Métodos de registro e detectores de partículas

§ Calorimétrico (com base na energia liberada)

§ Fotoemulsão

§ Câmaras de bolhas e faíscas

§ Detectores de cintilação

§ Detectores semicondutores

Hoje parece quase inacreditável quantas descobertas na física do núcleo atômico foram feitas usando fontes naturais de radiação radioativa com energias de apenas alguns MeV e dispositivos de detecção simples. O núcleo atômico foi descoberto, suas dimensões foram determinadas, uma reação nuclear foi observada pela primeira vez, o fenômeno da radioatividade foi descoberto, o nêutron e o próton foram descobertos, a existência de neutrinos foi prevista, etc. Durante muito tempo, o principal detector de partículas foi uma placa com uma camada de sulfeto de zinco depositada sobre ela. As partículas foram registradas a olho nu pelos flashes de luz que produziram no sulfeto de zinco. A radiação Cherenkov foi observada visualmente pela primeira vez. A primeira câmara de bolhas na qual Glaser observou rastros de partículas era do tamanho de um dedal. A fonte de partículas de alta energia naquela época eram os raios cósmicos - partículas formadas no espaço sideral. EM raios cósmicos Novas partículas elementares foram observadas pela primeira vez. 1932 - o pósitron foi descoberto (K. Anderson), 1937 - o múon foi descoberto (K. Anderson, S. Nedermeyer), 1947 - o méson foi descoberto (Powell), 1947 - partículas estranhas foram descobertas (J. Rochester, K . Mordomo).

Ao longo do tempo instalações experimentais tornou-se cada vez mais difícil. A tecnologia de aceleração e detecção de partículas e a eletrônica nuclear foram desenvolvidas. Os avanços na física nuclear e de partículas são cada vez mais determinados pelo progresso nestas áreas. Os Prêmios Nobel de Física são frequentemente concedidos por trabalhos no campo da tecnologia física experimental.

Os detectores servem tanto para registrar o próprio fato da presença de uma partícula quanto para determinar sua energia e momento, a trajetória da partícula e outras características. Para registrar partículas, geralmente são usados ​​​​detectores que são sensíveis ao máximo à detecção de uma partícula específica e não detectam o grande fundo criado por outras partículas.

Normalmente, em experiências em física nuclear e de partículas, é necessário isolar eventos “necessários” de um cenário gigantesco de eventos “desnecessários”, talvez um em mil milhões. Para isso, utilizam diversas combinações de contadores e métodos de registro, utilizam esquemas de coincidências ou anticoincidências entre eventos registrados por vários detectores, selecionam eventos com base na amplitude e forma dos sinais, etc. A seleção de partículas com base no tempo de voo de uma certa distância entre os detectores, a análise magnética e outros métodos são frequentemente utilizados que permitem identificar com segurança diferentes partículas.

A detecção de partículas carregadas é baseada no fenômeno de ionização ou excitação de átomos que elas causam no material detector. Esta é a base para o trabalho de detectores como câmara de nuvens, câmara de bolhas, câmara de faísca, emulsões fotográficas, cintilação de gás e detectores de semicondutores. Partículas não carregadas (quanta, nêutrons, neutrinos) são detectadas por partículas carregadas secundárias resultantes de sua interação com a substância detectora.

Os neutrinos não são detectados diretamente pelo detector. Eles carregam consigo uma certa energia e impulso. A falta de energia e momento pode ser detectada aplicando a lei da conservação de energia e momento a outras partículas detectadas na reação.

Partículas em decomposição rápida são registradas por seus produtos de decomposição. Detectores que permitem a observação direta das trajetórias das partículas encontraram ampla aplicação. Assim, com a ajuda de uma câmara de Wilson colocada em um campo magnético, foram descobertos pósitrons, múons e -mésons, com a ajuda de uma câmara de bolhas - muitas partículas estranhas, com a ajuda de uma câmara de faísca foram registrados eventos de neutrinos, etc. .

1. Contador Geiger. Um contador Geiger é, via de regra, um cátodo cilíndrico, ao longo do eixo do qual é esticado um fio - o ânodo. O sistema é preenchido com uma mistura de gases.

Ao passar pelo contador, uma partícula carregada ioniza o gás. Os elétrons resultantes, movendo-se em direção ao eletrodo positivo - o filamento, entrando na região de um forte campo elétrico, são acelerados e por sua vez ionizam as moléculas do gás, o que leva a uma descarga corona. A amplitude do sinal atinge vários volts e é facilmente registrada. Um contador Geiger registra o fato de uma partícula passar pelo contador, mas não mede a energia da partícula.

2. Contador proporcional. O contador proporcional tem o mesmo design do contador Geiger. Porém, devido à seleção da tensão de alimentação e à composição da mistura de gases no contador proporcional, quando o gás é ionizado por uma partícula carregada voadora, não ocorre descarga corona. Sob a influência do campo elétrico criado próximo ao eletrodo positivo, as partículas primárias produzem ionização secundária e criam avalanches elétricas, o que leva a um aumento na ionização primária da partícula criada voando através do contador em 10 3 - 10 6 vezes. Um contador proporcional permite registrar a energia das partículas.

