Методи за наблюдение и регистриране на елементарни частици. Регистрация на заредени частици Какво е гама -лъчение

11 кл.

Опция 1

1. Работата на брояча на Гайгер се основава на

А. Разделяне на молекули чрез движеща се заредена частица Б. Ударна йонизация.

Б. Отделяне на енергия от частица. Г. Образуване на пара в прегрята течност.

Г. Кондензация на пренаситени пари.

2. Устройство за регистрация елементарни частицичието действие се основава на

образуването на парни мехурчета в прегрята течност се нарича

А. Дебелослойна фотографска емулсия. Б. Брояч на Гейгер. Б. Камера.

Камара на Г. Уилсън. Г. Камера за балончета.

3. Камера на Уилсън се използва за изследване на радиоактивно излъчване. Действието му се основава на факта, че когато бързо заредена частица премине през нея:
А. в газа се появява следа от капчици течност; Б. в газа се появява импулс на електрически ток;
V. в плочата се образува скрит образ на следата от тази частица;

В течността се появява светкавица светлина.

4. Какво представлява дебелослойната емулсионна писта?

Верига от водни капчици В. Верига от парни мехурчета

В. Електронно лавино D. Сребърна зърнена верига

5. Възможно ли е да се регистрират незаредени частици с помощта на камерата на Уилсън?

А. Възможно е, ако те имат малка маса (електрон)

Б. Възможно е, ако те имат малък импулс

Б. Възможно е, ако те имат голяма маса (неутрони)

Г. Възможно е, ако имат голям импулс D. Това е невъзможно

6. С какво е пълна камерата на Уилсън

А. Парите на вода или алкохол. Б. Газ, обикновено аргон. Б. Химически реактиви

Г. Нагрява се почти до кипящ течен водород или пропан

7. Радиоактивността е ...

А. Способността на ядрата да излъчват спонтанно частици, като същевременно се превръщат в ядра на други

химични елементи

Б. Способността на ядрата да излъчват частици, като същевременно се превръщат в ядра от друг химикал

елементи

Б. Способност на ядрата да излъчват спонтанно частици

Г. Способност на ядрата да излъчват частици

8. Алфа - радиация- това е

9. Гама - радиация- това е

A. Поток на положителни частици B. Поток на отрицателни частици C. Поток на неутрални частици

10. Какво е бета радиация?

11. При α-разпадането ядрото ...

А. се превръща в ядрото на друг химичен елемент, което е две клетки по -близо до

горната част на периодичната таблица

Б. се превръща в ядрото на друг химичен елемент, който е една клетка по -нататък

от началото на периодичната таблица

G. Остава ядрото на същия елемент с намалено с единица масово число.

12. Радиоактивният детектор на радиация се поставя в затворена картонена кутия с дебелина на стената повече от 1 мм. Какъв вид радиация може да регистрира?

13. В какво се превръща уран-238 след товаα - и двеβ - се разпада?

14. Какъв елемент трябва да бъде на мястото на X?

204 79 Au X + 0 -1 e

11 кл.

Тест „Методи за регистриране на елементарни частици. Радиоактивност ".

Вариант 2.

1. Устройство за регистриране на елементарни частици, чието действие се основава на

кондензация на пренаситена пара, т.нар

A. Фотоапарат B. Камера на Wilson C. Дебелослойна фотографска емулсия

Г. Брояч на Гайгер D. Камера с мехурчета

2. Устройство за запис на ядрена радиация, при което преминаването на бързо заредено

частици предизвиква появата на следа от капчици течност в газ, т.нар

A. Брояч на Гайгер B. Камера на Уилсън C. Дебелослойна фотографска емулсия

Г. Камера с мехурчета E. Екран от цинков сулфид

3. В кое от следните устройства за запис на ядрена радиация

преминаването на бързо заредена частица причинява появата на електрически импулс

ток в газа?

А. В брояч на Гайгер B. В камера на Уилсън C. Във фотографска емулсия

Г. В сцинтилационен брояч.

4. Фотоемулсионният метод за откриване на заредени частици се основава на

А. Ударна йонизация. Б. Разделяне на молекули от движеща се заредена частица.

Б. Образуване на пара в прегрята течност. Г. Кондензация на пренаситени пари.

Д. Отделяне на енергия от частица

5. Заредената частица причинява появата на следа от мехурчета течни пари в

А. Брояч на Гейгер. Камера на Б. Уилсън V. Фотоемулсии.

Г. Сцинтилационен брояч. Г. Камера за балончета

6. С какво е пълна балонната камера

А. Парите на вода или алкохол. Б. Газ, обикновено аргон. Б. Химически реактиви.

Г. Нагрява се почти до кипящ течен водород или пропан.

