粒子を研究するための実験方法。 粒子を研究するための実験方法と手段 粒子の位置合わせにはどのような方法があるのか

今日は粒子を研究するための実験方法について話します。 このレッスンでは、放射性元素ラジウムの崩壊によって生成されるアルファ粒子を原子の内部構造の研究にどのように使用できるかについて説明します。 原子を構成する粒子を研究するための実験方法についても説明します。

トピック: 原子と原子核の構造。 原子核のエネルギーを利用する

レッスン 54. 粒子を研究するための実験方法

エリュトキン・エフゲニー・セルゲイビッチ

このレッスンでは、粒子を検出するための実験方法について説明します。 先ほど、20 世紀初頭に、原子の構造と原子核の構造を研究できるツールが登場したという事実についてお話しました。 これらは、放射性崩壊の結果として形成されるα粒子です。

核反応の結果として形成される粒子や放射線を記録するには、大宇宙で使用されるものとは異なるいくつかの新しい方法が必要です。 ちなみに、そのような方法の1つはラザフォードの実験ですでに使用されていました。 シンチレーション（フラッシュ）方式と呼ばれます。 1903年、粒子が硫化亜鉛に衝突すると、衝突した場所で小さなフラッシュが発生することが発見されました。 この現象はシンチレーション法の基礎となりました。

この方法はまだ不完全でした。 すべてのフラッシュを確認するには画面を注意深く見なければならず、目が疲れました。結局、顕微鏡を使用しなければなりませんでした。 特定の放射線をより明確に、迅速かつ確実に記録できる新しい方法の必要性が生じました。

この方法は、ラザフォード、ガイガーが率いる研究室のメンバーによって最初に提案されました。 彼は、落下する荷電粒子を「カウント」できる装置、いわゆる装置を作成しました。 ガイガーカウンター。 ドイツの科学者ミュラーがまさにこの計数器を改良した後、それはガイガー・ミュラー計数器として知られるようになりました。

どのように構築されていますか? このカウンターはガス排出です。 これは次の原理に基づいて動作します。このカウンターの主要部分では、粒子が通過するときにガス放電が形成されます。 放電とは気体中の電流の流れであることを思い出してください。

米。 1. ガイガーミュラー計数管の概略図

陽極と陰極が入ったガラス容器。 陰極は円筒の形をしており、陽極はこの円筒の内側に張られています。 電流源により、カソードとアノードの間に十分に高い電圧が生成されます。 電極間、真空シリンダー内には通常、不活性ガスが存在します。 これは、将来同じ放電を発生させるために特別に行われます。 さらに、回路には高抵抗 (R ～ 10 9 オーム) が含まれています。 この回路に流れる電流を消す必要があります。 そしてカウンターは次のように動作します。 ご存知のとおり、核反応の結果として形成される粒子はかなり高い透過力を持っています。 したがって、これらの要素が内部に配置されているガラス容器は、それらにとって何の障害にもなりません。 その結果、粒子はこのガス放電カウンターの内部に侵入し、内部のガスをイオン化します。 このようなイオン化の結果として、高エネルギーのイオンが形成され、これらのイオンが衝突し、互いに衝突して荷電粒子の雪崩を生成します。 この荷電粒子の雪崩は、電子だけでなく、マイナスおよびプラスに帯電したイオンで構成されます。 そして、この雪崩が通過するとき、電流を検出することができます。 これにより、粒子がガス放電カウンターを通過したことを理解する機会が得られます。

このようなカウンターは 1 秒間に約 10,000 個の粒子を登録できるため便利です。 いくつかの改良の後、このカウンターは g 線も記録するようになりました。

確かに、 ガイガーカウンター- 一般的に放射能の存在を決定できるようにする便利なもの。 ただし、ガイガー ミュラー カウンターでは、粒子のパラメーターを決定したり、これらの粒子を使用して研究を行ったりすることはできません。 これには、まったく異なる方法、まったく異なる方法が必要です。 ガイガーカウンターの作成後すぐに、そのような方法と装置が登場しました。 最も有名で広く普及しているものの 1 つはウィルソン室です。

