Eksperimentālās metodes daļiņu pētīšanai. Eksperimentālās metodes un līdzekļi daļiņu izpētei Kādas daļiņu reģistrācijas metodes pastāv

Šodien mēs runāsim par eksperimentālām metodēm daļiņu pētīšanai. Šajā nodarbībā mēs apspriedīsim, kā alfa daļiņas, kas rodas radioaktīvā elementa rādija sabrukšanas rezultātā, var izmantot atomu iekšējās struktūras pētīšanai. Mēs arī runāsim par eksperimentālām metodēm, lai pētītu daļiņas, kas veido atomu.

Tēma: Atoma un atoma kodola uzbūve. Izmantojot atomu kodolu enerģiju

54. nodarbība. Eksperimentālās metodes daļiņu pētīšanai

Erjutkins Jevgeņijs Sergejevičs

Šī nodarbība būs veltīta diskusijām par eksperimentālām metodēm daļiņu noteikšanai. Iepriekš mēs runājām par to, ka divdesmitā gadsimta sākumā parādījās instruments, ar kuru jūs varat izpētīt atoma uzbūvi un kodola uzbūvi. Tās ir a-daļiņas, kas veidojas radioaktīvās sabrukšanas rezultātā.

Lai reģistrētu tās daļiņas un starojumu, kas veidojas kodolreakciju rezultātā, ir nepieciešamas dažas jaunas metodes, kas atšķiras no makrokosmosā izmantotajām. Starp citu, viena šāda metode jau tika izmantota Rezerforda eksperimentos. To sauc par scintilācijas (zibspuldzes) metodi. 1903. gadā tika atklāts, ka, ja daļiņa ietriecas cinka sulfīdā, vietā, kur tā ietriecas, notiek neliels uzplaiksnījums. Šī parādība bija scintilācijas metodes pamatā.

Šī metode joprojām bija nepilnīga. Man bija ļoti uzmanīgi jāvēro ekrāns, lai redzētu visus zibšņus, manas acis bija nogurušas: galu galā man bija jāizmanto mikroskops. Radās nepieciešamība pēc jaunām metodēm, kas ļautu skaidrāk, ātrāk un uzticamāk reģistrēt noteiktus starojumus.

Šo metodi pirmo reizi ierosināja laboratorijas loceklis, kuru vadīja Rutherford, Geiger. Viņš radīja ierīci, kas spēj “saskaitīt” tajā iekrītošās lādētās daļiņas, tā saukto. Ģēģera skaitītājs. Pēc tam, kad vācu zinātnieks Mullers uzlaboja šo skaitītāju, tas kļuva pazīstams kā Geigera-Mullera skaitītājs.

Kā tas ir uzbūvēts? Šis skaitītājs ir gāzizlādes, t.i. Tas darbojas pēc šāda principa: tieši šajā skaitītājā, tā galvenajā daļā, daļiņai šķērsojot, veidojas gāzes izlāde. Atgādināšu, ka izlāde ir elektriskās strāvas plūsma gāzē.

Rīsi. 1. Geigera-Mullera skaitītāja shematiskā diagramma

Stikla trauks ar anodu un katodu. Katods ir attēlots cilindra formā, un anods ir izstiepts šī cilindra iekšpusē. Strāvas avota dēļ starp katodu un anodu tiek izveidots pietiekami augsts spriegums. Starp elektrodiem, vakuuma cilindra iekšpusē, parasti ir inerta gāze. Tas tiek darīts īpaši, lai nākotnē radītu tādu pašu elektrisko izlādi. Turklāt ķēdē ir augsta (R~10 9 omi) pretestība. Tas ir nepieciešams, lai nodzēstu šajā ķēdē plūstošo strāvu. Un skaitītājs darbojas šādi. Kā zināms, daļiņām, kas veidojas kodolreakciju rezultātā, ir diezgan liela iespiešanās spēja. Tāpēc stikla trauks, kura iekšpusē atrodas šie elementi, tiem nerada nekādus šķēršļus. Rezultātā daļiņa iekļūst šajā gāzizlādes skaitītājā un jonizē gāzi, kas atrodas iekšpusē. Šādas jonizācijas rezultātā veidojas enerģētiskie joni, kas savukārt saduras un rada, saduroties savā starpā, lādētu daļiņu lavīnu. Šī uzlādēto daļiņu lavīna sastāvēs no negatīviem un pozitīvi lādētiem joniem, kā arī elektroniem. Un, kad šī lavīna pāriet, mēs varam noteikt elektrisko strāvu. Tas mums dos iespēju saprast, ka daļiņa ir izgājusi cauri gāzizlādes skaitītājam.

Tas ir ērti, jo šāds skaitītājs vienā sekundē var reģistrēt aptuveni 10 000 daļiņu. Pēc dažiem uzlabojumiem šis skaitītājs sāka reģistrēt arī g-starus.

noteikti, Ģēģera skaitītājs- ērta lieta, kas ļauj noteikt radioaktivitātes esamību kopumā. Taču Geigera-Müllera skaitītājs neļauj noteikt daļiņas parametrus vai veikt nekādus pētījumus ar šīm daļiņām. Tas prasa pavisam citas metodes, pavisam citas metodes. Drīz pēc Geigera skaitītāja izveides parādījās šādas metodes un ierīces. Viena no slavenākajām un izplatītākajām ir Vilsona kamera.

