Экспериментальные данные о спектрах излучения Основные положения квантовой механики Физика атома Цепная ядерная реакция деления. Биологическое действие ионизирующих излучений

Оптика и строение атома. Элементы физика атома

Основные законы геометpической оптики. Кpаткий обзоp истоpии pазвития пpедставлений о пpиpоде света. Волновая и корпускулярная теории света. Электромагнитная природа света. Шкала электpомагнитных волн. Принцип Ферма - основной принцип геометрической оптики. Явление полного внутpеннего отpажения. Пpедельный угол полного внутpеннего отpажения. Призмы полного внутреннего отражения. Ход лучей в трехгранной призме, плоскопараллельной пластинке, линзах.

Методы регистрации элементарных частиц.

  Для наблюдения и регистрации заряженных частиц используются различные методы.

  Сцинтилляционный счетчик. Существуют вещества, которые отвечают вспышками света на пролет в них заряженной элементарной частицы. Такие вещества называются сцинтилляторами.

  Все сцинтилляторы характеризуются тем, что обладают атомными или мо­лекулярными "оптическими" уровнями, которые возбуждаются полем про­летающей заряженной частицы. В качестве сцинтилляторов часто используют

кристаллы йодистого натрия с добавками таллия. Эти кристаллы чувствительны к γ - квантам, которые выбивают из атомов йода быстрые фотоэлектроны.

Сцинтилляционные счетчики имеют высокую разрешающую способность. Они могут регистрировать частицы, проходящие в сцинтиллятор, с ин­тервалом времени ~ 10-9с.  Счетчик Гейгера-Мюллера. Счетчик Гейгера-Мюллера- один из ажнейших приборов для автоматического счета частиц. Хорошие счетчики позволяет регистрировать до 104 и более частиц в секунду, однако
они не различают заряженные частицы по типам и не дают возможности измерять их энергию.

Счетчик представляет собой наполненный инертным газом сосуд с двумя электродами (рис. 6).

 

 Рис 6.

 Стенки прибора образуют один из электродов, второй электрод вводится через изоляционную пробку. На электроды подается напряжение 1000 В. Заряженные частицы, пролетая в газе, ионизируют его, в результате чего образуются положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле, создаваемое между электродами, ускоряет электроны до энер­гий, при которых начинается ударная ионизация и возникает лавина ионов. Электроны, попавшие на анод, снижают его потенциал, и через резистор течет ток. Импульс напряжения, возникающий на резисторе, подается на регистрирующее устройство и фиксирует попадание частицы. Одновремен­но с регистрацией частицы в счетчике гасится режим газового усиления и лавинообразное нарастание ионов, и разряд прекращается. Счетчики Гейгера-Мюллера применяются в основном для регистрации электронов и

γ - квантов. Для обнаружения γ - квантов, обладающих малой ионизиру­ющей способностью, внутреннюю поверхность счетчика покрывают матери­алом, из которого они выбивают электроны. Тяжелые частицы (например, α - частицы) практически не попадают в счетчик из - за их малой про­никающей способности.

Черенковский счетчик. Принцип работы черенковского счетчика основан на свойствах излучения Вавилова-Черенкова, которое возникает при движении заряженных частиц в среде со скоростями V, превышающими фазовуо скорость света с/n в данной среде ( n - показатель прелом­ления).

Согласно теории электромагнитных волн, прискоростях V<с/n заряженная частица излучает электромагнитные волны лишь при движении с ускорением. Однако, как было доказано советскими физиками И.Е.Таммом и И.М. Франком, при движении с очень высокими скоростями (V> с/n) за­ряженная частица излучает электромагнитные волны даже при равномер­ном движении. 

Двигаясь со скоростью V>с/n в прозрачной жидкой среде, такая частица вызывает кратковременную поляризацию в окрестностях тех то­чек, через которые она пролетает. При этом молекулы среды, лежащие на пути частицы, становятся кратковременными когерентными источника­ми элементарных электромагнитных волн, интерферирующих при их нало­жении. В результате возникает ярко-голубая световая вспышка, свиде­тельствующая о движении в среде частицы со скоростью V>с/n. В че­ренковских счетчиках световые вспышки преобразуются с помощью фото­умножителя в импульс тока.

Характерной особенностью излучения Вавилова-Черенкова является то, что оно распространяется только по направлениям, образующим острый угол υ с траекторией частицы (рис.7).

Причем в направлении образующей конуса волны уси­ливают друг друга. Угол υ связан со скоростью частицы соотношением:

 

 Рис.7

 . .

Измерив угол-υ, определяют скорость частицы V. с помощью черенковского счетчика была открыта короткоживущая анти­частица - антипротон. 