米。 2. 霧室

カメラのデザインにも注目してください。 上下に動くピストンが入ったシリンダー。 このピストンの内側には、アルコールと水で湿らせた黒い布が入っています。 シリンダーの上部は透明な素材、通常は非常に密度の高いガラスで覆われています。 その上にカメラが設置されており、霧室内で何が起こるかを撮影します。 これらすべてをはっきりと見えるようにするために、左側が照らされています。 パーティクルの流れは、右側のウィンドウを通して送られます。 これらの粒子は、水とアルコールからなる媒体の中に落ち、水の粒子やアルコールの粒子と相互作用します。 ここが最も興味深い点です。 ガラスとピストンの間の空間は、蒸発によって生じた水とアルコールの蒸気で満たされます。 ピストンが急激に下がると、圧力が低下し、ここにある蒸気は非常に不安定な状態になります。 液体に入る準備ができています。 しかし、不純物を含まない純粋なアルコールと水がこの空間に置かれるため、しばらくの間（それは非常に大きい場合もあります）、そのような非平衡状態が持続します。 荷電粒子がそのような過飽和の領域に入った瞬間に、荷電粒子は水蒸気の凝縮が始まる中心になります。 さらに、負の粒子が入った場合、それらは何らかのイオンと相互作用し、正の場合は別の物質のイオンと相互作用します。 この粒子が飛んだところにはいわゆる飛跡、つまり痕跡が残ります。 霧箱が磁場の中に置かれると、電荷を持った粒子が磁場の中で偏向し始めます。 そして、すべては非常に単純です。粒子が正に帯電している場合、粒子は一方向に偏向されます。 否定的な場合は、別の場所に進みます。 このようにして、電荷の符号を決定することができ、粒子が移動するまさにその曲線の半径によって、この粒子の質量を決定または推定することができます。 これで、特定の放射線を構成する粒子に関する完全な情報を得ることができると言えます。

米。 3. 霧箱内の粒子追跡

霧箱には欠点が 1 つあります。 粒子の通過の結果として形成されるまさにその軌跡は短命です。 新しい写真を撮るために、毎回カメラを再度準備する必要があります。 したがって、カメラの上部には同じトラックを記録するカメラがあります。

当然のことながら、これは粒子を登録するために使用される最後のデバイスではありません。 1952 年に、バブル チャンバーと呼ばれる装置が発明されました。 その動作原理は霧箱とほぼ同じです。 過熱した液体を使用して作業のみが実行されます。 液体が沸騰しそうな状態。 この瞬間、粒子はそのような液体の中を飛び、気泡形成の中心を作ります。 このようなチャンバーで形成されたトラックははるかに長く保存され、これによりチャンバーがより便利になります。

米。 4. 気泡室の外観

ロシアでは、さまざまな放射性粒子、崩壊、反応を観察する別の方法が開発されました。 厚膜乳剤の手法です。 粒子は、特定の方法で調製されたエマルションに入ります。 エマルジョン粒子と相互作用することにより、それらは軌跡を作成するだけでなく、霧箱や気泡室で軌跡を撮影したときに得られる写真を表す軌跡自体を作成します。 はるかに便利です。 しかし、ここにも重要な欠点が 1 つあります。 光乳剤法が長期間機能するためには、継続的な浸透、新しい粒子の侵入、または形成された放射線が存在する必要があります。 このように短期的な衝動を記録するのは問題があります。

他の方法についてもお話します。たとえば、スパーク チャンバーと呼ばれる方法があります。 そこでは、粒子の後に起こる放射性反応の結果として、火花が形成されます。 また、はっきりと表示され、登録も簡単です。

現在、半導体センサーが最もよく使用されており、コンパクトで便利で、かなり良好な結果が得られます。

上記の方法を使用してどのような発見がなされたかについては、次のレッスンで説明します。

追加文献リスト

1. ボロボイ A.A. 粒子がどのように検出されるか (ニュートリノの飛跡による)。 『図書館「量子」』。 Vol. 15. M.: ナウカ、1981
2. ブロンスタイン MP 原子と電子。 『図書館「量子」』。 Vol. 1. M.: ナウカ、1980
3. 帰光院 I.K.、帰光院 A.K. 物理：高校3年生の教科書。 M.: 「啓蒙」
4. キタイゴロツキー A.I. 誰にとっても物理学。 光子と原子核。 ブック 4. M.: 科学
5. ミャキシェフ G.Ya.、シンヤコヴァ A.Z. 物理。 光学量子物理学。 11年生：物理を深く学ぶための教科書。 M.: バスタード

荷電粒子を検出する装置は検出器と呼ばれます。 検出器には主に 2 つのタイプがあります。

1) 離散（粒子のエネルギーを計数し決定する）：ガイガーカウンター、電離箱など。

2) 追跡（検出器の作動容積内の粒子の痕跡の観察と写真撮影を可能にする）：ウィルソンチャンバー、バブルチャンバー、厚層写真乳剤など。

1. ガス排出ガイガーカウンター。電子と高エネルギーの \(~\gamma\) 量子 (光子) を記録するには、ガイガー ミュラー カウンターが使用されます。 それはガラス管 (図 22.4) で構成され、薄い金属シリンダーである陰極 K が内壁に隣接しています。 アノード A は、カウンターの軸に沿って張られた細い金属ワイヤーです。 チューブにはガス、通常はアルゴンが充填されています。 カウンタは記録回路に含まれています。 本体にはマイナスの電位が、スレッドにはプラスの電位がかかります。 抵抗器 R はカウンタと直列に接続されており、そこから信号が記録装置に供給されます。