Rīsi. 2. Mākoņu kamera

Pievērsiet uzmanību kameras dizainam. Cilindrs ar virzuli, kas var pārvietoties uz augšu un uz leju. Šī virzuļa iekšpusē ir tumša drāna, kas samitrināta ar spirtu un ūdeni. Cilindra augšdaļa ir pārklāta ar caurspīdīgu materiālu, parasti diezgan blīvu stiklu. Virs tā ir novietota kamera, lai fotografētu to, kas notiks mākoņa kamerā. Lai tas viss būtu ļoti skaidri redzams, kreisā puse ir izgaismota. Caur logu labajā pusē tiek virzīta daļiņu plūsma. Šīs daļiņas, kas iekrīt vidē, kas sastāv no ūdens un spirta, mijiedarbosies ar ūdens daļiņām un spirta daļiņām. Šeit slēpjas pats interesantākais. Telpa starp stiklu un virzuli ir piepildīta ar ūdens un spirta tvaikiem, kas rodas iztvaikošanas rezultātā. Kad virzulis strauji nokrīt uz leju, spiediens samazinās un tvaiki, kas atrodas šeit, nonāk ļoti nestabilā stāvoklī, t.i. gatavs nonākt šķidrumā. Bet, tā kā šajā telpā tiek ievietots tīrs spirts un ūdens bez piemaisījumiem, tad kādu laiku (var būt diezgan liels) šāds nelīdzsvara stāvoklis saglabājas. Brīdī, kad uzlādētas daļiņas nonāk šāda pārsātinājuma reģionā, tās kļūst par centriem, kuros sākas tvaika kondensācija. Turklāt, ja nokļūst negatīvās daļiņas, tās mijiedarbojas ar dažiem joniem un, ja pozitīvas, tad ar citas vielas joniem. Kur šī daļiņa lidoja, paliek tā sauktā trase jeb, citiem vārdiem sakot, pēda. Ja tagad mākoņu kamera ir novietota magnētiskajā laukā, tad daļiņas, kurām ir lādiņi, sāk novirzīties magnētiskajā laukā. Un tad viss ir ļoti vienkārši: ja daļiņa ir pozitīvi uzlādēta, tad tā tiek novirzīta vienā virzienā. Ja negatīvs, dodieties uz citu. Tādā veidā mēs varam noteikt lādiņa zīmi, un pēc pašas līknes rādiusa, pa kuru daļiņa pārvietojas, mēs varam noteikt vai novērtēt šīs daļiņas masu. Tagad mēs varam teikt, ka mēs varam iegūt pilnīgu informāciju par daļiņām, kas veido šo vai citu starojumu.

Rīsi. 3. Daļiņu pēdas mākoņu kamerā

Mākoņu kamerai ir viens trūkums. Pašas pēdas, kas veidojas daļiņu pārejas rezultātā, ir īslaicīgas. Katru reizi atkal jāsagatavo kamera, lai iegūtu jaunu attēlu. Tāpēc kameras augšpusē ir kamera, kas ieraksta tos pašus ierakstus.

Protams, šī nav pēdējā ierīce, kas tiek izmantota daļiņu reģistrēšanai. 1952. gadā tika izgudrota ierīce, ko sauca par burbuļu kameru. Tās darbības princips ir aptuveni tāds pats kā mākoņu kamerai; tikai darbs tiek veikts ar pārkarsētu šķidrumu, t.i. stāvoklī, kurā šķidrums gatavojas vārīties. Šajā brīdī caur šādu šķidrumu lido daļiņas, kas rada centrus burbuļu veidošanai. Šādā kamerā izveidotās sliedes tiek saglabātas daudz ilgāk, un tas padara kameru ērtāku.

Rīsi. 4. Burbuļu kameras izskats

Krievijā tika izveidota cita metode dažādu radioaktīvo daļiņu, sabrukšanas un reakciju novērošanai. Šī ir biezu plēvju emulsiju metode. Daļiņas iekrīt emulsijās, kas sagatavotas noteiktā veidā. Mijiedarbojoties ar emulsijas daļiņām, tās veido ne tikai pēdas, bet arī pēdas, kas pašas attēlo fotogrāfiju, ko iegūstam, fotografējot pēdas mākoņu kamerā vai burbuļu kamerā. Tas ir daudz ērtāk. Bet šeit ir arī viens būtisks trūkums. Lai fotoemulsijas metode darbotos diezgan ilgu laiku, ir jābūt pastāvīgai iespiešanās, jaunu daļiņu iekļūšanai vai radiācijai, kas veidojas, t.i. Šādā veidā reģistrēt īslaicīgus impulsus ir problemātiski.

Mēs varam runāt par citām metodēm: piemēram, ir metode, ko sauc par dzirksteles kameru. Tur radioaktīvo reakciju rezultātā, kas notiek pēc daļiņas, veidojas dzirksteles. Tie ir arī skaidri redzami un viegli reģistrējami.

Mūsdienās visbiežāk tiek izmantoti pusvadītāju sensori, kas ir kompakti, ērti un dod diezgan labus rezultātus.

Par to, kādi atklājumi tika veikti, izmantojot iepriekš aprakstītās metodes, mēs runāsim nākamajā nodarbībā.

Papildliteratūras saraksts

1. Borovoy A.A. Kā tiek noteiktas daļiņas (ar neitrīno pēdām). "Bibliotēka "Kvants"". Vol. 15. M.: Nauka, 1981. gads
2. Bronšteins M.P. Atomi un elektroni. "Bibliotēka "Kvants"". Vol. 1. M.: Nauka, 1980. gads
3. Kikoins I.K., Kikoins A.K. Fizika: Mācību grāmata vidusskolas 9. klasei. M.: "Apgaismība"
4. Kitaigorodskis A.I. Fizika visiem. Fotoni un kodoli. 4. grāmata M.: Zinātne
5. Mjakiševs G.J., Sinjakova A.Z. Fizika. Optika Kvantu fizika. 11. klase: mācību grāmata fizikas padziļinātai apguvei. M.: Dusis

Ierīces uzlādētu daļiņu noteikšanai sauc par detektoriem. Ir divi galvenie detektoru veidi:

1) diskrēts(daļiņu enerģijas skaitīšana un noteikšana): Geigera skaitītājs, jonizācijas kamera utt.;

2) trase(dodot iespēju novērot un fotografēt daļiņu pēdas detektora darba tilpumā): Vilsona kamera, burbuļkamera, biezslāņu fotoemulsijas u.c.

1. Gāzizlādes Ģēģera skaitītājs. Lai reģistrētu augstas enerģijas elektronus un \(~\gamma\)-kvantus (fotonus), tiek izmantots Geigera-Mullera skaitītājs. Tas sastāv no stikla caurules (22.4. att.), katods K, plāns metāla cilindrs, atrodas blakus iekšējām sienām; Anods A ir plāna metāla stieple, kas izstiepta gar skaitītāja asi. Caurule ir piepildīta ar gāzi, parasti argonu. Skaitītājs ir iekļauts ierakstīšanas ķēdē. Ķermenim tiek piemērots negatīvs potenciāls, un vītnei tiek piemērots pozitīvs potenciāls. Ar skaitītāju virknē ir savienots rezistors R, no kura signāls tiek piegādāts ierakstīšanas ierīcei.

