Quali metodi esistono per rilevare le particelle cariche. Metodi per la registrazione delle particelle elementari

Lo studio della struttura del nucleo atomico è indissolubilmente legato alla considerazione dei fenomeni di decadimento spontaneo o forzato del nucleo atomico e delle particelle nucleari. Esaminando i frammenti di un nucleo atomico collassato e tracciando il destino di questi frammenti, siamo in grado di trarre conclusioni sulla struttura del nucleo e sulle forze nucleari.

È del tutto naturale che dapprima siano stati studiati in dettaglio i fenomeni di decadimento spontaneo dei nuclei, cioè i fenomeni radioattivi. Parallelamente a ciò, è iniziata la ricerca Raggi cosmici- radiazioni, che hanno un potere di penetrazione eccezionale e provengono da noi spazio. Quando interagiscono con la materia, le particelle di radiazione cosmica svolgono il ruolo di particelle proiettili. Per molto tempo la ricerca sui raggi cosmici è stata nel modo più importante studio dell'interconvertibilità particelle elementari e anche in una certa misura con il metodo di studio del nucleo atomico. Attualmente stanno acquisendo primaria importanza gli studi sulla distruzione del nucleo atomico mediante bombardamento da parte di flussi di particelle creati negli acceleratori.

I metodi sperimentali discussi ora sono ugualmente applicabili allo studio dei raggi cosmici e delle particelle che ne derivano bombardamento nucleare determinati obiettivi.

Fotocamere da pista.

Il primo dispositivo che consentiva di vedere la traccia (traccia) di una particella era una camera a nebbia. Se una particella veloce vola attraverso una camera contenente vapore acqueo sovrasaturo, creando ioni lungo il suo percorso, allora tale particella lascia una scia, molto simile alla "coda" che a volte rimane nel cielo dopo un aereo. Questa scia è creata dal vapore condensato. Gli ioni che segnano il percorso della particella sono centri di condensazione del vapore: questo è il motivo della comparsa di una traccia chiaramente visibile. La traccia di una particella può essere osservata direttamente e fotografata.

Per regolare lo stato del vapore nella camera, il volume della camera viene modificato spostando il pistone. La rapida espansione adiabatica del vapore porta ad uno stato di sovrasaturazione.

Se la trail camera è posizionata in un campo magnetico, dalla curvatura della traiettoria si può determinare la velocità delle particelle a sotto un certo aspetto o, viceversa, a velocità nota (cfr. formule a pag. 406).

La camera Wilson appartiene già alla storia. Poiché la camera è piena di gas, le collisioni sono rare. Il tempo di “pulizia” della fotocamera è molto lungo: le foto possono essere scattate solo dopo 20 secondi. Infine, la traccia vive per un tempo dell'ordine di un secondo, il che può portare allo spostamento delle immagini.

Nel 1950 fu proposta la camera a bolle, che svolge un ruolo importante nella fisica delle particelle. La sostanza della camera è un liquido surriscaldato. Una particella carica forma ioni e vicino agli ioni si creano bolle che rendono visibile la traccia. Questa fotocamera può scattare 10 foto al secondo. Il più grande svantaggio della fotocamera è l'incapacità di controllare come si accende. Pertanto, spesso sono necessarie migliaia di fotografie per selezionarne una che catturi il fenomeno oggetto di studio.

Di grande importanza sono le camere a scintilla basate su un principio diverso. Se viene applicata un'alta tensione a un condensatore a piastre parallele, una scintilla salterà tra le piastre. Se ci sono ioni nello spazio vuoto, la scintilla salterà a una tensione inferiore. Pertanto, una particella ionizzante che vola tra le piastre crea una scintilla.

In una camera a scintilla, la particella stessa attiva un'alta tensione tra le piastre del condensatore per un milionesimo di secondo. Tuttavia, i vantaggi riguardano la possibilità di inserimento in momento giusto indebolito da difetti: sono visibili solo le particelle che formano con le placche un angolo non superiore a 45°, la traccia è molto breve e non tutti i fenomeni secondari hanno il tempo di manifestarsi.

Recentemente, i ricercatori sovietici hanno proposto un nuovo tipo di fotocamera da trail (la cosiddetta fotocamera streamer), che è già stata trovata ampia applicazione. Lo schema a blocchi di una tale telecamera è mostrato in Fig. 237. Una particella che cade tra le piastre, che, a differenza della camera della scintilla, si trovano a grande distanza l'una dall'altra, viene rilevata da un contatore. Dispositivo logico elettronico

distingue gli eventi primari e seleziona quello che interessa allo sperimentatore. In questo momento, l'alta tensione è attiva poco tempo dato ai piatti. Gli ioni formatisi lungo il percorso delle particelle formano dei trattini (stelle filanti), che vengono fotografati. Il percorso della particella è delineato da questi trattini.

Se la fotografia viene scattata lungo la direzione dei trattini, il percorso delle particelle appare come una linea tratteggiata.

Il successo della camera streamer dipende dalla corretta correlazione tra la formazione di una valanga di elettroni dallo ione primario con i parametri dell'impulso ad alta tensione. In una miscela di neon al 90% e elio al 10% con una distanza tra le piastre di 30 cm, si ottengono buoni risultati con una tensione di 600.000 V e un tempo di impulso. In questo caso, l'impulso deve essere applicato entro s l’evento di ionizzazione primaria. Questo tipo di camera di scia è una configurazione complessa e costosa che è tanto lontana da una camera a nebbia quanto i moderni acceleratori di particelle lo sono da un tubo elettronico.

Contatori di ionizzazione e camere di ionizzazione.

