Экспериментальные методы исследования частиц

На прошлых уроках мы познакомились с явлением радиоактивности. Мы узнали, что некоторые атомные ядра способны самопроизвольно превращаться в ядра других химических элементов с испусканием частиц. Так, мы подробно рассмотрели $\alpha$- и $\beta$-распады и научились записывать ядерные уравнение, описывающие эти процессы (рисунок 1).

Однако возникает вопрос: как ученые узнали, что $\alpha$- и $\beta$-частицы вообще существуют? А как они движутся? Ведь ни атомные ядра, ни испускаемые ими частицы невозможно так просто увидеть. Так для развития ядерной физики потребовались специальные устройства, позволяющие регистрировать частицы и изучать их взаимодействие с веществом.

Один из первых методов регистрации частиц — метод сцинтилляций — нам уже известен (рисунок 2). Однако он не давал высокой точности. При его использовании подсчет вспышек на экране во многом зависел от зрения наблюдателя. Кроме того, такой метод не позволял более подробно изучать движение частиц и их взаимодействие с веществом.

Поэтому ученым понадобились более точные и надежные методы регистрации, которые не зависели бы от возможностей человеческого зрения и позволяли бы получать объективные результаты. В итоге были созданы специальные приборы для исследования частиц. Сегодня на уроке мы познакомимся со счетчиком Гейгера и камерой Вильсона — устройствами, с помощью которых можно регистрировать заряженные частицы и наблюдать их движение.

Счетчик Гейгера

В 1908 году, когда ученые активно изучали радиоактивность, немецкий физик Ханс Гейгер изобрел специальный прибор — счетчик Гейгера. Первоначально этот прибор мог регистрировать только $\alpha$-частицы. Но в 1928 году Гейгер совместно с физиком Вальтером Мюллером усовершенствовал свое изобретение. Вместе они создали часть устройства, называемую трубкой Гейгера-Мюллера. Она позволила надежно регистрировать различные виды радиоактивного излучения. Именно в таком виде счетчик Гейгера используется и в настоящее время.

Счетчик Гейгера относится к виду приборов, называемых детекторами.

Детектор — это прибор, который обнаруживает и регистрирует наличие какого-либо физического явления, превращая его в сигнал или показания прибора.

Так, счетчик Гейгера используется для обнаружения радиоактивного излучения. Он часто является ключевым компонентом:

• дозиметров (приборов для измерении уровня радиации, который мы рассмотрим на следующих уроках);
• радиометров (приборов для измерения характеристик различных видов электромагнитного излучения);
• промышленных сигнализаторов (например, для контроля уровня жидкостей);
• установок для контроля технологических параметров (например, для контроля толщины, плотности материалов);
• научных приборов для исследований в ядерной физике.

{"questions":[{"content":"Детектор позволяет [[fill_choice_big-1]].","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["обнаружить и зарегистрировать физическое явление","зафиксировать параметры физического явления (интенсивность, время, массу и др.)","измерить частоту электромагнитной волны"],"answer":0}}}]}

Устройство прибора

Рассмотрим устройство счетчика Гейгера. В его основе находятся два электрода (рисунок 3).

Электроды — это металлические проводящие части прибора, между которыми при подключении к источнику напряжения создается электрическое поле.

Металлический цилиндр является катодом — отрицательно заряженным электродом. Этот цилиндр полый. Вдоль его оси натянута тонкая проволока — анод (положительный электрод). Так анод и катод не соприкасаются друг с другом. То есть проволока проходит внутри цилиндра, но между ними обязательно есть зазор.

Катод и анод подключены к источнику с высоким напряжением — порядка $200-1000 \space В$ (рисунок 4). При этом между этими элементами в цепи обязательно подключается резистор с очень большим сопротивлением $R$ (до миллиона Ом).

Оба электрода размещаются в герметичной стеклянной трубке. Она заполнена разреженным газом. Чаще всего используют аргон. В обычном состоянии он не проводит электрический ток, так как в нем нет свободных заряженных частиц.

Получается, что в этой цепи нет электрического тока. Однако между электродами существует сильное электрическое поле, создаваемое высоким напряжением.

Эта «сила» в физическом смысле характеризуется напряженностью поля $E$. Она достигает больших значений благодаря высокому напряжению $U$ от источника и очень маленькому расстоянию между электродами $d$: $E \approx \frac{U}{d}$. 

