Главная > Физика > Курс физики (Грабовский Р.И.)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 140. О методах наблюдения и регистрации микрочастиц

При изучении атомных ядер и внутриядерных процессов (как естественных, так и искусственно вызванных) приходится иметь дело с крайне малыми частицами (электронами, протонами, а-частицами и т. п.). Для наблюдения и регистрации этих микрочастиц ядерная физика пользуется в основном следующими приборами и методами: ионизационным счетчиком, сцинтилляционным счетчиком, камерой Вильсона, пузырьковой камерой, толстослойной фотографической эмульсией.

Рис. 378

1. Ионизационный счетчик основан на возникновении газового разряда при ионизации газа движущейся заряженной микрочастицей.

Наиболее распространенным видом ионизационного счетчика является счетчик Гейгера — Мюллера, схема которого представлена на рис. 378. В стеклянном баллоне 1 (наполненном газом под давлением порядка 104 Па) находится цилиндрический конденсатор 2, внутренним электродом которого служгт металлическая нить 3. На конденсатор подано напряжение от батареи 4 через высокоомное (порядка 109 Ом) сопротивление 5.

Если в конденсатор влетит заряженная микрочастица, то производимая ею ионизация газа вызовет газовый разряд. В цепи конденсатора пройдет кратковременный ток, сопровождающийся падением напряжения на резисторе 5. Это колебание напряжения усиливается обычными радиотехническими способами и затем регистрируется вспышкой сигнальной лампочки или движением стрелки электромеханического счетчика.

Рис. 379

Таким образом, счетчик Гейгера — Мюллера регистрирует каждую ионизирующую частицу. Разрешающая способность счетчика специальным пересчетным устройством) достигает 10 000 частиц в секунду.

2. Сцинтилляционный счетчик основан на радиолюминесценции, т. е. на флуоресценции вещества под ударами частиц радиоактивного излучения.

Сцинтилляционный счетчик, схематически изображенный на рис. 379, представляет собой совокупность прозрачного

монокристаллического люминофора (сцинтиллятора) С и многокаскадного фотоэлектронного умножителя В. Фотоэлектронный умножитель имеет один катод К и несколько анодов потенциал каждого последующего анода выше, чем предыдущего.

Счетчик действует следующим образом. Микрочастица, например -частица, падая на сцинтиллятор С, вызывает в нем кратковременную вспышку (сцинтилляцию). Свет этой вспышки вырывает электроны из катода Вырванные фотоэлектроны летят к аноду и выбивают из него по нескольку вторичных электронов. Возросший поток электронов направляется к аноду А 2, где также выбивает вторичные электроны, и т. д. В результате на выходе фотоэлектронного умножителя возникает значительный импульс тока, регистрируемый счетным устройством.

Таким образом, сцинтилляционный счетчик отмечает каждую микрочастицу, падающую на сцинтиллятор. Разрешающая способность сцинтилляционных счетчиков на несколько порядков выше, чем ионизационных счетчиков.

Рис. 380

3. Камера Вильсона основана на том, что ионы, создаваемые в воздухе пролетающей микрочастицей, становятся ядрами конденсации (см. § 67) для пересыщенного пара. Изобретена в 1912 г. английским физиком Вильсоном.

Камера Вильсона состоит из цилиндра 1, герметически закрытого стеклянной крышкой 2, и поршня 3 (рис. 380). При резком опускании поршня воздух, находящийся в рабочем объеме камеры (над поршнем), адиабатически расширяется и охлаждается. Водяной пар, содержащийся в воздухе, становится пересыщенным и конденсируется на ионах, созданных микрочастицей, влетевшей в камеру через тонкую часть стенки цилиндра. Весь путь частицы оказывается усеянным водяными капельками. Освещая рабочий объем камеры, можно увидеть и сфотографировать этот путь, или, как его принято называть, трек.

По виду трека можно судить о природе ионизирующей частицы (например, трек электрона тоньше и длиннее трека -частицы).

В 1924 г. П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын разработали метод исследования частиц посредством камеры Вильсона, помещенной в сильное магнитное поле.

В этом случае треки оказываются изогнутыми (частица имеет заряд). По радиусу их кривизны можно определять массу, заряд и скорость ионизирующих частиц.

На рис. 381 изображены треки -частиц, сфотографированные в магнитной камере Вильсона.

4. Пузырьковая камера основана на том, что ионы, возникающие на пути заряженной микрочастицы, движущейся внутри растянутой жидкости (см. § 64), становятся центрами парообразования.

Изобретена в 1952 г. американским физиком Д. Глезером. Представляет собой сосуд с расширительным устройством, наполненный жидкостью в состоянии, близком к растянутому. В качестве жидкости применяются эфир, фреон, жидкий азот, пропан и др.

Рис. 381

Исследуемая микрочастица, пролетая через камеру, ионизирует молекулы жидкости; одновременно расширительное устройство резко снижает давление в камере. Жидкость становится растянутой и закипает; в ней возникают мельчайшие пузырьки пара, первую очередь на ионах. Поэтому весь путь микрочастицы оказывается усеянным пузырьками, хорошо видимыми благодаря специальному освещению. Это позволяет наблюдать и фотографировать треки.

Так как жидкость является достаточно плотной средой, то движущиеся в ней микрочастицы сильно тормозятся и останавливаются, пройдя сравнительно короткий путь.

Благодаря этому с помощью пузырьковой камеры можно исследовать микрочастицы, обладающие очень высокой энергией (камеру Вильсона такая частица пронизала бы насквозь, не дав законченного трека).

5. Метод толстослойных фотографических эмульсий основан на том, что заряженная микрочастица, попадая в слой мелкозернистой фотоэмульсии, оставляет в нем скрытый след своего пути.

После проявления фотоэмульсии след чернеет. По длине, форме, степени почернения и другим характеристикам следа (рассматриваемого под микроскопом) можно определить массу, заряд, скорость и энергию частицы.

Рис. 382

Этот метод разработан в 1926-1929 гг. Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым. Фотоэмульсией служит желатиновый слой, содержащий микрокристаллы бромистого серебра; толщина слоя около

Поскольку фотоэмульсию можно экспонировать в течение длительного времени, данный метод оказывается особенно ценным для наблюдения редко встречающихся микрочастиц и исследования редких ядерных процессов. На рис. 382 показаны следы, оставленные в фотоэмульсии осколками атомного ядра, разрушенного в точке А) быстрым протоном; один из этих осколков затем распался (в точке В) на три частицы.

В заключение подчеркнем, что с помощью рассмотренных методов можно непосредственно наблюдать только заряженные частицы. Нейтральные частицы непосредственно не наблюдаются, так как они не производят ионизации атомов вещества (и, следовательно, не дают треков).

Данные о массе, скорости и энергии нейтральных частиц получают косвенно, изучая характер действия этих частиц на заряженные (при расчетах пользуются законами сохранения энергии и количества движения).

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление