Как с помощью камеры вильсона можно определить природу частицы пролетевшую в камере ее энергию
Цель работы: изучение принципа работы камеры Вильсона и законов движения заряженных частиц в однородном магнитном поле.
Камера Вильсона была изобретена шотландским физиком Ч. Вильсоном в 1910–1912 гг. и являлась одним из первых приборов для регистрации заряженных частиц. В основе действия камеры лежит свойство конденсации капелек воды на ионах, образовавшихся вдоль трека (следа) частицы. Появление камеры Вильсона не только позволило увидеть треки частиц, но и сделало возможным «распознавание» этих частиц (заряд, энергия), а также дало много нового материала, который послужил основанием для некоторых важных открытий.
Принцип работы камеры Вильсона довольно прост. Известно, что если парциальное давление водяного пара превышает его давление насыщения при данной температуре, то может образоваться туман и выпасть роса. Показатель перенасыщения S – это отношение парциального давления к давлению насыщения при данной температуре. Для самопроизвольной конденсации пара в чистом воздухе нужны большие показатели перенасыщения (S
10), но если в воздухе присутствуют посторонние частицы, способные служить центрами конденсации, то образование микрокапелек может начаться и при меньших значениях S.
Частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают достаточной энергией для ионизации большого числа молекул газа, составляющего среду. Образующиеся при пролете частицы ионы эффективно притягивают молекулы воды вследствие несимметричности распределения заряда в этих молекулах. Таким образом, частица, высвободившаяся при радиоактивном распаде, пролетая перенасыщенную среду, должна оставлять за собой след из капелек воды. Его можно увидеть и заснять на фотопластинку в камере Вильсона.
В 1923 г. советский физик П.Л. Капица поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле, которое искривляло траекторию движения частиц. По величине искривления траектории можно определять заряды и энергии частиц.
Рассмотрим движение частицы в поперечном однородном магнитном поле. Если частица влетает в магнитное поле перпендикулярно его силовым линиям, то на нее действует сила Лоренца
где R – радиус окружности. Отсюда следует, что радиус
Из формулы (1) можно получить выражение для удельного заряда частицы, т.е. для отношения заряда частицы к ее массе:
Из формулы (2) видно, что для определения этой величины необходимо измерить скорость частицы и радиус окружности, по которой она движется в магнитном поле, а также знать величину индукции магнитного поля.
Поскольку поле наблюдения является кругом, то наблюдатель видит лишь часть траектории частицы, которая зависит от соотношения радиуса траектории частицы и радиуса поля наблюдения. Имеются три различных случая, которые представлены на рис. 1: радиус траектории может быть меньше, больше или равен радиусу самой камеры Вильсона.
Счетчик Гейгера.
Счетчик Гейгера — детектор частиц, действие которого основано на возникновении самостоятельного электрического разряда в газе при попадании частицы в его объем. Изобретен в 1908 г. X. Гейгером и Э. Резерфордом, позднее был усовершенствован Гейгером и Мюллером.
Счетчик Гейгера состоит из металлического цилиндра — катода — и тонкой проволочки, натянутой вдоль его оси — анода, заключенных в герметический объем, заполненный газом (обычно аргоном) под давлением порядка 100-260 ГПа (100-260 мм рт. ст.). Между катодом и анодом прикладывается напряжение порядка 200-1000 В. Заряженная частица, попав в объем счетчика, образует некоторое количество электронно-ионных пар, которые движутся к соответствующим электродам и при большом напряжении на длине свободного пробега (на пути до следующего столкновения) набирают энергию, превосходящую энергию ионизации, и ионизируют молекулы газа. Образуется лавина, ток в цепи возрастает. С нагрузочного сопротивления импульс напряжения подается на регистрирующее устройство. Резкое увеличение падения напряжения на нагрузочном сопротивлении приводит к резкому уменьшению напряжения между анодом и катодом, разряд прекращается, и трубка готова к регистрации следующей частицы.
Счетчиком Гейгера регистрируют в основном электроны и γ-кванты (последние, правда, с помощью дополнительного материала, наносимого на стенки сосуда, из которых γ-кванты выбивают электроны).
Изучение треков заряженных частиц
Оборудование и средства измерения
Оборудование, необходимое для проведения работы:
- фотография треков двух заряженных частиц
(трек I принадлежит протону, трек II -частице, которую надо идентифицировать).