7... Контейнерът с радиоактивното вещество се поставя в

магнитно поле, причиняващо лъча

радиоактивното излъчване се разпада на три

компоненти (вижте фигурата). Компонент (3)

съответства на

A. Гама радиация B. Алфа радиация

Б. Бета радиация

8. Бета радиация- това е

A. Поток на положителни частици B. Поток на отрицателни частици C. Поток на неутрални частици

9. Какво е алфа радиация?

А. Поток от хелиеви ядра Б. Поток от протони В. Поток от електрони

Г. Електромагнитни вълнивисока честота

10. Какво е гама лъчение?

А. Поток от хелиеви ядра Б. Поток от протони В. Поток от електрони

Г. Високочестотни електромагнитни вълни

11. При β-разпадането ядрото ...

А. Превръща се в ядрото на друг химичен елемент, който е една клетка по -нататък

от началото на периодичната таблица

Б. Той се превръща в ядрото на друг химичен елемент, който е две клетки по -близо до

горната част на периодичната таблица

Б. Остава сърцевината на същия елемент със същото масово число

G. Остава ядрото на същия елемент с намалено с единица масово число

12 Кой от трите вида радиация има най -голяма проникваща сила?

A. Гама радиация B. Алфа радиация C. Бета радиация

13. Ядрото, чийто химичен елемент е продукт на един алфа разпад

и два бета -разпада на ядрото на този елемент 214 90 Th?

14. Кой елемент трябва да бъде замененх?

ВСИЧКИ УРОКИ ПО ФИЗИКА 11 клас
АКАДЕМИЧНО НИВО

2 -ри семестър

АТОМНА И ЯДРЕНА ФИЗИКА

УРОК 11/88

Тема. Методи за регистрация йонизиращо лъчение

Цел на урока: запознаване на учениците с съвременни методиоткриване и изследване на заредени частици.

Тип на урока: урок за изучаване на нов материал.

ПЛАН НА УРОКА

Контрол на знанията		1. Полуживот. 2. Законът за радиоактивното разпадане. 3. Връзка между постоянния полуживот и интензивността на радиоактивното излъчване.
Демонстрации		2. Наблюдение на следи от частици в камерата на Уилсън. 3. Снимки на следи от заредени частици в камера с мехурчета.
Изучаване на нов материал		1. Структурата и принципът на действие на брояча на Гайгер-Мюлер. 2. Йонизационна камера. 3. Камерата на Уилсън. 4. Камера за балончета. 5. Методът на дебелослойна емулсия.
Укрепване на изучения материал		1. Качествени въпроси. 2. Научете се да решавате проблеми.

ИЗУЧВАНЕ НА НОВ МАТЕРИАЛ

Всички съвременни регистрации ядрени частиции емисиите могат да бъдат разделени на две групи:

а) изчислителните методи, базирани на използването на устройства, отчитат броя на частиците от определен тип;

б) трябва да бъдат проследяващи методи, позволяващи пресъздаване на частиците. Броячът на Geiger-Muller е едно от най-важните устройства за автоматично преброяване на частици. Броячът се основава на ударна йонизация. Заредена частица прелита през газа, отстранявайки електроните от атомите и създавайки положителни йони и свободни електрони. Електрическото поле между анода и катода ускорява електроните до енергии, при които започва йонизацията. Броячът на Гайгер-Мюлер се използва главно за регистриране на електрони и γ-лъчение.

Тази камера ви позволява да измервате дозата йонизираща радиация. Обикновено това е цилиндричен кондензатор с газ между плочите. Между плочите се подава високо напрежение. При липса на йонизиращо лъчение токът практически отсъства, а при облъчване с газ в него се появяват свободни заредени частици (електрони и йони) и тече слаб ток. Този слаб ток се усилва и измерва. Силата на тока характеризира йонизиращия ефект на радиацията (γ-кванти).

Камерата на Уилсън, създадена през 1912 г., предоставя много по -големи възможности за изучаване на микросвета. В тази камера бързо заредена частица оставя следа, която може да се наблюдава директно или да се снима.

Действието на камерата на Уилсън се основава на кондензацията на пренаситени пари върху йони с образуването на водни капчици. Тези йони се създават по нейната траектория от движеща се заредена частица. Капките образуват видимата следа от летящата частица - следата.

Информацията, дадена от следите в камерата на Уилсън, е много по -пълна от тази, която могат да дадат броячите. Енергията на частиците може да се определи от дължината на коловоза, а скоростта й се изчислява от броя на капчиците на единица дължина на коловоза.

Руските физици П. Л. Капица и Д. В. Скобелцин предлагат камерата на Уилсън да се постави в еднородно магнитно поле. Магнитно поле действа върху заредена движеща се частица с определена сила. Тази сила огъва траекторията на частицата, без да променя модула на нейната скорост. Зад кривата на коловоза можете да определите съотношението на заряда на частиците към неговата маса.

