Hvilke metoder findes til at detektere ladede partikler. Metoder til registrering af elementarpartikler

Studiet af atomkernens struktur er uløseligt forbundet med overvejelsen af ​​fænomenerne spontant eller tvunget henfald af atomkernen og nukleare partikler. Ved at undersøge fragmenter af en kollapset atomkerne og spore disse fragmenters skæbne, er vi i stand til at drage konklusioner om strukturen af ​​kernen og kernekræfterne.

Det er helt naturligt, at først fænomenerne med spontant henfald af kerner, dvs. radioaktive fænomener, blev undersøgt i detaljer. Sideløbende hermed begyndte forskningen kosmiske stråler- stråling, som har en enestående gennemtrængende kraft og kommer til os fra ydre rum. Når de interagerer med stof, spiller kosmiske strålingspartikler rollen som projektilpartikler. I lang tid var kosmisk stråleforskning på den vigtigste måde undersøgelse af interkonvertibilitet elementære partikler og endda til en vis grad ved metoden til at studere atomkernen. I øjeblikket får undersøgelser af ødelæggelsen af ​​atomkernen ved bombardement af strømme af partikler skabt i acceleratorer primær betydning.

De eksperimentelle metoder, der diskuteres nu, er lige så anvendelige til studiet af kosmiske stråler og partikler, der stammer fra atombombning visse mål.

Trail kameraer.

Den første enhed, der gjorde det muligt at se sporet (sporet) af en partikel, var et skykammer. Hvis en hurtig partikel flyver gennem et kammer, der indeholder overmættet vanddamp, og skaber ioner langs dens vej, så efterlader en sådan partikel et spor, meget lig den "hale", der nogle gange forbliver på himlen efter et fly. Dette spor er skabt af kondenseret damp. Ionerne, der markerer partiklens vej, er centre for dampkondensation - dette er årsagen til udseendet af et klart synligt spor. Sporet af en partikel kan observeres direkte og fotograferes.

For at regulere damptilstanden i kammeret ændres kammerets volumen ved at flytte stemplet. Hurtig adiabatisk udvidelse af dampen fører til en tilstand af overmætning.

Hvis sporkameraet er placeret i et magnetfelt, så kan man ud fra kurvens krumning bestemme enten partikelhastigheden kl. i en vis henseende eller omvendt med kendt hastighed (jf. formler på side 406).

Wilson-kammeret hører allerede til historien. Fordi kammeret er fyldt med gas, er kollisioner sjældne. Kameraets "rensetid" er meget lang: billeder kan kun tages efter 20 sekunder. Endelig lever sporet i en tid af størrelsesordenen et sekund, hvilket kan føre til forskydning af malerierne.

I 1950 blev boblekammeret foreslået, som spiller en stor rolle i partikelfysikken. Stoffet i kammeret er overophedet væske. En ladet partikel danner ioner, og der dannes bobler i nærheden af ​​ionerne, som gør sporet synligt. Dette kamera kan tage 10 billeder i sekundet. Den største ulempe ved kameraet er manglende evne til at kontrollere, hvordan det tænder. Derfor er der ofte brug for tusindvis af fotografier for at vælge et, der fanger det undersøgte fænomen.

Gnistkamre baseret på et andet princip er af stor betydning. Hvis en højspænding påføres en parallelpladekondensator, vil en gnist springe mellem pladerne. Hvis der er ioner i mellemrummet, vil gnisten springe ved en lavere spænding. En ioniserende partikel, der flyver mellem pladerne, skaber således en gnist.

I gnistkammeret tænder partiklen selv for højspændingen mellem kondensatorens plader i en milliontedel af et sekund. Men fordelene med hensyn til muligheden for optagelse i rigtige øjeblik svækket af mangler: kun partikler, der danner en vinkel på højst 45° med pladerne, er synlige, sporet er meget kort, og ikke alle sekundære fænomener har tid til at manifestere sig.

For nylig foreslog sovjetiske forskere en ny type sporkamera (det såkaldte streamer-kamera), som allerede har fundet bred anvendelse. Blokdiagrammet for et sådant kamera er vist i fig. 237. En partikel, der falder mellem pladerne, som i modsætning til gnistkammeret er placeret i stor afstand fra hinanden, detekteres af en tæller. Elektronisk logisk enhed

skelner mellem primære begivenheder og vælger den, der interesserer forsøgslederen. I dette øjeblik er højspændingen tændt kort tid fodret til tallerkenerne. Ionerne dannet langs partiklens bane danner streger (streamere), som fotograferes. Partiklens vej er skitseret af disse streger.

Hvis fotografiet er taget i stregernes retning, ser partikelbanen ud som en stiplet linje.

Streamerkammerets succes afhænger af den korrekte korrelation af dannelsen af ​​en elektron lavine fra den primære ion med parametrene for højspændingsimpulsen. I en blanding af 90 % neon og 10 % helium med en afstand mellem pladerne på 30 cm opnås gode resultater med en spænding på 600.000 V og en pulstid I ​​dette tilfælde skal pulsen påføres senest s efter den primære ioniseringsbegivenhed. Denne type vågekammer er et komplekst, dyrt setup, der er lige så langt væk fra et skykammer, som moderne partikelacceleratorer er fra et elektronrør.

Ioniseringstællere og ioniseringskamre.

En ioniseringsenhed designet til at arbejde med stråling er for det meste en cylindrisk kondensator fyldt med gas; den ene elektrode er en cylindrisk plade, og den anden er en tråd eller spids, der løber langs cylinderens akse (fig. 237a). Spændingen på kondensatoren og trykket af gassen, der fylder måleren, skal vælges på en speciel måde afhængigt af problemformuleringen. I en almindelig variation af denne enhed, kaldet en geigertæller, påføres en nedbrydningsspænding på cylinderen og glødetråden. Hvis gennem væggen eller gennem enden af ​​sådan en meter, kommer den ind

ioniserende partikel, så vil en strømimpuls strømme gennem kondensatoren, der fortsætter, indtil de primære elektroner og de selvafladningselektroner og ioner, de skaber, nærmer sig kondensatorens positive plade. Denne strømimpuls kan forstærkes ved hjælp af konventionelle radiotekniske metoder, og partiklens passage gennem tælleren kan registreres enten ved et klik eller ved et lysglimt eller endelig ved en digital tæller.