Линии индукции магнитного поля перпендикулярны плоскости фотографии.
Начальные скорости обеих частиц одинаковы и перпендикулярны краю фотографии. - линейка.
Приборы используются по очереди и после применения должны возвращаться в исходное положение,
обозначенное пунктиром.
Проведение эксперимента, обработка результатов измерений
- оборудование и средства измерения в начальное состояние.
- треки частиц с фотографии на кальку.
- Измерьте радиус кривизны RI трека протона на начальном участке.
Радиус кривизны трека частицы определяют следующим образом.
Вычерчивают, как показано на рисунке, две хорды и
восставляют к этим хордам в их серединах перпендикуляры.
На пересечении перпендикуляров лежит центр окружности.- точку в начале трека протона.
- Следующей точкой отметьте конец первой хорды.
- Поставьте точку для конца второй хорды.
- хорды и серединные перпендикуляры к ним.
- Поставьте точку на пересечении перпендикуляров — центр окружности.
- Измерьте радиус при помощи линейки.
результаты измерения в таблицу.
- Измерьте радиус кривизны RII трека заряженной частицы на начальном участке.
- точку в начале трека заряженной частицы.
- Следующей точкой отметьте конец первой хорды.
- Затем поставьте точку для конца второй хорды.
- хорды и серединные перпендикуляры к ним.
- Поставьте точку на пересечении перпендикуляров, это центр окружности.
- Измерьте радиус при помощи линейки.
результаты измерения RII в таблицу.
- В обоих случаях инструментальную погрешность можно считать равной 1 мм.
Погрешность отсчета надо взять также равной 1 мм.
Введите в таблицу значения:
- ΔRI — максимальная абсолютная погрешность измерения отрезка RI,
- ΔRII — максимальная абсолютная погрешность измерения отрезка RII,
- Идентифицируйте частицу по результатам измерений.
Идентификация неизвестной частицы осуществляется путем сравнения
ее удельного заряда q_mс удельным зарядом протона.
Для заряженной частицы, движущейся перпендикулярно вектору индукции магнитного поля,
можно записать:Из этой формулы видно, что отношение удельных зарядов частицы равно
обратному отношению радиусов их траекторий.
Вычислите удельный заряд идентифицируемой частицы
q/mч и занесите результат в таблицу.
Вычислите абсолютную и относительную погрешности измерения удельного заряда.
Если вы будете проводить эксперимент еще раз, то предварительно
строку в таблицу результатов.
Контрольный вопрос
- Как направлен вектор магнитной индукции
относительно плоскости фотографии треков частиц? - Почему радиусы кривизны на разных участках трека
одной и той же частицы различны?
Трек — частица
Треки частиц имеют вид окружностей малой кривизны; определив радиусы окружностей, можно вычислить скорости и энергии частиц. Оказалось, что лучи состоят из чрезвычайно быстрых частиц; среди них нередки электроны, для разгона которых нужна была бы разность потенциалов порядка 100 — 1000 мв.
Треки частиц, получающиеся в фотоэмульсии, являются более тонкими и отчетливыми, чем в камере Вильсона или пузырьковой камере, что увеличивает точность измерений. Недостатками фотоэмульсионного метода являются сложность химической обработки фотопластинок и невозможность определения момента времени попадания заряженной частицы в фотоэмульсию.
Если треки частиц в первом опыте не обнаружатся, повторяйте операции сжатия и разрежения несколько раз, изменяя степень сжатия.
При таких мощностях дозы треки иоинизующих частиц далеко отстоят друг от друга. Поэтому радикалы, диффундируя из реакционной зоны одного трека, полностью заканчивают свои реакции, прежде чем достигнут реакционной зоны соседнего трека.
Молекулярная масса полимера вдоль трека частицы вследствие деструкции оказывается значительно меньше, чем в других радиацион-но неповрежденных местах. Поэтому область трека становится более чувствительной к химическому воздействию. Для того чтобы при травлении смогли образоваться сквозные практически одинакового диаметра поры, излучение должно обладать высокой плотностью ионизации. К таким излучениям относятся в первую очередь а-частицы и протоны. Однако тяжелые заряженные частицы вследствие высокой ионизирующей способности имеют небольшой пробег в материале.
На рис. 53, б показан трек частицы в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Определить знак заряда частицы, которая пролетает в камере снизу вверх. Силовые линии магнитного поля направлены к ам.