Обикновено следите от частици в камерата на Уилсън не само се наблюдават, но и се снимат.

През 1952 г. американският учен Д. Глазър предлага да се използва прегрята течност за откриване на следи от частици. В тази течност се появяват парни мехурчета върху йони, образувани по време на движението на бързо заредена частица, които дават видима следа. Камери от този тип се наричаха балонни камери.

Предимството на балонната камера пред камерата на Уилсън се дължи на по -високата плътност на работното вещество. В резултат пътищата на частиците се оказват доста кратки и частици с дори висока енергия "се забиват" в камерата. Това дава възможност да се наблюдават поредица от последователни трансформации на частица и реакциите, причинени от нея.

Следите в камерата на Уилсън и камерата с мехурчета са един от основните източници на информация за поведението и свойствата на частиците.

Най-евтиният метод за откриване на частици и радиация е фотоемулсионният метод. Тя се основава на факта, че заредена частица, движеща се във фотографска емулсия, разрушава молекулите на сребърен бромид в тези зърна, през които е преминала. По време на развитието металното сребро се редуцира в кристалите и верига от сребърни зърна образува следа от частици. Дължината и дебелината на коловоза могат да се използват за оценка на енергията и масата на частицата.

ВЪПРОС КЪМ УЧЕНИЦИТЕ ПО ВРЕМЕ НА ПРЕДСТАВЯНЕТО НА НОВ МАТЕРИАЛ

Първо ниво

1. Възможно ли е да се регистрират незаредени частици с помощта на камерата на Уилсън?

2. Какви са предимствата на балонната камера пред камерата на Уилсън?

Второ ниво

1. Защо алфа частиците не са регистрирани в брояча на Гайгер-Мюлер?

2. Какви характеристики на частиците могат да бъдат определени с помощта на камера на Уилсън, поставена в магнитно поле?

ОБЕЗПЕЧЕНИЕ НА ИЗУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛ

1. Как с помощта на камерата на Уилсън е възможно да се определи естеството на летящата в камерата частица, нейната енергия, скорост?

2. За каква цел камерата на Уилсън понякога се блокира със слой олово?

3. Където дължината на свободния път на частица е по -голяма: на повърхността на Земята или в горните слоевеатмосфера?

1. Фигурата показва следа -частица, движеща се в еднородно магнитно поле с магнитна индукция 100 mT, напрегната перпендикулярно на равнината на фигурата. Разстоянието между линиите на мрежата на фигурата е 1 см. Каква е скоростта на частицата?

2. Снимката, показана на фигурата, е направена в камера на Уилсън, пълна с водни пари. Каква частица би могла да прелети през камерата на Уилсън? Стрелката показва посоката на началната скорост на частицата.

2. Съб.: No 17.49; 17,77; 17,78; 17,79; 17.80.

3. D: подгответе се за самостоятелна работа № 14.

ЗАДАЧИ ОТ НЕЗАВИСИМА РАБОТА No 14 „АТОМЕН ЯДРЕН. ЯДРЕНИ СИЛИ. РАДИОАКТИВНОСТ "

Разпадането на радий 226 88 Ra

И броят на протоните в ядрото намалява с 1.

Ще се образува ядро ​​с атомен номер 90.

Образува се ядро ​​с масово число 224.

D Образува ядрото на атом от друг химичен елемент.

Камера на Уилсън се използва за регистриране на заредени частици.

Камерата на Уилсън ви позволява да определите само броя на частиците, които са прелетели.

Камерата на Уилсън може да се използва за регистриране на неутрони.

Заредени частици, летящи през камерата на Уилсън, предизвикват кипене на прегрятата течност.

D Чрез поставянето на камерата на Уилсън в магнитно поле е възможно да се определи знакът за заряда на преминаващите частици.

Задача 3 има за цел да установи съответствие (логическа двойка). За всеки ред, маркиран с буква, съпоставете изявлението, маркирано с цифра.

И Протон.

Ще има неутрон.

Изотопите.

D Алфа частици.

1 Неутрална частица, образувана от един протон и един неутрон.

2 Положително заредена частица, образувана от два протона и два неутрона. Идентичен с ядрото на атома на хелия

3 Частица, която няма електрически заряд и има маса 1,67 · 10-27 кг.

4 Частица с положителен заряд е по модул равна на заряда на електрон и тежи 1,67 · 10-27 kg.

5 ядра със същия електрически заряд, но различни маси.

Какъв изотоп се образува от уран 23992 U след два β -разпада и един -разпад? Запишете уравнението на реакцията.