En sådan enhed kan tælle antallet af partikler, der kommer ind i enheden. Til dette er kun én ting nødvendig: den aktuelle puls skal stoppe, når den næste partikel kommer ind i tælleren. Hvis målerens driftstilstand er valgt forkert, begynder måleren at "kvæle" og tæller forkert. Opløsningen af ​​ioniseringstælleren er begrænset, men stadig ret høj: op til partikler i sekundet.

Du kan sænke spændingen og opnå en tilstand, hvor en strømimpuls, der er proportional med antallet af dannede ioner, ville passere gennem kondensatoren (proportionaltæller). For at gøre dette skal du arbejde i området for en ikke-selvbærende gasudledning. Primære elektroner, der bevæger sig i kondensatorens elektriske felt, får energi. Impaktionisering begynder, og nye ioner og elektroner dannes. De første ionpar skabt af partiklen, der flyver ind i tælleren, omdannes til ionpar. Når du opererer i en ikke-selvbærende udladningstilstand, vil forstærkningen være en konstant værdi, og proportionelle tællere vil ikke kun fastslå det faktum, at partiklen passerer gennem tælleren, men også måle dens ioniserende evne.

Udledningen i proportionaltællere, såvel som i de ovenfor beskrevne Geiger-tællere, går ud, når ioniseringen stopper. Forskellen på en geigertæller er, at den indkommende partikel i den fungerer som en triggermekanisme, og nedbrydningstiden er ikke relateret til den indledende ionisering.

Da proportionaltællere reagerer på en partikels ioniserende evne, kan tællerens driftstilstand vælges, så den kun detekterer partikler af en bestemt type.

Hvis enheden fungerer i mætningsstrømtilstand (hvilket kan opnås ved at reducere spændingen), så er strømmen gennem den et mål for den strålingsenergi, der absorberes i enhedens volumen pr. tidsenhed. I dette tilfælde kaldes enheden et ioniseringskammer. Gevinsten er lig med enhed i dette tilfælde. Fordelen ved ioniseringskammeret er dets større stabilitet. Designet af ioniseringskamre kan variere betydeligt. Kammerfyldning, vægmaterialer, antal og form af elektroder varierer afhængigt af formålet med undersøgelsen. Sammen med bittesmå kamre med et volumen i størrelsesordenen en kubikmillimeter har man at gøre med kamre med et volumen på op til hundredvis af meter. Under påvirkning af en konstant ioniseringskilde opstår der strømme i kamrene fra til

Scintillationstællere.

Metoden til at tælle glimt af et fluorescerende stof (scintillation) som et middel til at tælle elementarpartikler blev først brugt af Rutherford til hans klassiske studier af strukturen af ​​atomkernen. Den moderne udførelsesform af denne idé har kun ringe lighed med Rutherfords simple enhed.

Partiklen forårsager et lysglimt i et fast stof - fosfor. Det er meget kendt stort antaløkologiske og uorganiske stoffer, der har evnen til at omdanne energien af ​​ladede partikler og fotoner til lysenergi. Mange fosfor har en meget kort efterglødsvarighed, i størrelsesordenen milliardtedele af et sekund. Dette gør det muligt at bygge scintillationstællere med høj hastighed regnskaber. For en række fosfor er lysudbyttet proportionalt med partiklernes energi. Dette gør det muligt at konstruere tællere til estimering af partikelenergi.

I moderne tællere kombineres fosfor med fotomultiplikatorer, der har konventionelle fotokatoder, der er følsomme overfor synligt lys. Elektricitet, oprettet i multiplikatoren, forstærkes og sendes derefter til tælleanordningen.

Det mest almindeligt anvendte organiske fosfor: anthracen, stilben, terphenyl osv. Alle disse kemiske forbindelser tilhører en klasse af såkaldte aromatiske forbindelser, bygget af sekskanter af kulstofatomer. For at bruge dem som scintillatorer skal disse stoffer tages i form af enkeltkrystaller. Da det er noget vanskeligt at dyrke store enkeltkrystaller, og da krystaller organiske forbindelser er meget skrøbelige, så er brugen af ​​plastscintillatorer af væsentlig interesse - dette er navnet på faste opløsninger af organisk fosfor i gennemsigtig plast - polystyren eller andet lignende højpolymert stof. Halogenider anvendes fra uorganisk fosfor alkalimetaller, zinksulfid, wolframater af jordalkalimetaller.

Cherenkov tæller.

Tilbage i 1934 viste Cherenkov, at når en hurtigt ladet partikel bevæger sig i et helt rent flydende eller fast dielektrikum, fremkommer der en speciel glød, som er fundamentalt forskellig fra både den fluorescensglød, der er forbundet med energiovergange i stoffets atomer, og fra bremsstrahlung såsom det kontinuerlige røntgenspektrum. Cherenkov-stråling opstår, når en ladet partikel bevæger sig med en hastighed, der overstiger fasehastigheden for lysudbredelse i et dielektrikum. Hovedtræk ved strålingen er, at den forplanter sig langs den koniske overflade fremad i retning af partikelbevægelse. Keglevinklen bestemmes af formlen:

hvor er vinklen af ​​keglens generatrix med partiklens bevægelsesretning, V er partiklens hastighed, lysets hastighed i mediet. For et medium med et givet brydningsindeks er der således en kritisk hastighed, under hvilken der ikke vil være nogen stråling. Ved denne kritiske hastighed vil strålingen være parallel med partiklens bevægelsesretning. For en partikel, der bevæger sig med en hastighed meget tæt på lysets hastighed, vil en maksimal strålingsvinkel blive observeret for cyclohexan

Cherenkov-strålingsspektret, som erfaring og teori viser, er hovedsageligt placeret i det synlige område.

