Hvilke metoder finnes for å oppdage ladede partikler. Metoder for registrering av elementærpartikler

Studiet av strukturen til atomkjernen er uløselig knyttet til vurderingen av fenomenene spontant eller tvunget forfall av atomkjernen og kjernefysiske partikler. Ved å undersøke fragmenter av en kollapset atomkjerne og spore skjebnen til disse fragmentene, er vi i stand til å trekke konklusjoner om strukturen til kjernen og kjernekreftene.

Det er ganske naturlig at fenomenene med spontant forfall av kjerner, det vil si radioaktive fenomener, først ble studert i detalj. Parallelt med dette startet forskningen kosmiske stråler- stråling, som har eksepsjonell gjennomtrengende kraft og kommer til oss fra verdensrommet. Når de samhandler med materie, spiller kosmiske strålingspartikler rollen som prosjektilpartikler. I lang tid var det kosmisk stråleforskning på den viktigste måten studie av interkonvertibilitet elementære partikler og til og med til en viss grad ved metoden for å studere atomkjernen. For tiden får studier av ødeleggelsen av atomkjernen ved bombardement av strømmer av partikler skapt i akseleratorer primær betydning.

De eksperimentelle metodene som diskuteres nå er like anvendelige for studiet av kosmiske stråler og partikler som er et resultat av atombombing visse mål.

Løypekameraer.

Den første enheten som gjorde det mulig å se sporet (sporet) av en partikkel var et skykammer. Hvis en rask partikkel flyr gjennom et kammer som inneholder overmettet vanndamp og skaper ioner langs sin vei, etterlater en slik partikkel et spor, veldig lik "halen" som noen ganger forblir på himmelen etter et fly. Denne stien er skapt av kondensert damp. Ionene som markerer banen til partikkelen er sentre for dampkondensasjon - dette er årsaken til utseendet til et tydelig synlig spor. Sporet av en partikkel kan observeres direkte og fotograferes.

For å regulere tilstanden til damp i kammeret, endres volumet av kammeret ved å flytte stempelet. Rask adiabatisk ekspansjon av dampen fører til en tilstand av overmetning.

Hvis løypekameraet er plassert i et magnetisk felt, kan man ut fra kurvaturen til banen bestemme enten partikkelhastigheten ved i en viss henseende eller omvendt med kjent hastighet (jf. formler på side 406).

Wilson-kammeret hører allerede til historien. Fordi kammeret er fylt med gass, er kollisjoner sjeldne. Kameraets "rensetid" er veldig lang: bilder kan bare tas etter 20 sekunder. Til slutt lever sporet i en tid i størrelsesorden et sekund, noe som kan føre til forskyvning av bildene.

I 1950 ble boblekammeret foreslått, som spiller en stor rolle i partikkelfysikk. Stoffet i kammeret er overopphetet væske. En ladet partikkel danner ioner, og det dannes bobler nær ionene, som gjør sporet synlig. Dette kameraet kan ta 10 bilder per sekund. Den største ulempen med kameraet er manglende evne til å kontrollere hvordan det slås på. Derfor trengs ofte tusenvis av fotografier for å velge et som fanger fenomenet som studeres.

Gnistkamre basert på et annet prinsipp er av stor betydning. Hvis en høyspenning påføres en parallellplatekondensator, vil en gnist hoppe mellom platene. Hvis det er ioner i gapet, vil gnisten hoppe ved lavere spenning. Dermed skaper en ioniserende partikkel som flyr mellom platene en gnist.

I gnistkammeret slår selve partikkelen på høyspenningen mellom kondensatorplatene i en milliondels sekund. Men fordelene med hensyn til muligheten for inkludering i rett øyeblikk svekket av mangler: bare partikler som danner en vinkel på ikke mer enn 45° med platene er synlige, sporet er veldig kort og ikke alle sekundære fenomener har tid til å manifestere seg.

Nylig foreslo sovjetiske forskere en ny type stikamera (det såkalte streamer-kameraet), som allerede har funnet bred applikasjon. Blokkskjemaet til et slikt kamera er vist i fig. 237. En partikkel som faller mellom platene, som i motsetning til gnistkammeret er plassert i stor avstand fra hverandre, oppdages av en teller. Elektronisk logisk enhet

skiller mellom primære hendelser og velger den som interesserer eksperimentatoren. I dette øyeblikket er høyspenningen på kort tid mates til tallerkenene. Ionene som dannes langs partikkelens bane danner streker (streamers), som blir fotografert. Banen til partikkelen er skissert av disse strekene.

Hvis fotografiet er tatt langs strekenes retning, ser partikkelbanen ut som en stiplet linje.

Suksessen til streamerkammeret avhenger av den riktige korrelasjonen mellom dannelsen av et elektronskred fra primærionet med parametrene til høyspenningspulsen. I en blanding av 90 % neon og 10 % helium med en avstand mellom platene på 30 cm oppnås gode resultater med en spenning på 600 000 V og en pulstid I dette tilfellet bør pulsen påføres senest s etter den primære ioniseringshendelsen. Denne typen våknekammer er et komplekst, kostbart oppsett som er like langt fra et skykammer som moderne partikkelakseleratorer er fra et elektronrør.

Ioniseringstellere og ioniseringskamre.

En ioniseringsenhet designet for å jobbe med stråling er for det meste en sylindrisk kondensator fylt med gass; en elektrode er en sylindrisk plate, og den andre er en tråd eller spiss som går langs sylinderens akse (fig. 237a). Spenningen som påføres kondensatoren og trykket til gassen som fyller måleren må velges på en spesiell måte avhengig av problemformuleringen. I en vanlig variant av denne enheten, kalt en geigerteller, påføres en sammenbruddsspenning på sylinderen og glødetråden. Hvis gjennom veggen eller gjennom enden av en slik meter kommer den inn

ioniserende partikkel, så vil en strømpuls flyte gjennom kondensatoren, som fortsetter til primærelektronene og selvutladningselektronene og ionene de lager nærmer seg den positive platen til kondensatoren. Denne strømpulsen kan forsterkes ved hjelp av konvensjonelle radiotekniske metoder, og passasjen av partikkelen gjennom telleren kan registreres enten ved et klikk eller ved et lysglimt, eller til slutt med en digital teller.

