмечается цепочкой пузырьков пара, т. е. делается видимой. На этом принципе основано действие пузырьковой камеры.

При изучении следов частиц с большой энергией пузырьковая камера удобнее камеры Вильсона, так как при движении в жидкости частица теряет значительно больше энергии, чем в газе. Во многих случаях это позволяет значительно точнее определить направление движения частицы и ее энергию. В настоящее время имеются пузырьковые камеры диаметром около 2 м. Они заполняются жидким водородом. Следы частиц в жидком водороде получаются очень отчетливыми .

Для регистрации частиц и получения их следов служит также метод толстослойных фотопластинок. Он основан на том, что пролетающие сквозь фотоэмульсию частицы действуют на зерна бромистого серебра, поэтому оставленный частицами след после проявления фотопластинки становится видимым (рис. 37.4) и его можно исследовать с помощью микроскопа. Чтобы след был достаточно длинным, используются толстые слои фотоэмульсии.

В начале XX в. были разработаны методы исследования явлений атомной физики и созданы приборы, позволившие не только выяснить основные вопросы строения атомов, но и наблюдать превращения химических элементов.

Трудность создания таких приборов заключалась в том, что используемые в экспериментах заряженные частицы представляют собой ионизированные атомы каких-либо элементов или, например, электроны, и прибор должен регистрировать попадание в него лишь одной частицы или делать видимой траекторию ее движения.

В качестве одного из первых и простейших приборов для регистрации частиц был использован экран, покрытый люминесцирующим составом. В той точке экрана, куда попадает частица с достаточно большой энергией, возникает вспышка - сцинтилляция (от латинского «сцинтилляцио» - сверкание, вспышка ).

Первый основной прибор для регистрации частиц был изобретен в 1908 г. Г. Гейгером. После того, как этот прибор был усовершенствован В. Мюллером, он мог подсчитывать число попадающих в него частиц. Действие счетчика Гейгера - Мюллера основано на том, что пролетающие через газ заряженные частицы ионизируют встречающиеся на их пути атомы газа: отрицательно заряженная частица , отталкивая электроны, выбивает их из атомов, а положительно заряженная частица притягивает электроны и вырывает их из атомов.

Счетчик состоит из полого металлического цилиндра, диаметром около 3 см (рис. 37.1), с окном из тонкого стекла или алюминия. По оси цилиндра проходит изолированная от стенок металлическая нить. Цилиндр (камера) заполняется разреженным газом, например, аргоном. Между стенками цилиндра и нитью создается напряжение порядка 1500 В, недостаточное для образования самостоятельного разряда. Нить заземляется через большое сопротивление R. При попадании в камеру частицы с большой энергией происходит ионизация атомов газа на пути этой частицы, и между стенками и нитью возникает разряд. Разрядный ток создает большое падение напряжения на сопротивлении R, и напряжение между нитью и стенками сильно уменьшается. Поэтому разряд быстро прекращается. После прекращения тока все напряжение вновь сосредоточивается между стенками камеры и нитью, и счетчик подготовлен к регистрации новой частицы. Напряжение с сопротивления R подается на вход усилительной лампы, в анодную цепь которой включается счетный механизм.

Способность частиц большой энергии ионизировать атомы газа используются и в одном из самых замечательных приборов современной физики - в камере Вильсона. В 1911 г. английский ученый Ч. Вильсон построил прибор, с помощью которого можно было видеть и фотографировать траектории заряженных частиц.

Если воздух очищен от пылинок, то превращение избытка пара в жидкость затруднено из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому, если через камеру пролетает в это время заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы воздуха, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры получается отмеченной нитью тумана, т. е. становится видимой. Тепловое движение воздуха быстро размывает нити тумана, и траектории частиц видны отчетливо лишь около 0,1 с, что. однако, достаточно для фотографирования.

Вид траектории на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине ее энергии. Так, альфа-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны - более тонкий, а электроны - пунктирный след. Одна из фотографий альфа-частиц в камере Вильсона показана на рис. 37.3.

Как говорилось выше, в камере Вильсона для получения следов частиц используется конденсация пересыщенного пара, т. е. превращение его в жидкость. Для этой же цели можно использовать обратное явление, т. е. превращение жидкости в пар. Если жидкость заключить в замкнутый сосуд с поршнем и при помощи поршня создать повышенное давление, а затем резким перемещением поршня уменьшить давление в жидкости, то при соответствующей температуре жидкость может оказаться в перегретом состоянии. Если через такую жидкость пролетит заряженная частица, то вдоль ее траектории жидкость закипит, поскольку образовавшиеся в жидкости ноны служат центрами парообразования. При этом траектория частицы отмечается цепочкой пузырьков пара, т. е. делается видимой. На этом принципе основано действие пузырьковой камеры.

При изучении следов частиц с большой энергией пузырьковая камера удобнее камеры Вильсона, так как при движении в жидкости частица теряет значительно больше энергии, чем в газе. Во многих случаях это позволяет значительно точнее определить направление движения частицы и ее энергию. В настоящее время имеются пузырьковые камеры диаметром около 2 м. Они заполняются жидким водородом. Следы частиц в жидком водороде получаются очень отчетливыми.

Для регистрации частиц и получения их следов служит также метод толстослойных фотопластинок. Он основан на том, что пролетающие сквозь фотоэмульсию частицы действуют на зерна бромистого серебра, поэтому оставленный частицами след после проявления фотопластинки становится видимым (рис. 37.4) и его можно исследовать с помощью микроскопа. Чтобы след был достаточно длинным, используются толстые слои фотоэмульсии.