カウンタは衝撃イオン化に基づいて動作します。 粒子をカウンターに衝突させ、その経路に沿って少なくとも 1 つのペア「イオン + 電子」を作成します。 アノード (フィラメント) に向かって移動する電子は、強度が増加する場 (A と K の間の電圧 ~ 1600 V) に入り、その速度は急速に増加し、その途中でイオンなだれを引き起こします (衝突電離が発生します)。 電子がスレッドに到達すると、その電位が低下し、その結果、電流が抵抗 R を通って流れます。 電圧パルスがその両端に現れ、記録装置に入ります。

抵抗器の両端で電圧降下が発生し、アノード電位が低下し、カウンタ内の電界強度が減少します。その結果、電子の運動エネルギーが減少します。 放電が止まります。 したがって、抵抗器は抵抗の役割を果たし、アバランシェ放電を自動的に消滅させます。 正イオンは、放電開始後 \(~t \約 10^(-4)\) 秒以内に陰極に流れます。

ガイガーカウンターは毎秒 10 4 個の粒子を検出できます。 主に電子と \(~\gamma\) 量子の記録に使用されます。 ただし、 \(~\gamma\) 量子はイオン化能力が低いため、直接検出されません。 それらを検出するために、管の内壁は \(~\gamma\) 量子によって電子がノックアウトされる材料で覆われています。 電子を登録する場合のカウンター効率は 100% ですが、\(~\gamma\) 量子を登録する場合はわずか約 1% です。

重い \(~\alpha\) 粒子の位置合わせは、これらの粒子に対して透明なカウンター内に十分に薄い「窓」を作るのが難しいため、困難です。

2. ウィルソンの部屋。

このチャンバーは、高エネルギー粒子の能力を利用してガス原子をイオン化します。 霧箱 (図 22.5) は、ピストン 1 を備えた円筒形の容器です。シリンダーの上部は透明な材料でできており、少量の水またはアルコールがチャンバーに導入され、容器の底は層で覆われている 濡れたベルベットまたは布 2. チャンバー内に混合物が形成される 飽和した蒸気と空気。 ピストン1を素早く下げる場合混合物は断熱膨張し、これに伴い温度が低下します。 冷却により蒸気が発生します 過飽和状態。

空気から塵粒子が除去されていれば、凝縮中心が存在しないため、蒸気が液体に凝縮することは困難になります。 しかし 凝縮センターイオンも使えます。 したがって、荷電粒子がチャンバー内を飛行し (窓 3 から進入し)、その途中で分子をイオン化すると、イオン鎖上で蒸気凝縮が発生し、チャンバー内の粒子の軌道が、沈降した小さな液滴のおかげで可視化されます。液体。 形成された液滴の連鎖は粒子の軌跡を形成します。 分子の熱運動により粒子の軌跡はすぐにぼやけ、粒子の軌跡がはっきりと見えるのはわずか約 0.1 秒ですが、写真撮影には十分です。

多くの場合、写真に写ったトラックの外観によって判断できます。 自然粒子と サイズ彼女 エネルギー。したがって、\(~\alpha\) 粒子は比較的太い連続的な痕跡を残し、陽子はより細い痕跡を残し、電子は点状の痕跡を残します (図 22.6)。 トラックの新たな分割、つまり「フォーク」は、反応が進行中であることを示しています。

チャンバーの動作を準備し、残留イオンを除去するために、チャンバー内に電場が生成され、イオンが電極に引き寄せられ、そこで中和されます。

ソビエトの物理学者P.L.カピツァとD.V.スコベルツィンは、カメラを磁場の中に置き、その影響下で粒子の軌道が電荷の符号に応じて一方向または別の方向に曲がることを提案しました。 軌道の曲率半径と軌道の強度によって、粒子のエネルギーと質量 (比電荷) が決まります。

3. バブルチャンバー。現在、科学研究にはバブルチャンバーが使用されています。 バブルチャンバー内の作動容積は高圧下の液体で満たされているため、液体の温度が大気圧での沸点よりも高いにもかかわらず、液体が沸騰するのを防ぎます。 圧力が急激に低下すると、液体は過熱し、短時間不安定な状態になります。 荷電粒子がそのような液体中を飛行する場合、液体内で形成されたイオンが蒸発の中心として機能するため、その軌道に沿って液体は沸騰します。 この場合、粒子の軌道は蒸気泡の連鎖によってマークされます。 可視化されます。 使用される液体は主に液体水素とプロパン C 3 H 3 です。 動作サイクルタイムは約0.1秒です。

アドバンテージ霧室の前にある気泡室は、作動物質の密度が高いため、その結果、粒子は気体中よりも多くのエネルギーを失います。 粒子の経路が短くなり、高エネルギー粒子でさえもチャンバー内に閉じ込められることが判明しました。 これにより、粒子の運動方向とそのエネルギーをより正確に決定し、粒子の一連の連続的な変換とそれが引き起こす反応を観察することが可能になります。