Първо, нека се запознаем с устройствата, благодарение на които физиката на атомното ядро ​​и елементарните частици възникна и започна да се развива. Това са устройства за регистриране и изучаване на сблъсъци и взаимни трансформации на ядра и елементарни частици. Те предоставят необходимата информация за събитията в микрокосмоса. Принципът на действие на устройствата за регистриране на елементарни частици. Всяко устройство, което открива елементарни частици или движещи се атомни ядра, като заредено оръжие с наклонен спусък. Малка сила при натискане на спусъка на пистолета предизвиква ефект, който не може да се сравни с изразходваното усилие - изстрел. Записващото устройство е повече или по -малко сложна макроскопична система, която може да е в нестабилно състояние. С леко смущение, причинено от преминаваща частица, системата започва да преминава в ново, по -стабилно състояние. Този процес позволява регистриране на частица. В момента се използват много различни методи за откриване на частици. В зависимост от целите на експеримента и условията, при които той се провежда, се използват определени записващи устройства, които се различават помежду си по основни характеристики. Газов брояч на Гайгер. Броячът на Гайгер е едно от най -важните устройства за автоматично броене на частици. Броячът (фиг. 253) се състои от стъклена тръба, покрита отвътре с метален слой (катод), и тънка метална нишка, преминаваща по оста на тръбата (анод). Тръбата е пълна с газ, обикновено аргон. Броячът се основава на ударна йонизация. Заредена частица (електрон, а-частица и т.н.), летяща през газа, отнема електрони от атомите и създава положителни йони и свободни електрони. Електрическото поле между анода и катода (към тях се прилага високо напрежение) ускорява електроните до енергии, при които започва ударната йонизация. Възниква лавина от йони и токът през брояча рязко се покачва. В този случай през резистора за натоварване R се генерира импулс на напрежение, който се подава към записващото устройство. Лавинният разряд трябва да бъде гасен, за да може броячът да регистрира следващата част, която е попаднала в него. Това става автоматично. Тъй като в момента на появата на токовия импулс, спадът на напрежението в натоварващия резистор R е голям, напрежението между анода и катода намалява рязко - толкова много, че разрядът спира. Броячът на Гайгер се използва главно за регистриране на електрони и y-кванти (фотони с висока енергия). Въпреки това, поради ниската йонизираща способност, γ квантите не се регистрират директно. За да ги открие, вътрешната стена на тръбата е покрита с материал, от който гама квантите избиват електрони. Броячът регистрира почти всички електрони, влизащи в него; що се отнася до y-квантите, той регистрира приблизително само един y-квант от сто. Регистрацията на тежки частици (например а-частици) е трудна, тъй като е трудно да се направи достатъчно тънък прозорец в брояча прозрачен за тези частици. В момента са създадени броячи, които работят на принципи, различни от брояча на Гайгер. Стаята на Уилсън. Броячите позволяват само регистриране на факта на преминаване на частици през тях и фиксиране на някои от неговите характеристики. В камерата на Уилсън, създадена през 1912 г., бързо заредена частица оставя следа, която може да се наблюдава директно или да се снима. Това устройство може да се нарече прозорец в микросвета, тоест света на елементарни частици и системи, състоящи се от тях. Действието на камерата на Уилсън се основава на кондензация на пренаситена пара върху йони с образуване на водни капчици. Тези йони се създават по нейната траектория от движеща се заредена частица. Камерата на Уилсън е херметически затворен съд, напълнен с водни или алкохолни пари, близки до насищане (фиг. 254). При рязко спускане на буталото, причинено от намаляване на налягането под него, парата в камерата се разширява адиабатно. В резултат на това се получава охлаждане и парата става пренаситена. Това е нестабилно състояние на пара: парата лесно се кондензира. Йони, които се образуват в работното пространство на камерата от преминаваща частица, се превръщат в центрове на кондензация. Ако частица влезе в камерата непосредствено преди или непосредствено след разширяването, тогава по пътя й се появяват водни капчици. Тези капчици образуват видима следа от преминаваща частица - следа (фиг. 255). След това камерата се връща в първоначалното си състояние и йоните се отстраняват от електрическото поле. В зависимост от размера на камерата, времето за възстановяване на режима на работа варира от няколко секунди до десетки минути. Информацията, дадена от следите в камерата на Уилсън, е много по -богата от тази, която могат да дадат броячите. Енергията на частиците може да бъде определена от дължината на коловоза, а скоростта й може да бъде оценена от броя на капчиците на единица дължина на коловоза. Колкото по -дълъг е следата на частиците, толкова по -голяма е нейната енергия. И колкото повече капчици вода се образуват на единица дължина на коловоза, толкова по -ниска е скоростта му. Частици с висок заряд оставят по -дебела следа. Съветските физици П. Л. Капица и Д. В. Скобелцин предлагат поставянето на камерата на Уилсън в еднородно магнитно поле. Магнитно поле действа върху движеща се заредена частица с определена сила (сила на Лоренц). Тази сила огъва траекторията на частицата, без да променя модула на нейната скорост. Колкото по -голям е зарядът на частицата и по -малка е нейната маса, толкова по -голяма е кривината на следата. Кривината на коловоза може да се използва за определяне на съотношението на заряда на частиците към неговата маса. Ако едно от тези количества е известно, другото може да се изчисли. Например, чрез заряда на частица и кривината на нейната следа, изчислете масата. Камера за балончета. През 1952 г. американският учен Д. Глейзер предлага да се използва прегрята течност за откриване на следи от частици. В такава течност се появяват парни мехурчета върху йони, образувани по време на движението на бързо заредена частица, давайки видима следа. Камери от този тип се наричаха балонни камери. В първоначалното състояние течността в камерата е под високо налягане, което я предпазва от кипене, въпреки факта, че температурата на течността е по -висока от точката на кипене при атмосферно налягане. При рязък спад на налягането течността се оказва прегрята и за кратко време тя ще бъде в нестабилно състояние. Заредените частици, летящи точно в този момент, предизвикват появата на следи, състоящи се от парни мехурчета (фиг. 256). Използваната течност е предимно течен водород и пропан. Продължителността на работния цикъл на балонната камера е кратка - около 0,1 s. Предимството на балонната камера пред камерата на Уилсън се дължи на по -високата плътност на работното вещество. В резултат пътищата на частиците се оказват доста кратки и частици с дори висока енергия се забиват в камерата. Това ви позволява да наблюдавате поредица от последователни трансформации на частица и реакциите, които тя предизвиква. Следите в камерата на Уилсън и камерата с мехурчета са един от основните източници на информация за поведението и свойствата на частиците. Наблюдението на следи от елементарни частици прави силно впечатление, създава усещане за директен контакт с микрокосмоса. Методът на дебелослойни фотографски емулсии. За регистриране на частици, заедно с камерите на Уилсън и камерите с мехурчета, се използват фотослойни емулсии с дебел слой. Йонизиращият ефект на бързо заредени частици върху емулсията на фотографска плоча позволи на френския физик А. Бекерел да открие радиоактивността през 1896 г. Методът на фотографската емулсия е разработен от съветските физици Л. В. Мисовски, А. П. Жданов и др. Фотоемулсията съдържа голям брой микроскопични кристали от сребърен бромид. Бързо заредена частица, проникваща в кристала, отнема електрони от отделни атоми на брома. Верига от тези кристали образува латентно изображение. Когато се развиват в тези кристали, металното сребро се редуцира и верига от сребърни зърна образува следа от частици (фиг. 257). Дължината и дебелината на коловоза могат да се използват за оценка на енергията и масата на частицата. Поради високата плътност на емулсията, следите са много къси (от порядъка на 1 (T3 cm за частици, излъчвани от радиоактивни елементи), но те могат да бъдат увеличени при снимане. Предимството на фотографските емулсии е, че времето на експозиция може да бъде произволно дълго. Това ви позволява да се регистрирате редки явления... Важно е също така, че поради високата спирателна способност на фотоемулсиите, броят на наблюдаваните интересни реакции между частици и ядра се увеличава. Говорихме за далеч не всички устройства, които регистрират елементарни частици. Съвременните инструменти за откриване на редки и много краткотрайни частици са много сложни. Стотици хора участват в изграждането им. E 1- Възможно ли е да се регистрират незаредени частици с помощта на камерата на Уилсън! 2. Какви са предимствата на балонната камера пред камерата на Уилсън!