Зачем нужно это сильное электрическое поле? По определению напряженность показывает, с какой силой электрическое поле будет действовать на помещенный в него заряд (заряженную частицу): $\vec E = \frac{\vec F}{q}$. Для нас это означает, что действие такого поля на заряженную частицу будет очень выраженным.

{"questions":[{"content":"Перед попаданием в счетчик радиоактивной частицы между анодом и катодом [[fill_choice_big-4]].","widgets":{"fill_choice_big-4":{"type":"fill_choice_big","options":["существует сильное электрическое поле","существует сильное магнитное поле","протекает электрический ток","образовывается вакуум"],"answer":0}}}]}

Принцип действия прибора

Итак, изначально в приборе нет электрического тока, но есть электрическое поле. В момент, когда в трубку сквозь ее стенки влетает заряженная частица, обладающая достаточной энергией (например, $\alpha$- или $\beta$-частица), происходит ионизация газа.

Ионизация

Ионизация газа — это процесс, при котором нейтральные атомы газа превращаются в заряженные частицы.

Когда $\beta$-частица (быстрый электрон) пролетает через газ внутри счетчика, она электрически взаимодействует с атомами газа. При этом взаимодействии $\beta$-частица отталкивается от электронов, находящихся в составе атомов, и передает им часть своей энергии. В результате один или несколько электронов выбиваются из атомов (рисунок 5).

Так нейтральные атомы превращаются в положительные ионы, а в газе появляются свободные электроны (рисунок 6). Происходит ионизация газа.

Сама бета-частица при этом теряет энергию и может менять направление движения. Но она продолжает лететь дальше и ионизировать газ, пока не станет обычным электроном среды или не покинет счетчик.

В электрическом поле ионы и свободные электроны начинают двигаться. Электроны движутся к аноду, а положительные ионы — к катоду (рисунок 7). Так газ становится проводником электрического тока.

{"questions":[{"content":"В результате ионизации нейтральные атомы газа превращаются в [[fill_choice_big-8]].","widgets":{"fill_choice_big-8":{"type":"fill_choice_big","options":["положительные ионы и появляются свободные электроны","нейтральные атомы жидкости","свободные электроны, протоны и нейтроны","отрицательные ионы"],"answer":0}}}]}

Электронно-ионная лавина

Помним, что между электродами у нас именно сильное электрическое поле. Когда напряженность достаточно велика, то электроны, которые образовались в процессе ионизации газа, приобретают на длине свободного пробега большую энергию.

Длина свободного пробега электрона — это среднее расстояние, которое электрон проходит в среде между двумя последовательными столкновениями с другими частицами, прежде чем его траектория и энергия изменяется.

Этой энергии достаточно, чтобы эти электроны тоже начали ионизировать атомы газа. Так они образуют новое поколение ионов и электронов, которые также могут принять участие в ионизации. Так свободный электрон 1 при соударении с нейтральным атомом газа расщепляет его на электрон 2 и положительный ион (рисунок 8). Электроны 1 и 2 при дальнейших соударениях с нейтральными атомами снова расщепляют их на электроны 3 и 4 и свободные положительные ионы.

Мы говорим, что в трубке образуется электронно-ионная лавина. Число заряженных частиц в газе резко увеличивается.

В результате происходит кратковременное и резкое возрастание силы тока в цепи и напряжения на резисторе $R$. Это регистрируется специальным устройством, подключенным к счетчику. Само явление можно назвать как токовым импульсом или импульсом напряжения, так и газовым разрядом. Такой токовый импульс является свидетельством того, что в счетчик попала заряженная частица.

Из-за своей способности вызывать ионизацию вещества радиоактивное излучение часто называют ионизирующим. Оно обладает достаточной энергией, чтобы выбивать электроны из атомов и молекул, превращая нейтральные атомы в электрически заряженные ионы.

{"questions":[{"content":"В результате образования электронно-ионной лавины происходит [[fill_choice_big-12]].","widgets":{"fill_choice_big-12":{"type":"fill_choice_big","options":["резкое увеличение числа заряженных частиц в газе","увеличение напряженности электрического поля между электродами счетчика","плавное уменьшение числа свободных электронов в газе","образование нового источника ионизирующего излучения"],"answer":0}}}]}

Падение напряжения

Что происходит дальше? Ведущую роль теперь играет наш резистор с большим сопротивлением $R$. 

Когда нет ионизации и тока, на сопротивлении $R$ напряжение почти нулевое. При этом почти все напряжение источника сосредоточено на электродах.