4. 厚膜乳剤法 L.V. MysovskyとA.P. Zhdanovによって開発されました。

それは、写真乳剤を通過する高速荷電粒子の影響下での写真層の黒色化の使用に基づいている。 このような粒子は臭化銀分子をAg + とBr - イオンに分解し、移動の軌跡に沿って写真乳剤を黒化させ、潜像を形成します。 現像すると、金属銀がこれらの結晶内で還元され、粒子の軌跡が形成されます。 トラックの長さと厚さは、粒子のエネルギーと質量を判断するために使用されます。

非常に高いエネルギーを持ち、長い軌道を生成する粒子の軌道を研究するには、多数のプレートを積み重ねます。

フォトエマルジョン法の大きな利点は、使いやすさに加えて、 永続的な痕跡粒子を注意深く研究することができます。 これにより、この方法は新しい素粒子の研究に広く使用されるようになりました。 この方法では、ホウ素またはリチウム化合物をエマルジョンに添加すると、ホウ素およびリチウムの核との反応の結果として、乳剤の黒化を引き起こす \(~\alpha\) 粒子を生成する中性子の痕跡を研究できます。核乳剤の層。 \(~\alpha\) 粒子の痕跡に基づいて、\(~\alpha\) 粒子の出現を引き起こした中性子の速度とエネルギーについて結論が導き出されます。

文学

Aksenovich L. A. 中等学校の物理学：理論。 タスク。 テスト：教科書。 一般教育を提供する機関に対する手当。 環境、教育 / L. A. アクセノビッチ、N. N. ラキナ、K. S. ファリノ。 エド。 K.S.ファリノ。 - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne、2004年。 - P. 618-621。

粒子研究のための実験方法とツール

コンペ「授業に行ってきます」

G.G. エメリナ
にちなんで名付けられた学校 ロシアの英雄 I.V. サリチェフ、
リャザン地方コラブリーノ。

粒子研究のための実験方法とツール

公開レッスン。 9年生

提案されたトピックは、プログラムに従って 9 年生で学習されますが、その内容は 11 年生の授業でも興味深いものになります。 – エド。

レッスンの教育目標：素粒子を記録する装置に生徒を慣れさせ、その動作原理を明らかにし、素粒子の速度、エネルギー、質量、電荷、およびトラックごとの比率を決定して比較する方法を教えること。

授業概要

彼らは下調べをしながら、不安定なシステムの例 (写真を参照) と不安定な状態を解消する方法を思い出し、見つけました。

正面からの調査を行っています。

過飽和水蒸気はどうやって得るのですか？ （答え：容器の容積を急激に増やしてください。この場合、温度が下がり、蒸気が過飽和になります。

過飽和水蒸気の中に粒子が現れるとどうなるでしょうか？ （答え：結露の中心となり、結露が発生します。）

磁場は荷電粒子の運動にどのような影響を与えるのでしょうか? (答え: 場では、粒子の速度は方向で変化しますが、大きさでは変化しません。)

磁場が荷電粒子に作用する力の名前は何ですか? それはどこに向かっているのでしょうか？ (答え: これはローレンツ力です。円の中心に向かう力です。)

新しい教材を説明するとき、私は補助的な概要を使用します。つまり、その内容が書かれた大きなポスターを黒板に貼り、生徒はそれぞれコピーを持っています（生徒はそれを家に持ち帰り、ノートに挟んで、次の授業で教師に返します） ）。 私はシンチレーション カウンターとガイガー カウンターについて話しています。これは、線路の写真を扱う時間を節約することを目的としています。 直列接続された回路の電圧については、子供の知識に頼っています。 サンプルテキスト: 「放射線を記録する最も簡単な手段は、発光物質(ラテン語のルーメン-光に由来)で覆われたスクリーンでした。 この物質は、荷電粒子が衝突すると、その粒子のエネルギーが物質の原子を励起するのに十分な場合に発光します。 粒子が当たった場所で、フラッシュが発生します-シンチレーション（ラテン語のscintilatioから-輝く、輝く）。 このようなカウンターはシンチレーションカウンターと呼ばれます。 他のすべてのデバイスの動作は、粒子の飛来による物質原子のイオン化に基づいています。

粒子を検出するための最初の装置はガイガーによって発明され、ミュラーによって改良されました。 ガイガー ミュラー カウンター (粒子を記録および計数する) は、不活性ガス (アルゴンなど) で満たされた金属製のシリンダーで、内側には金属製の糸が壁から隔離されています。 負の電位がシリンダー本体に印加され、正の電位がフィラメントに印加されるため、それらの間に約 1500 V の電圧が生成されます。この電圧は高いですが、ガスをイオン化するには十分ではありません。 ガス中を飛行する荷電粒子はその原子をイオン化し、壁とフィラメントの間で放電が発生し、回路が閉じて電流が流れ、抵抗 R を持つ負荷抵抗器の両端に電圧降下 UR = IR が発生します。これは、次の方法で除去されます。録音装置。 デバイスと抵抗器は直列に接続されているため（Uist = UR + Uarrib）、URが増加すると、シリンダー壁とねじ山の間の電圧Uarribが減少し、放電がすぐに停止し、メーターは動作準備が整います。また。

1912 年に霧箱が提案され、物理学者たちはこの装置を驚くべき装置と呼びました。

学生は事前に準備した 2 ～ 3 分のプレゼンテーションを行い、ミクロ世界を研究するための霧箱の重要性、その欠点、改善の必要性を示します。 カメラの構造を簡単に紹介し、それを示して、学生が宿題を準備するときに、カメラはさまざまな方法で設計できることを念頭に置いてください（教科書では、ピストンの付いたシリンダーの形で）。 テキスト例: 「チャンバーは金属またはプラスチックのリング 1 で、上部と下部がガラス プレート 2 でしっかりと閉じられています。プレートは 2 つの (上部と下部) 金属リング 3 を介して 4 つのボルトとナット付き 4 で本体に取り付けられています。 チャンバーの側面にはゴム球５を取り付けるためのパイプが設けられている。チャンバーの内部には放射性薬剤が入れられている。 上部のガラスプレートの内面には透明な導電層があります。 カメラの内部には、一連のスリットを備えた金属製の環状絞りがあります。 それはチャンバーの作業空間の側壁である波形ダイヤフラム 6 に押し付けられ、空気の渦の動きを排除する役割を果たします。」

学生は安全に関する説明を受けた後、霧箱がどのように機能するかを明らかにし、固体粒子やイオンが凝結の核となり得ることを実証する実験を行います。 ガラスフラスコを水ですすぎ、三脚の脚に逆さまに置きます。 バックライトを取り付けます。 フラスコの開口部は、ゴム球を挿入したゴム栓で閉じられる。 まず、バルブをゆっくりと絞り、すぐに放します。フラスコ内に変化は観察されません。 フラスコを開け、火のついたマッチを首に当て、再び閉じて実験を繰り返します。 さて、空気が膨張すると、フラスコは濃い霧で満たされます。

霧箱の動作原理を実験結果を用いてお伝えします。 パーティクル トラックの概念を紹介します。 我々は、粒子とイオンが凝縮中心となり得ると結論付けています。 サンプルテキスト: 「バルブがすぐに放されると (環境との熱交換が起こる時間がないため、プロセスは断熱的です)、混合物が膨張して冷却されるため、チャンバー (フラスコ) 内の空気は水蒸気で過飽和になります。 。 しかし、蒸気は凝縮しないので、 凝結中心は存在せず、塵粒子やイオンも存在しません。 加熱されたフラスコにマッチの炎からのすす粒子とイオンが導入された後、過飽和水蒸気がフラスコ上で凝縮します。 荷電粒子がチャンバー内を飛行する場合にも同じことが起こります。荷電粒子はその途中で空気分子をイオン化し、イオンの鎖上で蒸気の凝結が発生し、チャンバー内の粒子の軌道は霧の液滴の糸によってマークされます。 が見えるようになる。 霧箱を使用すると、粒子の動きを見るだけでなく、他の粒子との相互作用の性質を理解することもできます。」

別の学生がキュベットを使った実験を実演します。

ガラス底の自家製キュベットが、水平投影用の装置を備えた装置に取り付けられます。 ピペットでキュベットのガラスに水滴を滴下し、ボールを押します。 ボールはその途中で水滴の「破片」を引きちぎり、「跡」を残します。 同様に、チャンバー内では、粒子がガスをイオン化し、イオンが凝縮中心となり、「軌道を形成」します。 同じ実験により、磁場における粒子の挙動について明確なアイデアが得られます。 実験を分析するとき、2 番目のポスターの空白スペースに荷電粒子の動きの特徴を記入します。

軌道が長くなるほど、粒子のエネルギー（エネルギー）は大きくなり、媒質の密度は小さくなります。

粒子の（電荷）が大きくなり、粒子の（速度）が小さくなるほど、トラックの厚さは厚くなります。

荷電粒子が磁場中を移動すると、軌道は湾曲することがわかり、軌道の曲率半径が大きくなるほど、粒子の（質量）と（速度）は大きくなり、粒子の（電荷）と（電荷）は小さくなります。磁場の（誘導弾性率）。

パーティクルは、曲率半径 (大きい) のトラックの端から曲率半径 (小さい) の端まで移動します。 移動すると曲率半径が減少します。 媒体の抵抗により、粒子の速度が低下します。

次に、霧箱の欠点（主な欠点は粒子の飛程が短いこと）と、より高密度の媒体、つまり過熱液体（気泡室）、写真乳剤を使用する装置を発明する必要性について話します。 動作原理は同じなので、子供たちには家で自分で勉強することをお勧めします。

