В конце XIX века ученые открыли радиоактивное излучение урана и установили, что оно представляет собой поток разнообразных быстрых частиц. Можно ли проследить за их движением и взаимодействием с различными мишенями? Ведь эти частицы меньше атома, а их скорость соизмерима со скоростью света: даже относительно тяжелые и медленные альфа-частицы уже движутся со скоростью около 5% от световой и представляют собой лишь крохотное ядро одного из самых легких элементов — гелия.

1. В качестве корпуса камеры мы взяли прозрачную акриловую коробку от конфет. Можно использовать и любую другую прозрачную прямоугольную или цилиндрическую емкость (даже целый аквариум). Главное, чтобы материал стенок не лопался от сильных перепадов температуры, так что пластик предпочтительнее стекла.

Камера Вильсона

В 1912 году Чарльз Вильсон, исследовавший до этого далекие от ядерной физики процессы образования туманов и дождей, сконструировал камеру, за которую в 1927 году получил Нобелевскую премию. В ней резкое движение поршня на доли секунды создавало перенасыщенный пар какой-либо летучей жидкости. Перенасыщенный пар неустойчив, малейшие возмущения заставляют его сконденсироваться в капли. Пролетающие через объем камеры альфа- и бета-частицы оставляют за собой след ионов воздуха, который немедленно вызывает конденсацию жидкости, создавая видимый невооруженным глазом трек (след), в точности повторяющий траекторию частицы. По длине и толщине трека можно судить об энергии, скорости и массе частицы. Толстые треки остаются за тяжелыми медленными частицами, а легкие и быстрые дают тонкий, едва заметный след.

2. К верхней крышке обычным канцелярским скотчем или суперклеем крепится марлевый жгут с ватой внутри, пропитанный спиртом (этиловым или изопропиловым). Дно заклеивается черной изолентой, чтобы белые треки частиц были лучше видны (можно покрасить дно черной матовой краской или приклеить лист черной бумаги). В качестве источника частиц мы взяли сварочный электрод марки WT-20, состоящий из вольфрама с добавкой 2% тория (несмотря на радиоактивный торий, электроды безопасны, если их не глотать).

Камера Вильсона, особенно помещенная по предложению советских физиков Петра Капицы и Дмитрия Скобельцына в сильное магнитное поле, оказалась феноменально эффективным инструментом, позволившим сделать множество открытий — в частности, обнаружить позитроны и мюоны. Однако она имела серьезный недостаток — находилась в чувствительном к частицам состоянии в лучшем случае секунды. Это делало ее совершенно непригодной для исследования редких случайных событий.

3. Конструкция охладителя тоже предельно проста: в пластиковый пищевой контейнер насыпаются гранулы сухого льда, сверху кладется миллиметровый лист алюминия, позволяющий сделать охлаждение максимально равномерным.

Диффузионная камера

Во второй половине 1930-х годов американский физик Александр Лангсдорф-младший решил эту проблему. Вместо того чтобы создавать перенасыщенный пар резким снижением давления, он создал в камере постоянный градиент температуры. В области высокой температуры испарялась летучая жидкость, пары диффундировали в область низкой температуры и там непрерывно находились в перенасыщенном состоянии, всегда готовые показать исследователям траектории частиц. Кроме непрерывности работы, диффузионная камера Лангсдорфа имеет еще одно достоинство: ее предельно просто сделать. Она состоит из емкости с прозрачными стенками и нагревателем вверху и/или охладителем внизу. Вверху также располагается ткань, вата или иное пористое хранилище для жидкости. Вот, собственно, и вся конструкция. Именно такую камеру мы решили собрать в редакции «Популярной механики».

4. Далее устанавливаем камеру на алюминиевый лист охладителя и подсвечиваем ее сбоку фонариком. Через несколько минут, когда в коробке установится градиент температур и вблизи дна образуются перенасыщенные пары спирта, можно любоваться медитативным зрелищем треков альфа-частиц — туманных следов, которые рождаются в объеме камеры и плавно опускаются на дно.

Антимир своими глазами

Используя неодимовые магниты, можно заставить частицы двигаться по искривленной траектории. А если вместо электрода с торием поместить в камеру небольшое количество калийных удобрений (природный калий содержит бета-активный калий-40) и набраться терпения, то можно будет лично наблюдать античастицы — позитроны. Калий-40, пусть и очень редко, испускает их вместо обычных электронов. В магнитном поле треки редких позитронов отклоняются в противоположную по отношению к электронам сторону.

Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц. Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы или движущиеся атомные ядра, подобно заряженному ружью с взведенным курком. Небольшое усилие при нажатии на спусковой крючок ружья вызывает эффект, не сравнимый с затраченным усилием, - выстрел.

Регистрирующий прибор - это более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу. В настоящее время используется множество различных методов регистрации 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.

Газоразрядный счетчик Гейгера. Счетчик Гейгера - один из важнейших приборов для автоматического подсчета частиц.

Счетчик (рис. 13.1) состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон, -частица и т. д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Для того чтобы счетчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный paзряд, необходимо погасить. Это происходит автоматически. Так как в момент появления импульса тока падение напряжения на нагрузочном резисторе R велико, то напряжение между анодом и катодом резко уменьшается - настолько, что разряд прекращается.

Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и -квантов (фотонов большой энергии).

В настоящее время созданы счетчики, работающие на и пых принципах.

Камера Вильсона. Счетчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые ее характеристики. В камере же Вильсона, созданной в 1912 г., быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или сфотографировать. Этот прибор можно назвать окном в микромир, т. е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем.

Принцип действия камеры Вильсона основан на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.

Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению (рис. 13.2). При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под ним, пар в камере адиабатно расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение, и пар становится перенасыщенным. Это -неустойчивое состояние пара: он легко конденсируется, если в сосуде появляются центры конденсации. Центрами

конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Если частица проникает в камеру сразу после расширения пара, то на ее пути появляются капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы - трек (рис. 13.3). Затем камера возвращается в исходное состояние, и ионы удаляются электрическим полем. В зависимости от размеров камеры время восстановления рабочего режима варьируется от нескольких секунд до десятков минут.

Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счетчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека - ее скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше ее энергия. А чем больше капелек воды образуется на единицу длины трека, тем меньше ее скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины. Советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле.

Магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу с определенной силой (силой Лоренца). Эта сила искривляет траекторию частицы, не изменяя модуля ее скорости. Трек имеет тем большую кривизну, чем больше заряд частицы и чем меньше ее масса. По кривизне трека можно определить отношение заряда частицы к ее массе. Если известна одна из этих величин, то можно вычислить другую. Например, по заряду частицы и кривизне ее трека можно найти массу частицы.

Пузырьковая камера. В 1952 г. американским ученым Д. Глейзером было предложено использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах (центрах парообразования), образующихся при движении быстрой заряженной частицы, появляются пузырьки пара, дающие видимый трек. Камеры данного типа были названы пузырьковыми.

В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости несколько выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой, и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженые частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара (рис. 1.4.4). И качестве жидкости используются главным образом жидкий водород и пропан. Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры невелика - около 0,1 с.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере - один из главных источников информации о поведении и свойствах частиц.

Наблюдение следов элементарных частиц производит сильное впечатление, создает ощущение непосредственного соприкосновения с микромиром.

ЧЕРЕНКОВСКИЙ СЧЁТЧИК детектор для регистрации заряж. ч-ц, в к-ром используется Черенкова Вавилова излучение. При движении заряж. ч-цы в среде со скоростью v, превышающей фазовую скорость света c/n в данной среде (n - показатель преломления среды), ч-ца излучает в направлении, составляющем угол q с её траекторией. Угол q связан со скоростью ч-цы v и показателем преломления среды га соотношением: cosq=c/vn=1/bn, b=v/c. (1) Интенсивность W черенковского излучения на 1 см пути заряж. ч-цы в интервале длин волн от l1 до l2 выражается соотношением:

Похожая информация.

Камера Вильсона. Камера Вильсона один из первых в истории приборов для регистрации следов заряженных частиц. Изобретена шотландским физиком Чарльзом Вильсоном 1912 г. Чарльзом Вильсоном1912Чарльзом Вильсоном1912 Камера Вильсона состоит из невысокого стеклянного цилиндра со стеклянной крышкой. Внутри цилиндра может двигаться поршень. На дне камеры находится черная ткань. Благодаря тому, что ткань увлажнена смесью воды со спиртом, воздух в камере насыщен парами этих жидкостей

Ядерная реакция 14N (×a, р) 17О, зарегистрированная в камере Вильсона. На снимке видны следы бомбардирующих ×a-частиц (линии, направленные снизу вверх), а также образующие вилку следы продуктов реакции протона и ядра 17О. Ядерная реакция 14N (×a, р) 17О, зарегистрированная в камере Вильсона. На снимке видны следы бомбардирующих ×a-частиц (линии, направленные снизу вверх), а также образующие вилку следы продуктов реакции протона и ядра 17О.

