Експериментальні методи дослідження часток
Для подальшого розвитку ядерної фізики (зокрема, для дослідження будови атомних ядер) необхідні були спеціальні пристрої, за допомогою яких можна було б реєструвати ядра і різні частинки, а також вивчати їх взаємодії.
Один з відомих вам методів реєстрації частинок – метод сцинтилляций – не дає необхідної точності, так як результат підрахунку спалахів на екрані у великій мірі залежить від гостроти зору спостерігача. Крім того, тривале спостереження виявляється неможливим, так як око швидко втомлюється.
Більш досконалим приладом для реєстрації частинок є так званий лічильник Гейгера, винайдений в 1908 році німецьким фізиком Гансом Гейгером.
Для розгляду пристрою і принципу дії цього приладу звернемося до малюнка 159. Лічильник Гейгера складається з металевого циліндра, що є катодом (т. Е. Негативно зарядженим електродом), і натягнутою уздовж його осі тонкої зволікання – анода (т. Е. Позитивного електрода). Катод і анод через опір R приєднані до джерела високої напруги (порядку 200-1000 В), завдяки чому в просторі між електродами виникає сильне електричне поле. Обидва електроди поміщають в герметичну скляну трубку, заповнену розрідженим газом (зазвичай аргоном).
Схема пристрою лічильника Гейгера
Рис. 159. Схема пристрою лічильника Гейгера
Поки газ не іонізований, струм в електричному ланцюзі джерела напруги відсутня. Якщо ж у трубку крізь її стінки влітає якась частинка, здатна іонізувати атоми газу, то в трубці утворюється деяка кількість електрон-іонних пар. Електрони і іони починають рухатися до відповідних електродів.
Якщо напруженість електричного поля досить велика, то електрони на довжині вільного пробігу (т. Е. Між зіткненнями з молекулами газу) набувають досить велику енергію і теж іонізують атоми газу, утворюючи нове покоління іонів і електронів, які теж можуть взяти участь в іонізації, і т. д. у трубці утворюється так звана електронно-іонна лавина, в результаті чого відбувається короткочасне і різке зростання сили струму в колі і напруги на опорі R. Цей імпульс напруги, що свідчить про попадання в лічильник частинки, реєструється спеціальним пристроєм.
Оскільки опір R дуже велике (порядку 109 Ом), то в момент протікання струму основна частка напруги джерела падає саме на ньому, в результаті чого напруга між катодом і анодом різко зменшується і розряд автоматично припиняється (так як це напруга стає недостатнім для утворення нових поколінь електро-іонних пар). Прилад готовий до реєстрації наступній частинки.
Лічильник Гейгера застосовується в основному для реєстрації електронів, але існують моделі, придатні і для реєстрації?-квантів.
Лічильник дозволяє тільки реєструвати той факт, що через нього пролітає частинка. Набагато більші можливості для вивчення мікросвіту дає прилад, винайдений шотландським фізиком Чарлзом Вильсоном в 1912 р і званий камера Вільсона.
Камера Вільсона (рис. 160) складається з невисокого скляного циліндра СС зі скляною кришкою LL (на малюнку циліндр показаний в розрізі). Усередині циліндра може рухатися поршень Р. На дні камери знаходиться чорна тканина FF. Завдяки тому що тканина зволожена сумішшю води з етиловим спиртом, повітря в камері насичене парами цих рідин.
Схема пристрою камери Вільсона
Рис. 160. Схема пристрою камери Вільсона
При швидкому русі поршня вниз знаходяться в камері повітря і пари рідин розширюються, їх внутрішня енергія зменшується, температура знижується.
У звичайних умовах це викликало б конденсацію парів (поява туману). Однак в камері Вільсона цього не відбувається, так як з неї попередньо видаляються так звані ядра конденсації (порошинки, іони та ін.). Тому в даному випадку при зниженні температури в камері пари рідин стають пересиченими, т. Е. Переходять у вкрай нестійкий стан, при якому вони будуть легко конденсуватися на будь-яких утворюються в камері ядрах конденсації, наприклад на іонах.
Досліджувані частинки впускаються в камеру через тонке віконце (іноді джерело частинок поміщають усередині камери). Пролітаючи з великою швидкістю через газ, частинки створюють на своєму шляху іони. Ці іони і стають ядрами конденсації, на яких пари рідин конденсуються у вигляді маленьких крапельок (водяна пара конденсується переважно на негативних іонах, пари етилового спирту – на позитивних). Уздовж всього шляху частинки виникає тонкий слід з крапельок (трек), завдяки чому її траєкторія руху стає видимою.
Якщо помістити камеру Вільсона в магнітне поле, то траєкторії заряджених частинок викривляються. У напрямку вигину сліду можна судити про знак заряду частинки, а по радіусу кривизни визначати її масу, енергію, заряд.
Треки існують в камері недовго, так як повітря нагрівається, отримуючи тепло від стінок камери, і крапельки випаровуються. Щоб отримати нові сліди, необхідно видалити наявні іони за допомогою електричного поля, стиснути повітря поршнем, почекати, поки повітря в камері, нагрівся при стисненні, охолоне, і провести нове розширення.
Зазвичай треки частинок в камері Вільсона не тільки спостерігають, але й фотографують. При цьому камеру висвітлюють збоку потужним пучком світлових променів, як показано на малюнку 160.
За допомогою камери Вільсона було зроблено ряд найважливіших відкриттів в галузі ядерної фізики і фізики елементарних частинок.
Одним з різновидів камери Вільсона є винайдена в 1952 р бульбашкова камера. Вона діє приблизно за тим же принципом, що і камера Вільсона, але замість пересичені пара в ній використовується перегріта вище точки кипіння рідину (наприклад, рідкий водень). При русі в цій рідині зарядженої частинки уздовж її траєкторії утворюється ряд бульбашок пари. Бульбашкова камера володіє великою швидкодією в порівнянні з камерою Вільсона.
Питання
За малюнком 159 розкажіть про будову та принцип дії лічильника Гейгера.
Для реєстрації яких частинок застосовується лічильник Гейгера?
За малюнком 160 розкажіть про будову та принцип дії камери Вільсона.
Які характеристики частинок можна визначити за допомогою камери Вільсона, вміщеній в магнітне поле?
У чому перевага бульбашкової камери перед камерою Вільсона? Чим відрізняються ці прилади?
(2 votes, average: 2.50 out of 5)