私は、p. 3 にある線路の写真を使って作業しています。 描画に関する 242 のチュートリアル。 196. 彼らはペアで働きます。 家の残りの図面の作業を完了します。

授業をまとめてみましょう。 検討した方法を使用すると、荷電粒子のみを直接観察できると結論付けられます。 中性のものは不可能であり、物質をイオン化しないため、痕跡を生成しません。 評価を付けます。

宿題: § 76 (G.Ya. Myakishev、B.B. Bukhovtsev. Physics-11. - M.: Education、1991)、No. 1163、A.P. Rymkevich の問題集による。 LR No. 6 「既製の写真を使用した荷電粒子の軌跡の研究」 形式化して学習すればOK。

著者について。 Galina Gennadievna Emelina – 第 1 資格カテゴリーの教師、教育経験 16 年。 物理教師の地域方法論協会の会議で積極的に講演します。 彼女は一度ならず、地域の物理学者や学校の教師たちに良い公開授業を行った。 彼女は生徒たちから愛され、尊敬されています。

今日は粒子を研究するための実験方法について話します。 このレッスンでは、放射性元素ラジウムの崩壊によって生成されるアルファ粒子を原子の内部構造の研究にどのように使用できるかについて説明します。 原子を構成する粒子を研究するための実験方法についても説明します。

トピック: 原子と原子核の構造。 原子核のエネルギーを利用する

レッスン 54. 粒子を研究するための実験方法

エリュトキン・エフゲニー・セルゲイビッチ

このレッスンでは、粒子を検出するための実験方法について説明します。 先ほど、20 世紀初頭に、原子の構造と原子核の構造を研究できるツールが登場したという事実についてお話しました。 これらは、放射性崩壊の結果として形成されるα粒子です。

核反応の結果として形成される粒子や放射線を記録するには、大宇宙で使用されるものとは異なるいくつかの新しい方法が必要です。 ちなみに、そのような方法の1つはラザフォードの実験ですでに使用されていました。 シンチレーション（フラッシュ）方式と呼ばれます。 1903年、粒子が硫化亜鉛に衝突すると、衝突した場所で小さなフラッシュが発生することが発見されました。 この現象はシンチレーション法の基礎となりました。

この方法はまだ不完全でした。 すべてのフラッシュを確認するには画面を注意深く見なければならず、目が疲れました。結局、顕微鏡を使用しなければなりませんでした。 特定の放射線をより明確に、迅速かつ確実に記録できる新しい方法の必要性が生じました。

この方法は、ラザフォード、ガイガーが率いる研究室のメンバーによって最初に提案されました。 彼は、落下する荷電粒子を「カウント」できる装置、いわゆる装置を作成しました。 ガイガーカウンター。 ドイツの科学者ミュラーがまさにこの計数器を改良した後、それはガイガー・ミュラー計数器として知られるようになりました。

どのように構築されていますか? このカウンターはガス排出です。 これは次の原理に基づいて動作します。このカウンターの主要部分では、粒子が通過するときにガス放電が形成されます。 放電とは気体中の電流の流れであることを思い出してください。

米。 1. ガイガーミュラー計数管の概略図

陽極と陰極が入ったガラス容器。 陰極は円筒の形をしており、陽極はこの円筒の内側に張られています。 電流源により、カソードとアノードの間に十分に高い電圧が生成されます。 電極間、真空シリンダー内には通常、不活性ガスが存在します。 これは、将来同じ放電を発生させるために特別に行われます。 さらに、回路には高抵抗 (R ～ 10 9 オーム) が含まれています。 この回路に流れる電流を消す必要があります。 そしてカウンターは次のように動作します。 ご存知のとおり、核反応の結果として形成される粒子はかなり高い透過力を持っています。 したがって、これらの要素が内部に配置されているガラス容器は、それらにとって何の障害にもなりません。 その結果、粒子はこのガス放電カウンターの内部に侵入し、内部のガスをイオン化します。 このようなイオン化の結果として、高エネルギーのイオンが形成され、これらのイオンが衝突し、互いに衝突して荷電粒子の雪崩を生成します。 この荷電粒子の雪崩は、電子だけでなく、マイナスおよびプラスに帯電したイオンで構成されます。 そして、この雪崩が通過するとき、電流を検出することができます。 これにより、粒子がガス放電カウンターを通過したことを理解する機会が得られます。

このようなカウンターは 1 秒間に約 10,000 個の粒子を登録できるため便利です。 いくつかの改良の後、このカウンターは g 線も記録するようになりました。

確かに、 ガイガーカウンター- 一般的に放射能の存在を決定できるようにする便利なもの。 ただし、ガイガー ミュラー カウンターでは、粒子のパラメーターを決定したり、これらの粒子を使用して研究を行ったりすることはできません。 これには、まったく異なる方法、まったく異なる方法が必要です。 ガイガーカウンターの作成後すぐに、そのような方法と装置が登場しました。 最も有名で広く普及しているものの 1 つはウィルソン室です。