Камерата на Уилсън е детектор на следи от елементарно заредени частици, в който следата (следата) на частицата е оформена от верига от малки капчици течност по траекторията на нейното движение. Изобретен от К. Уилсън през 1912 г. (Нобелова награда през 1927 г.). В камерата на Уилсън (виж фиг. 7.2) следите от заредени частици стават видими поради кондензацията на пренаситени пари върху газовите йони, образувани от заредената частица. На йоните се образуват капки течност, които растат до размер, достатъчен за наблюдение (10 -3 -10 -4 cm) и фотографиране при добро осветление. Пространствената разделителна способност на камерата на Уилсън обикновено е 0,3 мм. Работната среда е най-често смес от водни и алкохолни пари под налягане 0,1-2 атмосфери (водната пара се кондензира главно върху отрицателни йони, алкохолни пари върху положителни йони). Пренасищането се постига чрез бързо намаляване на налягането поради разширяването на работния обем. Времето за чувствителност на камерата, през което пренасищането остава достатъчно за кондензация на йони, а самият обем е приемливо прозрачен (не е претоварен с капчици, включително фонови), варира от стотни от секундата до няколко секунди. След това е необходимо да се почисти работният обем на камерата и да се възстанови нейната чувствителност. По този начин камерата на Уилсън работи в цикличен режим. Обикновено общото време на цикъла е обикновено > 1 минута.