Un dispositivo di ionizzazione progettato per funzionare con le radiazioni è principalmente un condensatore cilindrico riempito di gas; un elettrodo è una piastra cilindrica e l'altro è una filettatura o punta che corre lungo l'asse del cilindro (Fig. 237a). La tensione applicata al condensatore e la pressione del gas che riempie il contatore devono essere selezionate in modo speciale a seconda del problema riscontrato. In una variante comune di questo dispositivo, chiamata contatore Geiger, al cilindro e al filamento viene applicata una tensione di rottura. Se entra attraverso il muro o attraverso la fine di un metro del genere

particella ionizzante, un impulso di corrente scorrerà attraverso il condensatore, continuando finché gli elettroni primari e gli elettroni e gli ioni di autoscarica da essi creati si avvicinano alla piastra positiva del condensatore. Questo impulso di corrente può essere amplificato con metodi convenzionali di radioingegneria e il passaggio della particella attraverso il contatore può essere registrato o con un clic, oppure con un lampo di luce, o, infine, con un contatore digitale.

Un tale dispositivo può contare il numero di particelle che entrano nel dispositivo. Per questo è necessaria solo una cosa: l'impulso attuale deve fermarsi nel momento in cui la particella successiva entra nel contatore. Se la modalità operativa del misuratore viene selezionata in modo errato, il misuratore inizia a "soffocare" e conta in modo errato. La risoluzione del contatore di ionizzazione è limitata, ma comunque piuttosto elevata: fino a particelle al secondo.

È possibile abbassare la tensione e ottenere una modalità in cui un impulso di corrente proporzionale al numero di ioni formati passerebbe attraverso il condensatore (contatore proporzionale). Per fare ciò, è necessario lavorare nell'area di uno scarico di gas non autosufficiente. Gli elettroni primari, muovendosi nel campo elettrico del condensatore, acquistano energia. Inizia la ionizzazione per impatto e vengono creati nuovi ioni ed elettroni. Le coppie ioniche iniziali create dalla particella che vola nel contatore vengono convertite in coppie ioniche. Quando si opera in modalità di scarica non autosufficiente, il guadagno sarà un valore costante e i contatori proporzionali non solo stabiliranno il fatto che la particella passa attraverso il contatore, ma ne misureranno anche la capacità ionizzante.

La scarica nei contatori proporzionali, così come nei contatori Geiger sopra descritti, si spegne quando termina la ionizzazione. La differenza tra un contatore Geiger è che in esso la particella in arrivo agisce come un meccanismo di innesco e il tempo di rottura non è correlato alla ionizzazione iniziale.

Poiché i contatori proporzionali rispondono alla capacità ionizzante di una particella, la modalità operativa del contatore può essere selezionata in modo tale da rilevare solo particelle di un determinato tipo.

Se il dispositivo funziona in modalità corrente di saturazione (che può essere ottenuta riducendo la tensione), la corrente che lo attraversa è una misura dell'energia di radiazione assorbita nel volume del dispositivo per unità di tempo. In questo caso, il dispositivo è chiamato camera di ionizzazione. In questo caso il guadagno è pari all’unità. Il vantaggio della camera di ionizzazione è la sua maggiore stabilità. I design delle camere di ionizzazione possono variare in modo significativo. Il riempimento della camera, i materiali delle pareti, il numero e la forma degli elettrodi variano a seconda dello scopo dello studio. Oltre alle minuscole camere con un volume dell'ordine di un millimetro cubo, si devono affrontare camere con un volume fino a centinaia di metri. Sotto l'influenza di una fonte costante di ionizzazione, nelle camere si formano correnti che vanno da a

Contatori a scintillazione.

Il metodo di conteggio dei lampi di una sostanza fluorescente (scintillazione) come mezzo per contare le particelle elementari fu utilizzato per la prima volta da Rutherford per i suoi studi classici sulla struttura del nucleo atomico. L’incarnazione moderna di questa idea ha poca somiglianza con il semplice espediente di Rutherford.

La particella provoca un lampo di luce in una sostanza solida: il fosforo. È molto noto gran numero biologico e sostanze inorganiche, avendo la capacità di convertire l'energia di particelle cariche e fotoni in energia luminosa. Molti fosfori hanno una durata di postluminescenza molto breve, dell'ordine di miliardesimi di secondo. Ciò rende possibile costruire contatori a scintillazione ad alta velocità conti. Per un certo numero di fosfori, l'emissione luminosa è proporzionale all'energia delle particelle. Ciò rende possibile costruire contatori per stimare l'energia delle particelle.

Nei contatori moderni, i fosfori sono combinati con fotomoltiplicatori dotati di fotocatodi convenzionali sensibili luce visibile. Elettricità, creato nel moltiplicatore, viene amplificato e quindi inviato al dispositivo di conteggio.

Il fosforo organico più comunemente usato: antracene, stilbene, terfenile, ecc. Tutti questi composti chimici appartengono ad una classe di cosiddetti composti aromatici, costituiti da esagoni di atomi di carbonio. Per utilizzarli come scintillatori, queste sostanze devono essere assunte sotto forma di cristalli singoli. Poiché coltivare grandi cristalli singoli è alquanto difficile e poiché i cristalli composti organici sono molto fragili, quindi l'uso di scintillatori plastici è di notevole interesse - questo è il nome dato alle soluzioni solide di fosforo organico in plastica trasparente - polistirolo o altra sostanza simile ad alto polimero. Gli alogenuri sono utilizzati dal fosforo inorganico metalli alcalini, solfuro di zinco, tungstati di metalli alcalino terrosi.