米。 2. 霧室

カメラのデザインにも注目してください。 上下に動くピストンが入ったシリンダー。 このピストンの内側には、アルコールと水で湿らせた黒い布が入っています。 シリンダーの上部は透明な素材、通常は非常に密度の高いガラスで覆われています。 その上にカメラが設置されており、霧室内で何が起こるかを撮影します。 これらすべてをはっきりと見えるようにするために、左側が照らされています。 パーティクルの流れは、右側のウィンドウを通して送られます。 これらの粒子は、水とアルコールからなる媒体の中に落ち、水の粒子やアルコールの粒子と相互作用します。 ここが最も興味深い点です。 ガラスとピストンの間の空間は、蒸発によって生じた水とアルコールの蒸気で満たされます。 ピストンが急激に下がると、圧力が低下し、ここにある蒸気は非常に不安定な状態になります。 液体に入る準備ができています。 しかし、不純物を含まない純粋なアルコールと水がこの空間に置かれるため、しばらくの間（それは非常に大きい場合もあります）、そのような非平衡状態が持続します。 荷電粒子がそのような過飽和の領域に入った瞬間に、荷電粒子は水蒸気の凝縮が始まる中心になります。 さらに、負の粒子が入った場合、それらは何らかのイオンと相互作用し、正の場合は別の物質のイオンと相互作用します。 この粒子が飛んだところにはいわゆる飛跡、つまり痕跡が残ります。 霧箱が磁場の中に置かれると、電荷を持った粒子が磁場の中で偏向し始めます。 そして、すべては非常に単純です。粒子が正に帯電している場合、粒子は一方向に偏向されます。 否定的な場合は、別の場所に進みます。 このようにして、電荷の符号を決定することができ、粒子が移動するまさにその曲線の半径によって、この粒子の質量を決定または推定することができます。 これで、特定の放射線を構成する粒子に関する完全な情報を得ることができると言えます。

米。 3. 霧箱内の粒子追跡

霧箱には欠点が 1 つあります。 粒子の通過の結果として形成されるまさにその軌跡は短命です。 新しい写真を撮るために、毎回カメラを再度準備する必要があります。 したがって、カメラの上部には同じトラックを記録するカメラがあります。

当然のことながら、これは粒子を登録するために使用される最後のデバイスではありません。 1952 年に、バブル チャンバーと呼ばれる装置が発明されました。 その動作原理は霧箱とほぼ同じです。 過熱した液体を使用して作業のみが実行されます。 液体が沸騰しそうな状態。 この瞬間、粒子はそのような液体の中を飛び、気泡形成の中心を作ります。 このようなチャンバーで形成されたトラックははるかに長く保存され、これによりチャンバーがより便利になります。

米。 4. 気泡室の外観

ロシアでは、さまざまな放射性粒子、崩壊、反応を観察する別の方法が開発されました。 厚膜乳剤の手法です。 粒子は、特定の方法で調製されたエマルションに入ります。 エマルジョン粒子と相互作用することにより、それらは軌跡を作成するだけでなく、霧箱や気泡室で軌跡を撮影したときに得られる写真を表す軌跡自体を作成します。 はるかに便利です。 しかし、ここにも重要な欠点が 1 つあります。 光乳剤法が長期間機能するためには、継続的な浸透、新しい粒子の侵入、または形成された放射線が存在する必要があります。 このように短期的な衝動を記録するのは問題があります。

他の方法についてもお話します。たとえば、スパーク チャンバーと呼ばれる方法があります。 そこでは、粒子の後に起こる放射性反応の結果として、火花が形成されます。 また、はっきりと表示され、登録も簡単です。

現在、半導体センサーが最もよく使用されており、コンパクトで便利で、かなり良好な結果が得られます。

上記の方法を使用してどのような発見がなされたかについては、次のレッスンで説明します。

追加文献リスト

1. ボロボイ A.A. 粒子がどのように検出されるか (ニュートリノの飛跡による)。 『図書館「量子」』。 Vol. 15. M.: ナウカ、1981
2. ブロンスタイン MP 原子と電子。 『図書館「量子」』。 Vol. 1. M.: ナウカ、1980
3. 帰光院 I.K.、帰光院 A.K. 物理：高校3年生の教科書。 M.: 「啓蒙」
4. キタイゴロツキー A.I. 誰にとっても物理学。 光子と原子核。 ブック 4. M.: 科学
5. ミャキシェフ G.Ya.、シンヤコヴァ A.Z. 物理。 光学量子物理学。 11年生：物理を深く学ぶための教科書。 M.: バスタード