На рис. 53, г показаны треки частиц, образующихся при расщеплении ядра алюминия нейтроном. При этой реакции выбрасывается а-частица. Почему не виден след нейтрона.
В процессе измерения положения пузырьков, образующих треки частиц, возникает ряд погрешностей.
Распределение числа пузырьков на некоторой фиксированной длине трека частицы с постоянным импульсом также обычно считается пуассонов-ским.
Возможность быстрого проведения хроматографического процесса и регистрации треков частиц на толстослойных эмульсиях делает метод тонкослойной хроматографии особенно привлекательным для разделения и обнаружения короткоживущих изотопов.
Гл ейзером было предложено использовать для об а-ру жения треков частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах, образующихся при движении быстрой заряженной частицы, возникают пузырьки пара, дающие видимый трек. Ка меры такого типа были названы пузырьковыми.
Сопоставляя ионизирующую способность, длину траекторий, радиус кривизны треков разнозарядных частиц, Андерсон установил, что массы их одинаковы.
Капилляры таких микроскопических размеров могут быть приготовлены с помощью травления треками частиц. Тогда можно было бы проанализировать, начиная с каких размеров клубки становятся настолько большими, что не засасываются в капилляр.
В широкозазорных камерах расстояние между электродами увеличено и искра следует за треком частиц вплоть до углов 45 к поверхности электродов. В стримерных каморах высоковольтный импульс увеличивается по амплитуде и укорачивается во времени. В результате каждый стример, развивающийся от электронов первичной ионизации, затухает, не доходя до электрода. Таким путем достигается изотропность.
В последнем варианте этого метода в качестве среды, в которой фиксируются треки частиц, применяют эмульсионные камеры значительного объема.
Физика А.В. Перышкин
1. По рисунку 159 расскажите об устройстве и принципе действия счётчика Гейгера.
Счетчик Гейгера состоит из стеклянной трубки, заполненной разряженным газом (аргоном) и запаянной с обоих концов, внутри которой находится металлический цилиндр (катод) и натянутой внутри цилиндра проволочки (анод). Катод и анод соединены через сопротивление с источником высокого напряжения (200-1000 В). Поэтому между анодом и катодом возникает сильное электрическое поле. При попадании ионизирующей частицы внутрь трубки образуется электронно-ионная лавина и в цепи возникает электрический ток, регистрируемый счетным устройством.
2. Для регистрации каких частиц применяется счётчик Гейгера?
Счетчик Гейгера применяется для регистрации электронов и 7-квантов.
3. По рисунку 160 расскажите об устройстве и принципе действия камеры Вильсона.
Камера Вильсона представляет собой невысокий стеклянный цилиндр с крышкой, поршнем внизу и насыщенным паром смеси спирта с водой. При движении поршня вниз пары становятся пересыщенными, т.е. способными к быстрой конденсации. При попадании какой-либо частицы, через специальное окошко, внутрь камеры они создают ионы, которые становятся ядрами конденсации и вдоль траектории движения частицы возникает след (трек) из сконденсированных капелек, которые можно сфотографировать. Если поместить камеру в магнитное поле, то траектории заряженных частиц будут искривлены.
4. Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле?
По направлению изгиба судят о заряде частицы, а по радиусу кривизны можно узнать величину заряда, массу и энергию частицы.
5. В чём преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона? Чем отличаются эти приборы?
В пузырьковой камере вместо пересыщенного пара используется перегретая выше точки кипения жидкость, что делает ее быстродейственнее.
Метод сцинтилляций
Впервые его провел Резерфорд в 1911 году, хотя идея возникла немного раньше и у другого ученого — У. Крупе. Несмотря на то, что разница составляла 8 лет, за это время пришлось усовершенствовать прибор.
Основной принцип состоит в том, что на экране, покрытом люминесцирующим веществом, будут отображаться вспышки света при прохождении заряженной частицы. Атомы вещества возбуждаются при воздействии на них частицы с мощной энергией. В момент столкновения происходит вспышка, которую наблюдают в микроскоп.
Этот метод очень непопулярен среди физиков. У него есть несколько недостатков. Первое, точность полученных результатов очень сильно зависит от остроты зрения человека. Если моргнуть — можно пропустить очень важный момент.
Второе — при длительном наблюдении очень быстро устают глаза, и поэтому, изучение атомов становится невозможным.