Skaitītājs darbojas, pamatojoties uz triecienjonizāciju. Ļaujiet daļiņai atsist pret skaitītāju un izveidot vismaz vienu pāri savā ceļā: “jons + elektrons”. Elektroni, virzoties uz anodu (kvēldiega), nonāk laukā ar pieaugošu intensitāti (spriegums starp A un K ~ 1600 V), to ātrums strauji palielinās, un ceļā tie rada jonu lavīnu (notiek triecienjonizācija). Atrodoties uz vītnes, elektroni samazina tā potenciālu, kā rezultātā strāva plūst caur rezistoru R. Tā galos parādās sprieguma impulss, kas nonāk ierakstīšanas ierīcē.

Rezistorā notiek sprieguma kritums, anoda potenciāls samazinās, un lauka stiprums skaitītāja iekšpusē samazinās, kā rezultātā samazinās elektronu kinētiskā enerģija. Izlāde apstājas. Tādējādi rezistors spēlē pretestības lomu, automātiski dzēšot lavīnas izlādi. Pozitīvie joni plūst uz katodu \(~t \apmēram 10^(-4)\) s laikā pēc izlādes sākuma.

Geigera skaitītājs var noteikt 10 4 daļiņas sekundē. To galvenokārt izmanto elektronu un \(~\gamma\) kvantu ierakstīšanai. Tomēr \(~\gamma\) kvanti netiek tieši reģistrēti to zemās jonizācijas spējas dēļ. Lai tos atklātu, caurules iekšējā siena ir pārklāta ar materiālu, no kura elektronus izsit \(~\gamma\) kvanti. Reģistrējot elektronus, skaitītāja efektivitāte ir 100%, un, reģistrējot \(~\gamma\) kvantus - tikai aptuveni 1%.

Smago \(~\alpha\)-daļiņu reģistrācija ir sarežģīta, jo skaitītājā ir grūti izveidot pietiekami plānu “logu”, kas būtu caurspīdīgs šīm daļiņām.

2. Vilsona kamera.

Kamera izmanto augstas enerģijas daļiņu spēju jonizēt gāzes atomus. Mākoņu kamera (22.5. att.) ir cilindrisks trauks ar virzuli 1. Cilindra augšdaļa ir izgatavota no caurspīdīga materiāla, kamerā tiek ievadīts neliels ūdens vai spirta daudzums, kuram ir paredzēts trauka dibens. pārklāts ar slāni slapjš samts vai audums 2. Kameras iekšpusē veidojas maisījums piesātināts tvaiki un gaiss. Ātri nolaižot virzuli 1 maisījums izplešas adiabātiski, ko papildina tā temperatūras pazemināšanās. Dzesēšanas dēļ tvaiks kļūst pārsātināts.

Ja gaiss ir attīrīts no putekļu daļiņām, tad tvaika kondensācija šķidrumā ir sarežģīta, jo nav kondensācijas centru. Tomēr kondensācijas centri var kalpot arī joni. Tāpēc, ja uzlādēta daļiņa izlido cauri kamerai (iekļūst pa 3. logu), jonizējot molekulas, uz jonu ķēdes notiek tvaiku kondensācija un daļiņas trajektorija kameras iekšpusē kļūst redzama, pateicoties nosēdušajiem mazajiem pilieniņiem. šķidrums. Izveidotā šķidruma pilienu ķēde veido daļiņu trasi. Molekulu termiskā kustība ātri aizmiglo daļiņu trajektoriju, un daļiņu trajektorijas ir skaidri redzamas tikai aptuveni 0,1 s, kas tomēr ir pietiekami fotografēšanai.

Trases izskats fotogrāfijā nereti ļauj spriest daba daļiņas un Izmērs viņu enerģiju. Tādējādi \(~\alpha\) daļiņas atstāj relatīvi biezu nepārtrauktu pēdu, protoni atstāj plānāku, bet elektroni atstāj punktētu (22.6. att.). Jaunā trases šķelšanās - "dakša" - liecina par notiekošo reakciju.

Lai sagatavotu kameru darbībai un attīrītu to no atlikušajiem joniem, tās iekšpusē tiek izveidots elektriskais lauks, kas piesaista jonus elektrodiem, kur tie tiek neitralizēti.

Padomju fiziķi P. L. Kapitsa un D. V. Skobeļcins ierosināja kameru novietot magnētiskajā laukā, kura ietekmē daļiņu trajektorijas tiek saliektas vienā vai otrā virzienā atkarībā no lādiņa zīmes. Trajektorijas izliekuma rādiuss un sliežu ceļu intensitāte nosaka daļiņas enerģiju un masu (īpatnējo lādiņu).

3. Burbuļu kamera. Pašlaik zinātniskajos pētījumos tiek izmantota burbuļu kamera. Darba tilpums burbuļkamerā ir piepildīts ar šķidrumu zem augsta spiediena, kas neļauj tam vārīties, neskatoties uz to, ka šķidruma temperatūra ir augstāka par viršanas temperatūru atmosfēras spiedienā. Strauji samazinoties spiedienam, šķidrums pārkarst un īsu laiku paliek nestabilā stāvoklī. Ja uzlādēta daļiņa lido cauri šādam šķidrumam, tad pa tā trajektoriju šķidrums vārīsies, jo šķidrumā izveidotie joni kalpo kā iztvaikošanas centri. Šajā gadījumā daļiņas trajektoriju iezīmē tvaika burbuļu ķēde, t.i. ir padarīts redzams. Izmantotie šķidrumi galvenokārt ir šķidrais ūdeņradis un propāns C 3 H 3 . Darbības cikla laiks ir aptuveni 0,1 s.