著者: キーロフ市 MBOU「中等学校第 27 号」の物理教師、フォミチェヴァ S.E. 素粒子の記録と観察の方法 ガイガーカウンター ウィルソンチャンバー バブルチャンバー 光エマルジョン法 シンチレーション法 スパークチャンバー (1908 年) 粒子の自動計数用に設計。 1 秒あたり最大 10,000 以上のパーティクルを登録できます。 ほぼすべての電子 (100%) と 100 個のガンマ量子のうち 1 つ (1%) を記録します 重粒子の記録は困難です Hans Wilhelm Geiger 1882-1945 デバイス: 2. カソード - 薄い金属層 3. アノード - 薄い金属糸 1アルゴンを充填したガラス管 4. 記録装置 γ 量子を検出するには、γ 量子が電子を放出する物質で管の内壁をコーティングします。 動作原理: 動作は衝撃イオン化に基づいています。 ガス中を飛行する荷電粒子は原子から電子を剥ぎ取ります。 電子とイオンの雪崩が現れます。 メーターを流れる電流が急激に増加します。 電圧パルスが抵抗器 R の両端に生成され、これが計数装置によって記録されます。 アノードとカソードの間の電圧は急激に減少します。 放電が停止し、カウンターが再び動作可能になります (1912 年) 粒子を観察し、粒子に関する情報を取得するために設計されました。 粒子が通過すると、直接観察したり写真に撮ったりできる痕跡が残ります。 荷電粒子のみが検出され、中性粒子は原子のイオン化を引き起こさず、副次的な効果によってその存在が判断されます。 Charles Thomson Reese Wilson 1869-1959 装置: 7. 水とアルコール蒸気で満たされたチャンバー 1. 粒子源 2. 石英ガラス 3. 電場を生成する電極 6. トラック 5. ピストン 4. ファン 動作原理: アクションは次のとおりです。不安定な状態の環境の使用について。 チャンバー内の蒸気は飽和に近づいています。 ピストンが下がると断熱膨張が起こり、蒸気は過飽和になります。 水滴が跡を形成します。 飛来する粒子は、不安定な状態にある蒸気が凝縮した原子をイオン化します。 ピストンが上昇し、液滴が蒸発し、電場がイオンを除去し、チャンバーが次の粒子を受け入れる準備が整います 粒子に関する情報: トラックの長さに沿って - 粒子のエネルギーについて (L が大きいほど、W が大きくなります) ); 単位長さあたりの滴数 - 速度について（Nが大きいほど、vが大きくなります）。 トラックの厚さによって - 電荷の大きさについて (d が大きいほど、q が大きくなります) 磁場内のトラックの曲率によって - 粒子の電荷とその質量の比率について (R が大きいほど、q が大きくなります) m と v が多いほど、q) も多くなります。 粒子の電荷の符号を中心に曲がる方向に。 (1952) 粒子を観察し、粒子に関する情報を取得するように設計されました。 飛跡が研究されますが、霧箱とは異なり、高エネルギーを持つ粒子の研究が可能になります。 デューティ サイクルが短くなり、約 0.1 秒になります。 粒子の崩壊とそれが引き起こす反応を観察できます。 Donald Arthur Glaser 1926-2013 装置: 霧箱に似ていますが、蒸気の代わりに液体水素またはプロパンが使用され、液体は沸点を超える温度で高圧下にあります。 ピストンが下がり、圧力が低下し、液体は不安定な過熱状態になります。 蒸気の泡が跡を形成します。 飛来する粒子は原子をイオン化し、蒸発の中心となります。 ピストンが上昇し、蒸気が凝縮し、電場がイオンを除去し、チャンバーが次の粒子を受け入れる準備が整います (1895) プレートは、多数の臭化銀結晶を含む乳剤でコーティングされます。 粒子が通過すると、臭素原子から電子が除去され、そのような結晶の鎖が潜像を形成します。 現像すると、これらの結晶の中に金属銀が復元されます。 銀粒子の連鎖が軌道を形成します。 アントワーヌ・アンリ・ベクレル この方法により、粒子と原子核の間のまれな現象を記録することが可能になります。 1. アルミニウム箔 4. ダイノード 5. アノード 3. 光電陰極 2. シンチレーター シンチレーション法では、アルファ粒子が硫化亜鉛でコーティングされたスクリーンに衝突するときの小さな光のフラッシュをカウントします。 シンチレータと光電子増倍管を組み合わせたものです。 すべての粒子と 100% のガンマ量子が登録されます。 粒子のエネルギーを決定できます。 これは平行な金属電極のシステムであり、電極間の空間には不活性ガスが充填されています。 プレート間の距離は 1 ～ 10 cm であり、放電火花は厳密に局所的に発生します。 無料料金が発生する場合に発生します。 火花室のサイズは数メートル程度になることがあります。 粒子がプレートの間を飛ぶと、火花が発生し、燃えるような軌跡が形成されます。 利点は、登録プロセスが管理しやすいことです。