Далее начинается процесс ионизации, и в цепи возникает электрический ток.
В этот момент напряжение на резисторе по закону Ома:
$U_R=IR$.
Так как сопротивление $R$ очень большое, даже маленькая сила тока дает большое напряжение на сопротивлении.

При этом напряжение источника одно и то же, оно не увеличивается и не уменьшается. Так как элементы цепи соединены последовательно:
$U_{ист} = U_{на \space электродах} \space + \space U_R$.

Получается, что если на сопротивлении напряжение увеличилось, то напряжение между электродами уменьшается. Происходит падение напряжения (рисунок 9).

Так напряжение между анодом и катодом становится меньше, чем было до появления тока. Из-за этого уменьшается напряженность электрического поля $E$. Теперь поле слишкое слабое, новые поколения электронно-ионных пар больше не образуются, чтобы поддерживать дальнейшую ионизацию газа.

Таким образом после регистрации частицы и прекращения разряда газ нейтрализуется, ток исчезает, и счетчик возвращается в исходное рабочее состояние. Прибор готов к регистрации следующей частицы.

{"questions":[{"content":"В счетчике Гейгера регистрация радиоактивной частицы происходит за счет [[fill_choice_big-16]].","widgets":{"fill_choice_big-16":{"type":"fill_choice_big","options":["токового импульса","световой вспышки","явления электромагнитной индукции","сцинтиллятора на электродах"],"answer":0}}}]}

Регистрация гамма-квантов

В основном счетчик Гейгера применяется для регистрации $\beta$ частиц, но существуют модели, адаптированные к регистрации $\gamma$-квантов.

Вы знаете, что $\gamma$-кванты не имеют электрического заряда. Поэтому они не ионизируют газ напрямую. Специальные модели счетчиков имеют  утолщенные стенки или дополнительные материалы, в которых $\gamma$-квант выбивает электроны (рисунок 10). Эти электроны, попадая в газ, вызывают ионизацию и регистрируются счетчиком.

При этом $\gamma$-кванты могут взаимодействовать и с атомами газа. Однако вероятность такого взаимодействия значительно меньше.

Все-таки большая часть $\gamma$-квантов, испускаемых источником, проходит через прибор, не вызывая срабатывания счетчика. Тем не менее счетчик Гейгера способен показать само наличие $\gamma$-излучения. Для точных измерений интенсивности $\gamma$-излучения обычно используют другие детекторы.

{"questions":[{"content":"Попадая в счетчик Гейгера, $\\gamma$-кванты [[fill_choice_big-21]].","widgets":{"fill_choice_big-21":{"type":"fill_choice_big","options":["не ионизируют газ напрямую","напрямую ионизируют атомы газа","никогда не вызывают ионизацию газа","превращаются в электроны"],"answer":0}}}]}

Скорость регистрации частиц

Скорость регистрации частиц счетчиком Гейгера ограничена его мертвым временем. После каждого зарегистрированного импульса прибору требуется небольшой промежуток времени для восстановления электрического поля внутри трубки. Если в этот момент через счетчик пролетает новая частица, то она не будет зарегистрирована (рисунок 11). Поэтому при очень интенсивном излучении счетчик начинает занижать число частиц. Так его показания перестают быть точными.

Среднее мертвое время для счетчика Гейгера: $t = 10^{−4}−10^{−5} \space с$. Это означает, что за $1 \space с$ прибор может корректно зарегистрировать максимум $10^4−10^5$ частиц. Для учебных экспериментов этого более чем достаточно.

Нам важно понимать, что счетчик Гейгера регистрирует отдельные ионизирующие частицы. При этом далеко не все частицы, испускаемые источником, достигают газа внутри трубки: часть из них поглощается воздухом или стенками прибора. Те частицы, которые все же попали в газ, вызывают разряд и регистрируются с вероятностью, близкой к $100 \%$. Поэтому счетчик не предназначен для точного подсчета общего числа излучаемых частиц. Он используется для обнаружения излучения и оценки его интенсивности, например по увеличению или уменьшению числа импульсов во времени.

{"questions":[{"content":"Если газ внутри счетчика Гейгера остается ионизированным после предыдущего разряда, то [[fill_choice_big-27]].","widgets":{"fill_choice_big-27":{"type":"fill_choice_big","options":["новая частица не регистрируется","может быть зарегистрировано до 10 новых частиц","нужно ждать около 10 часов до следующей возможности зарегистрировать новую частицу","можно зарегистрировать новую частицу"],"answer":0}}}]}

Камера Вильсона

Счетчик Гейгера позволяет только регистрировать тот факт, что через него пролетела частица радиоактивного излучения. Намного большие возможности для изучения частиц дает другой детектор, изобретенный в 1912 году шотландским физиком Чарльзом Вильсоном. Называется он камерой Вильсона.