Cherenkov-stråling er et fænomen, der ligner dannelsen af ​​en bovbølge fra et skib, der bevæger sig gennem vand; i dette tilfælde er skibets hastighed større end hastigheden af ​​bølgerne på vandoverfladen.

Ris. 2376 illustrerer strålingens oprindelse. En ladet partikel bevæger sig langs den aksiale linje og langs stien, det elektromagnetiske felt efter partiklen polariserer midlertidigt mediet på punkter langs partiklens bane.

Alle disse punkter bliver kilder til sfæriske bølger. Der er én enkelt vinkel, hvor disse sfæriske bølger vil være i fase og danne en enkelt front.

Lad os betragte to punkter på en ladet partikels vej (fig. 237c). De skabte sfæriske bølger, den ene ad gangen, den anden ad gangen. Det er klart, at det tog tid for partiklen at rejse mellem disse to punkter. For at disse to bølger kan forplante sig i en eller anden vinkel 9 i samme fase, er det nødvendigt, at rejsetiden for den første stråle er længere end den anden stråles rejsetid med en tid. Vejen, som partiklen tilbagelægger i tid er lig med Bølgen vil dække afstanden på samme tid Herfra får vi ovenstående formel:

Cherenkov-stråling bruges i På det sidste meget bredt som en måde at registrere elementarpartikler på. Tællere baseret på dette fænomen kaldes Cherenkov-tællere. Det lysende stof kombineres, som i scintillationstællere, med fotomultiplikatorer og forstærkere

fotoelektrisk strøm. Der er mange designs af Cherenkov tællere.

Cherenkov tællere har mange fordele. Disse omfatter bl.a hurtig hastighed beregninger og evnen til at bestemme ladningerne af partikler, der bevæger sig med en hastighed meget tæt på lysets hastighed (vi sagde ikke, at lysudbyttet afhænger kraftigt af partiklens ladning). Kun ved hjælp af Cherenkov-tællere kan så vigtige problemer som direkte bestemmelse af hastigheden af ​​en ladet partikel, bestemmelse af retningen, hvori en ultrahurtig partikel bevæger sig osv. løses.

Placering af tællere.

For at studere forskellige processer transformationer og vekselvirkninger af elementarpartikler, er det nødvendigt ikke kun at kunne notere udseendet af en partikel på et givet sted, men også at spore fremtidige skæbne den samme partikel. Sådanne problemer løses ved hjælp af specielle arrangementer af tællere med et generaliseret tællekredsløb. Det kan du f.eks elektriske kredsløb tilslut to eller flere tællere på en sådan måde, at tælling kun sker, hvis afladningen i alle tællere begynder på nøjagtig samme tidspunkt. Dette kan tjene som bevis på, at den samme partikel er gået gennem alle tællerne. Denne tænding af tællere kaldes "matching switching".

Metode til tyktlags fotografiske emulsioner.

Som det er kendt, er det fotofølsomme lag af fotografiske plader en gelatinefilm, hvori der indføres sølvbromid-mikrokrystaller. Grundlaget for den fotografiske proces er ioniseringen af ​​disse krystaller, hvilket resulterer i reduktion af sølvbromid. Denne proces sker ikke kun under påvirkning af lys, men også under påvirkning af ladede partikler. Hvis en ladet partikel flyver gennem emulsionen, vil der opstå et skjult spor i emulsionen, som kan ses efter den fotografiske plade er fremkaldt. Spor i fotografisk emulsion fortæller mange detaljer om den partikel, der forårsagede dem. Stærkt ioniserende partikler efterlader en fedtet rest. Da ionisering afhænger af partiklernes ladning og hastighed, taler kun sporets udseende meget. Værdifuld information leveres af afstanden (sporet) af en partikel i en fotografisk emulsion; Ved at måle længden af ​​sporet kan partiklens energi bestemmes.

Forskning ved hjælp af konventionelle fotografiske plader med tynde emulsioner er af ringe nytte i forbindelse med kernefysik. Sådanne plader vil kun registrere de partikler, der bevæger sig strengt langs pladen. Mysovsky og Zhdanov, såvel som et par år senere af Powell i England, introducerede fotografiske plader med en emulsionstykkelse tæt på (for almindelige plader er lagtykkelsen hundrede gange mindre). Fotometoden er værdifuld for dens klarhed, evnen til at observere et komplekst billede af den transformation, der sker, når en partikel ødelægges.

I fig. 238 viser et typisk fotografi opnået ved denne metode. Nukleare transformationer fandt sted på punkterne.

I den seneste version af denne metode bruges emulsionskamre med stort volumen som det medium, hvori partikelspor optages.

Metoder til at analysere observationer.

Ved hjælp af de beskrevne instrumenter har forskeren mulighed for at bestemme alle de vigtigste konstanter for en elementarpartikel: hastighed og energi, elektrisk ladning, masse; alle disse parametre kan bestemmes med ret høj nøjagtighed. I nærvær af en partikelstrøm er det også muligt at bestemme værdien af ​​en elementarpartikels spin og dens magnetiske moment. Dette gøres ved at bruge det samme eksperiment med stråleopdeling i et magnetfelt, som blev beskrevet på side 171.

Det skal huskes, at kun ladede partikler observeres direkte. Alle data om neutrale partikler og fotoner opnås indirekte ved at studere arten af ​​disse usynlige partiklers virkning på ladede. De opnåede data om usynlige partikler har dog en høj grad af pålidelighed.