En slik enhet kan telle antall partikler som kommer inn i enheten. For dette er bare én ting nødvendig: strømpulsen må stoppe når neste partikkel kommer inn i telleren. Hvis driftsmodusen til måleren er valgt feil, begynner måleren å "choke" og teller feil. Oppløsningen til ioniseringstelleren er begrenset, men fortsatt ganske høy: opptil partikler per sekund.

Du kan senke spenningen og oppnå en modus der en strømpuls proporsjonal med antall dannede ioner ville passere gjennom kondensatoren (proporsjonal teller). For å gjøre dette, må du jobbe i området for en ikke-selvbærende gassutslipp. Primærelektroner, som beveger seg i det elektriske feltet til kondensatoren, får energi. Effektionisering begynner og nye ioner og elektroner blir til. De første ioneparene skapt av partikkelen som flyr inn i telleren, omdannes til ionepar. Når du opererer i en ikke-selvbærende utladningsmodus, vil forsterkningen være en konstant verdi, og proporsjonale tellere vil ikke bare fastslå at partikkelen passerer gjennom telleren, men også måle dens ioniserende evne.

Utslippet i proporsjonale tellere, så vel som i Geiger-tellerne beskrevet ovenfor, går ut når ioniseringen stopper. Forskjellen mellom en geigerteller er at den innkommende partikkelen i den fungerer som en triggermekanisme, og nedbrytningstiden er ikke relatert til den første ioniseringen.

Siden proporsjonale tellere reagerer på ioniseringsevnen til en partikkel, kan tellerens driftsmodus velges slik at den kun oppdager partikler av en bestemt type.

Hvis enheten fungerer i metningsstrømmodus (som kan oppnås ved å redusere spenningen), er strømmen gjennom den et mål på strålingsenergien som absorberes i enhetens volum per tidsenhet. I dette tilfellet kalles enheten et ioniseringskammer. Gevinsten er lik enhet i dette tilfellet. Fordelen med ioniseringskammeret er dets større stabilitet. Utformingen av ioniseringskamre kan variere betydelig. Kammerfylling, veggmaterialer, antall og form på elektrodene varierer avhengig av formålet med studien. I tillegg til bittesmå kammer med et volum i størrelsesorden en kubikkmillimeter, må man forholde seg til kammer med et volum på opptil hundrevis av meter. Under påvirkning av en konstant ioniseringskilde oppstår strømmer i kamrene fra til

Scintillasjonstellere.

Metoden for å telle blink av et fluorescerende stoff (scintillasjon) som et middel for å telle elementærpartikler ble først brukt av Rutherford for hans klassiske studier av strukturen til atomkjernen. Den moderne utførelsen av denne ideen har liten likhet med Rutherfords enkle enhet.

Partikkelen forårsaker et lysglimt i et fast stoff - fosfor. Det er veldig godt kjent stort antalløkologisk og uorganiske stoffer, som har evnen til å omdanne energien til ladede partikler og fotoner til lysenergi. Mange fosfor har en veldig kort etterglødsvarighet, i størrelsesorden milliarddeler av et sekund. Dette gjør det mulig å bygge scintillasjonstellere med høy hastighet kontoer. For en rekke fosfor er lyseffekten proporsjonal med energien til partiklene. Dette gjør det mulig å konstruere tellere for å estimere partikkelenergi.

I moderne tellere kombineres fosfor med fotomultiplikatorer som har konvensjonelle fotokatoder som er følsomme overfor synlig lys. Elektrisk strøm, opprettet i multiplikatoren, forsterkes og sendes deretter til telleenheten.

Det mest brukte organiske fosforet: antracen, stilben, terfenyl osv. Alle disse kjemiske forbindelser tilhører en klasse av såkalte aromatiske forbindelser, bygget av sekskanter av karbonatomer. For å bruke dem som scintillatorer, må disse stoffene tas i form av enkeltkrystaller. Siden vokser store enkeltkrystaller er noe vanskelig og siden krystaller organiske forbindelser er svært skjøre, så er bruken av plastscintillatorer av betydelig interesse - dette er navnet gitt til faste løsninger av organisk fosfor i gjennomsiktig plast - polystyren eller andre lignende høypolymerstoffer. Halogenider brukes fra uorganisk fosfor alkalimetaller, sinksulfid, wolframater av jordalkalimetaller.

Cherenkov kontrer.

Tilbake i 1934 viste Cherenkov at når en raskt ladet partikkel beveger seg i et helt rent flytende eller fast dielektrikum, oppstår det en spesiell glød, som er fundamentalt forskjellig fra både fluorescensgløden assosiert med energioverganger i stoffets atomer, og fra bremsstrahlung slik som det kontinuerlige røntgenspekteret . Cherenkov-stråling oppstår når en ladet partikkel beveger seg med en hastighet som overstiger fasehastigheten til lys i et dielektrikum. Hovedtrekket til strålingen er at den forplanter seg langs den koniske overflaten fremover i retning av partikkelbevegelse. Kjeglevinkelen bestemmes av formelen:

hvor er vinkelen til generatrisen til kjeglen med bevegelsesretningen til partikkelen, V er hastigheten til partikkelen, lysets hastighet i mediet. For et medium med en gitt brytningsindeks er det altså en kritisk hastighet under hvilken det ikke vil være noen stråling. Ved denne kritiske hastigheten vil strålingen være parallell med partikkelens bevegelsesretning. For en partikkel som beveger seg med en hastighet veldig nær lysets hastighet, vil en maksimal strålingsvinkel bli observert for cykloheksan

Cherenkov-strålingsspekteret, som erfaring og teori viser, ligger hovedsakelig i den synlige regionen.