3. Câmara de ionização. Assim como no contador Geiger e no contador proporcional, a câmara de ionização utiliza mistura de gases. Porém, comparado a um contador proporcional, a tensão de alimentação na câmara de ionização é menor e a ionização não aumenta nela. Dependendo dos requisitos do experimento, apenas componente eletrônico pulso de corrente, ou eletrônico e íon.

4. Detector de semicondutores. O projeto de um detector semicondutor, geralmente feito de silício ou germânio, é semelhante ao de uma câmara de ionização. O papel do gás em um detector semicondutor é desempenhado por uma região sensível criada de certa forma, na qual no estado normal não existem portadores de carga livres. Uma vez que uma partícula carregada entra nesta região, ela causa ionização, elétrons aparecem na banda de condução e buracos na banda de valência; Sob a influência da tensão aplicada à superfície dos eletrodos da zona sensível, ocorre o movimento de elétrons e buracos e um pulso de corrente é formado. A carga do pulso de corrente carrega informações sobre o número de elétrons e lacunas e, consequentemente, sobre a energia que a partícula carregada perdeu na região sensível. E, se a partícula perdeu completamente energia na área sensível, ao integrar o pulso de corrente, obtém-se informação sobre a energia da partícula. Os detectores semicondutores possuem alta resolução de energia.

O número de pares de íons nion em um contador semicondutor é determinado pela fórmula N íon = E/W,

onde E - energia cinética partículas, W é a energia necessária para formar um par de íons. Para germânio e silício, W ~ 3-4 eV e é igual à energia necessária para a transição de um elétron da banda de valência para a banda de condução. O pequeno valor de W determina a alta resolução dos detectores semicondutores, em comparação com outros detectores nos quais a energia da partícula primária é gasta na ionização (Eion >> W).

5. Câmara de nuvens. O princípio de funcionamento de uma câmara de nuvens é baseado na condensação de vapor supersaturado e na formação de gotas visíveis de líquido em íons ao longo do rastro de uma partícula carregada voando através da câmara. Para criar vapor supersaturado, ocorre uma rápida expansão adiabática do gás usando um pistão mecânico. Depois de fotografar a trilha, o gás na câmara é comprimido novamente e as gotículas nos íons evaporam. O campo elétrico na câmara serve para “limpar” a câmara dos íons formados durante a ionização anterior do gás

6. Câmara de bolhas. O princípio de operação é baseado na ebulição de um líquido superaquecido ao longo do caminho de uma partícula carregada. A câmara de bolhas é um recipiente cheio de um líquido transparente superaquecido. Com uma rápida diminuição da pressão, uma cadeia de bolhas de vapor se forma ao longo do trajeto da partícula ionizante, que são iluminadas por uma fonte externa e fotografadas. Depois de fotografar o traço, a pressão na câmara aumenta, as bolhas de gás entram em colapso e a câmera está pronta para uso novamente. O hidrogênio líquido é usado como fluido de trabalho na câmara, que serve simultaneamente como alvo de hidrogênio para estudar a interação de partículas com prótons.

A câmara de nuvens e a câmara de bolhas têm a grande vantagem de que todas as partículas carregadas produzidas em cada reação podem ser observadas diretamente. Para determinar o tipo de partícula e seu momento, câmaras de nuvens e câmaras de bolhas são colocadas em um campo magnético. A câmara de bolhas tem uma densidade de material detector mais alta em comparação com uma câmara de nuvens e, portanto, os caminhos das partículas carregadas estão completamente contidos no volume do detector. Decifrar fotografias de câmaras de bolhas apresenta um problema separado e trabalhoso.

7. Emulsões nucleares. Da mesma forma, como acontece na fotografia comum, uma partícula carregada ao longo de seu caminho perturba a estrutura da rede cristalina dos grãos de haleto de prata, tornando-os capazes de se desenvolver. A emulsão nuclear é um meio único para registrar eventos raros. Pilhas de emulsões nucleares permitem detectar partículas de energias muito elevadas. Com a ajuda deles, é possível determinar as coordenadas do trajeto de uma partícula carregada com uma precisão de ~1 mícron. As emulsões nucleares são amplamente utilizadas para detectar partículas cósmicas em balões de sondagem e naves espaciais.

8. Câmara de faísca. A câmara de faísca consiste em vários centelhadores planos combinados em um volume. Depois que uma partícula carregada passa pela câmara de faísca, um pulso curto de alta tensão é aplicado aos seus eletrodos. Como resultado, um canal de faísca visível é formado ao longo da pista. Uma câmara de faísca colocada em um campo magnético permite não apenas detectar a direção do movimento de uma partícula, mas também determinar o tipo de partícula e seu momento pela curvatura da trajetória. As dimensões dos eletrodos da câmara de faísca podem atingir vários metros.