Устройство прибора

Основная часть камеры Вильсона — это невысокий цилиндрический сосуд со стеклянной крышкой (рисунок 12). Внутри цилиндра находится поршень, который может двигаться вверх и вниз. То есть подвижный поршень представляет собой дно сосуда. 

В классической камере Вильсона на дне размещают темную ткань, пропитанную смесью воды с этиловым спиртом (рисунок 13). Из-за этого воздух в камере насыщен парами этих жидкостей. Другими словами, внутри камеры находится насыщенный пар. Он находится в динамическом равновесии с жидкостью, которой пропитана ткань.

Если равновесие насыщенного пара будет нарушено, то произойдет либо конденсация (например, при сжатии или охлаждении), либо испарение (например, при расширении или повышении температуры).

Когда поршень начинает быстро двигаться вниз (рисунок 14), внутренний объем камеры увеличивается. Теперь воздух и пары жидкостей (воды и спирта) занимают намного больше места. Мы можем сказать, что они расширяются. При этом их внутренняя энергия уменьшается, что приводит к понижению температуры.

При обычных условиях это вызвало бы конденсацию паров — появился бы туман. Но в камере Вильсона этого не происходит по следующей причине.

Дело в том, что перед экспериментом из камеры удаляют все ядра конденсации. Без них конденсация паров не происходит даже при понижении температуры.

Ядра конденсации — это мельчайшие твердые или жидкие частицы, находящиеся в воздухе (пылинки, капельки жидкости, сажа, ионы, частицы соли и др.)

Так пары жидкостей в камере становятся пересыщенными (или перенасыщенными). Они переходят в очень неустойчивое состояние, при котором далее они будут очень легко и быстро конденсироваться на любых появляющихся в камере ядрах конденсации. Например, на ионах.

{"questions":[{"content":"Внутри камеры Вильсона находится [[fill_choice_big-32]].","widgets":{"fill_choice_big-32":{"type":"fill_choice_big","options":["воздух, насыщенный парами жидкостей","вакуум","разреженный газ","перегретая жидкость"],"answer":0}}}]}

Принцип действия прибора

Обычно в камеру Вильсона исследуемые частицы попадают через тонкое маленькое окошко (показано на рисунке 13). Но иногда источник частиц могут поместить и внутри камеры.

Итак, частицы летят с большой скоростью через газ внутри камеры. И $\alpha$-частицы, и $\beta$-частицы имеют заряд — значит, вызывают ионизацию газа. То есть на их пути образуются ионы.

Эти ионы становятся ядрами конденсации. На них пары жидкостей конденсируются в виде маленьких капелек. Получается, что вдоль всего пути исследуемой частицы возникает тонкий след из капелек — трек. Благодаря этому траектория движения становится видимой (рисунок 15).

Но этот след быстро размывается из-за теплового движения молекул. В итоге траектория частицы отчетливо видна лишь около $0.1 \space с$, но этого достаточно для того, чтобы ее сфотографировать. Для удачных фотографий часто используют камеры, в которых основной сосуд тоже сделан из стекла. Саму камеру при этом освещают сбоку мощным пучком световых лучей, как показано на рисунке 16.

Чтобы получить новые треки, из камеры необходимы удалить все имеющиеся ионы. Это делают с помощью воздействия электрического поля. Также нужно вернуть поршень в изначальное положение — сжать воздух в камере. При этом он нагревается, поэтому нужно подождать, пока он охладится. Потом производят новое расширения, опуская поршень. После этого камера готова к запуску следующих частиц.

{"questions":[{"content":"Видимый след, который оставляет движущаяся радиоактивная частица в камере Вильсона, называется [[fill_choice_big-37]].","widgets":{"fill_choice_big-37":{"type":"fill_choice_big","options":["треком","отпечатком","конденсационной дорожкой","ионизационной траекторией"],"answer":0}}}]}

Треки разных частиц

Чем больше заряд и масса частицы, тем сильнее она ионизирует газ. Значит, тем более плотный и сплошной след частица оставляет в камере Вильсона.