Cherenkov-stråling er et fenomen som ligner på dannelsen av en baugbølge fra et skip som beveger seg gjennom vann; i dette tilfellet er skipets hastighet større enn hastigheten til bølgene på vannoverflaten.

Ris. 2376 illustrerer opprinnelsen til strålingen. En ladet partikkel beveger seg langs aksiallinjen og langs banen, det elektromagnetiske feltet som følger partikkelen polariserer mediet midlertidig på punkter langs partikkelens bane.

Alle disse punktene blir kilder til sfæriske bølger. Det er én enkelt vinkel der disse sfæriske bølgene vil være i fase og danne en enkelt front.

La oss vurdere to punkter på banen til en ladet partikkel (fig. 237c). De skapte sfæriske bølger, en om gangen, den andre om gangen. Det er åpenbart tid som partikkelen tok å reise mellom disse to punktene. For at disse to bølgene skal forplante seg i en eller annen vinkel 9 i samme fase, er det nødvendig at reisetiden til den første strålen er større enn reisetiden til den andre strålen med en tid. Banen som partikkelen beveger seg i tid er lik Bølgen vil dekke avstanden på samme tid Herfra får vi formelen ovenfor:

Cherenkov-stråling brukes i i det siste veldig bredt som en måte å registrere elementærpartikler på. Tellere basert på dette fenomenet kalles Cherenkov-tellere. Det lysende stoffet kombineres, som i scintillasjonstellere, med fotomultiplikatorer og forsterkere

fotoelektrisk strøm. Det er mange design av Cherenkov-tellere.

Cherenkov tellere har mange fordeler. Disse inkluderer høy hastighet beregninger og evnen til å bestemme ladningene til partikler som beveger seg med en hastighet som er veldig nær lysets hastighet (vi sa ikke at lyseffekten avhenger sterkt av ladningen til partikkelen). Bare ved hjelp av Cherenkov-tellere kan slike viktige problemer som direkte bestemmelse av hastigheten til en ladet partikkel, bestemmelse av retningen som en ultrarask partikkel beveger seg, etc. løses.

Plassering av tellere.

For å studere ulike prosesser transformasjoner og interaksjoner av elementære partikler, er det nødvendig å ikke bare være i stand til å merke utseendet til en partikkel på et gitt sted, men også å spore fremtidig skjebne samme partikkel. Slike problemer løses ved å bruke spesielle arrangementer av tellere med en generalisert tellekrets. For eksempel kan du elektriske diagrammer koble sammen to eller flere tellere på en slik måte at telling bare skjer hvis utladningen i alle tellere begynner på nøyaktig samme tid. Dette kan tjene som bevis på at den samme partikkelen har gått gjennom alle tellerne. Denne påslåingen av tellere kalles "matching switching".

Metode for tyktlags fotografiske emulsjoner.

Som kjent er det fotosensitive laget av fotografiske plater en gelatinfilm i hvilken sølvbromidmikrokrystaller innføres. Grunnlaget for den fotografiske prosessen er ioniseringen av disse krystallene, noe som resulterer i reduksjon av sølvbromid. Denne prosessen skjer ikke bare under påvirkning av lys, men også under påvirkning av ladede partikler. Hvis en ladet partikkel flyr gjennom emulsjonen, vil et skjult spor vises i emulsjonen, som kan sees etter at den fotografiske platen er fremkalt. Spor i fotografisk emulsjon forteller mange detaljer om partikkelen som forårsaket dem. Sterkt ioniserende partikler etterlater en fet rest. Siden ionisering avhenger av ladningen og hastigheten til partiklene, taler utseendet til sporet alene. Verdifull informasjon er gitt av avstanden (sporet) til en partikkel i en fotografisk emulsjon; Ved å måle lengden på sporet kan energien til partikkelen bestemmes.

Forskning ved bruk av konvensjonelle fotografiske plater med tynne emulsjoner er til liten nytte for kjernefysiske formål. Slike plater vil bare fange opp de partiklene som beveger seg strengt langs platen. Mysovsky og Zhdanov, samt noen år senere av Powell i England, introduserte fotografiske plater med en emulsjonstykkelse nær (for vanlige plater er lagtykkelsen hundre ganger mindre). Fotometoden er verdifull for sin klarhet, evnen til å observere et komplekst bilde av transformasjonen som skjer når en partikkel blir ødelagt.

I fig. 238 viser et typisk fotografi oppnådd ved denne metoden. Kjernefysiske transformasjoner skjedde på punktene.

I den siste versjonen av denne metoden brukes emulsjonskamre med stort volum som mediet der partikkelspor registreres.

Metoder for å analysere observasjoner.

Ved hjelp av de beskrevne instrumentene har forskeren muligheten til å bestemme alle de viktigste konstantene til en elementær partikkel: hastighet og energi, elektrisk ladning, masse; alle disse parameterne kan bestemmes med ganske høy nøyaktighet. I nærvær av en partikkelstrøm er det også mulig å bestemme verdien av spinnet til en elementær partikkel og dens magnetiske moment. Dette gjøres ved å bruke det samme eksperimentet med stråledeling i et magnetfelt, som ble beskrevet på side 171.

Det bør huskes at bare ladede partikler observeres direkte. Alle data om nøytrale partikler og fotoner oppnås indirekte ved å studere arten av virkningen av disse usynlige partiklene på ladede. Dataene innhentet om usynlige partikler har imidlertid en høy grad av pålitelighet.