9. Câmara de streamer. Este é um análogo de uma câmara de faísca, com uma grande distância entre eletrodos de ~0,5 m. A duração da descarga de alta tensão fornecida aos centelhadores é de ~10 -8 s. Portanto, não é formada uma quebra de faísca, mas canais curtos de luz luminosa separados - serpentinas. Várias partículas carregadas podem ser detectadas simultaneamente em uma câmara de streamer.

10. Câmara proporcional. A câmara proporcional geralmente tem uma forma plana ou cilíndrica e é, em certo sentido, análoga a um contador proporcional de múltiplos eletrodos. Os eletrodos de fio de alta tensão estão espaçados vários mm um do outro. Partículas carregadas, passando pelo sistema de eletrodos, criam um pulso de corrente nos fios com duração de ~10 -7 s. Ao registrar esses pulsos de fios individuais, é possível reconstruir a trajetória das partículas com uma precisão de vários mícrons. O tempo de resolução de uma câmera proporcional é de vários microssegundos. A resolução energética da câmara proporcional é de aproximadamente 5-10%.

11. Câmara de deriva. Este é um análogo de uma câmara proporcional, que permite restaurar a trajetória das partículas com ainda maior precisão.

As câmaras de faísca, streamer, proporcional e de deriva apresentam muitas das vantagens das câmaras de bolhas, permitindo que sejam acionadas a partir de um evento de interesse, utilizando-as para coincidir com detectores de cintilação.

12. Detector de cintilação. Um detector de cintilação usa a propriedade de certas substâncias de brilhar quando uma partícula carregada passa por ele. Os quanta de luz produzidos no cintilador são então detectados usando tubos fotomultiplicadores. São utilizados cintiladores cristalinos, por exemplo, NaI, BGO, e plásticos e líquidos. Cintiladores de cristal são usados ​​principalmente para detectar raios gama e radiação de raios X, plástico e líquido - para registrar nêutrons e medições de tempo. Grandes volumes de cintiladores permitem criar detectores de altíssima eficiência para detectar partículas com pequena seção transversal para interação com a matéria.

13. Calorímetros. Calorímetros são camadas alternadas de uma substância nas quais partículas de alta energia são desaceleradas (geralmente camadas de ferro e chumbo) e detectores, que usam faíscas e câmaras proporcionais ou camadas de cintiladores. Uma partícula ionizante de alta energia (E > 1010 eV), passando pelo calorímetro, cria grande número partículas secundárias, que, interagindo com a substância do calorímetro, por sua vez criam partículas secundárias - formam uma chuva de partículas na direção do movimento da partícula primária. Medindo a ionização em faíscas ou câmaras proporcionais ou a saída de luz dos cintiladores, a energia e o tipo de partícula podem ser determinados.

14. Contador Cherenkov. O funcionamento de um contador Cherenkov baseia-se no registro da radiação Cherenkov-Vavilov, que ocorre quando uma partícula se move em um meio com uma velocidade v superior à velocidade de propagação da luz no meio (v > c/n). A luz da radiação Cherenkov é direcionada para frente em um ângulo na direção do movimento das partículas.

A radiação luminosa é registrada usando um tubo fotomultiplicador. Usando um contador Cherenkov, você pode determinar a velocidade de uma partícula e selecionar partículas por velocidade.

O maior detector de água no qual partículas são detectadas usando a radiação Cherenkov é o detector SuperKamiokande (Japão). O detector tem formato cilíndrico. O diâmetro do volume de trabalho do detector é de 39,3 m, a altura é de 41,4 m, a massa do detector é de 50 ktons, o volume de trabalho para registrar neutrinos solares é de 22 ktons. O detector SuperKamiokande possui 11.000 tubos fotomultiplicadores que varrem aproximadamente 40% da superfície do detector.