Възможностите на камерата на Уилсън се подобряват значително, когато се поставят в магнитно поле. Извити магнитно полетраекториите на заредена частица определят знака на нейния заряд и инерция. С помощта на камерата на Уилсън през 1932 г. К. Андерсън открива позитрон в космическите лъчи.

Важно подобрение, присъдено на Нобелова награда през 1948 г. (П. Блакет), е създаването на контролирана камера на Уилсън. Специалните броячи избират събития, които трябва да бъдат записани от камерата на Уилсън, и "задействат" камерата само за наблюдение на такива събития. Ефективността на камерата на Wilson, работеща в този режим, се увеличава многократно. "Управляемостта" на камерата на Уилсън се обяснява с факта, че е възможно да се осигури много висока скорост на разширяване на газообразната среда и камерата има време да реагира на задействащия сигнал от външни броячи.

Методи за регистрация и детектори на частици

§ Калориметричен (според освободената енергия)

§ Фотоемулсия

§ Мехурчета и искрови камери

§ Сцинтилационни детектори

§ Полупроводникови детектори

Днес изглежда почти неправдоподобно колко открития в атомната физика са направени с помощта природни източницирадиоактивно излъчване с енергия от само няколко MeV и най -простите детектиращи устройства. Атомното ядро ​​е открито, получени са размерите му, наблюдавано е за първи път ядрена реакция, откриха явлението радиоактивност, откриха неутроните и протоните, прогнозираха съществуването на неутрино и т.н. Дълго време основният детектор на частици беше плоча със слой от цинков сулфид, нанесен върху нея. Частиците се регистрират с окото чрез светкавиците, които произвеждат в цинков сулфид. Черенковската радиация се наблюдава визуално за първи път. Първата камера с балончета, в която Глейзър наблюдава следите от частици, е с размерите на напръстник. Източник на високоенергийни частици по това време са космическите лъчи - частици, образувани в световното пространство. Нови елементарни частици се наблюдават за първи път в космическите лъчи. 1932 г. - открит е позитронът (К. Андерсън), 1937 г. - муонът е открит (К. Андерсън, С. Недермайер), 1947 г. - мезонът е открит (Пауъл), 1947 г. - открити са странни частици (Дж. Рочестър, К . Иконом).

С течение на времето експерименталната настройка става все по -сложна. Развива се техниката за ускоряване и откриване на частици и ядрена електроника. Напредъкът в ядрената физика и физиката на частиците все повече се определя от напредъка в тези области. Нобелови наградивъв физиката често се награждава за работа в техниката на физически експеримент.

Детекторите се използват както за регистриране на самия факт на наличие на частица, така и за определяне на нейната енергия и инерция, траекторията на частицата и други характеристики. За регистриране на частици често се използват детектори, които са максимално чувствителни към регистрацията на определена частица и не усещат голям фон, създаден от други частици.

Обикновено при експерименти по физика на ядрото и частиците е необходимо да се отделят „необходимите“ събития на фона на гигантски фон на „ненужни“ събития, може би един на милиард. За това се използват различни комбинации от броячи и методи за регистрация, схеми на съвпадение или антисъвпадение между регистрирани от различни детектори събития, избор на събития по амплитудата и формата на сигналите и т.н. Често се използват подбор на частици по време на полета им за определено разстояние между детекторите, магнитен анализ и други методи, които позволяват надеждно изолиране на различни частици.

Регистрацията на заредени частици се основава на явлението йонизация или възбуждане на атомите, което те причиняват в веществото на детектора. Това е в основата на работата на детектори като камерата на Уилсън, камера с мехурчета, искра камера, фотографски емулсии, газови сцинтилационни и полупроводникови детектори. Незаредените частици (кванти, неутрони, неутрино) се откриват от вторично заредени частици, произтичащи от взаимодействието им с веществото на детектора.

Неутрините не се откриват директно от детектора. Те носят със себе си определена енергия и инерция. Липсата на енергия и инерция може да бъде открита чрез прилагане на закона за запазване на енергията и инерцията към други частици, открити в резултат на реакцията.

Бързо разлагащите се частици се записват от техните продукти на разпадане. Детекторите, които позволяват директно наблюдение на траекториите на частиците, са широко използвани. Така с помощта на камерата на Уилсън, поставена в магнитно поле, бяха открити позитрони, мюони и -мезони, с помощта на камера с мехурчета - много странни частици, с помощта на искра камера неутринни събития бяха записани и т.н.