En viktig rolle i studiet av alle slags transformasjoner av elementærpartikler spilles av anvendelsen av lovene om bevaring av momentum og energi. Siden vi har å gjøre med raske partikler, når vi bruker loven om bevaring av energi, er det nødvendig å ta hensyn til mulig endring i masse.

La oss anta at det på bildet er et spor av partikler i form av en "gaffel". Den første partikkelen ble til to partikler: den andre og den tredje. Da må følgende relasjoner være tilfredsstilt. For det første må momentumet til den første partikkelen være lik vektorsummen av momentet til de resulterende partiklene:

hvor er masseforskjellen

Hele erfaringen med kjernefysikk viser at bevaringslovene er strengt tatt oppfylt under enhver transformasjon av elementærpartikler. Dette lar oss bruke disse lovene til å bestemme egenskapene til en nøytral partikkel som ikke etterlater spor i en fotografisk emulsjon og ikke ioniserer gass. Hvis to divergerende spor blir observert på en fotografisk plate, er det klart for forskeren: på det punktet disse sporene divergerer fra, har det skjedd en transformasjon av en nøytral partikkel. Ved å bestemme momenta, energier og masse til de resulterende partiklene, kan man trekke sikre konklusjoner om verdien av parameterne til den nøytrale partikkelen. Slik ble nøytronet oppdaget, og på denne måten bedømmer vi nøytrinoer og nøytrale mesoner, som vil bli diskutert nedenfor.

Tilbake frem

Oppmerksomhet! Lysbildeforhåndsvisninger er kun til informasjonsformål og representerer kanskje ikke alle funksjonene i presentasjonen. Hvis du er interessert dette arbeidet, last ned fullversjonen.

Leksjonstype: leksjon med å lære nytt materiale.

Leksjonstype: kombinert.

Teknologi: problemdialogisk.

Mål for leksjonen: organisere studentaktiviteter for å studere og innledningsvis konsolidere kunnskap om metoder for å registrere ladede partikler.

Utstyr: datamaskin og multimediaprojektor, Presentasjon .

Metoder for å oppdage ladede partikler

I dag virker det nesten utrolig hvor mange funn i atomkjernens fysikk som er gjort ved å bruke naturlige kilder til radioaktiv stråling med energier på bare noen få MeV og enkle deteksjonsenheter. Atomkjernen ble oppdaget, dens dimensjoner ble oppnådd, en kjernefysisk reaksjon ble observert for første gang, fenomenet radioaktivitet ble oppdaget, nøytronet og protonet ble oppdaget, eksistensen av nøytrinoer ble forutsagt, etc. Hovedpartikkeldetektor i lang tid det var en plate med et lag med sinksulfid på. Partiklene ble registrert med øyet av lysglimt de produserte i sinksulfidet.

Over tid ble eksperimentelle oppsett mer og mer komplekse. Teknologien for partikkelakselerasjon og deteksjon og kjernefysisk elektronikk ble utviklet. Fremskritt innen kjernefysikk og elementærpartikkelfysikk er alt inne i større grad bestemt av fremskritt på disse områdene. Nobelpriser i fysikk deles ofte ut for arbeid innen fysisk eksperimentell teknologi.

Detektorer tjener både til å registrere selve tilstedeværelsen av en partikkel og til å bestemme dens energi og momentum, partikkelbanen og andre egenskaper. For å registrere partikler brukes ofte detektorer som er maksimalt følsomme for deteksjon av en bestemt partikkel og som ikke registrerer den store bakgrunnen som skapes av andre partikler.

Vanligvis i kjernefysiske eksperimenter og partikkelfysiske eksperimenter er det nødvendig å isolere "nødvendige" hendelser fra en gigantisk bakgrunn av "unødvendige" hendelser, kanskje en av en milliard. For å gjøre dette brukes ulike kombinasjoner av tellere og registreringsmetoder.

Påvisning av ladede partikler er basert på fenomenet ionisering eller eksitasjon av atomer, som de forårsaker i detektorstoffet. Dette er grunnlaget for arbeidet til slike detektorer som et skykammer, boblekammer, gnistkammer, fotografiske emulsjoner, gasscintillasjons- og halvlederdetektorer.

1. Geigerteller

En geigerteller er som regel en sylindrisk katode, langs aksen som en ledning er strukket - anoden. Systemet er fullt gassblanding. Når den passerer gjennom telleren, ioniserer en ladet partikkel gassen. De resulterende elektronene, som beveger seg mot den positive elektroden - glødetråden, kommer inn i området av et sterkt elektrisk felt, akselereres og ioniserer i sin tur gassmolekyler, noe som fører til en koronautladning. Signalamplituden når flere volt og registreres enkelt. En geigerteller registrerer det faktum at en partikkel passerer gjennom telleren, men måler ikke energien til partikkelen.

2. Skykammer

Et skykammer er en spordetektor av elementært ladede partikler, der sporet (sporet) av en partikkel er dannet av en kjede av små dråper væske langs banen for dens bevegelse. Oppfunnet av Charles Wilson i 1912 (Nobelprisen 1927).

