Особенности наблюдения элементарных частиц.

Тема: Особенности наблюдения элементарных частиц. ...

2. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам.
К ним относятся:
• Эффективность – отношение количества зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших в прибор;
• Минимальное время регистрации – время, за которое прибор после регистрации очередной частицы возвращается в исходное, рабочее состояние;
• Точность измерений энергий;
• Точность измерений масс частиц;
• Точность измерений зарядов частиц и т.д.

2.1. Газоразрядный счетчик Гейгера.

Это прибор для автоматического счета частиц. Хорошие счетчики позволяют регистрировать до 10 тыс. и более частиц в секунду.

Схема счетчика Гейгера









Счетчик состоит из стеклянной колбы, покрытой изнутри металлическим слоем (катод) и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси колбы (анод). Колба заполняется газом (обычно аргоном).
Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица, пролетая в газе, отрывает у атомов электроны и таким образом создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. Этот импульс подается в регистрирующее устройство (обычно это усилитель + счетчик).
Чтобы счетчик вернуть в исходное состояние включают в цепь большое сопротивление R, на котором происходит падение потенциала разряда.

Особенности метода.
Счетчик Гейгера регистрирует элементарные частицы в основном только двух видов: это электроны (эффективность 100%) и гамма-кванты (эффективность только 1%). Регистрация альфа-частиц затруднена так как трудно сделать в счетчике тонкое «окошко» для них.


2.2. Камера Вильсона.

Камера Вильсона позволяет увидеть и «сфотографировать» след заряженной частицы.
Действие камеры Вильсона, созданной в 1912 году, основано на конденсации пересыщенного пара на ионах, образующихся вдоль траектории частицы.
Пересыщенный пар – это пар, температура которого ниже температуры конденсации. Это неустойчивое состояние возможно лишь в чистом паре без пылинок и ионов.

Особенности метода.
• По длине трека определяют энергию частицы.
• По числу капелек на единицу длины – величину ее скорости.
Можно поместить камеру в однородное магнитное поле, тогда:
• По направлению изгиба траектории и ее кривизне можно определить знак заряда и отношение заряда к массе (или импульс частицы, если знаем ее заряд).

2.3. Пузырьковая камера.

Так же служит для обнаружения треков частиц. Изобретена в 1952 году. В ее основе – перегретая жидкость (в неустойчивом состоянии температура выше точки кипения). Жидкость находится под высоким давлением, что предохраняет ее от кипения. При движении быстрой заряженной частицы в этой жидкости образуются ионы, на которых мгновенно возникают пузырьки пара, дающие видимый след частицы.
В качестве жидкости используется жидкий водород и пропан.

Особенности метода.
• Рабочий цикл не велик – около 0,1сек.
• В сравнении с камерой Вильсона преимущество в том, что вещество (жидкий газ) в камере – более плотное, чем газ. Оно «тормозит» частицы, что позволяет наблюдать серию превращений частицы и вызываемые ею реакции.
Особое значение пузырьковые камеры приобрели после того как были созданы гигантские ускорители (андронные коллайдеры), дающие длиннопробежные частицы.
Большинство новых элементарных частиц было открыто с помощью пузырьковых камер.

2.4. Метод толстослойных фотоэмульсий.

Толстослойные эмульсии также применяются для регистрации частиц.
Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Беккерелю открыть в 1896 году радиоактивность.
Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромистого серебра Ag Br. Быстрая заряженная частица пронизывает кристаллик и расщепляет отдельные молекулы бромистого серебра. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро,
и цепочка зерен серебра образует трек частицы.

Особенности метода.
• По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.
• Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (для альфа-частиц, например ~ 10-3 см), но их можно увеличить и фотографировать.
Преимущество фотоэмульсий в непрерывном суммирующем действии. Это позволяет регистрировать редкие явления, увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.

3. Заключение.

Несмотря на различные методы наблюдения элементарных частиц, мы не можем констатировать, что имеет место прямое наблюдение каждой частицы.
Речь идет о косвенном наблюдении. Мы судим о частице по ее действию на фотоэмульсию, на перегретую жидкость, на переохлажденный пар, на другую частицу и т.д. Рассматривая характеристики ее движения (траекторию, кривизну трека и т.п.), мы можем оценить ее параметры (заряд, скорость, массу, импульс и т.д.).

Единство строения материи.

С момента, когда Э. Резерфорд доказал существование внутри атома ядра, началось развитие ядерной физики.
Теория элементарных частиц стала развиваться значительно позднее когда возникла квантовая механика.
Именно при исследовании ядерных процессов были открыты элементарные частицы (нейтрон, нейтрино и т.д., сейчас около 300).
Мир настолько разнообразен, что очень трудно представить его состоящим из элементарных частиц. Однако с начала XX века постепенно стало выясняться, что все тела состоят из молекул, которые в свою очередь делятся на атомы, состоящие из элементарных частиц – электронов, протонов, нейтронов. При изучении этих частиц оказалось, что и они не неделимы: так например, при распаде нейтронов появляется нейтрино, а, например, фотоны и пи-мезоны ос уществляют электромагнитные и ядерные взаимодействия. Причем у каждой элементарной частицы имеется «двойник» - античастица, которая имеет такие же свойства, но отличается лишь знаком заряда. При встрече частицы и античастицы происходит выделение энергии – аннигиляция




Было доказано, что сами элементарные частицы состоят так же из элементов называемых кварками.
После открытия элементарных частиц и их превращений единство природы стали связывать с единством строения материи; с законами движения частиц и с законами их взаимодействия.
Говоря об элементарных частицах, необходимо заметить об их особенностях, таких как:
• малый объем ~ 10-13 см
• огромные скорости, приближенные к скорости света
C ~ 300тыс. км/сек
• очень малое время жизни t ~ 10-11 сек.
Все это делает очень затруднительным их наблюдение и регистрацию.

очень малое время жизни t ~ 10-11 сек.
Все это делает очень затруднительным их наблюдение и регистрацию.
2. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.
В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам.
К ним относятся:
Эффективность – отношение количества зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших в прибор;
Минимальное время регистрации – время, за которое прибор после регистрации очередной частицы возвращается в исходное, рабочее состояние;
Точность измерений энергий;
Точность измерений масс частиц;
Точность измерений зарядов частиц и т.д.
2.1. Газоразрядный счетчик Гейгера.
Это прибор для автоматического счета частиц. Хорошие счетчики позволяют регистрировать до 10 тыс. и более частиц в секунду.
Схема счетчика Гейгера
Счетчик состоит из стеклянной колбы, покрытой изнутри металлическим слоем (катод) и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси колбы (анод). Колба заполняется газом (обычно аргоном).
Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица, пролетая в газе, отрывает у атомов электроны и таким образом создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. Этот импульс подается в регистрирующее устройство (обычно это усилитель + счетчик).
Чтобы счетчик вернуть в исходное состояние включают в цепь большое сопротивление R, на котором происходит падение потенциала разряда.
Особенности метода.
Счетчик Гейгера регистрирует элементарные частицы в основном только двух видов: это электроны (эффективность 100%) и гамма-кванты (эффективность только 1%). Регистрация альфа-частиц затруднена так как трудно сделать в счетчике тонкое «окошко» для них.
2.2. Камера Вильсона.
Камера Вильсона позволяет увидеть и «сфотографировать» след заряженной частицы.