 Камера Вильсона. Камера Вильсона представляет собой стеклянный со­суд с поршнем, содержащий насыщенные пары воды или спирта. При резком опускании поршня и расширении объема газа происходит его ади­абатическое охлаждение, пар становится перенасыщенным. Заряженная частица, пролетая в таком паре, создает на своем пути цепочки ио­нов, являвшихся центрами конденсации. Возникавшие на этих центрах капельки жидкости образуют след пролетевшей частицы - трек, кото­рый можно сфотографировать. По длине трека оценивают энергию час­тицы, а по числу капелек на единицу длины трека рассчитывает вели­чину ее скорости. Если поместить камеру в магнитное поле, то под действием силы Лоренца траектория заряженных частиц искривляется. По направлению искривления и радиусу кривизны определяют знак и удельный заряд частицы.

  Пузырьковая камера. Пузырьковая камера в отличие от камеры Вильсо­на заполнена перегретой жидкостью. При попадании заряженной час­тицы в камеру, вдоль ее траектории образуются ионы, которые стано­вятся центрами парообразования. Из-за высокой плотности жидкости, частицы тормозятся на отрезках в тысячу раз меньших, чем в камере Вильсона, что позволяет регистрировать частицы высоких энергий.

 Метод толстослойных фотоэмульсий. Этот метод заключается в фото­графировании следов частиц в специальных толстослойных фотоэмуль­сиях. Быстрые заряженные частицы вызывает ионизацию молекул фотоэмульсии и почернение ее зерен. Ионизирующая способность частицы определяется ее скоростью, поэтому по числу почерневших зерен фото­эмульсии, приходящихся на один сантиметр пути, можно определить ско­рость частицы, а по длине пробега ее в фотоэмульсии - начальную энергию. Метод толстослойных фотоэмульсий позволяет фиксировать пробеги частиц огромной энергии, в том числе и космических.

Описание установки работы N 220

Установка для регистрации космических частиц состоит из двух счетчиков Гейгера - Мюллера СГ1 и СГ2, источника высокого напряжения и осциллографа 0 (рис.8).

 

 

 Рис. 8

 

 Напряжение источника питания подбирается таким образом, чтобы счет­чики СГ1 и СГ2 работали в гейгеровском режиме. Сигналы от каждого счетчика с сопротивлений R1 и R2 через разделительные емкости С1 и C2 подается на входы X и У осциллографа, на экране которого наб­людаются импульсы при прохождении через счетчики частиц с высокой энергией.

При наличии какой-нибудь фоновой частицы, образовавшейся, нап­ример, в результате ядерного расщепления и пролетавшей через счетчик СГ1 или СГ2 , луч осциллографа отклоняется соответственно в горизонтальном либо вертикальном направлениях. На экране будет наблюдаться, картина, изображенная на рис.9а и 96 соответственно.

 

 

 Рис. 9.

 

При пролетании частицы в пространстве, ограниченном телесным углом установки и отмеченным на рис. I пунктирными линиями, сра­батывает оба счетчика. Сигналы поступят как на вертикальные, так и на горизонтальные отклонявшие пластины осциллографа. На экране бу­дут наблюдаться вспышки в заштрихованном секторе (рис. 9в). При расположении счетчиков один над другим (рис.8) будут регистриро­ваться частицы, попадающие в телесный угол из космоса. Такие чув­ствительные к направлению установки называют обычно "телескопами”. "Телескоп" регистрирует мезоны, электроны и позитроны, которые об­ладают высокой энергией. γ - кванты и β - частицы практически не вы­зывают электрического разряда сразу в двух счетчиках. Первые перес­тают существовать после регистрации одним из счетчиков, исчезая, например, при фотоэлектрическом поглощении. Энергия вторых недоста­точна для прохождения сквозь стенки "телескопа".

Интенсивность падающих космических лучей рассчитывают по формуле:

 ,  (1)

где N - число частиц, проходящих через оба счетчика за время t.

Порядок выполнения работы

 Включить в сеть 220 В "телескоп".

  Включить в сеть 220 В осциллограф.

 После прогрева осциллографа сосчитать число частиц, прошедших одновременно через оба счетчика (рис.8) в течение 5 минут.

  Вычислить по формуле (1) интенсивность космических лучей.

 Контрольные вопросы

 Устройство и принцип действия "телескопа".

 Какие элементарные частицы регистрируются "телескопом"?

 Почему γ-квант не может быть зарегистрирован одновременно двумя счетчиками Гейгера-Мюллера?

4. Основные свойства и строение ядра.

5. Энергия связи ядра. Дефект массы ядра.

6. Происхождение космических лучей.

7. Состав космических лучей.

8. Методы регистрации заряженных частиц.

Закон пpямолинейного pаспpостpанения света в одноpодной сpеде. Закон отpажения света. Закон пpеломления света. Абсолютный и относительный показатели пpеломления сpеды. Связь между относительным и абсолютным показателями преломления граничащих сред. Обоснование законов отражения и пpеломления света на основе волнового пpинципа Гюйгенса.
Ионизация атомов и молекул в клетках