Priekšrocība Burbuļu kamera mākoņa kameras priekšā ir saistīta ar lielāku darba vielas blīvumu, kā rezultātā daļiņa zaudē vairāk enerģijas nekā gāzē. Daļiņu ceļi izrādās īsāki, un pat lielas enerģijas daļiņas iestrēgst kamerā. Tas ļauj daudz precīzāk noteikt daļiņas kustības virzienu un tās enerģiju, kā arī novērot virkni secīgu daļiņas transformāciju un tās izraisīto reakciju.

4. Biezās plēves emulsijas metode izstrādāja L.V.Mysovskis un A.P.Ždanovs.

Tā pamatā ir fotogrāfiskā slāņa nomelnošana ātri uzlādētu daļiņu ietekmē, kas iziet cauri fotogrāfiskajai emulsijai. Šāda daļiņa izraisa sudraba bromīda molekulu sadalīšanos Ag + un Br - jonos un fotogrāfiskās emulsijas nomelnošanu pa kustības trajektoriju, veidojot latentu attēlu. Izstrādājot, metāliskais sudrabs šajos kristālos tiek reducēts un veidojas daļiņu trase. Sliežu ceļa garums un biezums tiek izmantoti, lai spriestu par daļiņas enerģiju un masu.

Lai izpētītu daļiņu sliedes, kurām ir ļoti liela enerģija un kuras rada garus sliedes, tiek sakrauts liels skaits plākšņu.

Būtiska fotoemulsijas metodes priekšrocība papildus lietošanas vienkāršībai ir tā, ka tā dod pastāvīga pēda daļiņas, kuras pēc tam var rūpīgi izpētīt. Tas noveda pie šīs metodes plašas izmantošanas jaunu elementārdaļiņu izpētē. Ar šo metodi, emulsijai pievienojot bora vai litija savienojumus, var izpētīt neitronu pēdas, kas, reaģējot ar bora un litija kodoliem, rada \(~\alfa\) daļiņas, kas izraisa melnēšanu kodolemulsijas slānis. Pamatojoties uz \(~\alpha\)-daļiņu pēdām, tiek izdarīti secinājumi par neitronu ātrumu un enerģijām, kas izraisīja \(~\alpha\)-daļiņu parādīšanos.

Literatūra

Aksenovičs L. A. Fizika vidusskolā: teorija. Uzdevumi. Pārbaudījumi: Mācību grāmata. pabalsts vispārējās izglītības iestādēm. vide, izglītība / L. A. Aksenoviča, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 618-621.

Eksperimentālās metodes un instrumenti daļiņu izpētei

Konkurss "Es eju uz klasi"

G.G. Emelīna,
vārdā nosaukta skola Krievijas varonis I. V. Saričevs,
Korablino, Rjazaņas apgabals.

Eksperimentālās metodes un instrumenti daļiņu izpētei

Publiskā nodarbība. 9. klase

Lai gan piedāvātā tēma, atbilstoši programmai, tiek apgūta 9.klasē, materiāls interesēs arī 11.klases nodarbībām. – Ed.

Nodarbības izglītojošie mērķi: iepazīstināt skolēnus ar elementārdaļiņu ierakstīšanas ierīcēm, atklāt to darbības principus, iemācīt noteikt un salīdzināt elementārdaļiņu ātrumu, enerģiju, masu, lādiņu un to attiecību pa sliedēm.

Nodarbības izklāsts

Veicot mājasdarbus, puiši atcerējās un atrada nestabilu sistēmu piemērus (skat. attēlus) un veidus, kā tās izņemt no nestabila stāvokļa.

Es veicu frontālo aptauju:

Kā iegūt pārsātinātu tvaiku? (Atbilde: strauji palieliniet trauka tilpumu. Šajā gadījumā temperatūra pazemināsies un tvaiks kļūs pārsātināts.

Kas notiks ar pārsātinātu tvaiku, ja tajā parādīsies daļiņa? (Atbilde: tas būs kondensāta centrs, un uz tā veidosies rasa.)

Kā magnētiskais lauks ietekmē lādētas daļiņas kustību? (Atbilde: laukā daļiņas ātrums mainās virzienā, bet ne lielumā.)

Kā sauc spēku, ar kādu magnētiskais lauks iedarbojas uz lādētu daļiņu? Kur tas virzās? (Atbilde: tas ir Lorenca spēks; tas ir vērsts uz apļa centru.)

Izskaidrojot jauno materiālu, es izmantoju atbalsta kontūru: pie tāfeles karājas liels plakāts ar to, un katram skolēnam ir kopijas (tās viņi paņems līdzi mājās, ieliks piezīmju grāmatiņā un nākamajā stundā atdos skolotājam ). Es runāju par scintilācijas skaitītāju un Geigera skaitītāju, mēģinot ietaupīt laiku, strādājot ar pēdu fotogrāfijām. Es paļaujos uz bērnu zināšanām par spriegumu ķēdē virknē. Teksta paraugs: “Vienkāršākais starojuma reģistrēšanas līdzeklis bija ekrāns, kas pārklāts ar luminiscējošu vielu (no latīņu lūmena - gaisma). Šī viela spīd, kad tai ietriecas lādēta daļiņa, ja šīs daļiņas enerģija ir pietiekama, lai ierosinātu vielas atomus. Vietā, kur trāpa daļiņa, notiek uzplaiksnījums - scintilācija (no latīņu scintillatio - dzirkstošs, dzirkstošs). Šādus skaitītājus sauc par scintilācijas skaitītājiem. Visu pārējo ierīču darbība balstās uz matērijas atomu jonizāciju, ko veic lidojošas daļiņas.

Pirmo ierīci daļiņu noteikšanai izgudroja Geigers un uzlaboja Millers. Geigera-Mullera skaitītājs (reģistrē un skaita daļiņas) ir metāla cilindrs, kas pildīts ar inertu gāzi (piemēram, argonu), kura iekšpusē ir izolēts no sienām metāla vītne. Balona korpusam tiek pielikts negatīvs potenciāls, bet kvēldiegam tiek pielikts pozitīvs potenciāls, tādējādi starp tiem tiek izveidots aptuveni 1500 V spriegums, augsts, bet nepietiekams, lai jonizētu gāzi. Lādēta daļiņa, kas lido cauri gāzei, jonizē tās atomus, starp sienām un kvēldiegu notiek izlāde, ķēde tiek slēgta, plūst strāva, un pāri slodzes rezistoram ar pretestību R tiek izveidots sprieguma kritums UR = IR, kas tiek noņemts ar pretestību R. ierakstīšanas ierīce. Tā kā ierīce un rezistors ir savienoti virknē (Uist = UR + Uarrib), tad, palielinoties UR, Uarrib spriegums starp cilindra sienām un vītni samazinās, un izlāde ātri apstājas, un skaitītājs ir gatavs darbam. atkal.