Cherenkov ribatte.

Già nel 1934, Cherenkov dimostrò che quando una particella carica velocemente si muove in un dielettrico liquido o solido completamente puro, appare un bagliore speciale, che è fondamentalmente diverso sia dal bagliore di fluorescenza associato alle transizioni energetiche negli atomi della sostanza, sia da bremsstrahlung come lo spettro continuo dei raggi X. La radiazione Cherenkov si verifica quando una particella carica si muove ad una velocità superiore alla velocità di fase di propagazione della luce in un dielettrico. La caratteristica principale della radiazione è che si propaga lungo la superficie conica in avanti nella direzione del movimento delle particelle. L'angolo del cono è determinato dalla formula:

dove è l'angolo della generatrice del cono con la direzione del moto della particella, V è la velocità della particella, la velocità della luce nel mezzo. Pertanto, per un mezzo con un dato indice di rifrazione, esiste una velocità critica al di sotto della quale non ci sarà radiazione. A questa velocità critica, la radiazione sarà parallela alla direzione del movimento della particella. Per una particella che si muove ad una velocità molto vicina a quella della luce, si osserverà un angolo di radiazione massimo. Per il cicloesano

Lo spettro delle radiazioni Cherenkov, come mostrano l'esperienza e la teoria, si trova principalmente nella regione visibile.

La radiazione Cherenkov è un fenomeno simile alla formazione di un'onda di prua proveniente da una nave che si muove sull'acqua; in questo caso la velocità della nave è maggiore della velocità delle onde sulla superficie dell'acqua.

Riso. 2376 illustra l'origine della radiazione. Una particella carica si muove lungo la linea assiale e lungo il percorso, il campo elettromagnetico che segue la particella polarizza temporaneamente il mezzo in punti lungo la traiettoria della particella.

Tutti questi punti diventano sorgenti di onde sferiche. C'è un unico angolo al quale queste onde sferiche saranno in fase e formeranno un unico fronte.

Consideriamo due punti sul percorso di una particella carica (Fig. 237c). Hanno creato onde sferiche, una alla volta, l'altra alla volta. Ovviamente, c'è del tempo impiegato dalla particella per viaggiare tra questi due punti. Affinché queste due onde si propaghino con un angolo 9 nella stessa fase, è necessario che il tempo di viaggio del primo raggio sia maggiore del tempo di viaggio del secondo raggio di un tempo. Il percorso percorso dalla particella nel tempo è uguale a L'onda coprirà la distanza nello stesso tempo Da qui otteniamo la formula sopra:

Viene utilizzata la radiazione Cherenkov Ultimamente molto ampiamente come un modo per registrare le particelle elementari. I contatori basati su questo fenomeno sono chiamati contatori Cherenkov. La sostanza luminosa è abbinata, come nei contatori a scintillazione, a fotomoltiplicatori e amplificatori

corrente fotoelettrica. Esistono molti modelli di contatori Cherenkov.

I contatori Cherenkov hanno molti vantaggi. Questi includono velocità veloce calcoli e capacità di determinare le cariche delle particelle che si muovono a una velocità molto vicina alla velocità della luce (non abbiamo detto che l'emissione di luce dipende fortemente dalla carica della particella). Solo con l'aiuto dei contatori Cherenkov è possibile risolvere problemi importanti come la determinazione diretta della velocità di una particella carica, la determinazione della direzione in cui si muove una particella ultraveloce, ecc.

Posizionamento dei contatori.

Per studiare vari processi trasformazioni e interazioni delle particelle elementari, è necessario essere in grado non solo di notare l'aspetto di una particella in un dato luogo, ma anche di tracciare destino futuro la stessa particella. Tali problemi vengono risolti utilizzando speciali disposizioni di contatori con un circuito di conteggio generalizzato. Ad esempio, puoi circuiti elettrici collegare due o più contatori in modo tale che il conteggio avvenga solo se lo scarico in tutti i contatori inizia esattamente nello stesso momento. Ciò può servire come prova che la stessa particella è passata attraverso tutti i contatori. Questa accensione dei contatori è detta “commutazione di abbinamento”.

Metodo delle emulsioni fotografiche a strato spesso.

Come è noto, lo strato fotosensibile delle lastre fotografiche è una pellicola di gelatina nella quale sono introdotti microcristalli di bromuro d'argento. La base del processo fotografico è la ionizzazione di questi cristalli, che porta alla riduzione del bromuro d'argento. Questo processo avviene non solo sotto l'influenza della luce, ma anche sotto l'influenza di particelle cariche. Se una particella carica vola attraverso l'emulsione, nell'emulsione apparirà una traccia nascosta, che può essere vista dopo lo sviluppo della lastra fotografica. Le tracce nell'emulsione fotografica raccontano molti dettagli sulla particella che le ha provocate. Le particelle altamente ionizzanti lasciano un residuo grasso. Poiché la ionizzazione dipende dalla carica e dalla velocità delle particelle, l'aspetto della traccia da sola la dice lunga. Informazioni preziose sono fornite dalla distanza (traccia) di una particella in un'emulsione fotografica; Misurando la lunghezza della traccia è possibile determinare l'energia della particella.

La ricerca che utilizza lastre fotografiche convenzionali con emulsioni sottili è di scarsa utilità per gli scopi della fisica nucleare. Tali piastre registrerebbero solo quelle particelle che si muovono strettamente lungo la piastra. Mysovsky e Zhdanov, così come pochi anni dopo Powell in Inghilterra, introdussero lastre fotografiche con uno spessore di emulsione vicino (per le lastre ordinarie lo spessore dello strato è cento volte inferiore). Il metodo fotografico è prezioso per la sua chiarezza, la capacità di osservare un'immagine complessa della trasformazione che avviene quando una particella viene distrutta.