Driftsprinsippet til et skykammer er basert på kondensering av overmettet damp og dannelse av synlige dråper væske på ioner langs sporet av en ladet partikkel som flyr gjennom kammeret. For å skape overmettet damp skjer rask adiabatisk ekspansjon av gassen ved hjelp av et mekanisk stempel. Etter fotografering av sporet komprimeres gassen i kammeret igjen, og dråpene på ionene fordamper. Det elektriske feltet i kammeret tjener til å "rense" kammeret for ioner dannet under forrige ionisering av gassen. I et skykammer blir spor av ladede partikler synlige på grunn av kondensering av overmettet damp på gassioner dannet av den ladede partikkelen. Det dannes væskedråper på ionene, som vokser til en størrelse tilstrekkelig for observasjon (10 –3 –10 –4 cm) og fotografering i godt lys. Arbeidsmediet er oftest en blanding av vann og alkoholdamp under et trykk på 0,1-2 atmosfærer (vanndamp kondenserer hovedsakelig på negative ioner, alkoholdamp på positive). Overmetning oppnås ved å raskt redusere trykket på grunn av utvidelse av arbeidsvolumet. Mulighetene til et skykammer øker betydelig når de plasseres i et magnetfelt. Basert på banen til en ladet partikkel buet av et magnetfelt, bestemmes tegnet på ladningen og momentumet. Ved å bruke et skykammer i 1932 oppdaget K. Anderson et positron i kosmiske stråler.

3. Boblekammer

Boblekammer– en spordetektor av elementært ladede partikler, der sporet (sporet) av en partikkel er dannet av en kjede av dampbobler langs bevegelsesbanen. Oppfunnet av A. Glaser i 1952 (Nobelprisen 1960).

Driftsprinsippet er basert på koking av overopphetet væske langs sporet til en ladet partikkel. Boblekammeret er et kar fylt med en gjennomsiktig overopphetet væske. Med en rask reduksjon i trykk dannes en kjede av dampbobler langs sporet til den ioniserende partikkelen, som lyses opp av en ekstern kilde og fotograferes. Etter å ha fotografert sporet øker trykket i kammeret, gassboblene kollapser og kameraet er klart til bruk igjen. Flytende hydrogen brukes som arbeidsvæske i kammeret, som samtidig fungerer som et hydrogenmål for å studere samspillet mellom partikler og protoner.

Skykammeret og boblekammeret har den store fordelen at alle de ladede partiklene som produseres i hver reaksjon kan observeres direkte. For å bestemme typen partikkel og dens bevegelsesmengde, er skykamre og boblekamre plassert i et magnetfelt. Boblekammeret har en høyere tetthet av detektormateriale sammenlignet med et skykammer, og derfor er banene til ladede partikler fullstendig innesluttet i volumet til detektoren. Å tyde fotografier fra boblekamre presenterer et eget, arbeidskrevende problem.

4. Kjernefysiske emulsjoner

På samme måte, som det skjer i vanlig fotografering, forstyrrer en ladet partikkel langs sin vei strukturen til krystallgitteret til sølvhalogenidkorn, noe som gjør dem i stand til å utvikle seg. Kjernefysisk emulsjon er et unikt middel for å registrere sjeldne hendelser. Stabler av kjernefysiske emulsjoner gjør det mulig å oppdage partikler med svært høy energi. Med deres hjelp kan du bestemme koordinatene til sporet til en ladet partikkel med en nøyaktighet på ~1 mikron. Kjernefysiske emulsjoner er mye brukt for å oppdage kosmiske partikler på peilende ballonger og romfartøy.
Fotografiske emulsjoner som partikkeldetektorer ligner noe på skykamre og boblekamre. De ble først brukt av den engelske fysikeren S. Powell for å studere kosmiske stråler. En fotografisk emulsjon er et lag av gelatin med sølvbromidkorn spredt i det. Under påvirkning av lys dannes det latente bildesentre i kornene av sølvbromid, som bidrar til reduksjon av sølvbromid til metallisk sølv når det fremkalles med en konvensjonell fotografisk fremkaller. Den fysiske mekanismen for dannelsen av disse sentrene er dannelsen av metalliske sølvatomer på grunn av den fotoelektriske effekten. Ionisering produsert av ladede partikler gir samme resultat: et spor av sensibiliserte korn vises, som etter utvikling kan sees under et mikroskop.

5. Scintillasjonsdetektor

En scintillasjonsdetektor bruker egenskapen til visse stoffer til å gløde (scintillere) når en ladet partikkel passerer gjennom. Lyskvantene produsert i scintillatoren registreres deretter ved bruk av fotomultiplikatorrør.

Moderne måleinstallasjoner innen høyenergifysikk er komplekse systemer, inkludert titusenvis av tellere, kompleks elektronikk, og er i stand til samtidig å registrere dusinvis av partikler produsert i en kollisjon.

Ferdige arbeider

GRAD ARBEID

Mye har allerede gått, og nå er du utdannet, hvis du selvfølgelig skriver oppgaven i tide. Men livet er slik at først nå blir det klart for deg at etter å ha sluttet å være student, vil du miste alle studentgledene, mange av dem har du aldri prøvd, utsette alt og utsette det til senere. Og nå, i stedet for å ta igjen, jobber du med oppgaven din? Det er en utmerket løsning: last ned oppgaven du trenger fra nettsiden vår - og du vil umiddelbart ha mye fritid!
Avhandlinger har blitt forsvart med suksess ved ledende universiteter i republikken Kasakhstan.
Arbeidskostnad fra 20 000 tenge

KURS FUNGERER

Kursprosjektet er det første seriøse praktiske arbeidet. Det er med skrivingen av kursene at forberedelsene til utviklingen av diplomprosjekter starter. Hvis en student lærer å presentere innholdet i et emne korrekt i et kursprosjekt og formatere det kompetent, vil han i fremtiden ikke ha problemer med å skrive rapporter eller kompilere avhandlinger, og heller ikke med å utføre andre praktiske oppgaver. For å hjelpe studentene med å skrive denne typen studentarbeid og for å avklare spørsmål som dukker opp under forberedelsen, ble faktisk denne informasjonsdelen opprettet.
Arbeidskostnad fra 2500 tenge

