Экспериментальные методы исследования частиц

В прошлой теме говорилось о таком явлении как радиоактивность. Радиоактивность – это явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического эле­мента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испу­сканием частиц, обладающих большой проникающей способ­ностью.

В 1911 году в результате проведения серии опытов Резерфорд предложил ядерную модель атома, согласно которой, в центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее очень малый объем атома. А вокруг ядра движутся электроны, масса которых значительно меньше массы ядра.

Но для дальнейшего развития ядерной физики (в частности, для исследования строения атомных ядер) этих знаний было недостаточно. Необходимы были специальные устройства, с помощью которых можно было бы регистрировать ядра и различные частицы, а также изучать их взаимодействия.

В данной теме речь пойдёт об экспериментальных методах исследования частиц.

Приборы для регистрации заряженных частиц называются детектора­ми. Существует два основных вида детекторов:

– дискретные (счетные и определяющие энергию частиц);

– трековые (дающие возможность наблюдать и фотографировать сле­ды (треки) частиц в рабочем объеме детектора).

Один из методов регистрации частиц — метод сцинтилляций — рассматривался ранее. Но этот метод не дает необходимой точности, так как результат подсчета вспышек на экране в большой степени зависит от остроты зрения наблюдателя. Кроме того, длительное наблюдение оказывается невозможным, так как глаз быстро устает.

Более совершенным прибором для регистрации частиц является так называемый газоразрядный счетчик Гейгера, изобретенный в 1908 г.

Он состоит из стеклянной трубки, к внутренним стенкам ко­торой прилегает катод — тонкий ме­таллический цилиндр; анодом служит тонкая металлическая проволока, натя­нутая по оси счетчика. Трубка запол­няется газом, обычно аргоном. Счетчик включается в регистрирующую схему. На корпус подается отрицательный потенци­ал, на нить — положительный. Последовательно счетчику включается резистор, с которого сигнал подается к регис­трирующему устройству.

Пока газ не ионизирован, ток в электрической цепи источника напряжения отсутствует. Если же в трубку сквозь ее стенки влетает какая-нибудь частица, способная ионизировать атомы газа, то в трубке образуется некоторое количество электрон-ионных пар. Электроны и ионы начинают двигаться к соответствующим электродам. Если напряженность электрического поля достаточно велика, то электроны на длине свободного пробега (т. е. между соударениями с молекулами газа) приобретают достаточно большую энергию и тоже ионизируют атомы газа, образуя новое поколение ионов и электронов, которые тоже могут принять участие в ионизации, и т. д. В трубке образуется так называемая электронно-ионная лавина, в результате чего происходит кратковременное и резкое возрастание силы тока в цепи и напряжения на сопротивлении. Этот импульс напряжения, свидетельствующий о попадании в счетчик частицы, регистрируется специальным устройством.

Поскольку сопротивление R очень велико (порядка 10³ Ом), то в момент протекания тока основная доля напряжения источника падает именно на нем, в результате чего напряжение между катодом и анодом резко уменьшается и разряд автоматически прекращается (так как это напряжение становится недостаточным для образованияновых поколений электронно-ионных пар). Счетчик готов к регистрации следующей частицы.

Счетчик Гейгера позволяет регистрировать 10⁴ частиц в секунду. Он применяется в основном для регистрации электронов и гамма-квантов. Однако непосредственно гамма-кванты вследствие своей малой ионизирующей способно­сти нерегистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого гамма-кванты выбивают электроны. При регистрации электронов эффективность счетчика 100 %, а при регистрации гамма-квантов — лишь около 1 %.

Регистрация тяжелых альфа-частиц затруднена, так как сложно сделать в счетчике достаточно тонкое “окошко”, прозрачное для этих частиц.

Гораздо большие возможности для изучения микромира дает прибор, изобретенный в 1912 г. и называемый камерой Вильсона.