Nella fig. 238 mostra una tipica fotografia ottenuta con questo metodo. Nei punti si sono verificate trasformazioni nucleari.

Nell'ultima versione di questo metodo, come mezzo in cui vengono registrate le tracce delle particelle vengono utilizzate camere di emulsione di grande volume.

Metodi per analizzare le osservazioni.

Con l'aiuto degli strumenti descritti, il ricercatore ha l'opportunità di determinare tutte le costanti più importanti di una particella elementare: velocità ed energia, carica elettrica, massa; tutti questi parametri possono essere determinati con una precisione abbastanza elevata. In presenza di un flusso di particelle è anche possibile determinare il valore dello spin di una particella elementare e il suo momento magnetico. Questo viene fatto mediante lo stesso esperimento di divisione del raggio in un campo magnetico, descritto a pagina 171.

Va ricordato che solo le particelle cariche vengono osservate direttamente. Tutti i dati sulle particelle neutre e sui fotoni sono ottenuti indirettamente studiando la natura dell'azione di queste particelle invisibili su quelle cariche. I dati ottenuti sulle particelle invisibili, tuttavia, hanno un alto grado di affidabilità.

Un ruolo essenziale nello studio di tutti i tipi di trasformazioni delle particelle elementari è svolto dall'applicazione delle leggi di conservazione della quantità di moto e dell'energia. Poiché si tratta di particelle veloci, quando si applica la legge di conservazione dell'energia è necessario tenere conto della possibile variazione di massa.

Supponiamo che nella fotografia sia presente una traccia di particelle a forma di “forchetta”. La prima particella si è trasformata in due particelle: la seconda e la terza. Allora devono essere soddisfatte le seguenti relazioni. Innanzitutto, la quantità di moto della prima particella deve essere uguale alla somma vettoriale delle quantità di moto delle particelle risultanti:

dov'è la differenza di massa

Tutta l'esperienza della fisica nucleare mostra che le leggi di conservazione sono rigorosamente soddisfatte durante ogni trasformazione delle particelle elementari. Ciò ci consente di utilizzare queste leggi per determinare le proprietà di una particella neutra che non lascia traccia in un'emulsione fotografica e non ionizza il gas. Se su una lastra fotografica si osservano due tracce divergenti, allora al ricercatore è chiaro: nel punto da cui queste tracce divergono, è avvenuta la trasformazione di una particella neutra. Determinando i momenti, le energie e le masse delle particelle risultanti, si possono trarre conclusioni sicure sul valore dei parametri della particella neutra. Così è stato scoperto il neutrone, e in questo modo giudichiamo i neutrini e i mesoni neutri, di cui parleremo più avanti.

Indietro avanti

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Tipo di lezione: lezione di apprendimento di nuovo materiale.

Tipo di lezione: combinato.

Tecnologia: problema-dialogico.

Lo scopo della lezione: organizzare attività degli studenti per studiare e consolidare inizialmente le conoscenze sui metodi di registrazione delle particelle cariche.

Attrezzatura: computer e proiettore multimediale, Presentazione.

Metodi per la rivelazione di particelle cariche

Oggi sembra quasi incredibile quante scoperte nella fisica del nucleo atomico siano state fatte utilizzando sorgenti naturali di radiazioni radioattive con energie di pochi MeV e semplici dispositivi di rilevamento. Fu scoperto il nucleo atomico, se ne ottennero le dimensioni, fu osservata per la prima volta una reazione nucleare, fu scoperto il fenomeno della radioattività, furono scoperti il neutrone e il protone, fu prevista l'esistenza dei neutrini, ecc. Rilevatore principale di particelle per molto tempo c'era una piastra su cui era applicato uno strato di solfuro di zinco. Le particelle venivano registrate a occhio dai lampi di luce che producevano nel solfuro di zinco.

Nel corso del tempo, le configurazioni sperimentali sono diventate sempre più complesse. Sono state sviluppate la tecnologia di accelerazione e rilevamento delle particelle e l'elettronica nucleare. I progressi nella fisica nucleare e delle particelle elementari sono tutti in gioco In misura maggiore determinato dai progressi in questi settori. I premi Nobel per la fisica vengono spesso assegnati per il lavoro nel campo delle tecniche sperimentali fisiche.

I rilevatori servono sia a registrare il fatto stesso della presenza di una particella sia a determinarne l'energia e la quantità di moto, la traiettoria della particella e altre caratteristiche. Per registrare le particelle, vengono spesso utilizzati rilevatori che sono massimamente sensibili al rilevamento di una particolare particella e non rilevano l'ampio sfondo creato da altre particelle.

Di solito negli esperimenti di fisica nucleare e delle particelle è necessario isolare gli eventi “necessari” da un gigantesco sfondo di eventi “non necessari”, forse uno su un miliardo. Per fare ciò vengono utilizzate varie combinazioni di contatori e metodi di registrazione.

Rilevazione di particelle cariche si basa sul fenomeno della ionizzazione o eccitazione degli atomi, che essi provocano nella sostanza rivelatrice. Questa è la base per il lavoro di rilevatori come camera a nebbia, camera a bolle, camera a scintilla, emulsioni fotografiche, scintillazione di gas e rilevatori a semiconduttore.