MASTERAVHANDLINGER

For øyeblikket i høyere utdanningsinstitusjoner I Kasakhstan og CIS-landene er nivået på høyere utdanning svært vanlig yrkesfaglig utdanning, som følger en bachelorgrad - en mastergrad. I masterstudiet studerer studentene med sikte på å oppnå en mastergrad, som er anerkjent i de fleste land i verden mer enn en bachelorgrad, og som også er anerkjent av utenlandske arbeidsgivere. Resultatet av masterstudier er forsvar av en masteroppgave.
Vi vil gi deg oppdatert analytisk og tekstlig materiale. Prisen inkluderer 2 vitenskapelige artikler og et sammendrag.
Arbeidskostnad fra 35.000 tenge

PRAKTISK RAPPORTER

Etter å ha fullført en hvilken som helst type internship (pedagogisk, industriell, pre-graduation), kreves en rapport. Dette dokumentet vil være bekreftelse praktisk arbeid student og grunnlaget for å danne en vurdering for praksis. Vanligvis, for å lage en rapport om et praksisopphold, må du samle inn og analysere informasjon om virksomheten, vurdere strukturen og arbeidsrutinen til organisasjonen der praksisplassen foregår, utarbeide en kalenderplan og beskrive din praktiske aktiviteter.
Vi vil hjelpe deg med å skrive en rapport om praksisplassen din, under hensyntagen til de spesifikke aktivitetene til en bestemt bedrift.

>> Metoder for å observere og registrere elementærpartikler

Kapittel 13. ATOMKJERNENS FYSIKK

Uttrykkene atomkjerne og elementarpartikler er allerede nevnt flere ganger. Du vet at et atom består av en kjerne og elektroner. Selve atomkjernen består av elementærpartikler, nøytroner og protoner. Den grenen av fysikk som studerer strukturen og transformasjonen av atomkjerner kalles kjernefysikk. Opprinnelig var det ingen deling mellom kjernefysikk og elementær partikkelfysikk. Fysikere møtte mangfoldet i verden av elementærpartikler når de studerte kjernefysiske prosesser. Separasjonen av elementærpartikkelfysikk i et uavhengig studiefelt skjedde rundt 1950. I dag er det to uavhengige grener av fysikk: innholdet i en av dem er studiet av atomkjerner, og innholdet i den andre er studiet av natur, egenskaper og gjensidige transformasjoner av elementærpartikler.

§ 97 METODER FOR OBSERVASJON OG REGISTRERING AV EVENTUELLE Partikler

Først, la oss bli kjent med enhetene takket være hvilke fysikken til atomkjernen og elementære partikler oppsto og begynte å utvikle seg. Dette er enheter for å registrere og studere kollisjoner og gjensidige transformasjoner av kjerner og elementærpartikler. Det er de som gir folk nødvendig informasjon om mikrokosmos.

Driftsprinsippet for enheter for registrering av elementære partikler. Enhver enhet som oppdager elementærpartikler eller bevegelige atomkjerner er som en ladd pistol med hammeren spennet. En liten mengde kraft når du trykker på avtrekkeren til en pistol forårsaker en effekt som ikke kan sammenlignes med innsatsen som brukes - et skudd.

En opptaksenhet er et mer eller mindre komplekst makroskopisk system som kan være i en ustabil tilstand. Med en liten forstyrrelse forårsaket av en passerende partikkel, begynner prosessen med overgangen til systemet til en ny, mer stabil tilstand. Denne prosessen gjør det mulig å registrere en partikkel. Det er mange i bruk for tiden ulike metoder partikkelregistrering.

Avhengig av formålet med eksperimentet og forholdene der det utføres, brukes visse opptaksenheter, som skiller seg fra hverandre i hovedkarakteristikkene.

Gassutslipp Geigerteller. Geigertelleren er en av de viktigste enhetene for automatisk partikkeltelling.

Telleren (fig. 13.1) består av et glassrør belagt på innsiden med et metalllag (katode) og en tynn metalltråd som går langs rørets akse (anode). Røret er fylt med gass, vanligvis argon. Telleren opererer basert på slagionisering. En ladet partikkel (elektron, -partikkel, etc.), som flyr gjennom en gass, fjerner elektroner fra atomer og lager positive ioner og frie elektroner. Det elektriske feltet mellom anoden og katoden (høyspenning påføres dem) akselererer elektronene til energier hvor støtioniseringen begynner. Det går et snøskred av ioner, og strømmen gjennom telleren øker kraftig. I dette tilfellet genereres en spenningspuls over belastningsmotstanden R, som mates til opptaksenheten.

For at telleren skal registrere neste partikkel som treffer den, må skredutslippet slukkes. Dette skjer automatisk. Siden i det øyeblikket strømpulsen vises, er spenningsfallet over lastmotstanden R stort, spenningen mellom anode og katode avtar kraftig - så mye at utladningen stopper.

Geigertelleren brukes hovedsakelig til å registrere elektroner og -kvanter (høyenergifotoner).

For tiden er det laget målere som opererer etter de samme prinsippene.

Wilson kammer. Tellere lar deg bare registrere det faktum at en partikkel passerer gjennom dem og registrere noen av dens egenskaper. I et skykammer, opprettet i 1912, etterlater en hurtigladet partikkel et spor som kan observeres direkte eller fotograferes. Denne enheten kan kalles et vindu inn i mikroverdenen, det vil si verden av elementære partikler og systemer som består av dem.

Driftsprinsippet til et skykammer er basert på kondensering av overmettet damp på ioner for å danne vanndråper. Disse ionene skapes langs banen av en ladet partikkel i bevegelse.