1912. gadā tika ierosināta mākoņu kamera, ierīce, ko fiziķi sauca par pārsteidzošu instrumentu.

Students sniedz iepriekš sagatavotu 2-3 minūšu prezentāciju, kas parāda mākoņu kameras nozīmi mikropasaules izpētē, tās nepilnības un pilnveidošanas nepieciešamību. Īsi iepazīstinu ar kameras uzbūvi un parādu, lai skolēni, gatavojot mājasdarbu, paturētu prātā, ka kameru var veidot dažādi (mācību grāmatā - cilindra formā ar virzuli). Teksta paraugs: “Kamera ir metāla vai plastmasas gredzens 1, augšā un apakšā cieši noslēgts ar stikla plāksnēm 2. Plāksnes ir piestiprinātas pie korpusa caur diviem (augšējiem un apakšējiem) metāla gredzeniem 3 ar četrām skrūvēm 4 ar uzgriežņiem. Kameras sānu virsmā ir caurule gumijas spuldzes piestiprināšanai 5. Kameras iekšpusē ievieto radioaktīvu medikamentu. Augšējā stikla plāksnē ir caurspīdīgs vadošs slānis uz iekšējās virsmas. Kameras iekšpusē ir metāla gredzenveida diafragma ar virkni spraugu. Tas ir nospiests pret gofrēto diafragmu 6, kas ir kameras darba telpas sānu siena un kalpo, lai novērstu virpuļveida gaisa kustības.

Studentam tiek sniegta drošības instruktāža, kam seko eksperiments, kas atklāj, kā darbojas mākoņu kamera, un parāda, ka cietās daļiņas vai joni var būt kondensācijas kodoli. Stikla kolbu noskalo ar ūdeni un ar otrādi ievieto statīva kājā. Uzstādiet fona apgaismojumu. Kolbas atvere ir aizvērta ar gumijas aizbāzni, kurā ievietota gumijas spuldze. Vispirms spuldzi lēnām izspiež un pēc tam ātri atlaiž - kolbā nekādas izmaiņas nenovēro. Kolbu atver, pie kakla pienes degošu sērkociņu, atkal aizver un eksperimentu atkārto. Tagad, gaisam izplešoties, kolba ir piepildīta ar biezu miglu.

Es pastāstu mākoņu kameras darbības principu, izmantojot eksperimenta rezultātus. Es iepazīstinu ar daļiņu trases jēdzienu. Mēs secinām, ka daļiņas un joni var būt kondensācijas centri. Teksta paraugs: “Kad spuldze tiek ātri atbrīvota (process ir adiabātisks, jo siltuma apmaiņai ar vidi nav laika notikt), maisījums izplešas un atdziest, tāpēc gaiss kamerā (kolbā) kļūst pārsātināts ar ūdens tvaikiem. . Bet tvaiki nekondensējas, jo nav kondensācijas centru: nav putekļu daļiņu, nav jonu. Pēc sodrēju daļiņu no sērkociņa liesmas un jonu ievadīšanas kolbā sildot, uz tām kondensējas pārsātināti ūdens tvaiki. Tas pats notiek, ja uzlādēta daļiņa lido cauri kamerai: tā savā ceļā jonizē gaisa molekulas, uz jonu ķēdes notiek tvaiku kondensācija, un daļiņas trajektoriju kameras iekšpusē iezīmē miglas pilienu pavediens, t.i. kļūst redzams. Izmantojot mākoņu kameru, jūs varat ne tikai redzēt daļiņu kustību, bet arī izprast to mijiedarbības raksturu ar citām daļiņām.

Cits students demonstrē eksperimentu ar kiveti.

Pašdarināta kivete ar stikla dibenu ir uzstādīta uz ierīces ar ierīci horizontālai projekcijai. Uz kivetes stikla ar pipeti uzpilina ūdens pilienus un stumj bumbiņu. Pa ceļam bumba no pilieniņām noplēš “fragmentus” un atstāj “sliežu ceļu”. Tāpat kamerā daļiņa jonizē gāzi, joni kļūst par kondensācijas centriem un arī “veido sliežu ceļu”. Tas pats eksperiments sniedz skaidru priekšstatu par daļiņu uzvedību magnētiskajā laukā. Analizējot eksperimentu, mēs aizpildām tukšās vietas uz otrā plakāta ar uzlādēto daļiņu kustības raksturlielumiem:

Jo garāks ir sliežu ceļš, jo lielāka ir daļiņas enerģija (enerģija) un mazāks vides blīvums.

Jo lielāks ir daļiņas (lādiņš) un mazāks tās (ātrums), jo lielāks ir sliežu ceļa biezums.

Kad uzlādēta daļiņa pārvietojas magnētiskajā laukā, trase izrādās izliekta, un sliežu ceļa izliekuma rādiuss ir lielāks, jo lielāka ir daļiņas (masa) un (ātrums) un jo mazāka ir tās (lādiņš) un magnētiskā lauka (indukcijas modulis).

Daļiņa pārvietojas no sliežu ceļa gala ar (lielāku) izliekuma rādiusu līdz beigām ar (mazāku) izliekuma rādiusu. Izliekuma rādiuss samazinās kustoties, jo barotnes pretestības dēļ daļiņas ātrums (samazinās).

Tad es runāju par mākoņu kameras trūkumiem (galvenais ir neliels daļiņu diapazons) un nepieciešamību izgudrot ierīci ar blīvāku vidi - pārkarsētu šķidrumu (burbuļu kameru), fotogrāfisko emulsiju. Viņu darbības princips ir vienāds, un es iesaku bērniem to mācīties pašiem mājās.