En væsentlig rolle i studiet af alle former for transformationer af elementarpartikler spilles af anvendelsen af ​​lovene om bevarelse af momentum og energi. Da vi har at gøre med hurtige partikler, er det nødvendigt at tage højde for den mulige ændring i massen, når vi anvender loven om energibevarelse.

Lad os antage, at der på fotografiet er et spor af partikler i form af en "gaffel". Den første partikel blev til to partikler: den anden og den tredje. Så skal følgende relationer være opfyldt. For det første skal impulsen af ​​den første partikel være lig med vektorsummen af ​​impulsen af ​​de resulterende partikler:

hvor er masseforskellen

Hele erfaringen med kernefysik viser, at bevarelseslovene er strengt opfyldt under enhver transformation af elementarpartikler. Dette giver os mulighed for at bruge disse love til at bestemme egenskaberne af en neutral partikel, der ikke efterlader spor i en fotografisk emulsion og ikke ioniserer gas. Hvis to divergerende spor observeres på en fotografisk plade, så er det klart for forskeren: på det punkt, hvorfra disse spor divergerer, er der sket en transformation af en neutral partikel. Ved at bestemme momenta, energier og masser af de resulterende partikler kan man drage sikre konklusioner om værdien af ​​parametrene for den neutrale partikel. Sådan blev neutronen opdaget, og på den måde bedømmer vi neutrinoer og neutrale mesoner, som vil blive diskuteret nedenfor.

Tilbage frem

Opmærksomhed! Forhåndsvisninger af dias er kun til informationsformål og repræsenterer muligvis ikke alle funktionerne i præsentationen. Hvis du er interesseret dette arbejde, download venligst den fulde version.

Lektionstype: lektion om at lære nyt materiale.

Lektionstype: kombineret.

Teknologi: problemdialogisk.

Formålet med lektionen: organisere elevaktiviteter for at studere og indledningsvis konsolidere viden om metoder til registrering af ladede partikler.

Udstyr: computer og multimedieprojektor, Præsentation .

Metoder til påvisning af ladede partikler

I dag virker det næsten utroligt, hvor mange opdagelser i atomkernens fysik, der er blevet gjort ved hjælp af naturlige kilder til radioaktiv stråling med energier på kun få MeV og simple detekteringsanordninger. Atomkernen blev opdaget, dens dimensioner blev opnået, en nuklear reaktion blev observeret for første gang, fænomenet radioaktivitet blev opdaget, neutronen og protonen blev opdaget, eksistensen af ​​neutrinoer blev forudsagt osv. Hovedpartikeldetektor i lang tid der var en plade med et lag zinksulfid på. Partiklerne blev registreret med øjet af de lysglimt, de producerede i zinksulfidet.

Med tiden blev eksperimentelle opstillinger mere og mere komplekse. Teknologien til partikelacceleration og detektion og nuklear elektronik blev udviklet. Fremskridt inden for nuklear og elementær partikelfysik er alle inde i højere grad bestemt af fremskridt på disse områder. Nobelpriser i fysik uddeles ofte for arbejde inden for fysiske eksperimentelle teknikker.

Detektorer tjener både til at registrere selve tilstedeværelsen af ​​en partikel og til at bestemme dens energi og momentum, partiklens bane og andre egenskaber. Til at registrere partikler bruges ofte detektorer, der er maksimalt følsomme over for detektion af en bestemt partikel og ikke fornemmer den store baggrund, der skabes af andre partikler.

Normalt i atom- og partikelfysiske eksperimenter er det nødvendigt at isolere "nødvendige" begivenheder fra en gigantisk baggrund af "unødvendige" begivenheder, måske én ud af en milliard. For at gøre dette bruges forskellige kombinationer af tællere og registreringsmetoder.

Påvisning af ladede partikler er baseret på fænomenet ionisering eller excitation af atomer, som de forårsager i detektorstoffet. Dette er grundlaget for arbejdet med sådanne detektorer som et skykammer, boblekammer, gnistkammer, fotografiske emulsioner, gasscintillations- og halvlederdetektorer.

1. Geigertæller

En Geiger-tæller er som regel en cylindrisk katode, langs hvis akse en ledning strækkes - anoden. Systemet er fuldt gasblanding. Når den passerer gennem tælleren, ioniserer en ladet partikel gassen. De resulterende elektroner, der bevæger sig mod den positive elektrode - glødetråden, der kommer ind i området af et stærkt elektrisk felt, accelereres og ioniserer igen gasmolekyler, hvilket fører til en koronaudladning. Signalamplituden når op på flere volt og registreres let. En geigertæller registrerer det faktum, at en partikel passerer gennem tælleren, men måler ikke partiklens energi.

2. Skykammer

Et skykammer er en spordetektor af elementært ladede partikler, hvor sporet (sporet) af en partikel er dannet af en kæde af små dråber væske langs dens bevægelsesbane. Opfundet af Charles Wilson i 1912 (Nobelprisen 1927).

Driftsprincippet for et skykammer er baseret på kondensering af overmættet damp og dannelsen af ​​synlige dråber af væske på ioner langs sporet af en ladet partikel, der flyver gennem kammeret. For at skabe overmættet damp sker hurtig adiabatisk udvidelse af gassen ved hjælp af et mekanisk stempel. Efter fotografering af sporet komprimeres gassen i kammeret igen, og dråberne på ionerne fordamper. Det elektriske felt i kammeret tjener til at "rense" kammeret for ioner dannet under den tidligere ionisering af gassen. I et skykammer bliver spor af ladede partikler synlige på grund af kondensering af overmættet damp på gasioner dannet af den ladede partikel. Der dannes væskedråber på ionerne, som vokser til en størrelse, der er tilstrækkelig til observation (10 –3 -10 –4 cm) og fotografering i god belysning. Arbejdsmediet er oftest en blanding af vand og alkoholdamp under et tryk på 0,1-2 atmosfærer (vanddamp kondenserer hovedsageligt på negative ioner, alkoholdamp på positive). Overmætning opnås ved hurtigt at reducere trykket på grund af udvidelse af arbejdsvolumenet. Et skykammers evner øges betydeligt, når det placeres i et magnetfelt. Baseret på banen for en ladet partikel, der er buet af et magnetfelt, bestemmes tegnet for dens ladning og momentum. Ved hjælp af et skykammer i 1932 opdagede K. Anderson en positron i kosmiske stråler.