1. Contatore Geiger

Un contatore Geiger è, di regola, un catodo cilindrico, lungo l'asse del quale è teso un filo: l'anodo. Il sistema è pieno miscela di gas. Passando attraverso il contatore, una particella carica ionizza il gas. Gli elettroni risultanti, muovendosi verso l'elettrodo positivo - il filamento, entrando nell'area di un forte campo elettrico, vengono accelerati e, a loro volta, ionizzano le molecole di gas, provocando una scarica corona. L'ampiezza del segnale raggiunge diversi volt e viene facilmente registrata. Un contatore Geiger registra il fatto che una particella passa attraverso il contatore, ma non misura l'energia della particella.

2. Camera a nebbia

Una camera a nebbia è un rilevatore di tracce di particelle elementari cariche, in cui la traccia (traccia) di una particella è formata da una catena di piccole goccioline di liquido lungo la traiettoria del suo movimento. Inventato da Charles Wilson nel 1912 (Premio Nobel 1927).

Il principio di funzionamento di una camera a nebbia si basa sulla condensazione del vapore sovrasaturo e sulla formazione di gocce visibili di liquido sugli ioni lungo il percorso di una particella carica che vola attraverso la camera. Per creare vapore sovrasaturo, avviene una rapida espansione adiabatica del gas mediante un pistone meccanico. Dopo aver fotografato la pista, il gas nella camera viene nuovamente compresso e le goccioline sugli ioni evaporano. Il campo elettrico nella camera serve a “pulire” la camera dagli ioni formati durante la precedente ionizzazione del gas. In una camera a nebbia, le tracce delle particelle cariche diventano visibili a causa della condensazione del vapore sovrasaturo sugli ioni gassosi formati dalla particella carica. Sugli ioni si formano gocce di liquido che raggiungono una dimensione sufficiente per l'osservazione (10 –3 -10 –4 cm) e la fotografia in una buona illuminazione. Il mezzo di lavoro è molto spesso una miscela di acqua e vapore di alcol a una pressione di 0,1-2 atmosfere (il vapore acqueo si condensa principalmente sugli ioni negativi, il vapore di alcol su quelli positivi). La sovrasaturazione si ottiene riducendo rapidamente la pressione a causa dell'espansione del volume di lavoro. Le capacità di una camera a nebbia aumentano significativamente se posizionata in un campo magnetico. Sulla base della traiettoria di una particella carica curvata da un campo magnetico, vengono determinati il segno della sua carica e la sua quantità di moto. Utilizzando una camera a nebbia nel 1932, K. Anderson scoprì un positrone nei raggi cosmici.

3. Camera a bolle

Camera a bolle– un rilevatore di tracce di particelle cariche elementari, in cui la traccia (traccia) di una particella è formata da una catena di bolle di vapore lungo la traiettoria del suo movimento. Inventato da A. Glaser nel 1952 (Premio Nobel 1960).

Il principio di funzionamento si basa sull'ebollizione di un liquido surriscaldato lungo il percorso di una particella carica. La camera a bolle è un recipiente riempito con un liquido trasparente surriscaldato. Con una rapida diminuzione della pressione, lungo il percorso della particella ionizzante si forma una catena di bolle di vapore, che vengono illuminate da una fonte esterna e fotografate. Dopo aver fotografato la traccia, la pressione nella camera aumenta, le bolle di gas collassano e la fotocamera è nuovamente pronta per l'uso. L'idrogeno liquido viene utilizzato come fluido di lavoro nella camera, che funge contemporaneamente da bersaglio dell'idrogeno per studiare l'interazione delle particelle con i protoni.

La camera a nebbia e la camera a bolle hanno il grande vantaggio di poter osservare direttamente tutte le particelle cariche prodotte in ciascuna reazione. Per determinare il tipo di particella e la sua quantità di moto, le camere a nebbia e le camere a bolle vengono poste in un campo magnetico. La camera a bolle ha una densità di materiale del rilevatore maggiore rispetto a una camera a nebbia e pertanto i percorsi delle particelle cariche sono completamente contenuti nel volume del rilevatore. Decifrare le fotografie dalle camere a bolle presenta un problema separato e ad alta intensità di lavoro.

4. Emulsioni nucleari

Allo stesso modo, come accade nella normale fotografia, una particella carica lungo il suo percorso sconvolge la struttura del reticolo cristallino dei granuli di alogenuro d'argento, rendendoli capaci di svilupparsi. L'emulsione nucleare è un mezzo unico per registrare eventi rari. Pile di emulsioni nucleari consentono di rilevare particelle di energie molto elevate. Con il loro aiuto è possibile determinare le coordinate della traccia di una particella carica con una precisione di ~1 micron. Le emulsioni nucleari sono ampiamente utilizzate per rilevare particelle cosmiche su palloni sonda e veicoli spaziali.
Le emulsioni fotografiche come rilevatori di particelle sono in qualche modo simili alle camere a nebbia e alle camere a bolle. Furono usati per la prima volta dal fisico inglese S. Powell per studiare i raggi cosmici. L'emulsione fotografica è uno strato di gelatina in cui sono dispersi granelli di bromuro d'argento. Sotto l'influenza della luce, nei grani del bromuro d'argento si formano centri di immagine latenti, che contribuiscono alla riduzione del bromuro d'argento in argento metallico quando sviluppati con uno sviluppatore fotografico convenzionale. Il meccanismo fisico per la formazione di questi centri è la formazione di atomi di argento metallico per effetto fotoelettrico. La ionizzazione prodotta dalle particelle cariche dà lo stesso risultato: appare una scia di granelli sensibilizzati che, dopo lo sviluppo, può essere vista al microscopio.