В камере используется способность частиц больших энергий ионизировать атомы газа. Камера Вильсона представляет собой цилиндрический сосуд с поршнем. Верхняя часть цилиндра сделана из про­зрачного материала, в камеру вводится небольшое ко­личество воды или спирта, для чего снизу сосуд по­крыт слоем влажного бархата или сукна. Внутри ка­меры образуется смесь насыщенных паров и воздуха. При быстром опускании поршня смесь адиабатически расширяется, что сопровождается понижением ее температуры. За счет охлаждения пар становится пересыщенным.

Если воздух очищен от пылинок, то конденсация пара в жидкость затруднена из-за отсутствия центров конденсации. Однако центрами конденсации могут служить и ионы. Поэтому если через камеру (впускают через окошко) пролетает заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры благодаря осевшим маленьким капелькам жидкости становится видимой. Цепочка образовавшихся капель жидкости образует трек частицы. Тепловое движение молекул быстро размывает трек частиц, и траектории частиц видны отчетливо лишь около 0,1 с, что, однако, достаточно для фотографирования.

Вид трека на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и величине ее энергии. Так, альфа-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны - более тонкий, а электроны — пунктирный.

Советские физики Петр Леонидович Капица и Дмитрий Владимирович Скобельцын предложили размещать камеру в магнитном поле, под действием которого траектории частиц искривляются в ту или иную сторону в зависимости от знака заряда. По радиусу кривизны траектории и интенсивности треков определяют энергию и массу частицы.

Треки существуют в камере недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капельки испаряются. Чтобы подготовить камеру к действию и очистить ее от оставшихся ионов, внутри нее создают электрическое поле, притягивающее ионы к электродам, где они и нейтрализуются.

С помощью камеры Вильсона был сделан ряд важнейших открытий в области ядерной физики и физики элементарных частиц.

Одной из разновидностей камеры Вильсона является изобретенная в 1952 г. пузырьковая камера. Она действует примерно по тому же принципу, что и камера Вильсона, но вместо пересыщенного пара в ней используется перегретая выше точки кипения жидкость (например, жидкий водород).

Рабочий объем в пузырьковой камере заполнен жидкостью под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и в течение небольшого времени находится в неустойчивом состоянии. Если через такую жидкость пролетит заряженная частица, то вдоль ее траектории жидкость закипит, поскольку образовавшиеся в жидкости ионы служат центрами парообразования. При этом траектория частицы отмечается цепочкой пузырьков пара, т.е. делается видимой.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества, вследствие чего частица теряет больше энергии, чем в газе. Пробеги частиц оказываются более короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет гораздо точнее определить направление движения частицы и ее энергию, наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

Еще одним методом регистрации заряженных частиц служит так называемый метод фотоэмульсий, разработанный Мысовским и Ждановым в 1939 году.

Он основан на использовании почернения фотографического слоя поддействием проходящих через фотоэмульсию быстрых заряженных частиц. Такая частица вызывает распад молекул бромистого серебра на ионы серебра и брома и почернение фотоэмульсий вдоль траектории движения, образуя скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и образуется трек частицы. По длине и толщине трека судят об энергии и массе частицы.

Для изучения следов частиц, обладающих очень высокой энергией и дающих длинные следы, большое количество пластинок складывается в стопу.

Существенным преимуществом метода фотоэмульсий, помимо простоты применения, является то, что он дает неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Это привело к широкому применению данного метода при исследовании новых элементарных частиц.

Этим методом с добавлением к эмульсии соединений бора или лития могут быть изучены следы нейтронов, которые в результате реакций с ядрами бора и лития создают альфа-частицы, вызывающие почернение в слое ядерной эмульсии. По следам альфа-частиц делаются выводы о скорости и энергиях нейтронов, вызвавших появление альфа-частиц.

Основные выводы:

– Приборы для регистрации заряженных частиц называются детектора­ми.

– Существует два основных вида детекторов:

дискретные (т.е. счетные и определяющие энергию частиц);

трековые (дающие возможность наблюдать и фотографировать сле­ды (треки) частиц в рабочем объеме детектора).

– К дискретным видам детекторов относятся счетчик Гейгера и ионизационная камера.

– К трековым детекторам — камера Вильсона, пузырь­ковая камера, толстослойные фотоэмульсии и др.