1. Брояч на Гейгер... Броячът на Гайгер по правило е цилиндричен катод, по оста на който е опъната жицата - анодът. Системата е пълна с газова смес.

При преминаване през брояча заредена частица йонизира газа. Получените електрони, движещи се към положителния електрод - нишката, попадат в областта на силните електрическо поле, ускорява и на свой ред йонизира газовите молекули, което води до коронен разряд. Амплитудата на сигнала достига няколко волта и лесно се записва. Броячът на Гайгер регистрира факта на преминаване на частица през брояча, но не позволява измерване на енергията на частиците.

2. Пропорционален брояч.Пропорционалният брояч има същата конструкция като брояча на Гайгер. Въпреки това, поради избора на захранващо напрежение и състава на газовата смес в пропорционалния брояч, коронният разряд не възниква, когато газът е йонизиран от преминаваща заредена частица. Под влияние на електрическото поле, създадено близо до положителния електрод, първичните частици произвеждат вторична йонизация и създават електрически лавини, което води до увеличаване на първичната йонизация на създадената частица, летяща през брояча с 10 3 - 10 6 пъти. Пропорционалният брояч ви позволява да регистрирате енергията на частиците.

3. Йонизационна камера.Точно като брояч на Гайгер и пропорционален брояч, в йонизационната камера се използва газова смес. Въпреки това, в сравнение с пропорционален брояч, захранващото напрежение в йонизационната камера е по -малко и в нея няма усилване на йонизацията. В зависимост от изискванията на експеримента, или само електронният компонент на токовия импулс, или електронните и йонните компоненти се използват за измерване на енергията на частиците.

4. Полупроводников детектор... Дизайнът на полупроводников детектор, който обикновено е изработен от силиций или германий, е подобен на този на йонизационна камера. Ролята на газа в полупроводников детектор се играе от чувствителна област, създадена по определен начин, в която няма свободни носители на заряд в обичайното състояние. Веднъж в тази област, заредена частица предизвиква йонизация, съответно, електроните се появяват в проводимата зона, а дупките - във валентната. Под действието на напрежението, приложено към електродите, отложени върху повърхността на чувствителната зона, се случва движението на електрони и дупки и се образува токов импулс. Зарядът на токовия импулс носи информация за броя на електроните и дупките и съответно за енергията, която заредената частица е загубила в чувствителната област. И ако частицата напълно е загубила енергията си в чувствителната зона, чрез интегриране на токовия импулс се получава информация за енергията на частицата. Полупроводниковите детектори имат висока енергийна разделителна способност.

Броят йонни двойки nion в полупроводников брояч се определя от формулата N йон = E / W,

където E - кинетична енергиячастици, W е енергията, необходима за образуването на една двойка йони. За германий и силиций, W ~ 3-4 eV и е равна на енергията, необходима за прехода на електрон от валентната зона към зоната на проводимост. Малката стойност на W определя висока разделителна способностполупроводникови детектори, в сравнение с други детектори, при които енергията на първичната частица се изразходва за йонизация (Eion >> W).

5. Камерата на Уилсън.Принципът на действие на камерата на Уилсън се основава на кондензацията на пренаситена пара и образуването на видими капчици течност върху йони по следата на заредена частица, летяща през камерата. За да се създаде пренаситена пара, с помощта на механично бутало се случва бързо адиабатно разширяване на газа. След снимане на следата, газът в камерата се компресира отново, капчиците върху йони се изпаряват. Електрическото поле в камерата служи за "почистване" на камерата от йони, образувани по време на предишната йонизация на газа

6. Камера за балончета.Принципът на действие се основава на кипене на прегрята течност по следата на заредена частица. Балонната камера е съд, напълнен с прозрачна прегрята течност. При бързо намаляване на налягането се образува верига от парни мехурчета по следата на йонизиращата частица, които се осветяват от външен източник и се снимат. След снимане на пътеката, налягането в камерата се повишава, газовите мехурчета се сриват и камерата е готова за работа отново. Като работен флуид в камерата се използва течен водород, който едновременно служи като водородна мишена за изследване на взаимодействието на частици с протони.

Камерата на Уилсън и камерата с мехурчета имат огромното предимство, че всички заредени частици, произведени при всяка реакция, могат да бъдат наблюдавани директно. За да се определи вида на частицата и нейната инерция, камерите на Уилсън и камерите с мехурчета се поставят в магнитно поле. Камерата с мехурчета има по -висока плътност на детекторното вещество в сравнение с камерата на Уилсън и следователно диапазоните на заредените частици са напълно затворени в обема на детектора. Дешифрирането на снимки от балонните камери е отделен трудоемък проблем.