3. Boblekammer

Boblekammer– en spordetektor af elementært ladede partikler, hvor sporet (sporet) af en partikel er dannet af en kæde af dampbobler langs dens bevægelsesbane. Opfundet af A. Glaser i 1952 (Nobelprisen 1960).

Funktionsprincippet er baseret på kogning af overophedet væske langs sporet af en ladet partikel. Boblekammeret er en beholder fyldt med en gennemsigtig overophedet væske. Med et hurtigt fald i trykket dannes en kæde af dampbobler langs sporet af den ioniserende partikel, som belyses af en ekstern kilde og fotograferes. Efter at have fotograferet sporet stiger trykket i kammeret, gasboblerne kollapser og kameraet er klar til brug igen. Flydende brint bruges som arbejdsvæske i kammeret, der samtidig tjener som brintmål til undersøgelse af partiklers interaktion med protoner.

Skykammeret og boblekammeret har den store fordel, at alle de ladede partikler, der produceres i hver reaktion, kan observeres direkte. For at bestemme typen af ​​partikel og dens momentum placeres skykamre og boblekamre i et magnetfelt. Boblekammeret har en højere densitet af detektormateriale sammenlignet med et skykammer, og derfor er stierne af ladede partikler fuldstændig indeholdt i detektorens volumen. Dechifrering af fotografier fra boblekamre udgør et separat, arbejdskrævende problem.

4. Nukleare emulsioner

På samme måde, som det sker i almindelig fotografering, forstyrrer en ladet partikel langs sin vej strukturen af ​​krystalgitteret af sølvhalogenidkorn, hvilket gør dem i stand til at udvikle sig. Nuklear emulsion er et unikt middel til at registrere sjældne hændelser. Stabler af nukleare emulsioner gør det muligt at detektere partikler med meget høj energi. Med deres hjælp kan du bestemme koordinaterne for sporet af en ladet partikel med en nøjagtighed på ~1 mikron. Nukleare emulsioner bruges i vid udstrækning til at detektere kosmiske partikler på balloner og rumfartøjer.
Fotografiske emulsioner som partikeldetektorer minder noget om skykamre og boblekamre. De blev først brugt af den engelske fysiker S. Powell til at studere kosmiske stråler. Den fotografiske emulsion er et lag af gelatine med korn af sølvbromid spredt i det. Under påvirkning af lys dannes latente billedcentre i kornene af sølvbromid, som bidrager til reduktionen af ​​sølvbromid til metallisk sølv, når de fremkaldes med en konventionel fotografisk fremkalder. Den fysiske mekanisme for dannelsen af ​​disse centre er dannelsen af ​​metalliske sølvatomer på grund af den fotoelektriske effekt. Ionisering produceret af ladede partikler giver samme resultat: et spor af sensibiliserede korn vises, som efter udvikling kan ses under et mikroskop.

5. Scintillationsdetektor

En scintillationsdetektor bruger visse stoffers egenskaber til at gløde (scintillere), når en ladet partikel passerer igennem. Lyskvanta produceret i scintillatoren registreres derefter ved hjælp af fotomultiplikatorrør.

Moderne måleinstallationer inden for højenergifysik er komplekse systemer, herunder titusindvis af tællere, kompleks elektronik og er i stand til samtidigt at optage snesevis af partikler produceret i én kollision.

Færdige arbejder

GRAD VIRKER

Meget er allerede gået, og nu er du færdiguddannet, hvis du selvfølgelig skriver dit speciale til tiden. Men livet er sådan noget, at det først nu bliver klart for dig, at efter at være ophørt med at være studerende, vil du miste alle studenterglæderne, hvoraf mange du aldrig har prøvet, udsætte alt og udsætte det til senere. Og nu, i stedet for at indhente det, arbejder du på dit speciale? Der er en fremragende løsning: download det speciale, du har brug for, fra vores hjemmeside - og du vil øjeblikkeligt have en masse fritid!
Specialer er blevet forsvaret med succes på førende universiteter i Republikken Kasakhstan.
Udgifter til arbejde fra 20.000 tenge

KURSUS VIRKER

Kursusprojektet er det første seriøse praktiske arbejde. Det er med skrivningen af ​​kurser, at forberedelsen til udviklingen af ​​diplomprojekter begynder. Hvis en studerende lærer at præsentere indholdet af et emne korrekt i et kursusprojekt og formatere det kompetent, vil han i fremtiden ikke have problemer med hverken at skrive rapporter eller med at kompilere afhandlinger, ej heller med at udføre andre praktiske opgaver. For at hjælpe eleverne med at skrive denne type elevarbejde og for at afklare spørgsmål, der opstår under forberedelsen, blev denne informationssektion faktisk oprettet.
Udgifter til arbejde fra 2.500 tenge

MASTERAFhandlinger

I øjeblikket i højere uddannelsesinstitutioner I Kasakhstan og SNG-landene er niveauet for videregående uddannelse meget almindeligt erhvervsuddannelse, som følger en bachelor - en kandidatuddannelse. På kandidatuddannelsen studerer de studerende med det formål at opnå en kandidatgrad, som er anerkendt i de fleste lande i verden mere end en bachelorgrad, og som også er anerkendt af udenlandske arbejdsgivere. Resultatet af kandidatstudier er forsvaret af en kandidatafhandling.
Vi vil give dig opdateret analytisk og tekstmateriale. Prisen inkluderer 2 videnskabelige artikler og et abstract.
Udgifter til arbejde fra 35.000 tenge