5. Rivelatore a scintillazione

Un rilevatore a scintillazione sfrutta la proprietà di alcune sostanze di brillare (scintillare) quando una particella carica vi passa attraverso. I quanti di luce prodotti nello scintillatore vengono poi registrati mediante tubi fotomoltiplicatori.

I moderni impianti di misurazione nella fisica delle alte energie sono sistemi complessi, che comprendono decine di migliaia di contatori, elettronica complessa e sono in grado di registrare simultaneamente dozzine di particelle prodotte in una collisione.

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>> Metodi per l'osservazione e la registrazione delle particelle elementari

Capitolo 13. FISICA DEL NUCLEO ATOMICO

Le espressioni nucleo atomico e particelle elementari sono già state citate più volte. Sai che un atomo è costituito da un nucleo ed elettroni. Il nucleo atomico stesso è costituito da particelle elementari, neutroni e protoni. Si chiama la branca della fisica che studia la struttura e la trasformazione dei nuclei atomici fisica Nucleare. Inizialmente non esisteva alcuna divisione tra fisica nucleare e fisica delle particelle elementari. I fisici hanno incontrato la diversità del mondo delle particelle elementari studiando i processi nucleari. La separazione della fisica delle particelle elementari in un campo di studio indipendente avvenne intorno al 1950. Oggi esistono due rami indipendenti della fisica: il contenuto di uno di essi è lo studio dei nuclei atomici, e il contenuto dell'altro è lo studio dei nuclei atomici. natura, proprietà e trasformazioni reciproche delle particelle elementari.

§ 97 METODI DI OSSERVAZIONE E REGISTRAZIONE DELLE PARTICELLE ELEMENTARI

Per prima cosa, facciamo conoscenza con i dispositivi grazie ai quali è nata e ha iniziato a svilupparsi la fisica del nucleo atomico e delle particelle elementari. Si tratta di dispositivi per la registrazione e lo studio delle collisioni e delle mutue trasformazioni di nuclei e particelle elementari. Sono loro che danno alle persone informazione necessaria riguardo al microcosmo.

Il principio di funzionamento dei dispositivi per la registrazione delle particelle elementari. Qualsiasi dispositivo in grado di rilevare particelle elementari o nuclei atomici in movimento è come una pistola carica con il cane armato. Una piccola quantità di forza quando si preme il grilletto di una pistola provoca un effetto che non è paragonabile allo sforzo impiegato: uno sparo.

Un dispositivo di registrazione è un sistema macroscopico più o meno complesso che può trovarsi in uno stato instabile. Con un piccolo disturbo causato dal passaggio di una particella, inizia il processo di transizione del sistema verso un nuovo stato più stabile. Questo processo rende possibile registrare una particella. Ce ne sono molti attualmente in uso vari metodi registrazione delle particelle.

A seconda degli scopi dell'esperimento e delle condizioni in cui viene eseguito, vengono utilizzati alcuni dispositivi di registrazione, diversi tra loro per le loro caratteristiche principali.

Contatore Geiger a scarica di gas. Il contatore Geiger è uno dei dispositivi più importanti per il conteggio automatico delle particelle.

Il contatore (Fig. 13.1) è costituito da un tubo di vetro rivestito internamente da uno strato metallico (catodo) e da un sottile filo metallico che corre lungo l'asse del tubo (anodo). Il tubo è riempito di gas, solitamente argon. Il contatore funziona in base alla ionizzazione per impatto. Una particella carica (elettrone, particella, ecc.), volando attraverso un gas, rimuove gli elettroni dagli atomi e crea ioni positivi ed elettroni liberi. Il campo elettrico tra l'anodo e il catodo (a essi viene applicata l'alta tensione) accelera gli elettroni alle energie alle quali inizia la ionizzazione da impatto. Si verifica una valanga di ioni e la corrente attraverso il contatore aumenta notevolmente. In questo caso, sul resistore di carico R viene generato un impulso di tensione, che viene alimentato al dispositivo di registrazione.

Affinché il contatore possa registrare la prossima particella che lo colpisce, la scarica della valanga deve essere estinta. Ciò avviene automaticamente. Poiché nel momento in cui appare l'impulso di corrente, la caduta di tensione sul resistore di carico R è elevata, la tensione tra l'anodo e il catodo diminuisce bruscamente, tanto che la scarica si interrompe.

Il contatore Geiger viene utilizzato principalmente per registrare elettroni e quanti (fotoni ad alta energia).

Attualmente sono stati creati contatori che funzionano secondo gli stessi principi.

Camera di Wilson. I contatori consentono solo di registrare il fatto che una particella li attraversa e di registrare alcune delle sue caratteristiche. In una camera a nebbia, creata nel 1912, una particella carica velocemente lascia una traccia che può essere osservata direttamente o fotografata. Questo dispositivo può essere definito una finestra sul micromondo, cioè il mondo delle particelle elementari e dei sistemi costituiti da esse.

Il principio di funzionamento di una camera a nebbia si basa sulla condensazione del vapore sovrasaturo sugli ioni per formare goccioline d'acqua. Questi ioni vengono creati lungo la sua traiettoria da una particella carica in movimento.