Es strādāju ar celiņu fotogrāfijām uz lpp. 242 zīmēšanas pamācības. 196. Puiši strādā pa pāriem. Pabeidziet darbu pie atlikušajiem mājas rasējumiem.

Apkoposim nodarbību. Mēs secinām, ka, izmantojot aplūkotās metodes, var tieši novērot tikai uzlādētas daļiņas. Neitrālie nav iespējami, tie nejonizē vielu un līdz ar to nerada sliedes. Es dodu vērtējumus.

Mājas darbs: § 76 (G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev. Fizika-11. - M.: Izglītība, 1991), Nr. 1163 pēc A.P.Rimkeviča problēmu grāmatas; LR Nr. 6 “Uzlādētu daļiņu pēdu izpēte, izmantojot gatavas fotogrāfijas”. Formalizējiet un mācieties labi.

PAR AUTORU. Gaļina Gennadievna Emelina – 1.kvalifikācijas kategorijas skolotāja, pedagoģiskā pieredze 16 gadi. Aktīvi uzstājas fizikas skolotāju reģionālās metodiskās apvienības sēdēs; Ne reizi vien viņa sniedza labas atklātās stundas novada fiziķiem un skolotājiem savā skolā. Skolēni viņu mīl un ciena.

Šodien mēs runāsim par eksperimentālām metodēm daļiņu pētīšanai. Šajā nodarbībā mēs apspriedīsim, kā alfa daļiņas, kas rodas radioaktīvā elementa rādija sabrukšanas rezultātā, var izmantot atomu iekšējās struktūras pētīšanai. Mēs arī runāsim par eksperimentālām metodēm, lai pētītu daļiņas, kas veido atomu.

Tēma: Atoma un atoma kodola uzbūve. Izmantojot atomu kodolu enerģiju

54. nodarbība. Eksperimentālās metodes daļiņu pētīšanai

Erjutkins Jevgeņijs Sergejevičs

Šī nodarbība būs veltīta diskusijām par eksperimentālām metodēm daļiņu noteikšanai. Iepriekš mēs runājām par to, ka divdesmitā gadsimta sākumā parādījās instruments, ar kuru jūs varat izpētīt atoma uzbūvi un kodola uzbūvi. Tās ir a-daļiņas, kas veidojas radioaktīvās sabrukšanas rezultātā.

Lai reģistrētu tās daļiņas un starojumu, kas veidojas kodolreakciju rezultātā, ir nepieciešamas dažas jaunas metodes, kas atšķiras no makrokosmosā izmantotajām. Starp citu, viena šāda metode jau tika izmantota Rezerforda eksperimentos. To sauc par scintilācijas (zibspuldzes) metodi. 1903. gadā tika atklāts, ka, ja daļiņa ietriecas cinka sulfīdā, vietā, kur tā ietriecas, notiek neliels uzplaiksnījums. Šī parādība bija scintilācijas metodes pamatā.

Šī metode joprojām bija nepilnīga. Man bija ļoti uzmanīgi jāvēro ekrāns, lai redzētu visus zibšņus, manas acis bija nogurušas: galu galā man bija jāizmanto mikroskops. Radās nepieciešamība pēc jaunām metodēm, kas ļautu skaidrāk, ātrāk un uzticamāk reģistrēt noteiktus starojumus.

Šo metodi pirmo reizi ierosināja laboratorijas loceklis, kuru vadīja Rutherford, Geiger. Viņš radīja ierīci, kas spēj “saskaitīt” tajā iekrītošās lādētās daļiņas, tā saukto. Ģēģera skaitītājs. Pēc tam, kad vācu zinātnieks Mullers uzlaboja šo skaitītāju, tas kļuva pazīstams kā Geigera-Mullera skaitītājs.

Kā tas ir uzbūvēts? Šis skaitītājs ir gāzizlādes, t.i. Tas darbojas pēc šāda principa: tieši šajā skaitītājā, tā galvenajā daļā, daļiņai šķērsojot, veidojas gāzes izlāde. Atgādināšu, ka izlāde ir elektriskās strāvas plūsma gāzē.

Rīsi. 1. Geigera-Mullera skaitītāja shematiskā diagramma

Stikla trauks ar anodu un katodu. Katods ir attēlots cilindra formā, un anods ir izstiepts šī cilindra iekšpusē. Strāvas avota dēļ starp katodu un anodu tiek izveidots pietiekami augsts spriegums. Starp elektrodiem, vakuuma cilindra iekšpusē, parasti ir inerta gāze. Tas tiek darīts īpaši, lai nākotnē radītu tādu pašu elektrisko izlādi. Turklāt ķēdē ir augsta (R~10 9 omi) pretestība. Tas ir nepieciešams, lai nodzēstu šajā ķēdē plūstošo strāvu. Un skaitītājs darbojas šādi. Kā zināms, daļiņām, kas veidojas kodolreakciju rezultātā, ir diezgan liela iespiešanās spēja. Tāpēc stikla trauks, kura iekšpusē atrodas šie elementi, tiem nerada nekādus šķēršļus. Rezultātā daļiņa iekļūst šajā gāzizlādes skaitītājā un jonizē gāzi, kas atrodas iekšpusē. Šādas jonizācijas rezultātā veidojas enerģētiskie joni, kas savukārt saduras un rada, saduroties savā starpā, lādētu daļiņu lavīnu. Šī uzlādēto daļiņu lavīna sastāvēs no negatīviem un pozitīvi lādētiem joniem, kā arī elektroniem. Un, kad šī lavīna pāriet, mēs varam noteikt elektrisko strāvu. Tas mums dos iespēju saprast, ka daļiņa ir izgājusi cauri gāzizlādes skaitītājam.

Tas ir ērti, jo šāds skaitītājs vienā sekundē var reģistrēt aptuveni 10 000 daļiņu. Pēc dažiem uzlabojumiem šis skaitītājs sāka reģistrēt arī g-starus.

noteikti, Ģēģera skaitītājs- ērta lieta, kas ļauj noteikt radioaktivitātes esamību kopumā. Taču Geigera-Müllera skaitītājs neļauj noteikt daļiņas parametrus vai veikt nekādus pētījumus ar šīm daļiņām. Tas prasa pavisam citas metodes, pavisam citas metodes. Drīz pēc Geigera skaitītāja izveides parādījās šādas metodes un ierīces. Viena no slavenākajām un izplatītākajām ir Vilsona kamera.