Primeiro, vamos conhecer os dispositivos graças aos quais surgiu e começou a se desenvolver a física do núcleo atômico e das partículas elementares. São dispositivos para registrar e estudar colisões e transformações mútuas de núcleos e partículas elementares. Eles fornecem as informações necessárias sobre eventos no micromundo. O princípio de funcionamento dos dispositivos de registro de partículas elementares. Qualquer dispositivo que detecte partículas elementares ou núcleos atômicos em movimento é como uma arma carregada com o martelo engatilhado. Uma pequena quantidade de força ao pressionar o gatilho de uma arma causa um efeito que não é comparável ao esforço despendido - um tiro. Um dispositivo de gravação é um sistema macroscópico mais ou menos complexo que pode estar em estado instável. Com uma pequena perturbação causada pela passagem de uma partícula, inicia-se o processo de transição do sistema para um novo estado mais estável. Este processo permite registrar uma partícula. Atualmente, muitos métodos diferentes de detecção de partículas são usados. Dependendo dos objetivos do experimento e das condições em que ele é realizado, são utilizados determinados dispositivos de registro, que se diferenciam em suas características principais. Contador Geiger de descarga de gás. O contador Geiger é um dos dispositivos mais importantes para contagem automática de partículas. O contador (Fig. 253) consiste em um tubo de vidro revestido internamente por uma camada metálica (cátodo) e um fino fio metálico que corre ao longo do eixo do tubo (ânodo). O tubo está cheio de gás, geralmente argônio. O contador opera com base na ionização por impacto. Uma partícula carregada (elétron, partícula alfa, etc.), voando através de um gás, remove elétrons dos átomos e cria íons positivos e elétrons livres. O campo elétrico entre o ânodo e o cátodo (alta tensão é aplicada a eles) acelera os elétrons a energias nas quais começa a ionização por impacto. Ocorre uma avalanche de íons e a corrente através do contador aumenta acentuadamente. Neste caso, um pulso de tensão é gerado através do resistor de carga R, que é alimentado ao dispositivo de gravação. Para que o contador registre a próxima partícula que o atingir, a descarga da avalanche deve ser extinta. Isso acontece automaticamente. Como no momento em que o pulso de corrente aparece, a queda de tensão no resistor de carga R é grande, a tensão entre o ânodo e o cátodo diminui drasticamente - tanto que a descarga para. O contador Geiger é usado principalmente para registrar elétrons e y-quanta (fótons de alta energia). No entanto, os quanta-y não são registrados diretamente devido à sua baixa capacidade ionizante. Para detectá-los, a parede interna do tubo é revestida com um material do qual os y-quanta eliminam os elétrons. O contador registra quase todos os elétrons que entram nele; Quanto ao y-quanta, ele registra aproximadamente apenas um y-quanta em cem. O registro de partículas pesadas (por exemplo, partículas a) é difícil, pois é difícil fazer uma janela suficientemente fina no contador que seja transparente para essas partículas. Atualmente, foram criados contadores que operam com princípios diferentes do contador Geiger. Câmara Wilson. Os contadores permitem apenas registrar o fato de uma partícula passar por eles e registrar algumas de suas características. Numa câmara de nuvens, criada em 1912, uma partícula carregada rapidamente deixa um rastro que pode ser observado diretamente ou fotografado. Esse dispositivo pode ser chamado de janela para o micromundo, ou seja, o mundo das partículas elementares e dos sistemas constituídos por elas. A ação de uma câmara de nuvens é baseada na condensação de vapor supersaturado em íons para formar gotículas de água. Esses íons são criados ao longo de sua trajetória por uma partícula carregada em movimento. Uma câmara de nuvens é um recipiente hermeticamente fechado cheio de água ou vapor de álcool próximo da saturação (Fig. 254). Quando o pistão é abaixado bruscamente, devido a uma diminuição na pressão sob ele, o vapor na câmara se expande adiabaticamente. Como resultado, ocorre o resfriamento e o vapor fica supersaturado. Este é um estado instável do vapor: o vapor condensa facilmente. Os centros de condensação tornam-se íons, que são formados no espaço de trabalho da câmara por uma partícula voadora. Se uma partícula entrar na câmara imediatamente antes ou imediatamente após a expansão, gotículas de água aparecerão em seu caminho. Essas gotículas formam um traço visível da partícula voadora - um rastro (Fig. 255). A câmara então retorna ao seu estado original e os íons são removidos por um campo elétrico. Dependendo do tamanho da câmera, o tempo para restaurar o modo operacional varia de alguns segundos a dezenas de minutos. As informações fornecidas pelos rastreamentos em uma câmara de nuvem são muito mais ricas do que as que os contadores podem fornecer. A partir do comprimento da pista, você pode determinar a energia da partícula, e a partir do número de gotas por unidade de comprimento da pista, você pode estimar sua velocidade. Quanto mais longa for a trajetória da partícula, maior será sua energia. E quanto mais gotas de água se formarem por unidade de comprimento da pista, menor será sua velocidade. Partículas com carga mais alta deixam um rastro mais espesso. Os físicos soviéticos P. L. Kapitsa e D. V. Skobeltsyn propuseram colocar uma câmara de nuvens em um campo magnético uniforme. Um campo magnético atua sobre uma partícula carregada em movimento com uma certa força (força de Lorentz). Essa força curva a trajetória da partícula sem alterar o módulo de sua velocidade. Quanto maior a carga da partícula e menor a sua massa, maior será a curvatura da pista. A partir da curvatura da pista, pode-se determinar a razão entre a carga da partícula e sua massa. Se uma dessas quantidades for conhecida, a outra poderá ser calculada. Por exemplo, a partir da carga de uma partícula e da curvatura de sua trajetória, calcule a massa. Câmara de bolhas. Em 1952, o cientista americano D. Glazer propôs o uso de líquido superaquecido para detectar rastros de partículas. Nesse líquido, bolhas de vapor aparecem nos íons formados durante o movimento de uma partícula carregada rapidamente, formando um rastro visível. Câmaras deste tipo eram chamadas de câmaras de bolhas. No estado inicial, o líquido na câmara está sob alta pressão, o que o impede de ferver, apesar de a temperatura do líquido ser superior ao ponto de ebulição à pressão atmosférica. Com uma diminuição acentuada da pressão, o líquido superaquece e por um curto período ficará instável. Partículas carregadas voando precisamente neste momento causam o aparecimento de rastros que consistem em bolhas de vapor (Fig. 256). Os líquidos utilizados são principalmente hidrogênio líquido e propano. O ciclo operacional da câmara de bolhas é curto - cerca de 0,1 s. A vantagem da câmara de bolhas sobre a câmara de Wilson se deve à maior densidade da substância de trabalho. Como resultado, os caminhos das partículas revelam-se bastante curtos e até partículas de energias elevadas ficam presas na câmara. Isto permite observar uma série de transformações sucessivas de uma partícula e as reações que ela causa. As trilhas das câmaras de nuvens e das câmaras de bolhas são uma das principais fontes de informação sobre o comportamento e as propriedades das partículas. Observar vestígios de partículas elementares produz uma forte impressão e cria uma sensação de contato direto com o microcosmo. Método de emulsões fotográficas de camada espessa. Para detectar partículas, juntamente com câmaras de nuvens e câmaras de bolhas, são utilizadas emulsões fotográficas de camada espessa. O efeito ionizante de partículas carregadas rapidamente na emulsão de uma chapa fotográfica permitiu ao físico francês A. Becquerel descobrir a radioatividade em 1896. O método de emulsão fotográfica foi desenvolvido Físicos soviéticos L.V. Mysovsky, A.P. Zhdanov e outros. A emulsão fotográfica contém um grande número de cristais microscópicos de brometo de prata. Uma partícula carregada rapidamente, penetrando no cristal, remove elétrons de átomos de bromo individuais. Uma cadeia desses cristais forma uma imagem latente. Quando desenvolvida, a prata metálica é restaurada nesses cristais e uma cadeia de grãos de prata forma um rastro de partículas (Fig. 257). O comprimento e a espessura da trilha podem ser usados ​​para estimar a energia e a massa da partícula. Devido à alta densidade da emulsão fotográfica, os traços são muito curtos (da ordem de 1(G3 cm para partículas a emitidas por elementos radioativos), mas ao fotografar podem ser aumentados. A vantagem das emulsões fotográficas é que o o tempo de exposição pode ser arbitrariamente longo. Isso permite registrar fenômenos raros. Também é importante que, devido ao alto poder de parada das fotoemulsões, o número de reações interessantes observadas entre partículas e núcleos aumente. partículas elementares. Dispositivos modernos para detecção de partículas raras e de vida muito curta são muito complexos. Centenas de pessoas participaram de sua construção. E 1- É possível registrar partículas sem carga usando uma câmara de nuvens. tem sobre uma câmara de nuvens?