Una camera a nebbia è un recipiente ermeticamente chiuso riempito con acqua o vapore alcolico vicino alla saturazione (Fig. 13.2). Quando il pistone viene abbassato bruscamente, a causa della diminuzione della pressione al di sotto di esso, il vapore nella camera si espande adiabaticamente. Di conseguenza, si verifica il raffreddamento e il vapore diventa sovrasaturo. Questo è uno stato instabile del vapore: condensa facilmente se nel recipiente compaiono centri di condensa. Centri
la condensa diventa ioni, che si formano nello spazio di lavoro della camera da una particella volante. Se una particella entra nella camera immediatamente dopo l'espansione del vapore, sul suo percorso compaiono gocce d'acqua. Si formano queste goccioline traccia visibile particella volante - traccia (Fig. 13.3). La camera viene quindi riportata al suo stato originale e gli ioni vengono rimossi campo elettrico. A seconda delle dimensioni della telecamera, il tempo per ripristinare la modalità operativa varia da alcuni secondi a decine di minuti.

Le informazioni fornite dalle tracce in una camera a nebbia sono molto più ricche di quelle che possono fornire i contatori. Dalla lunghezza della traccia è possibile determinare l'energia della particella e dal numero di goccioline per unità di lunghezza della traccia la sua velocità. Più lunga è la traiettoria della particella, maggiore è la sua energia. E più gocce d'acqua si formano per unità di lunghezza della pista, minore è la sua velocità. Le particelle con carica maggiore lasciano una traccia più spessa.

I fisici sovietici P. L. Kapitsa e D. V. Skobeltsyn proposero di collocare una camera a nebbia in un campo magnetico uniforme.

Un campo magnetico agisce su una particella carica in movimento con una certa forza (forza di Lorentz). Questa forza piega la traiettoria della particella senza modificare il modulo della sua velocità. Maggiore è la carica della particella e minore è la sua massa, maggiore è la curvatura della pista. Dalla curvatura della pista si può determinare il rapporto tra la carica della particella e la sua massa. Se una di queste quantità è nota, è possibile calcolare l'altra. Ad esempio, dalla carica di una particella e dalla curvatura della sua traiettoria si può ricavare la massa della particella.

Camera a bolle. Nel 1952, lo scienziato americano D. Glaser propose di utilizzare un liquido surriscaldato per rilevare le tracce delle particelle. In un tale liquido, sugli ioni (centri di vaporizzazione) compaiono bolle di vapore formate durante il movimento di una particella carica velocemente, dando una traccia visibile. Camere di questo tipo erano chiamate camere a bolle.

Nello stato iniziale, il liquido nella camera è sotto alta pressione, proteggendolo dall'ebollizione, nonostante la temperatura del liquido sia leggermente superiore al punto di ebollizione pressione atmosferica. Con una forte diminuzione della pressione, il liquido si surriscalda e per un breve periodo si troverà in uno stato instabile. Le particelle cariche che volano in questo particolare momento provocano la comparsa di tracce costituite da bolle di vapore (Fig. 1.4.4). E i liquidi utilizzati sono principalmente idrogeno liquido e propano. Il ciclo operativo della camera a bolle è breve: circa 0,1 s.

Il vantaggio della camera a bolle rispetto alla camera Wilson è dovuto alla maggiore densità della sostanza di lavoro. Di conseguenza, i percorsi delle particelle risultano piuttosto brevi e le particelle anche con energie elevate rimangono intrappolate nella camera. Ciò permette di osservare una serie di trasformazioni successive di una particella e le reazioni che provoca.

Le tracce della camera a nebbia e della camera a bolle sono una delle principali fonti di informazioni sul comportamento e sulle proprietà delle particelle.

L'osservazione delle tracce delle particelle elementari produce una forte impressione e crea una sensazione di contatto diretto con il microcosmo.

Metodo delle emulsioni fotografiche a strato spesso. Per rilevare le particelle, insieme alle camere a nebbia e alle camere a bolle, vengono utilizzate emulsioni fotografiche a strato spesso. L'effetto ionizzante delle particelle cariche velocemente sull'emulsione di una lastra fotografica permise al fisico francese A. Becquerel di scoprire la radioattività nel 1896. Il metodo della fotoemulsione è stato sviluppato dai fisici sovietici L. V. Mysovsky, G. B. Zhdanov e altri.

L'emulsione fotografica contiene un gran numero di cristalli microscopici di bromuro d'argento. Una particella carica velocemente, penetrando nel cristallo, rimuove gli elettroni dai singoli atomi di bromo. Una catena di tali cristalli forma un'immagine latente. Una volta sviluppato, l'argento metallico viene ripristinato in questi cristalli e una catena di grani d'argento forma una traccia di particelle (Fig. 13.5). La lunghezza e lo spessore della traccia possono essere utilizzati per stimare l'energia e la massa della particella.

A causa dell'elevata densità dell'emulsione fotografica, le tracce sono molto corte (circa 10 -3 cm per le particelle emesse da elementi radioattivi), ma fotografandole possono essere ingrandite.

Il vantaggio delle emulsioni fotografiche è che il tempo di esposizione può essere lungo quanto desiderato. Ciò consente di registrare eventi rari. È anche importante che, a causa dell'elevato potere frenante delle fotoemulsioni, aumenti il numero di reazioni interessanti osservate tra particelle e nuclei.

Non abbiamo parlato di tutti i dispositivi che registrano le particelle elementari. Gli strumenti moderni per rilevare particelle rare e di breve durata sono molto sofisticati. Centinaia di persone prendono parte alla loro creazione.

1. È possibile registrare particelle prive di carica utilizzando una camera a nebbia?
2. Quali vantaggi ha una camera a bolle rispetto a una camera Wilson!

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Rapporto:

Metodi per la registrazione delle particelle elementari

1) Contatore Geiger a scarica di gas

Un contatore Geiger è uno dei dispositivi più importanti per il conteggio automatico delle particelle.