Rīsi. 2. Mākoņu kamera

Pievērsiet uzmanību kameras dizainam. Cilindrs ar virzuli, kas var pārvietoties uz augšu un uz leju. Šī virzuļa iekšpusē ir tumša drāna, kas samitrināta ar spirtu un ūdeni. Cilindra augšdaļa ir pārklāta ar caurspīdīgu materiālu, parasti diezgan blīvu stiklu. Virs tā ir novietota kamera, lai fotografētu to, kas notiks mākoņa kamerā. Lai tas viss būtu ļoti skaidri redzams, kreisā puse ir izgaismota. Caur logu labajā pusē tiek virzīta daļiņu plūsma. Šīs daļiņas, kas iekrīt vidē, kas sastāv no ūdens un spirta, mijiedarbosies ar ūdens daļiņām un spirta daļiņām. Šeit slēpjas pats interesantākais. Telpa starp stiklu un virzuli ir piepildīta ar ūdens un spirta tvaikiem, kas rodas iztvaikošanas rezultātā. Kad virzulis strauji nokrīt uz leju, spiediens samazinās un tvaiki, kas atrodas šeit, nonāk ļoti nestabilā stāvoklī, t.i. gatavs nonākt šķidrumā. Bet, tā kā šajā telpā tiek ievietots tīrs spirts un ūdens bez piemaisījumiem, tad kādu laiku (var būt diezgan liels) šāds nelīdzsvara stāvoklis saglabājas. Brīdī, kad uzlādētas daļiņas nonāk šāda pārsātinājuma reģionā, tās kļūst par centriem, kuros sākas tvaika kondensācija. Turklāt, ja nokļūst negatīvās daļiņas, tās mijiedarbojas ar dažiem joniem un, ja pozitīvas, tad ar citas vielas joniem. Kur šī daļiņa lidoja, paliek tā sauktā trase jeb, citiem vārdiem sakot, pēda. Ja tagad mākoņu kamera ir novietota magnētiskajā laukā, tad daļiņas, kurām ir lādiņi, sāk novirzīties magnētiskajā laukā. Un tad viss ir ļoti vienkārši: ja daļiņa ir pozitīvi uzlādēta, tad tā tiek novirzīta vienā virzienā. Ja negatīvs, dodieties uz citu. Tādā veidā mēs varam noteikt lādiņa zīmi, un pēc pašas līknes rādiusa, pa kuru daļiņa pārvietojas, mēs varam noteikt vai novērtēt šīs daļiņas masu. Tagad mēs varam teikt, ka mēs varam iegūt pilnīgu informāciju par daļiņām, kas veido šo vai citu starojumu.

Rīsi. 3. Daļiņu pēdas mākoņu kamerā

Mākoņu kamerai ir viens trūkums. Pašas pēdas, kas veidojas daļiņu pārejas rezultātā, ir īslaicīgas. Katru reizi atkal jāsagatavo kamera, lai iegūtu jaunu attēlu. Tāpēc kameras augšpusē ir kamera, kas ieraksta tos pašus ierakstus.

Protams, šī nav pēdējā ierīce, kas tiek izmantota daļiņu reģistrēšanai. 1952. gadā tika izgudrota ierīce, ko sauca par burbuļu kameru. Tās darbības princips ir aptuveni tāds pats kā mākoņu kamerai; tikai darbs tiek veikts ar pārkarsētu šķidrumu, t.i. stāvoklī, kurā šķidrums gatavojas vārīties. Šajā brīdī caur šādu šķidrumu lido daļiņas, kas rada centrus burbuļu veidošanai. Šādā kamerā izveidotās sliedes tiek saglabātas daudz ilgāk, un tas padara kameru ērtāku.

Rīsi. 4. Burbuļu kameras izskats

Krievijā tika izveidota cita metode dažādu radioaktīvo daļiņu, sabrukšanas un reakciju novērošanai. Šī ir biezu plēvju emulsiju metode. Daļiņas iekrīt emulsijās, kas sagatavotas noteiktā veidā. Mijiedarbojoties ar emulsijas daļiņām, tās veido ne tikai pēdas, bet arī pēdas, kas pašas attēlo fotogrāfiju, ko iegūstam, fotografējot pēdas mākoņu kamerā vai burbuļu kamerā. Tas ir daudz ērtāk. Bet šeit ir arī viens būtisks trūkums. Lai fotoemulsijas metode darbotos diezgan ilgu laiku, ir jābūt pastāvīgai iespiešanās, jaunu daļiņu iekļūšanai vai radiācijai, kas veidojas, t.i. Šādā veidā reģistrēt īslaicīgus impulsus ir problemātiski.

Mēs varam runāt par citām metodēm: piemēram, ir metode, ko sauc par dzirksteles kameru. Tur radioaktīvo reakciju rezultātā, kas notiek pēc daļiņas, veidojas dzirksteles. Tie ir arī skaidri redzami un viegli reģistrējami.

Mūsdienās visbiežāk tiek izmantoti pusvadītāju sensori, kas ir kompakti, ērti un dod diezgan labus rezultātus.

Par to, kādi atklājumi tika veikti, izmantojot iepriekš aprakstītās metodes, mēs runāsim nākamajā nodarbībā.