TODAS AS AULAS DE FÍSICA 11ª série
NÍVEL ACADÊMICO

2º semestre

FÍSICA ATÔMICA E NUCLEAR

LIÇÃO 11/88

Assunto. Métodos de registro radiação ionizante

Objetivo da lição: familiarizar os alunos com métodos modernos detecção e pesquisa de partículas carregadas.

Tipo de aula: aula sobre como aprender novos materiais.

PLANO DE AULA

Controle de conhecimento		1. Meia-vida. 2. A lei do decaimento radioativo. 3. Relação entre a constante de meia-vida e a intensidade da radiação radioativa.
Demonstrações		2. Observação de rastos de partículas numa câmara de nuvens. 3. Fotografias de rastros de partículas carregadas em uma câmara de bolhas.
Aprendendo novo material		1. A estrutura e princípio de funcionamento do contador Geiger-Muller. 2. Câmara de ionização. 3. Câmara de nuvens. 4. Câmara de bolhas. 5. Método de fotoemulsão de camada espessa.
Reforçando o material aprendido		1. Questões qualitativas. 2. Aprender a resolver problemas.

APRENDENDO NOVO MATERIAL

Todos os registros modernos partículas nucleares e as radiações podem ser divididas em dois grupos:

a) métodos computacionais baseados no uso de instrumentos contam o número de partículas de um tipo ou de outro;

b) métodos de rastreamento que permitem recriar partículas. O contador Geiger-Muller é um dos dispositivos mais importantes para contagem automática de partículas. O contador opera com base na ionização por impacto. Uma partícula carregada voa através do gás, retirando elétrons dos átomos e criando íons positivos e elétrons livres. O campo elétrico entre o ânodo e o cátodo acelera os elétrons até as energias nas quais a ionização começa. O contador Geiger-Muller é usado principalmente para registrar elétrons e raios γ.