PRAKTISK RAPPORTER

Efter at have gennemført enhver form for studerende praktik (uddannelse, industriel, pre-graduation), er en rapport påkrævet. Dette dokument vil være en bekræftelse praktisk arbejde studerende og grundlaget for at danne en vurdering til praksis. Normalt skal du for at udarbejde en rapport om et praktikophold indsamle og analysere oplysninger om virksomheden, overveje strukturen og arbejdsrutinen i den organisation, hvor praktikken foregår, udarbejde en kalenderplan og beskrive din praktiske aktiviteter.
Vi hjælper dig med at skrive en rapport om dit praktikophold under hensyntagen til de særlige forhold i en bestemt virksomheds aktiviteter.

>> Metoder til observation og registrering af elementarpartikler

Kapitel 13. ATOMKERNENS FYSIK

Udtrykkene atomkerne og elementarpartikler er allerede nævnt flere gange. Du ved, at et atom består af en kerne og elektroner. Selve atomkernen består af elementarpartikler, neutroner og protoner. Den gren af ​​fysikken, der studerer strukturen og transformationen af ​​atomkerner, kaldes kernefysik. I starten var der ingen opdeling mellem kernefysik og elementær partikelfysik. Fysikere stødte på mangfoldigheden af ​​elementarpartiklernes verden, når de studerede nukleare processer. Adskillelsen af ​​elementarpartikelfysik i et selvstændigt studieområde fandt sted omkring 1950. I dag er der to uafhængige grene af fysikken: indholdet af den ene er studiet af atomkerner, og indholdet af den anden er studiet af natur, egenskaber og gensidige transformationer af elementarpartikler.

§ 97 METODER TIL OBSERVATION OG REGISTRERING AF EVENTUELLE Partikler

Lad os først stifte bekendtskab med enheder, takket være hvilke atomkernens fysik og elementære partikler opstod og begyndte at udvikle sig. Disse er enheder til registrering og undersøgelse af kollisioner og gensidige transformationer af kerner og elementarpartikler. Det er dem, der giver mennesker nødvendige oplysninger om mikrokosmos.

Driftsprincippet for enheder til optagelse af elementære partikler. Enhver enhed, der registrerer elementære partikler eller bevægelige atomkerner, er som en ladet pistol med hammeren spændt. En lille mængde kraft, når du trykker på aftrækkeren på en pistol, forårsager en effekt, der ikke kan sammenlignes med den brugte indsats - et skud.

En optageenhed er et mere eller mindre komplekst makroskopisk system, der kan være i en ustabil tilstand. Med en lille forstyrrelse forårsaget af en forbipasserende partikel begynder processen med overgangen af ​​systemet til en ny, mere stabil tilstand. Denne proces gør det muligt at registrere en partikel. Der er mange i brug i øjeblikket forskellige metoder partikelregistrering.

Afhængigt af formålet med eksperimentet og betingelserne, hvorunder det udføres, bruges visse optageapparater, der adskiller sig fra hinanden i deres hovedegenskaber.

Gasudladningsgeigertæller. Geigertælleren er en af ​​de vigtigste enheder til automatisk partikeltælling.

Tælleren (fig. 13.1) består af et glasrør belagt på indersiden med et metallag (katode) og en tynd metaltråd, der løber langs rørets akse (anode). Røret er fyldt med gas, normalt argon. Tælleren fungerer baseret på stødionisering. En ladet partikel (elektron, -partikel osv.), der flyver gennem en gas, fjerner elektroner fra atomer og skaber positive ioner og frie elektroner. Det elektriske felt mellem anoden og katoden (højspænding påføres dem) accelererer elektronerne til energier, hvorved stødioniseringen begynder. En lavine af ioner opstår, og strømmen gennem tælleren stiger kraftigt. I dette tilfælde genereres en spændingsimpuls over belastningsmodstanden R, som føres til registreringsenheden.

For at tælleren kan registrere den næste partikel, der rammer den, skal lavineudledningen slukkes. Dette sker automatisk. Da i det øjeblik strømimpulsen opstår, er spændingsfaldet over belastningsmodstanden R stort, falder spændingen mellem anode og katode kraftigt - så meget, at udladningen stopper.

Geigertælleren bruges hovedsageligt til optagelse af elektroner og -kvanter (højenergifotoner).

I øjeblikket er der blevet skabt målere, der fungerer efter de samme principper.

Wilson kammer. Tællere giver dig kun mulighed for at registrere det faktum, at en partikel passerer gennem dem og registrere nogle af dens karakteristika. I et skykammer, skabt i 1912, efterlader en hurtigt ladet partikel et spor, som kan observeres direkte eller fotograferes. Denne enhed kan kaldes et vindue ind i mikroverdenen, det vil sige en verden af ​​elementære partikler og systemer, der består af dem.

Driftsprincippet for et skykammer er baseret på kondensering af overmættet damp på ioner til dannelse af vanddråber. Disse ioner skabes langs dens bane af en ladet partikel i bevægelse.

Et skykammer er en hermetisk lukket beholder fyldt med vand eller alkoholdamp tæt på mætning (fig. 13.2). Når stemplet sænkes kraftigt, forårsaget af et fald i trykket under det, udvider dampen i kammeret sig adiabatisk. Som et resultat sker der afkøling, og dampen bliver overmættet. Dette er en ustabil tilstand af damp: den kondenserer let, hvis der opstår kondensationscentre i beholderen. centre
kondensering bliver til ioner, som dannes i kammerets arbejdsrum af en flyvende partikel. Hvis en partikel kommer ind i kammeret umiddelbart efter, at dampen udvider sig, vises vanddråber på dens vej. Disse dråber dannes synligt spor flyvende partikel - spor (fig. 13.3). Kammeret returneres derefter til sin oprindelige tilstand, og ionerne fjernes elektrisk felt. Afhængigt af kameraets størrelse varierer tiden til at genoprette driftstilstanden fra flere sekunder til ti minutter.

