Экспериментальные методы исследования частиц - Физика атомного ядра - Квантовая физика

Цель: познакомить учащихся с экспериментальными методами исследования частиц.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания

- В чем заключалось открытие, сделанное Беккерелем в 1896 г.?

- Как стали называть способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению?

- Как были названы частицы, входящие в состав радиоактивного излучения?

- О чем свидетельствует явление радиоактивности?

- Что происходит с радием в результате α-распада?

- Какая часть атома - ядро или электронная оболочка - претерпевают изменения при радиоактивном распаде?

- Запишите реакцию α-распада радия и объясните, что означает каждый символ в этой записи.

- Как называются верхнее и нижнее числа, стоящие перед буквенным обозначением элемента?

- Чему равно массовое число?

- На примере реакции α-распада радия объясните, в чем заключаются законы сохранения заряда (зарядового числа) и массового числа?

- Какой вывод следовал из открытия, сделанного Резерфордом и Содди?

- Что такое радиоактивность?

III. Изучение нового материала

Для изучения ядерных явлений были разработаны методы регистрации элементарных частиц и излучений. Наиболее распространенными являются методы, основанные на ионизующем и фотохимическом действии частиц.

Сцинтилляционный счетчик

В 1903 г. У. Крупе заметил, что α-частицы, испускаемые радиоактивным аппаратом, попадая на покрытый сернистым цинком экран, вызывают свечение. Устройство было использовано Э. Резерфордом. Сцинтилляции теперь наблюдают и считают не визуально, а с помощью специальных устройств - сцинтилляционных счетчиков.

Газоразрядный счетчик Гейгера

Действие основано на ударной ионизации. Заряженная частица, пролетающая в газе, отрывает у атома электрон и создает ионы и электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергии, при которой начинается ударная ионизация.

Чтобы счетчик Гейгера мог регистрировать наглядно попадающую в него частицу, надо своевременно прекратить лавинный разряд. Быстрое гашение разряда можно достичь примесями, добавленными к инертному газу. Положительные ионы газа, сталкиваясь с молекулами спирта, рекомбинируют в нейтральные атомы и теряют способность выбивать из катода электроны (самогасящиеся счетчики). В других счетчиках гашение разряда производят, подбирая определенное нагрузочное сопротивление с цепи счетчика:

R ≈ 10³ Ом.

Так, возникающий при самостоятельном разряде проход через резистор, вызывает на нем большое падение напряжения, что приводит к быстрому уменьшению напряжения между анодом и катодом: лавинный разряд прекращается.

На электродах восстанавливается начальное напряжение, и счетчик готов к регистрации следующей частицы. Скорость счета равна 10⁴ частиц в секунду.

Камера Вильсона

Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капель воды. Если в геометрическом сосуде с парами воды или спирта происходит резкое расширение газа (адиабатный процесс), температура убывает. И если в этот момент через объем камеры пролетает заряженная частица, то на своем пути она создает ионы, на которых образуются капельки сконденсировавшегося пара.

Таким образом, частица оставляет за собой след (трек) в виде полоски тумана. Этот трек можно наблюдать или сфотографировать. По треку можно определить энергию и скорость частицы. Если поместить камеру в магнитное поле, то по искривлению трека можно определить знак заряда и его энергию, а по толщине трека - величину заряда и массу частицы.

Пузырьковая камера

В 1952 г. Д. Глейзером для регистрации заряженных частиц, имеющих высокую энергию, была создана пузырьковая камера. Принцип действия ее основан на том, что в перегретом состоянии чистая жидкость, находясь под высоким давлением, не закипает при температуре выше точки кипения. Пузырьковая камера заполнена жидким водородом под высоким давлением. При резком уменьшении давления переводят жидкость в перегретое состояние.

Если в это время в рабочий объем камеры попадает заряженная частица, то она образует на своем пути в жидкости цепочку ионов. В области пролета частицы жидкость закипает, вдоль ее траектории появляются мелкие пузырьки пара, которые являются треком этой частицы.

Преимущество перед камерой Вильсона: пузырьковая камера может регистрировать частицы с большей энергией, так как в пузырьковой камере большая плотность рабочего вещества. Кроме того, по сравнению с камерой Вильсона, пузырьковая камера обладает быстродействием. Рабочий цикл равен 0,1 с.

Метод толстослойных фотоэмульсий

Этот метод был разработан в 1928 г. физиками А. П. Ждановым и Л. В. Мысовским. Его сущность заключается в использовании специальных фотоэмульсий для регистрации заряженных частиц. Пролетающая сквозь фотоэмульсию быстрая частица действует на зерна бромистого серебра и образует скрытое изображение. При проявлении фотопластинки образуется трек. После исследования трека оценивается энергия и масса заряженной частицы.

Преимущество метода: с его помощью получают неисчезающие со временем следы частиц, которые могут быть тщательно изучены.

Сегодня широкое применение нашли полупроводниковые детекторы, регистрирующие α-, β-, γ-излучения.

IV. Закрепление материала

- На каком принципе основано действие газоразрядного счетчика Гейгера?

- Какого вида излучения регистрирует счетчик Гейгера?

- Какие изменения могут произойти в работе счетчика, если резистор R заменить другим, имеющим меньшее сопротивление?

- Какой вид имеет траектория движения электрона в пузырьковой камере, помещенной в магнитное поле?

- Можно ли в камере Вильсона наблюдать треки заряженной частицы со временем жизни 10^-23 с?

- На каком принципе основано действие пузырьковой камеры?

V. Подведение итогов урока

Домашнее задание

п. 98.

Попробуйте решить следующую практическую задачу:

По трубопроводу течет бензин, а вслед за ним - нефть. Как определить момент, когда через данное сечение трубопровода проходит граница раздела бензина и нефти? (Пробу брать нельзя, но у вас есть счетчик Гейгера и радиоактивный препарат.)