Et skykammer er et hermetisk lukket kar fylt med vann eller alkoholdamp nær metning (Fig. 13.2). Når stempelet senkes kraftig, forårsaket av en reduksjon i trykket under det, ekspanderer dampen i kammeret adiabatisk. Som et resultat oppstår avkjøling og dampen blir overmettet. Dette er en ustabil tilstand av damp: den kondenserer lett hvis det oppstår kondensasjonssentre i karet. Sentre
kondensering blir ioner, som dannes i arbeidsrommet i kammeret av en flygende partikkel. Hvis en partikkel kommer inn i kammeret umiddelbart etter at dampen utvider seg, vises vanndråper på banen. Disse dråpene dannes synlig spor flygende partikkel - spor (fig. 13.3). Kammeret blir deretter returnert til sin opprinnelige tilstand og ionene fjernes elektrisk felt. Avhengig av størrelsen på kameraet, varierer tiden for å gjenopprette driftsmodusen fra flere sekunder til titalls minutter.

Informasjonen som spor i et skykammer gir er mye rikere enn hva tellere kan gi. Fra lengden på sporet kan du bestemme energien til partikkelen, og fra antall dråper per lengdeenhet av sporet, hastigheten. Jo lengre spor en partikkel har, desto større energi er den. Og jo flere vanndråper som dannes per lengdeenhet av sporet, jo lavere er hastigheten. Partikler med høyere ladning etterlater et tykkere spor.

De sovjetiske fysikerne P. L. Kapitsa og D. V. Skobeltsyn foreslo å plassere et skykammer i et jevnt magnetfelt.

Et magnetfelt virker på en ladet partikkel i bevegelse med en viss kraft (Lorentz-kraft). Denne kraften bøyer banen til partikkelen uten å endre hastighetsmodulen. Jo større ladning partikkelen har og jo lavere masse dens, jo større krumning har sporet. Ut fra sporets krumning kan man bestemme forholdet mellom partikkelens ladning og massen. Hvis en av disse mengdene er kjent, kan den andre beregnes. For eksempel, fra ladningen til en partikkel og krumningen til dens spor, kan man finne massen til partikkelen.

Boblekammer. I 1952 foreslo den amerikanske vitenskapsmannen D. Glaser å bruke overopphetet væske for å oppdage partikkelspor. I en slik væske dukker det opp dampbobler på ionene (fordampningssentre) som dannes under bevegelsen av en hurtigladet partikkel, og gir et synlig spor. Kamre av denne typen ble kalt boblekamre.

I den opprinnelige tilstanden er væsken i kammeret under høyt trykk, beskytter den mot koking, til tross for at temperaturen på væsken er litt høyere enn kokepunktet ved atmosfærisk trykk. Med en kraftig reduksjon i trykket blir væsken overopphetet, og i kort tid vil den være i en ustabil tilstand. Ladede partikler som flyr på akkurat dette tidspunktet forårsaker spor som består av dampbobler (fig. 1.4.4). Og væskene som brukes er hovedsakelig flytende hydrogen og propan. Driftssyklusen til boblekammeret er kort - omtrent 0,1 s.

Fordelen med boblekammeret fremfor Wilson-kammeret skyldes den høyere tettheten til arbeidsstoffet. Som et resultat viser partikkelbanene seg å være ganske korte, og partikler med selv høye energier setter seg fast i kammeret. Dette lar en observere en rekke suksessive transformasjoner av en partikkel og reaksjonene den forårsaker.

Skykammer- og boblekammerspor er en av hovedkildene til informasjon om oppførsel og egenskaper til partikler.

Å observere spor av elementærpartikler gir et sterkt inntrykk og skaper en følelse av direkte kontakt med mikrokosmos.

Metode for tyktlags fotoemulsjoner. For å oppdage partikler, sammen med skykamre og boblekamre, brukes tykklags fotografiske emulsjoner. Den ioniserende effekten av hurtigladede partikler på emulsjonen av en fotografisk plate tillot den franske fysikeren A. Becquerel å oppdage radioaktivitet i 1896. Fotoemulsjonsmetoden ble utviklet av sovjetiske fysikere L. V. Mysovsky, G. B. Zhdanov og andre.

Fotoemulsjon inneholder stort antall mikroskopiske krystaller av sølvbromid. En hurtigladet partikkel som trenger inn i krystallen, fjerner elektroner fra individuelle bromatomer. En kjede av slike krystaller danner et latent bilde. Når det utvikles, gjenopprettes metallisk sølv i disse krystallene og en kjede av sølvkorn danner et partikkelspor (fig. 13.5). Lengden og tykkelsen på sporet kan brukes til å estimere energien og massen til partikkelen.

På grunn av den høye tettheten til den fotografiske emulsjonen er sporene svært korte (ca. 10 -3 cm for -partikler som sendes ut av radioaktive grunnstoffer), men ved fotografering kan de forstørres.

Fordelen med fotografiske emulsjoner er at eksponeringstiden kan være så lang som ønskelig. Dette gjør det mulig å registrere sjeldne hendelser. Det er også viktig at på grunn av den høye stoppekraften til fotoemulsjoner, øker antallet observerte interessante reaksjoner mellom partikler og kjerner.

Vi har ikke snakket om alle enhetene som registrerer elementærpartikler. Moderne instrumenter for å oppdage sjeldne og kortlivede partikler er svært sofistikerte. Hundrevis av mennesker tar del i skapelsen deres.

1. Er det mulig å registrere uladede partikler ved hjelp av et skykammer?
2. Hvilke fordeler har et boblekammer fremfor et Wilson-kammer!

Leksjonens innhold leksjonsnotater støttende frame leksjon presentasjon akselerasjon metoder interaktive teknologier Øv oppgaver og øvelser selvtestverksteder, treninger, case, oppdrag lekser diskusjonsspørsmål retoriske spørsmål fra studenter Illustrasjoner lyd, videoklipp og multimedia fotografier, bilder, grafikk, tabeller, diagrammer, humor, anekdoter, vitser, tegneserier, lignelser, ordtak, kryssord, sitater Tillegg sammendrag artikler triks for nysgjerrige cribs lærebøker grunnleggende og tilleggsordbok over begreper andre Forbedre lærebøker og leksjonerrette feil i læreboka oppdatere et fragment i en lærebok, elementer av innovasjon i leksjonen, erstatte utdatert kunnskap med ny Kun for lærere perfekte leksjoner kalenderplan for året metodiske anbefalinger diskusjonsprogrammer Integrerte leksjoner

Rapportere:

Metoder for registrering av elementærpartikler

1) Geigerteller for gassutslipp

En geigerteller er en av de viktigste enhetene for automatisk partikkeltelling.