Так $\alpha$-частицы считаются достаточно тяжелыми, они имею заряд $+2e$. Они очень сильно ионизируют газ. Поэтому вдоль их траектории образуется много ионов и конденсируется много капель. Их след получается толстым и сплошным (рисунок 17).

Электроны ($\beta$-частицы) очень легкие. Они легко отклоняются при столкновениях с атомами газа. Поэтому их траектория часто меняется — капли образуются не непрерывно. Их след выглядит прерывистым — пунктирным (рисунок 18).

Если поместить камеру Вильсона в магнитное поле, то траектории заряженных частиц искривляются (рисунок 19). По направлению изгиба можно судить о знаке заряда частицы. А радиус кривизны трека позволяет определить ее массу, энергию и заряд.

{"questions":[{"content":"Если поместить камеру Вильсона в магнитное поле, то треки заряженных частиц будут выглядеть [[fill_choice_big-41]].","widgets":{"fill_choice_big-41":{"type":"fill_choice_big","options":["искривленными","прямыми","зигзагообразными","очень короткими"],"answer":0}}}]}

Исследование частиц

Камера Вильсона применяется для исследования заряженных частиц. Ведь именно такие частицы способны ионизировать газ в камере и тем самым оставить трек. С ее помощью изучают $\alpha$-частицы, $\beta$-частицы (электроны), а также протоны, ядра атомов, мюоны (тяжелые электроноподобные частицы) и др.

Нейтральные частицы, например $\gamma$-кванты, напрямую в камере не наблюдаются. Однако их след можно наблюдать косвенно — по заряженным частицам, возникающим при взаимодействии $\gamma$-квантов с веществом.

{"questions":[{"content":"В камере Вильсона на ионах, образовавшихся в результате движения $\\alpha$- или $\\beta$-частицы, происходит [[fill_choice_big-45]].","widgets":{"fill_choice_big-45":{"type":"fill_choice_big","options":["конденсация капель жидкости","испарение капель жидкости","образование пузырьков пара","кристаллизация капель жидкости"],"answer":0}}}]}

Вклад камеры Вильсона в развитие физики

Камера Вильсона сыграла важную роль в развитии ядерной физики и физики элементарных частиц. С ее помощью было сделано несколько фундаментальных открытий.

Например, в 1932 году американский физик Карл Андерсон исследовал космические лучи с помощью камеры Вильсона. В результате он открыл новую положительно заряженную частицу — позитрон. Это античастица электрона, его «двойник», но с противоположным по знаку электрическим зарядом.

Кроме того в камере Вильсона были обнаружены мюоны. Это частицы, по свойствам близкие к электронам, но намного более тяжелые. 

Также камера широко применялась для изучения ядерных реакций и взаимодействия частиц с веществом. Это существенно расширило представления о строении материи.

{"questions":[{"content":"В камере Вильсона был открыт [[fill_choice_big-49]].","widgets":{"fill_choice_big-49":{"type":"fill_choice_big","options":["позитрон","электрон","протон","нейтрон"],"answer":0}}}]}

Пузырьковая камера

В 1952 году американский физик Дональд Глейзер изобрел одну из разновидностей камеры Вильсона — пузырьковую камеру (рисунок 20).

В ней вместо пересыщенного пара используется перегретая жидкость. Ее температура выше температуры кипения, но жидкость не кипит. Если для получения пересыщенного пара из газа удаляют ядра конденсации, то для получения перегретой жидкости из нее удаляют центры кипения. Чаще всего в пузырьковой камере используют жидкий водород.

Когда через такую жидкость пролетает заряженная частица, она ионизирует вещество вдоль своего пути. Образовавшиеся ионы становятся центрами кипения. Тогда вдоль траектории частицы возникает цепочка пузырьков пара, которую фотографируют.

С помощью пузырьковых камер изучали протоны, электроны, мюоны, а также частицы, возникающие при столкновениях высокой энергии (например, при взаимодействии космических лучей или частиц из ускорителей). Также пузырьковая камера позволяет наблюдать рождение новых частиц и их распады.

Основным достоинством пузырьковой камеры по сравнению с камерой Вильсона является ее большое быстродействие. Благодаря этому можно наблюдать большое количество частиц и их взаимодействий, в том числе рождение и распад новых частиц.

{"questions":[{"content":"Внутри пузырьковой камеры находится [[fill_choice_big-53]].","widgets":{"fill_choice_big-53":{"type":"fill_choice_big","options":["перегретая жидкость","пересыщенный пар","насыщенный пар","вакуум"],"answer":0}}}]}

Часто задаваемые вопросы