Вильсон установил! Вильсон установил. Что избыточная влага может конденсироваться не только на пылинках или других твердых частицах, но и на электрически заряженных атомах или молекулах газа, то есть на ионах. Это свойство ионов служить ядрами конденсации и использовал Вильсон для своего изобретения. Вильсон установил. Что избыточная влага может конденсироваться не только на пылинках или других твердых частицах, но и на электрически заряженных атомах или молекулах газа, то есть на ионах. Это свойство ионов служить ядрами конденсации и использовал Вильсон для своего изобретения. Вильсон установил, что влаге воздуха всегда нужно что - то, на чем она могла бы осесть. В воздухе ядрами конденсации для влаги являются крохотные пылинки. Если влажность воздуха слишком велика или если произошло внезапное охлаждение воздуха, то избыточная влага собирается на ядрах конденсации, и тогда образуется или туман, или дождь. Там, где в воздухе слишком много пыли, очень легко может возникать дождь или появляться туман. Если, конечно, в воздухе, кроме пыли, имеется еще достаточно много влаги. Вильсон установил, что влаге воздуха всегда нужно что - то, на чем она могла бы осесть. В воздухе ядрами конденсации для влаги являются крохотные пылинки. Если влажность воздуха слишком велика или если произошло внезапное охлаждение воздуха, то избыточная влага собирается на ядрах конденсации, и тогда образуется или туман, или дождь. Там, где в воздухе слишком много пыли, очень легко может возникать дождь или появляться туман. Если, конечно, в воздухе, кроме пыли, имеется еще достаточно много влаги.

Для регистрации альфа- и бета-частиц используют камеру Вильсона. Камера Вильсона - цилиндр со стеклянными боковыми стенками и крышкой, в котором перемещается поршень. Впускаемые в камеру через тонкое окошко частицы на своем пути ионизируют воздух. Образовавшиеся ионы становятся центрами конденсации перенасыщенного пара, и образованный на ионах по пути движения частиц туман от капелек сконденсированного пара позволяет при достаточно сильном освещении сфотографировать траектории частиц.

Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений. В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений. В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам1927 годуВильсонНобелевскую премию по физикепузырьковымискровым камерам1927 годуВильсонНобелевскую премию по физикепузырьковымискровым камерам

Этот прибор был сконструирован в 1911 г. английским физиком Ч.Вильсоном. Он основан на способности быстро летящих частиц ионизировать молекулы вещества, находящегося в парообразном состоянии.

Схема камеры Вильсона изображена на рис. 22.2.

Рабочий объем камеры 1 заполнен воздухом или другим газом и содержит в себе насыщенный пар воды или спирта. При быстром передвижении поршня 2 вниз пар или газ в объеме 1 адиабатно расширяется и охлаждается, при этом пар становится перенасыщенным. Когда через объем камеры пролетает заряженная частица, то на своем пути она создает ионы, на которых при расширении объема 1 образуются капельки сконденсировавшегося пара. Таким образом, частица оставляет за собой видимый след (трек) в виде узкой полоски тумана. Этот трек можно наблюдать или сфотографировать.

Альфа-частицы вызывают сильную ионизацию газа и поэтому оставляют в камере Вильсона жирные следы. Бета-частицы после себя оставляют очень тонкие треки (рис. 22.3).

Гамма-кванты могут быть обнаружены с помощью камеры Вильсона по фотоэлектронам, которые они выбивают из молекул газа, заполняющего рабочий объем камеры.

Камеру Вильсона часто помещают в сильное магнитное поле, что позволяет по искривлению треков частиц определять их энергию и знак заряда, а по толщине треков - заряд и массу частиц.

Газоразрядные счетчики

В исследованиях по ядерной физике часто используют счетчики заряженных частиц, которые служат для регистрации отдельных частиц. Рассмотрим принцип действия одного из видов счетчиков - пропорционального

(рис. 22.4).

Счетчик состоит из наполненного газом цилиндра 1, в который введены два электрода: анод 3 представляет собой тонкую металлическую нить, оба ее конца укреплены на изоляторах. Катод 2 выполнен в виде токопроводящего металлического слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность цилиндра.

Между катодом и анодом прикладывается напряжение порядка нескольких сотен вольт, вследствие чего внутри счетчика создается электрическое поле. При попадании в счетчик частица ионизует молекулы газа и в электрическом поле между катодом и анодом возникает направленное движение ионов, т. е. происходит газовый разряд. Разрядный ток создает большое падение напряжения на сопротивлении R н , и напряжение между электродами сильно уменьшается, поэтому разряд прекращается. После прекращения тока между катодом и анодом вновь восстанавливается большое напряжение и счетчик готов к регистрации, следующей частицы. Импульс напряжения, возникающий на сопротивлении R н , усиливается и регистрируется специальным счетным устройством. Пропорциональными счетчики называют потому, что сила тока газового разряда, возникающего после прохождения ионизирующей частицы, пропорциональна числу образованных ею ионов.