Papildliteratūras saraksts

1. Borovoy A.A. Kā tiek noteiktas daļiņas (ar neitrīno pēdām). "Bibliotēka "Kvants"". Vol. 15. M.: Nauka, 1981. gads
2. Bronšteins M.P. Atomi un elektroni. "Bibliotēka "Kvants"". Vol. 1. M.: Nauka, 1980. gads
3. Kikoins I.K., Kikoins A.K. Fizika: Mācību grāmata vidusskolas 9. klasei. M.: "Apgaismība"
4. Kitaigorodskis A.I. Fizika visiem. Fotoni un kodoli. 4. grāmata M.: Zinātne
5. Mjakiševs G.J., Sinjakova A.Z. Fizika. Optika Kvantu fizika. 11. klase: mācību grāmata fizikas padziļinātai apguvei. M.: Dusis

Autors: Fomicheva S.E., Kirovas pilsētas MBOU “27.vidusskolas” fizikas skolotāja. Metodes elementārdaļiņu fiksēšanai un novērošanai Ģēģera skaitītājs Vilsona kamera Burbuļu kamera Fotoemulsijas metode Scintilācijas metode Dzirksteles kamera (1908) Paredzēta daļiņu automātiskai skaitīšanai. Ļauj reģistrēt līdz 10 000 vai vairāk daļiņu sekundē. Reģistrē gandrīz katru elektronu (100%) un 1 no 100 gamma kvantu (1%) Smago daļiņu reģistrācija ir sarežģīta Hanss Vilhelms Geigers 1882-1945 Ierīce: 2. Katods - plāns metāla slānis 3. Anods - plāns metāla pavediens 1 Stikla caurule, piepildīta ar argonu 4. Reģistrācijas ierīce Lai noteiktu γ-kvantu, caurules iekšējā siena ir pārklāta ar materiālu, no kura γ-kvanti izgrūž elektronus. Darbības princips: Darbības pamatā ir triecienjonizācija. Uzlādēta daļiņa, kas lido caur gāzi, atdala elektronus no atomiem. Parādās elektronu un jonu lavīna. Strāva caur skaitītāju strauji palielinās. Visā rezistorā R tiek ģenerēts sprieguma impulss, ko reģistrē skaitīšanas ierīce. Spriegums starp anodu un katodu strauji samazinās. Izlāde apstājas, skaitītājs atkal gatavs darbam (1912) Paredzēts daļiņu novērošanai un informācijas iegūšanai. Kad daļiņa iet garām, tā atstāj pēdas — pēdas, ko var novērot tieši vai fotografēt. Tiek atklātas tikai uzlādētas daļiņas, neitrālās neizraisa atoma jonizāciju, to klātbūtne tiek vērtēta pēc sekundāriem efektiem. Čārlzs Tomsons Rīss Vilsons 1869-1959 Ierīce: 7. Kamera piepildīta ar ūdeni un spirta tvaikiem 1. Daļiņu avots 2. Kvarca stikls 3. Elektrodi elektriskā lauka radīšanai 6. Kāpuri 5. Virzulis 4. Ventilators Darbības princips: Darbības pamatā ir par nestabilas valsts vides izmantošanu. Tvaiks kamerā ir tuvu piesātinājumam. Kad virzulis ir nolaists, notiek adiabātiska izplešanās un tvaiks kļūst pārsātināts. Ūdens pilieni veido sliedes. Lidojošā daļiņa jonizē atomus, uz kuriem kondensējas tvaiki, kas atrodas nestabilā stāvoklī. Virzulis paceļas, pilieni iztvaiko, elektriskais lauks noņem jonus un kamera ir gatava uzņemt nākamo daļiņu Informācija par daļiņām: trases garumā - par daļiņas enerģiju (jo vairāk L, jo vairāk W ); pēc pilienu skaita garuma vienībā - par ātrumu (jo vairāk N, jo vairāk v); Pēc trases biezuma - par lādiņa lielumu (jo vairāk d, jo vairāk q) Pēc sliežu ceļa izliekuma magnētiskajā laukā - par daļiņas lādiņa attiecību pret tās masu (jo vairāk R, jo vairāk m un v, jo vairāk q); Liekšanās virzienā ap daļiņu lādiņa zīmi. (1952) Izstrādāts, lai novērotu un iegūtu informāciju par daļiņām. Trases tiek pētītas, taču, atšķirībā no mākoņu kameras, tas ļauj pētīt daļiņas ar augstu enerģiju. Ir īsāks darba cikls - apmēram 0,1 s. Ļauj novērot daļiņu sabrukšanu un tās izraisītās reakcijas. Donalds Arturs Glasers 1926-2013 Ierīce: Līdzīgi kā mākoņu kamera, bet tvaiku vietā tiek izmantots šķidrais ūdeņradis vai propāns.Šķidrums atrodas zem augsta spiediena temperatūrā virs viršanas temperatūras. Virzulis nolaižas, spiediens pazeminās un šķidrums nonāk nestabilā, pārkarsētā stāvoklī. Tvaika burbuļi veido sliedes. Lidojoša daļiņa jonizē atomus, kas kļūst par iztvaikošanas centriem. Virzulis paceļas, tvaiki kondensējas, elektriskais lauks noņem jonus un kamera ir gatava uzņemt nākamo daļiņu (1895.) Plāksne ir pārklāta ar emulsiju, kas satur lielu skaitu sudraba bromīda kristālu. Daļiņai lidojot garām, tā atdala elektronus no broma atomiem, un šādu kristālu ķēde veido latentu attēlu. Izstrādājot, šajos kristālos tiek atjaunots metāliskais sudrabs. Sudraba graudiņu ķēde veido trasi. Antuāns Anrī Bekerels Šī metode ļauj reģistrēt retas parādības starp daļiņām un kodoliem. 1. Alumīnija folija 4. Dinode 5. Anods 3. Fotokatods 2. Scintilators Scintilācijas metode ietver sīku gaismas uzplaiksnījumu skaitīšanu, kad alfa daļiņas ietriecas ekrānā, kas pārklāts ar cinka sulfīdu. Tā ir scintilatora un fotopavairotāja kombinācija. Visas daļiņas un 100% gamma kvantu ir reģistrēti. Ļauj noteikt daļiņu enerģiju. Tā ir paralēlu metāla elektrodu sistēma, starp kurām atstarpe ir piepildīta ar inertu gāzi. Attālums starp plāksnēm ir no 1 līdz 10 cm Izlādes dzirksteles ir stingri lokalizētas. Tie rodas tur, kur parādās bezmaksas maksas. Dzirksteļu kameras var būt vairāku metru lielas. Daļiņai lidojot starp plāksnēm, izlaužas dzirkstele, radot ugunīgu trasi. Priekšrocība ir tā, ka reģistrācijas process ir pārvaldāms.