Telleren består av et glassrør belagt på innsiden med et metalllag (katode) og en tynn metalltråd som går langs rørets akse (anode).

Røret er fylt med gass, vanligvis argon. Telleren opererer basert på slagionisering. En ladet partikkel (elektron, £-partikkel, etc.), som flyr gjennom en gass, fjerner elektroner fra atomer og lager positive ioner og frie elektroner. Det elektriske feltet mellom anoden og katoden (høyspenning påføres dem) akselererer elektronene til en energi der støtioniseringen begynner. Det går et snøskred av ioner, og strømmen gjennom telleren øker kraftig. I dette tilfellet genereres en spenningspuls over belastningsmotstanden R, som mates til opptaksenheten. For at telleren skal registrere neste partikkel som treffer den, må skredutslippet slukkes. Dette skjer automatisk. Siden i det øyeblikket strømpulsen vises, er spenningsfallet over utladningsmotstanden R stort, spenningen mellom anode og katode avtar kraftig - så mye at utladningen stopper.

Geigertelleren brukes hovedsakelig til å registrere elektroner og Y-kvanter (høyenergifotoner) Men Y-kvanter registreres ikke direkte på grunn av deres lave ioniserende evne. For å oppdage dem er den indre veggen av røret belagt med et materiale hvorfra Y-kvanter slår ut elektroner.

Telleren registrerer nesten alle elektroner som kommer inn i den; Når det gjelder Y-kvante, registrerer den omtrent bare ett Y-kvant av hundre. Registrering av tunge partikler (for eksempel £-partikler) er vanskelig, siden det er vanskelig å lage et tilstrekkelig tynt "vindu" i disken som er gjennomsiktig for disse partiklene.

2) Wilson kammer

Virkningen av et skykammer er basert på kondensering av overmettet damp på ioner for å danne vanndråper. Disse ionene skapes langs banen av en ladet partikkel i bevegelse.

Anordningen er en sylinder med et stempel 1 (fig. 2), dekket med et flatt glasslokk 2. Sylinderen inneholder mettede par vann eller alkohol. Det radioaktive stoffet 3 som studeres blir introdusert i kammeret, som danner ioner i arbeidsvolumet til kammeret. Når stempelet senkes kraftig ned, dvs. Under adiabatisk ekspansjon avkjøles dampen og blir overmettet. I denne tilstanden kondenserer dampen lett. Sentrene for kondens blir ioner dannet av en partikkel som flyr på den tiden. Slik vises en tåkete sti (spor) i kameraet (fig. 3), som kan observeres og fotograferes. Banen eksisterer i tideler av et sekund. Ved å sette stempelet tilbake til sin opprinnelige posisjon og fjerne ionene med et elektrisk felt, kan adiabatisk ekspansjon utføres igjen. Dermed kan eksperimenter med kameraet utføres gjentatte ganger.

Hvis kameraet er plassert mellom polene til en elektromagnet, utvides kameraets evner for å studere egenskapene til partikler betydelig. I dette tilfellet virker Lorentz-kraften på den bevegelige partikkelen, noe som gjør det mulig å bestemme verdien av partikkelens ladning og dens momentum fra krumningen til banen. Figur 4 viser mulig alternativ dechiffrere fotografier av elektron- og positronspor. Induksjonsvektor B magnetisk felt rettet vinkelrett på tegneplanet utover tegningen. Positronet bøyer seg til venstre, og elektronet til høyre.

3) Boblekammer

Det skiller seg fra et skykammer ved at de overmettede dampene i arbeidsvolumet til kammeret erstattes av overopphetet væske, dvs. en væske som er under trykk mindre enn dets mettede damptrykk.

Når en partikkel flyr gjennom en slik væske, forårsaker det utseendet av dampbobler, og danner derved et spor (fig. 5).

I den opprinnelige tilstanden komprimerer stempelet væsken. Med en kraftig reduksjon i trykket viser det seg at væskens kokepunkt er mindre temperatur miljø.

Væsken blir ustabil (overopphetet) tilstand. Dette sikrer utseendet av bobler langs banen til partikkelen. Hydrogen, xenon, propan og noen andre stoffer brukes som arbeidsblanding.

4) Tykkfilmemulsjonsmetode

For å oppdage partikler, sammen med skykamre og boblekamre, brukes tykklags fotografiske emulsjoner. Ioniserende effekt av hurtigladede partikler på fotografisk plateemulsjon. Den fotografiske emulsjonen inneholder et stort antall mikroskopiske krystaller av sølvbromid.

En hurtigladet partikkel som trenger inn i krystallen, fjerner elektroner fra individuelle bromatomer. En kjede av slike krystaller danner et latent bilde. Når metallisk sølv vises i disse krystallene, danner kjeden av sølvkorn et partikkelspor.

Lengden og tykkelsen på sporet kan brukes til å estimere energien og massen til partikkelen. På grunn av den høye tettheten til den fotografiske emulsjonen er sporene veldig korte, men ved fotografering kan de forstørres. Fordelen med fotografisk emulsjon er at eksponeringstiden kan være så lang som ønskelig. Dette gjør det mulig å registrere sjeldne hendelser. Det er også viktig at på grunn av fotoemulsjonens høye stoppeevne, øker antallet observerte interessante reaksjoner mellom partikler og kjerner.