Il contatore è costituito da un tubo di vetro rivestito internamente da uno strato metallico (catodo) e da un sottile filo metallico che corre lungo l'asse del tubo (anodo).

Il tubo è riempito di gas, solitamente argon. Il contatore funziona in base alla ionizzazione per impatto. Una particella carica (elettrone, particella £, ecc.), volando attraverso un gas, rimuove gli elettroni dagli atomi e crea ioni positivi ed elettroni liberi. Il campo elettrico tra l'anodo e il catodo (a essi viene applicata l'alta tensione) accelera gli elettroni fino a un'energia alla quale inizia la ionizzazione da impatto. Si verifica una valanga di ioni e la corrente attraverso il contatore aumenta notevolmente. In questo caso, sul resistore di carico R viene generato un impulso di tensione, che viene alimentato al dispositivo di registrazione. Affinché il contatore possa registrare la prossima particella che lo colpisce, la scarica della valanga deve essere estinta. Ciò avviene automaticamente. Poiché nel momento in cui appare l'impulso di corrente, la caduta di tensione sul resistore di scarica R è elevata, la tensione tra l'anodo e il catodo diminuisce bruscamente, tanto che la scarica si interrompe.

Un contatore Geiger viene utilizzato principalmente per registrare elettroni e quanti Y (fotoni ad alta energia). Tuttavia, i quanti Y non vengono registrati direttamente a causa della loro bassa capacità ionizzante. Per rilevarli, la parete interna del tubo è rivestita con un materiale dal quale i quanti Y eliminano gli elettroni.

Il contatore registra quasi tutti gli elettroni che vi entrano; Per quanto riguarda i quanti Y, registra approssimativamente solo un quanto Y su cento. La registrazione delle particelle pesanti (ad esempio le particelle £) è difficile, poiché è difficile creare nel contatore una “finestra” sufficientemente sottile che sia trasparente a queste particelle.

2) Camera di Wilson

L'azione di una camera a nebbia si basa sulla condensazione del vapore sovrasaturo sugli ioni per formare goccioline d'acqua. Questi ioni vengono creati lungo la sua traiettoria da una particella carica in movimento.

Il dispositivo è un cilindro con un pistone 1 (Fig. 2), coperto da un coperchio piatto di vetro 2. Il cilindro contiene coppie sature acqua o alcool. Il farmaco radioattivo 3 in studio viene introdotto nella camera, che forma ioni nel volume di lavoro della camera. Quando il pistone si abbassa bruscamente, ad es. Durante l’espansione adiabatica il vapore si raffredda e diventa sovrasaturo. In questo stato il vapore si condensa facilmente. I centri di condensazione diventano ioni formati da una particella volante in quel momento. Ecco come appare nella fotocamera una scia nebbiosa (traccia) (Fig. 3), che può essere osservata e fotografata. La traccia esiste per decimi di secondo. Riportando il pistone nella sua posizione originale e rimuovendo gli ioni con un campo elettrico, è possibile eseguire nuovamente l'espansione adiabatica. Pertanto, gli esperimenti con la fotocamera possono essere eseguiti ripetutamente.

Se la fotocamera viene posizionata tra i poli di un elettromagnete, le capacità della fotocamera per studiare le proprietà delle particelle si espandono in modo significativo. In questo caso, sulla particella in movimento agisce la forza di Lorentz, che permette di determinare il valore della carica della particella e la sua quantità di moto dalla curvatura della traiettoria. La Figura 4 mostra possibile variante decifrare fotografie di tracce di elettroni e positroni. Vettore di induzione B campo magnetico diretto perpendicolarmente al piano del disegno oltre il disegno. Il positrone devia a sinistra e l'elettrone a destra.

3) Camera a bolle

Si differenzia da una camera a nebbia in quanto i vapori sovrasaturi nel volume di lavoro della camera vengono sostituiti da liquido surriscaldato, cioè un liquido che è sotto pressione inferiore alla sua pressione di vapore saturo.

Volando attraverso un tale liquido, una particella provoca la comparsa di bolle di vapore, formando così una traccia (Fig. 5).

Nello stato iniziale, il pistone comprime il liquido. Con una forte diminuzione della pressione, il punto di ebollizione del liquido risulta essere meno temperatura ambiente.

Il liquido diventa instabile (surriscaldato). Ciò garantisce la comparsa di bolle lungo il percorso della particella. Come miscela di lavoro vengono utilizzati idrogeno, xeno, propano e alcune altre sostanze.

4) Metodo dell'emulsione a film spesso

Per rilevare le particelle, insieme alle camere a nebbia e alle camere a bolle, vengono utilizzate emulsioni fotografiche a strato spesso. Effetto ionizzante di particelle caricate velocemente sull'emulsione di lastre fotografiche. L'emulsione fotografica contiene un gran numero di cristalli microscopici di bromuro d'argento.

Una particella carica velocemente, penetrando nel cristallo, rimuove gli elettroni dai singoli atomi di bromo. Una catena di tali cristalli forma un'immagine latente. Quando in questi cristalli appare l'argento metallico, la catena di grani d'argento forma una traccia di particelle.

La lunghezza e lo spessore della traccia possono essere utilizzati per stimare l'energia e la massa della particella. A causa dell'elevata densità dell'emulsione fotografica, le tracce sono molto brevi, ma quando si fotografa possono essere ingrandite. Il vantaggio dell'emulsione fotografica è che il tempo di esposizione può essere lungo quanto desiderato. Ciò consente di registrare eventi rari. È anche importante che, a causa dell'elevato potere frenante della fotoemulsione, aumenti il numero di reazioni interessanti osservate tra particelle e nuclei.