Одна из разновидностей пропорциональных счетчиков была предложена Э. Резерфордом и Г.Гейгером в 1908 г. Впоследствии в 1928 г. счетчик был усовершенствован Э. Мюллером и получил название счетчика Гейгера-Мюллера.

Радиоактивность - это испускание ядрами некоторых элементов различных частиц, сопровождающееся переходом ядра в другое состояние и изменением его параметров .

Явление радиоактивности было открыто опытным путем французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана, засвечивают завернутую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излучением.

Это удивительное и относительно простое устройство представляет собой один из самых ранних способов детектирования треков заряженных субатомных частиц и, соответственно, приборов для исследования радиации. Удивительна она тем, что объект микромира (альфа-частица, или даже электрон) способен оставить видимый невооружённым глазом след в макромире. Этакий мост между в норме плохо пересекающимися областями реальности.

Принцип действия туманной камеры достаточно несложен для понимания. Переохлаждённый пар летучего вещества, желательно с низкой температурой плавления (традиционно используется спирт, ацетон или нечто подобное), образующийся над охлаждённой до нужной температуры поверхностью, конденсируется на ионах, оставляемых высокоэнергетической заряженной частицей, которая в результате оставляет туманный след (трек). Камера Вильсона, в отличие от туманной, работает за счёт адиабатического расширения пара, без принудительного охлаждения рабочего тела.

Есть несколько способов сделать туманную камеру дома, без применения сложных криогенных установок, герметичных камер и тому подобного. В целом они сводятся к двум: с использованием холодных расходных материалов (сухой лёд или жидкий азот) или термоэлектрическим способом при помощи элементов Пельтье. Напомню, что элемент Пельтье это такая плоская квадратная штука, которая, при подаче на неё определённых тока и напряжения, начинает греться с одной стороны и охлаждаться с другой, достигая разницы температур в 50-70 градусов (разные Пельтье в зависимости от условий работы и качества изготовления работают по-разному).

Поскольку сухой лёд мне искать было лень, а жидкий азот потребовал бы довольно кропотливой дозировки для достижения нужного диапазона температур, выбраны были Пельтье. В свою очередь, с ними имеются два способа достижения нужных температур в -50 — -70*С. Самый простой — соединение двух элементов последовательно, когда один из элементов посажен на радиатор горячей стороной, а холодной стороной охлаждает горячую сторону второго. При использовании водяного охлаждения этот метод довольно успешно работает, но я бы не рекомендовал его кроме как для первичной пробы сил: слишком нестабильны эффекты туманной камеры. Другой способ — это качественное охлаждение радиатора, и использование одиночного элемента Пельтье. Если охладить его горячую сторону ниже нуля по Цельсию, например, при помощи фреонового холодильника, то на холодной стороне будут достигнуты искомые -60*. Собственно, такое решение и было применено.

Конструктивно сама туманная камера — это просто прозрачный корпус с подвешенным источником паров чистого спирта (чистота довольно критична) — смоченной в нём тряпочкой. Внизу корпуса расположен покрашенный чёрной краской элемент Пельтье на фреоново охлаждаемом радиаторе (конструкция фреонового холодильника — тема для другой записи). Около Пельтье или рядом с ним распологается источник альфа-частиц (в данном случае — Pu-239 из радиоизотопного детектора дыма). После охлаждения системы до рабочей температуры, при боковой подсветке поверхности Пельте становятся видны треки от альфа-частиц. Лучшая видимость достигается при подсветке лазером, разложенным в линию специальной насадкой, как и было сделано здесь: такая подсветка не освещает поверхность Пельтье, но освещает туманные треки, что делает их очень контрастными и хорошо заметными. Но обычный фонарик тоже вполне работает.

Для качественной работы камеры очень желательно поставить неподалёку от рабочей зоны источник статического электричества (или просто микромощный высоковольтный постоянный источник киловольт на 10-20). Он собирает избыточные ионы из камеры, позволяя образовываться новым частицам.

Каждый трек соответствует строго одной частице. Не все частицы их оставляют, но каждый оставленный — несомненный след пролёта.

Такая вот забавная игрушка, связь между миром элементарных частиц и макромиром.