Esta câmera permite medir doses de radiação ionizante. Normalmente este é um capacitor cilíndrico com gás entre suas placas. Alta tensão é aplicada entre as placas. Na ausência de radiação ionizante, praticamente não há corrente e, no caso de irradiação de um gás, nele aparecem partículas carregadas livres (elétrons e íons) e flui uma corrente fraca. Esta corrente fraca é amplificada e medida. A intensidade da corrente caracteriza o efeito ionizante da radiação (γ-quanta).

A câmara Wilson criada em 1912 oferece oportunidades muito maiores para estudar o micromundo. Nesta câmera, uma partícula carregada rapidamente deixa um rastro que pode ser observado diretamente ou fotografado.

A ação de uma câmara de nuvens é baseada na condensação de vapor supersaturado em íons para formar gotículas de água. Esses íons são criados ao longo de sua trajetória por uma partícula carregada em movimento. As gotículas formam um traço visível da partícula que passou voando - um rastro.

As informações fornecidas pelos rastreamentos em uma câmara de nuvem são muito mais completas do que as que os contadores podem fornecer. A energia da partícula pode ser determinada pelo comprimento da pista, e sua velocidade pode ser estimada pelo número de gotas por unidade de comprimento da pista.

Os físicos russos P. L. Kapitsa e D. V. Skobeltsin propuseram colocar uma câmara de nuvens em um campo magnético uniforme. Um campo magnético atua sobre uma partícula carregada em movimento com uma certa força. Essa força curva a trajetória da partícula sem alterar o módulo de sua velocidade. Atrás da curvatura da pista, pode-se determinar a razão entre a carga da partícula e sua massa.

Normalmente, os rastros de partículas em uma câmara de nuvens não são apenas observados, mas também fotografados.

em 1952, o cientista americano D. Glaser propôs o uso de líquido superaquecido para detectar rastros de partículas. Neste líquido, bolhas de vapor aparecem nos íons formados durante o movimento de uma partícula carregada rapidamente, dando um rastro visível. Câmaras deste tipo eram chamadas de câmaras de bolhas.

A vantagem da câmara de bolhas sobre a câmara de Wilson se deve à maior densidade da substância de trabalho. Como resultado, os caminhos das partículas revelam-se bastante curtos e partículas mesmo de energias elevadas “ficam presas” na câmara. Isso permite observar uma série de transformações sucessivas de uma partícula e as reações por ela causadas.

As trilhas das câmaras de nuvens e das câmaras de bolhas são uma das principais fontes de informação sobre o comportamento e as propriedades das partículas.

O método mais barato para detectar partículas e radiação é a fotoemulsão. Baseia-se no fato de que uma partícula carregada, movendo-se em uma emulsão fotográfica, destrói as moléculas de brometo de prata nos grãos por onde passou. Durante o desenvolvimento, a prata metálica é restaurada nos cristais e uma cadeia de grãos de prata forma um rastro de partículas. O comprimento e a espessura da trilha podem ser usados ​​para estimar a energia e a massa da partícula.

PERGUNTAS AOS ALUNOS DURANTE A APRESENTAÇÃO DO NOVO MATERIAL

Primeiro nível

1. É possível detectar partículas sem carga usando uma câmara de nuvens?

2. Quais são as vantagens de uma câmara de bolhas em relação a uma câmara de nuvens?

Segundo nível

1. Por que as partículas alfa não são detectadas usando um contador Geiger-Muller?

2. Quais características das partículas podem ser determinadas usando uma câmara de nuvens colocada em um campo magnético?

CONSTRUÇÃO DO MATERIAL APRENDIDO

1. Como você pode usar uma câmara de nuvens para determinar a natureza de uma partícula que voou através da câmara, sua energia e velocidade?

2. Com que propósito a câmara de Wilson às vezes é bloqueada com uma camada de chumbo?

3. Onde é maior o caminho livre médio de uma partícula: na superfície da Terra ou nas camadas superiores da atmosfera?

1. A figura mostra o trajeto de uma partícula movendo-se em um campo magnético uniforme com indução magnética de 100 mT, perpendicular ao plano da figura. A distância entre as linhas da grade na figura é de 1 cm. Qual é a velocidade da partícula?

2. A fotografia mostrada na figura foi tirada em uma câmara de nuvens cheia de vapor d'água. Que partícula poderia voar através de uma câmara de nuvens? A seta mostra a direção da velocidade inicial da partícula.

2. Sáb.: Nº 17h49; 17,77; 17,78; 17,79; 17h80.

3. D: prepare-se para trabalho independente № 14.

TAREFAS DO AUTO-TRABALHO Nº 14 “NÚCLEO ATÔMICO. FORÇAS NUCLEARES. RADIOATIVIDADE"

O decaimento do rádio 226 88 Ra ocorreu

A O número de prótons no núcleo diminuiu em 1.

Um núcleo com número atômico 90 seria formado.

B Um núcleo com número de massa 224 foi formado.

D O núcleo de outro átomo é formado elemento químico.

Uma câmara de nuvem é usada para detectar partículas carregadas.

E a Câmara de Nuvens permite determinar apenas o número de partículas voando.

