11 класс
Квантовая физика. Астрофизика
Глава 11. Физика атомного ядра. Элементарные частицы
C того момента, когда Резерфорд доказал существование ядра внутри атома, началось развитие ядерной физики. В этом разделе физики рассматриваются структура и свойства атомных ядер, процессы их взаимопревращения, которые происходят в результате радиоактивных распадов или различных ядерных реакций. К ядерной физике иногда относят физику элементарных частиц. Предметом её исследований является изучение природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.
Данные разделы физики тесно взаимосвязаны. Если многие элементарные частицы (например, нейтрон, нейтрино) были открыты при исследовании ядерных процессов, то, в свою очередь, исследование взаимодействия и взаимных превращений элементарных частиц позволило выявить природу многих ядерных процессов, например таких, как β-излучение ядер. Для изучения ядерных процессов, свойств элементарных частиц используются технически сложные экспериментальные установки (например, ускорители заряженных частиц).
§ 64. Методы регистрации заряженных частиц
Характеристики регистрирующих устройств.
В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства. Они различаются такими характеристиками, как эффективность (отношение количества зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших в прибор), минимальное время регистрации (время, за которое прибор после регистрации частицы возвращается в исходное, рабочее состояние), точность измерений энергий, масс, зарядов частиц и т. д.
В настоящее время разработано множество счётчиков и детекторов элементарных частиц. Рассмотрим некоторые из них.
Газоразрядный счётчик Гейгера.
Счётчик Гейгера 1 (рис. 11.1, а) — один из важнейших приборов для автоматического счёта частиц. Конструктивно он состоит из стеклянной трубки 1 (рис. 11.1, б), покрытой изнутри металлическим слоем (катод 2), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод 3).
1 Eгo принцип действия был предложен в 1908 г. сотрудником Резерфорда немецким физиком Хансом Гейгером (1882—1945). В 1928 г. он совместно с Вальтером Мюллером (1905—1979) усовершенствовал счётчик, поэтому его часто называют счётчиком Гейгера — Мюллера.
Трубка заполняется при низком давлении неоном или аргоном. Заряженная частица (электрон, α-частица и т. д.), пролетая в газе, отрывает у атомов электроны и создаёт положительные ионы и свободные электроны. «Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. При этом возникает лавина ионов, и ток через счётчик резко возрастает. На нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подаётся в регистрирующее устройство (обычно это усилитель и механический счётчик). Для того чтобы счётчик мог регистрировать новую частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически.
В момент появления импульса тока падение напряжения на нагрузочном резисторе R велико, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается — настолько, что разряд прекращается и счётчик снова готов к работе. Счётчик Гейгера применяют в основном для регистрации электронов и γ-квантов (фотонов большой энергии).
Камера Вильсона.
Счётчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые её характеристики. В камере же заряженная частица оставляет след (трек), который можно непосредственно наблюдать или фотографировать. Камера Вильсона была изобретена в 1912 г. шотландским физиком Чарльзом Вильсоном (1869—1959). Устройство представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению. На рисунке 11.2 цифрами обозначены: 1 — источник заряженных частиц; 2 — поршень; 3 и 4 — электроды для создания электрического поля; 5 — лампа для бокового освещения; 6 — треки заряженных частиц.
При резком опускании поршня пар в камере адиабатно расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение пара, и он становится пересыщенным. Это неустойчивое состояние пара. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или после него, то ионы, которые она образует, будут действовать как центры конденсации. Возникающие на них капельки воды образуют след пролетевшей частицы — трек. Затем камера возвращается в исходное состояние, и ионы удаляются электрическим полем. Перед расширением это поле выключается. Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счётчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу его длины оценить её скорость.
Помещая камеру в однородное магнитное поле 2, можно по направлению изгиба траектории и её кривизне определить знак заряда и отношение заряда к массе или импульс частицы (если её заряд известен).
2 Данный метод был разработан советскими физиками Негром Леонидовичем Капицей (1894—1984) и Дмитрием Владимировичем Скобельцыным (1892—1990).
Камера Вильсона позволила сделать ряд важнейших открытий в ядерной физике. По наблюдениям траекторий частиц в камере Вильсона в сильном магнитном поле американский физик Карл Андерсон (1905—1991) обнаружил в составе космических лучей новую частицу — позитрон. Эта частица имела такую же массу, как и электрон, но обладала, в отличие от него, не отрицательным, а положительным электрическим зарядом.
Пузырьковая камера.
В 1952 г. американским физиком Дональдом Глазером (1926—2013) была изобретена пузырьковая камера. Устройство заполняется жидкостью, чаще всего жидким водородом или пропаном. В подготовленном для работы состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим её от закипания, несмотря на то, что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение некоторого времени находится в этом неустойчивом состоянии. Для того чтобы она закипела, нужны центры парообразования. Пролетающая заряженная частица и создаёт такие центры в виде цепочки ионов. На этих ионах образуются пузырьки пара, образующие трек частицы (рис. 11.3).
Длительность рабочего цикла камеры невелика — около 0,1 с. В этом заключается преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона. Из-за большой плотности жидкости (по сравнению с плотностью газа) частица быстро теряет свою энергию. Пробеги частиц оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий задерживаются в камере. Это позволяет наблюдать как распад частицы (или серию последовательных распадов), так и вызываемые ею реакции.
Для регистрации заряженных частиц широко используется явление ионизации атомов, которое они вызывают в веществе детектора. На этом основана работа таких детекторов, как камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы. Незаряженные частицы (например, γ-кванты) детектируются по вторичным заряженным частицам, возникающим в результате их взаимодействия с веществом детектора. Быстрораспадающиеся частицы регистрируются по продуктам их распада.
Вопросы:
1. Нa чём основан принцип действия газоразрядного счётчика Гейгера?
2. Для регистрации каких частиц используется счётчик Гейгера?
3. Как устроена камера Вильсона? Почему пролетевшая заряженная частица в камере Вильсона образует трек?
4. Какими преимуществами обладает пузырьковая камера по сравнению с камерой Вильсона?
Вопросы для обсуждения:
1. Почему пролетающий протон оставляет в камере Вильсона видимый след, а пролетающий нейтрон нет?
2. На рисунке 11.4 пунктиром показан трек электрона в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. В каком направлении двигался электрон, если линии магнитной индукции поля направлены к вам?
3. В камере Вильсона, перегороженной твёрдой пластинкой, замечен след частицы (рис. 11.5). В какую сторону двигалась частица? Какой по знаку заряд она имеет, если линии индукции магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости чертежа, к вам?