Den information, som skykammerspor giver, er meget rigere, end hvad tællere kan give. Ud fra sporets længde kan du bestemme partiklens energi, og ud fra antallet af dråber pr. længdeenhed af sporet, dens hastighed. Jo længere partiklens spor, jo større er dens energi. Og jo flere vanddråber der dannes pr. længdeenhed af banen, jo lavere er dens hastighed. Partikler med en højere ladning efterlader et tykkere spor.

De sovjetiske fysikere P. L. Kapitsa og D. V. Skobeltsyn foreslog at placere et skykammer i et ensartet magnetfelt.

Et magnetfelt virker på en ladet partikel i bevægelse med en vis kraft (Lorentz-kraft). Denne kraft bøjer partiklens bane uden at ændre dens hastighedsmodul. Jo større ladning partiklen er og jo lavere dens masse, jo større krumning af sporet. Ud fra sporets krumning kan man bestemme forholdet mellem partiklens ladning og dens masse. Hvis en af ​​disse mængder er kendt, så kan den anden beregnes. For eksempel, ud fra ladningen af ​​en partikel og krumningen af ​​dens spor, kan man finde massen af ​​partiklen.

Boblekammer. I 1952 foreslog den amerikanske videnskabsmand D. Glaser at bruge overophedet væske til at detektere partikelspor. I en sådan væske opstår der dampbobler på ionerne (fordampningscentre), der dannes under bevægelsen af ​​en hurtigt ladet partikel, hvilket giver et synligt spor. Kamre af denne type blev kaldt boblekamre.

I den indledende tilstand er væsken i kammeret under højt tryk, der beskytter den mod kogning, på trods af at væskens temperatur er lidt højere end kogepunktet ved atmosfærisk tryk. Med et kraftigt fald i trykket bliver væsken overophedet, og i kort tid vil den være i en ustabil tilstand. Ladede partikler, der flyver på dette særlige tidspunkt forårsager fremkomsten af ​​spor bestående af dampbobler (fig. 1.4.4). Og de anvendte væsker er hovedsageligt flydende brint og propan. Boblekammerets driftscyklus er kort - omkring 0,1 s.

Fordelen ved boblekammeret i forhold til Wilson-kammeret skyldes den højere densitet af arbejdsstoffet. Som følge heraf viser partikelvejene sig at være ret korte, og partikler med selv høje energier sætter sig fast i kammeret. Dette gør det muligt at observere en række successive transformationer af en partikel og de reaktioner, den forårsager.

Skykammer- og boblekammerspor er en af ​​de vigtigste kilder til information om partiklernes adfærd og egenskaber.

At observere spor af elementarpartikler giver et stærkt indtryk og skaber en følelse af direkte kontakt med mikrokosmos.

Metode til tyktlags fotografiske emulsioner. For at detektere partikler anvendes sammen med skykamre og boblekamre tyktlagsfotografiske emulsioner. Den ioniserende effekt af hurtigt ladede partikler på emulsionen af ​​en fotografisk plade gjorde det muligt for den franske fysiker A. Becquerel at opdage radioaktivitet i 1896. Fotoemulsionsmetoden blev udviklet af sovjetiske fysikere L. V. Mysovsky, G. B. Zhdanov og andre.

Fotoemulsion indeholder et stort antal af mikroskopiske krystaller af sølvbromid. En hurtigt ladet partikel, der trænger ind i krystallen, fjerner elektroner fra individuelle bromatomer. En kæde af sådanne krystaller danner et latent billede. Når det udvikles, genoprettes metallisk sølv i disse krystaller, og en kæde af sølvkorn danner et partikelspor (fig. 13.5). Længden og tykkelsen af ​​sporet kan bruges til at estimere energien og massen af ​​partiklen.

På grund af den fotografiske emulsions høje tæthed er sporene meget korte (ca. 10 -3 cm for -partikler udsendt af radioaktive grundstoffer), men ved fotografering kan de forstørres.

Fordelen ved fotografiske emulsioner er, at eksponeringstiden kan være så lang som ønsket. Dette gør det muligt at registrere sjældne hændelser. Det er også vigtigt, at antallet af observerede interessante reaktioner mellem partikler og kerner øges på grund af fotoemulsioners høje stopevne.

Vi har ikke talt om alle de enheder, der optager elementarpartikler. Moderne instrumenter til at detektere sjældne og kortlivede partikler er meget sofistikerede. Hundredvis af mennesker deltager i deres skabelse.

1. Er det muligt at registrere uladede partikler ved hjælp af et skykammer?
2. Hvilke fordele har et boblekammer i forhold til et Wilson-kammer!

Lektionens indhold lektionsnotater understøttende frame lektion præsentation acceleration metoder interaktive teknologier Øve sig opgaver og øvelser selvtest workshops, træninger, cases, quests lektier diskussion spørgsmål retoriske spørgsmål fra elever Illustrationer lyd, videoklip og multimedier fotografier, billeder, grafik, tabeller, diagrammer, humor, anekdoter, vittigheder, tegneserier, lignelser, ordsprog, krydsord, citater Tilføjelser abstracts artikler tricks for de nysgerrige krybber lærebøger grundlæggende og supplerende ordbog over begreber andet Forbedring af lærebøger og lektionerrette fejl i lærebogen opdatering af et fragment i en lærebog, elementer af innovation i lektionen, udskiftning af forældet viden med ny Kun for lærere perfekte lektioner kalenderplan for året retningslinier diskussionsprogrammer Integrerede lektioner

Rapport:

Metoder til registrering af elementarpartikler

1) Gasudladningsgeigertæller

En geigertæller er en af ​​de vigtigste enheder til automatisk partikeltælling.