Os nêutrons podem ser detectados usando uma câmara de nuvens.

Uma partícula carregada voando através de uma câmara de nuvens faz com que um líquido superaquecido ferva.

D Ao colocar uma câmara de nuvem em um campo magnético, você pode determinar o sinal da carga das partículas que passam.

A tarefa 3 visa estabelecer uma correspondência (par lógico). Para cada linha indicada por uma letra, selecione uma afirmação indicada por um número.

E próton.

Seria Nêutron.

Em Isótopos.

G Partícula alfa.

1 Partícula neutra formada por um próton e um nêutron.

2 Uma partícula carregada positivamente formada por dois prótons e dois nêutrons. Idêntico ao núcleo do átomo de hélio

3 Uma partícula sem carga elétrica e com massa de 1,67 · 10-27 kg.

4 Partícula com carga positiva, igual em magnitude à carga de um elétron e com massa de 1,67 · 10-27 kg.

5 núcleos com o mesmo carga elétrica, mas de massas diferentes.

Qual isótopo é formado a partir do urânio 23992 U após dois decaimentos β e um decaimento? Escreva a equação da reação.

11º ano

1 opção

1. A operação do contador Geiger é baseada em

A. Divisão de moléculas por uma partícula carregada em movimento. B. Ionização por impacto.

B. Liberação de energia por uma partícula. D. Formação de vapor num líquido superaquecido.

D. Condensação de vapores supersaturados.

2. Dispositivo de registro de partículas elementares, cuja ação se baseia em

a formação de bolhas de vapor em um líquido superaquecido é chamada

A. Emulsão de filme espesso. B. Contador Geiger. B. Câmera.

Câmara de G. Wilson. D. Câmara de bolhas.

3. Uma câmara de nuvens é usada para estudar a radiação radioativa. Sua ação se baseia no fato de que quando uma partícula carregada rapidamente passa por ela:
A. um rastro de gotículas líquidas aparece no gás; B. um pulso de corrente elétrica aparece no gás;
V. forma-se na placa uma imagem latente do traço desta partícula;

Um flash de luz aparece no líquido.

4.O que é uma trilha formada pelo método de emulsão fotográfica de camada espessa?

A Cadeia de gotas de água B. Cadeia de bolhas de vapor

V. Avalanche de elétrons G. Cadeia de grãos de prata

5. É possível detectar partículas sem carga utilizando uma câmara de nuvens?

A. É possível se eles tiverem uma massa pequena (elétron)

B. É possível se eles tiverem um pequeno impulso

B. É possível se eles tiverem uma massa grande (nêutrons)

D. É possível se eles tiverem um grande impulso D. É impossível

6. Com o que está preenchida a câmara de Wilson?

A. Água ou vapor de álcool. B. Gás, geralmente argônio. B. Reagentes químicos

D. Hidrogênio líquido ou propano aquecido quase à ebulição

7. A radioatividade é...

A. A capacidade dos núcleos de emitir partículas espontaneamente, enquanto se transformam nos núcleos de outras pessoas

elementos químicos

B. A capacidade dos núcleos de emitir partículas, enquanto se transformam em núcleos de outros produtos químicos

elementos

B. A capacidade dos núcleos de emitir partículas espontaneamente

D. A capacidade dos núcleos de emitir partículas

8. Alfa - radiação- Esse

9. Radiação gama- Esse

A. Fluxo de partículas positivas B. Fluxo partículas negativas B. Fluxo de partículas neutras

10. O que é radiação beta?

11. Durante o decaimento α, o núcleo...

A. Transforma-se no núcleo de outro elemento químico, que está duas células mais próximas

o início da tabela periódica

B. Transforma-se no núcleo de outro elemento químico, que está localizado uma célula adiante

desde o início da tabela periódica

G. Continua sendo o núcleo do mesmo elemento com o número de massa reduzido em um.

12. O detector de radiação radioativa é colocado em uma caixa de papelão fechada com espessura de parede superior a 1 mm. Que radiação ele pode detectar?

13. Em que se transforma o urânio-238 depoisα - e doisβ - separações?

14. Qual elemento deve substituir X?

204 79 Au X + 0 -1 e

11º ano

Teste “Métodos de registro de partículas elementares. Radioatividade".

Opção 2.

1. Dispositivo de registro de partículas elementares, cuja ação se baseia em

condensação de vapor supersaturado é chamada

A. Câmera fotográfica B. Câmara Wilson C. Emulsão de filme espesso

D. Contador Geiger D. Câmara de bolhas

2. Um dispositivo para registrar radiação nuclear, no qual a passagem de uma carga rápida

partículas provoca o aparecimento de um rastro de gotículas líquidas em um gás, chamado

A. Contador Geiger B. Câmara de nuvem C. Emulsão de filme espesso

D. Câmara de bolhas D. Tela revestida com sulfeto de zinco

3.Qual dos seguintes dispositivos para registrar radiação nuclear

a passagem de uma partícula carregada rapidamente causa o aparecimento de um impulso elétrico

corrente no gás?