7. Ядрени емулсии.По същия начин, както при обикновената фотография, заредена частица разрушава структурата по пътя си кристална решетказърна от сребърен халогенид, което ги прави способни да се развиват. Ядрената емулсия е уникален инструмент за запис на редки събития. Купчини ядрени емулсии позволяват откриване на частици с много висока енергия. С тяхна помощ е възможно да се определят координатите на следата на заредена частица с точност ~ 1 микрона. Ядрените емулсии се използват широко за регистриране на космически частици на балони и космически кораби.

8. Искрова камера.Искровата камера се състои от няколко плоски искрови пролуки, комбинирани в един обем. След като заредена частица премине през искровата камера, към нейните електроди се подава кратък импулс на напрежение с високо напрежение. В резултат на това по протежение на пистата се образува видим искра канал. Искровата камера, поставена в магнитно поле, позволява не само да се открие посоката на движение на частица, но и да се определи вида на частицата и нейната инерция по кривината на траекторията. Размерите на електродите на искровите камери могат да достигнат до няколко метра.

9. Стрийминг камера.Това е аналог на искрова камера с голямо междуелектродно разстояние ~ 0,5 м. Продължителността на разряда с високо напрежение, приложено към искровите междини, е ~ 10 -8 s. Следователно не се образува разбивка на искра, а отделни къси светещи светлинни канали - стримери. Няколко заредени частици могат да бъдат регистрирани едновременно в стримерната камера.

10. Пропорционална камера.Пропорционалната камера обикновено има плоска или цилиндрична форма и в известен смисъл е аналогична на многоелектродния пропорционален брояч. Електродите с високо напрежение са разположени на няколко мм една от друга. Заредените частици, преминавайки през системата от електроди, създават токов импулс по проводниците с продължителност ~ 10 -7 s. Чрез регистриране на тези импулси от отделни проводници е възможно да се възстанови траекторията на частиците с точност до няколко микрона. Времето за разделителна способност на пропорционалната камера е няколко микросекунди. Енергийната разделителна способност на пропорционалната камера е ~ 5-10%.

11. Дрейф камера.Това е аналог на пропорционална камера, която дава възможност да се възстанови траекторията на частиците с още по -голяма точност.

Искрови, стримерни, пропорционални и дрейфови камери, притежаващи много от предимствата на балонните камери, позволяват те да бъдат задействани от събитие от интерес, като ги използват за съвпадение със сцинтилационни детектори.

12. Сцинтилационен детектор. Сцинтилационният детектор използва свойството на определени вещества да светят, когато преминава заредена частица. След това светлинните кванти, образувани в сцинтилатора, се регистрират с помощта на фотоумножители. Използват се кристални сцинтилатори, например NaI, BGO, както и пластмасови и течни сцинтилатори. Кристалните сцинтилатори се използват главно за регистриране на гама лъчи и рентгенови лъчи, пластмасови и течни - за регистриране на неутрони и измерване на времето. Големи обеми сцинтилатори правят възможно създаването на детектори с много висока ефективност за откриване на частици с малко сечение за взаимодействие с материята.

13. Калориметри.Калориметрите са редуващи се слоеве материя, в които високоенергийните частици (обикновено слоеве от желязо и олово) се забавят и детектори, които са искрови и пропорционални камери или слоеве сцинтилатори. Йонизиращи частицисъздава висока енергия (E> 1010 eV), преминавайки през калориметъра голямо числовторични частици, които, взаимодействайки с калориметричното вещество, от своя страна създават вторични частици - образуват дъжд от частици по посока на движение на първичната частица. Чрез измерване на йонизацията в искрови или пропорционални камери или светлинната мощност на сцинтилаторите може да се определи енергията и видът на частиците.

14. Черенков брояч.Работата на черенковския брояч се основава на регистрирането на радиацията Черенков - Вавилов, която възниква, когато частица се движи в среда със скорост v, превишаваща скоростта на разпространение на светлината в средата (v> c / n). Светлината на черенковското излъчване е насочена напред под ъгъл по посока на движението на частицата.

Светлинното излъчване се записва с помощта на фотоумножител. С помощта на черенков брояч можете да определите скоростта на частица и да изберете частици по скорост.

Най -големият детектор за вода, в който се откриват частици с помощта на Черенков лъчение, е детекторът Superkamiokande (Япония). Детекторът има цилиндрична форма. Диаметърът на работния обем на детектора е 39,3 м, височината е 41,4 м. Масата на детектора е 50 ктона, работният обем за запис на слънчеви неутрино е 22 ктона. Детекторът Superkamokande има 11 000 фотоумножители, които сканират ~ 40% от повърхността на детектора.