Tælleren består af et glasrør belagt på indersiden med et metallag (katode) og en tynd metaltråd, der løber langs rørets akse (anode).

Røret er fyldt med gas, normalt argon. Tælleren fungerer baseret på stødionisering. En ladet partikel (elektron, £-partikel osv.), der flyver gennem en gas, fjerner elektroner fra atomer og skaber positive ioner og frie elektroner. Det elektriske felt mellem anoden og katoden (højspænding påføres dem) accelererer elektronerne til en energi, hvorved stødioniseringen begynder. En lavine af ioner opstår, og strømmen gennem tælleren stiger kraftigt. I dette tilfælde genereres en spændingsimpuls over belastningsmodstanden R, som føres til registreringsenheden. For at tælleren kan registrere den næste partikel, der rammer den, skal lavineudledningen slukkes. Dette sker automatisk. Da spændingsfaldet over udladningsmodstanden R i det øjeblik, strømimpulsen opstår, er stort, falder spændingen mellem anode og katode kraftigt - så meget, at udladningen stopper.

En Geiger-tæller bruges hovedsageligt til at registrere elektroner og Y-kvanter (højenergifotoner) Men Y-kvanter registreres ikke direkte på grund af deres lave ioniserende evne. For at detektere dem er den indre væg af røret belagt med et materiale, hvorfra Y-kvanter slår elektroner ud.

Tælleren registrerer næsten alle elektroner, der kommer ind i den; Hvad angår Y-kvante, registrerer den kun cirka et Y-kvantum ud af hundrede. Registrering af tunge partikler (f.eks. £-partikler) er vanskelig, da det er svært at lave et tilstrækkeligt tyndt "vindue" i tælleren, der er gennemsigtigt for disse partikler.

2) Wilson kammer

Virkningen af ​​et skykammer er baseret på kondensering af overmættet damp på ioner for at danne vanddråber. Disse ioner skabes langs dens bane af en ladet partikel i bevægelse.

Indretningen er en cylinder med et stempel 1 (fig. 2), dækket af et fladt glaslåg 2. Cylinderen indeholder mættede par vand eller alkohol. Det radioaktive lægemiddel 3, der undersøges, indføres i kammeret, som danner ioner i kammerets arbejdsvolumen. Når stemplet sænkes skarpt ned, dvs. Under adiabatisk ekspansion afkøles dampen og bliver overmættet. I denne tilstand kondenserer dampen let. Kondensationscentrene bliver til ioner dannet af en partikel, der flyver på det tidspunkt. Sådan fremstår et tåget spor (spor) i kameraet (fig. 3), som kan observeres og fotograferes. Banen eksisterer i tiendedele af et sekund. Ved at føre stemplet tilbage til dets oprindelige position og fjerne ionerne med et elektrisk felt, kan adiabatisk ekspansion udføres igen. Således kan eksperimenter med kameraet udføres gentagne gange.

Hvis kameraet er placeret mellem polerne på en elektromagnet, udvides kameraets muligheder for at studere partiklernes egenskaber betydeligt. I dette tilfælde virker Lorentz-kraften på den bevægelige partikel, hvilket gør det muligt at bestemme værdien af ​​partiklens ladning og dens momentum ud fra kurvens krumning. Figur 4 viser mulig variant dechifrering af fotografier af elektron- og positronspor. Induktionsvektor B magnetfelt rettet vinkelret på tegningsplanet ud over tegningen. Positronen afbøjes til venstre, og elektronen til højre.

3) Boblekammer

Det adskiller sig fra et skykammer ved, at de overmættede dampe i kammerets arbejdsvolumen erstattes af overophedet væske, dvs. en væske, der er under tryk, der er mindre end dens mættede damptryk.

Flyver en partikel gennem en sådan væske fremkomsten af ​​dampbobler og danner derved et spor (fig. 5).

I starttilstanden komprimerer stemplet væsken. Med et kraftigt fald i trykket viser sig væskens kogepunkt at være mindre temperatur miljø.

Væsken bliver ustabil (overophedet) tilstand. Dette sikrer udseendet af bobler langs partiklens bane. Hydrogen, xenon, propan og nogle andre stoffer bruges som arbejdsblanding.

Fordelen ved boblekammeret i forhold til Wilson-kammeret skyldes den højere densitet af arbejdsstoffet. Som følge heraf viser partikelvejene sig at være ret korte, og partikler med selv høje energier sætter sig fast i kammeret. Dette gør det muligt at observere en række successive transformationer af en partikel og de reaktioner, den forårsager.

4) Tykfilmemulsionsmetode

For at detektere partikler anvendes sammen med skykamre og boblekamre tyktlagsfotografiske emulsioner. Ioniserende effekt af hurtigt ladede partikler på fotografisk pladeemulsion. Den fotografiske emulsion indeholder et stort antal mikroskopiske krystaller af sølvbromid.

En hurtigt ladet partikel, der trænger ind i krystallen, fjerner elektroner fra individuelle bromatomer. En kæde af sådanne krystaller danner et latent billede. Når metallisk sølv optræder i disse krystaller, danner kæden af ​​sølvkorn et partikelspor.

Længden og tykkelsen af ​​sporet kan bruges til at estimere energien og massen af ​​partiklen. På grund af den fotografiske emulsions høje tæthed er sporene meget korte, men ved fotografering kan de forstørres. Fordelen ved fotografisk emulsion er, at eksponeringstiden kan være så lang som ønsket. Dette gør det muligt at registrere sjældne hændelser. Det er også vigtigt, at antallet af observerede interessante reaktioner mellem partikler og kerner øges på grund af fotoemulsionens høje stopevne.