A. Em um contador Geiger B. Em uma câmara de nuvens C. Em emulsão fotográfica

D. Num contador de cintilação.

4. O método de fotoemulsão para registrar partículas carregadas é baseado em

A. Ionização por impacto. B. Divisão de moléculas por uma partícula carregada em movimento.

B. Formação de vapor em líquido superaquecido. D. Condensação de vapores supersaturados.

D. Liberação de energia por uma partícula

5. Uma partícula carregada faz com que um rastro de bolhas de vapor líquido apareça em

A. Contador Geiger. B. Câmara de Wilson B. Fotoemulsão.

D. Contador de cintilação. D. Câmara de bolhas

6. Com o que a câmara de bolhas é preenchida?

A. Água ou vapor de álcool. B. Gás, geralmente argônio. B. Reagentes químicos.

D. Hidrogênio líquido ou propano aquecido quase à ebulição.

7. Um recipiente com uma substância radioativa é colocado em

campo magnético, fazendo com que o feixe

a radiação radioativa decai em três

componentes (ver imagem). Componentes (3)

corresponde

A. Radiação gama B. Radiação alfa

B. Radiação beta

8. Radiação beta- Esse

A. Fluxo de partículas positivas B. Fluxo de partículas negativas C. Fluxo de partículas neutras

9. O que é radiação alfa?

A. Fluxo de núcleos de hélio B. Fluxo de prótons C. Fluxo de elétrons

D. Ondas eletromagnéticas de alta frequência

10. O que é radiação gama?

A. Fluxo de núcleos de hélio B. Fluxo de prótons C. Fluxo de elétrons

D. Ondas eletromagnéticas de alta frequência

11. Durante o decaimento β, o núcleo...

A. Transforma-se no núcleo de outro elemento químico, que está localizado uma célula adiante

desde o início da tabela periódica

B. Transforma-se no núcleo de outro elemento químico, que está duas células mais próximas

o início da tabela periódica

B. Continua sendo o núcleo do mesmo elemento com o mesmo número de massa

G. Continua sendo o núcleo do mesmo elemento com o número de massa reduzido em um

12 Qual dos três tipos de radiação tem o maior poder de penetração?

A. Radiação gama B. Radiação alfa C. Radiação beta

13. O núcleo de qual elemento químico é o produto de um decaimento alfa

e dois decaimentos beta do núcleo de um determinado elemento 214 90 O?

14. Qual elemento deve ser substituídoX?

Uma câmara de nuvem é um detector de rastros de partículas elementares carregadas, no qual o rastro (traço) de uma partícula é formado por uma cadeia de pequenas gotículas de líquido ao longo da trajetória de seu movimento. Inventado por Charles Wilson em 1912 (Prêmio Nobel de 1927). Numa câmara de nuvem (ver Fig. 7.2), rastros de partículas carregadas tornam-se visíveis devido à condensação de vapor supersaturado em íons de gás formados pela partícula carregada. Gotas líquidas se formam nos íons, que crescem até um tamanho suficiente para observação (10 -3 -10 -4 cm) e fotografia com boa iluminação. A resolução espacial de uma câmara de nuvens é normalmente de 0,3 mm. O meio de trabalho é mais frequentemente uma mistura de água e vapor de álcool sob uma pressão de 0,1-2 atmosferas (o vapor de água condensa principalmente em íons negativos, o vapor de álcool em íons positivos). A supersaturação é alcançada reduzindo rapidamente a pressão devido à expansão do volume de trabalho. O tempo de sensibilidade da câmera, durante o qual a supersaturação permanece suficiente para a condensação nos íons, e o volume em si é aceitavelmente transparente (não sobrecarregado com gotículas, inclusive as de fundo), varia de centésimos de segundo a vários segundos. Depois disso, é necessário limpar o volume de trabalho da câmera e restaurar sua sensibilidade. Assim, a câmara de nuvens opera em modo cíclico. O tempo total do ciclo geralmente é > 1 minuto.

As capacidades de uma câmara de nuvens aumentam significativamente quando colocada em um campo magnético. Ao longo de uma curva campo magnético A trajetória de uma partícula carregada determina o sinal de sua carga e momento. Usando uma câmara de nuvens em 1932, K. Anderson descobriu um pósitron nos raios cósmicos.

Uma importante melhoria concedida em 1948. Prêmio Nobel(P. Blackett), foi a criação de uma câmara de nuvens controlada. Contadores especiais selecionam eventos que devem ser registrados pela câmara de nuvens e “iniciam” a câmera apenas para observar tais eventos. A eficiência de uma câmara de nuvem operando neste modo aumenta muitas vezes. A “controlabilidade” de uma câmara de nuvens é explicada pelo fato de ser possível garantir uma taxa de expansão muito elevada do meio gasoso e a câmara ter tempo para responder ao sinal de disparo dos contadores externos.