Экспериментальные методы исследования частиц.

Цели урока: познакомить учащихся с экспериментальными методами исследования частиц.

Ход урока

I. Проверка домашнего задания, повторение

- В чем заключалось открытие, сделанное Беккерелем в 1896 году?

- 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?

II. Новый материал

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.Крупс 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, открывает 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 каждую попадающую в него час­тицу, надо своевременно прекращать 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 ≈ 10⁹ Ом. Так, возникаю­щий при самостоятельно разряде, проходя 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. Спорость 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 составляет за собой след (трек) в виде узкой 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 чиста 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, появляются вдоль ее траектории мелкие пузырь­ки пара, которые являются треком этой частицы. Преимущество перед камерой Вильсона, пузырьковая камера может реги­стрировать частицы с большей энергией, т.к. большая плотность рабочего ве­щества в пузырьковой камере. 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 заряженная 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 не исчезающие со вре­менем следы частиц, которые могут быть тщательно изучены. Сегодня широкое применение нашли полупроводниковые детекторы, ре­гистрирующие α-, β-, γ-излучения.

III. Вопросы на закрепление

- На катом принципе основано действие газоразрядного счетчика Гейгера?

- Какого вида излучение регистрирует счетчик Гейгера?

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

- Кaкoй вид имеет траектория движения электроде 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?

Домашнее задание:

1. § 58 (с. 189-192).

2. 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).