Урок-практикум по физике на тему Методы регистрации заряженных частиц

Шахтерская общеобразовательная школа № 1
Урок - практикум по физике
для дистанционного обучения
учащихся 11 класса

Подготовила
учитель физики Руденок С.П.
Шахтерск 2015г.
Методы регистрации заряженных частиц
Цели урока
– Образовательная: дать представление о методах регистрации заряженных частиц, раскрыть особенности каждого метода, выявить основные закономерности, изучить применение методов.
– Развивающая: развивать память, мышление, восприятие, внимание, речь через индивидуальную подготовку к уроку; развивать навыки работы с дополнительной литературой и ресурсами Internet .
– Воспитательная: развивать учебную мотивацию, воспитывать патриотизм через изучение вклада отечественных учёных в мировую науку.
Ход урока
І. Ознакомьтесь с теоретическим материалом.
Теоретические сведения Для изучения ядерных явлений были разработаны многочисленные методы регистрации элементарных частиц и излучений. Рассмотрим некоторые из них, которые наиболее широко используются.
1) Газоразрядный счётчик Гейгера
Счётчик Гейгера - один из важнейших приборов для автоматического счёта частиц. Счётчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод).
25085926111533Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счётчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон, Υ- частица и т.д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создаёт положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергии, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счётчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подаётся в регистрирующее устройство. Для того чтобы счётчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически.
Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и Y-квантов ( фотонов большой энергии).Однако непосредственно Y- кванты вследствие их малой ионизирующей способности не регистрируются. Для их обнаружения внутреннюю стенку трубки покрывают материалом, из которого Y-кванты выбивают электроны.
Счётчик регистрирует почти все попадающие в него электроны; что же касается Y- квантов, то он регистрирует приблизительно только один Y-квант из ста. Регистрация тяжёлых частиц (например, Ј-частиц) затруднена, так как сложно сделать в счётчике достаточно тонкое «окошко», прозрачное для этих частиц.
2) Камера Вильсона
42494203420745Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создаёт вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.
39592256296025 Прибор представляет собой цилиндр с поршнем 1 (рис. 2), накрытый плоской стеклянной крышкой 2. Рабочий объем камеры заполнен газом, который содержит насыщенный пар. При быстром перемещении поршня вниз газ в объеме адиабатически расширяется и охлаждается, при этом становясь перенасыщенным. Когда в этом пространстве пролетает частица, создающая на своем пути ионы, то на этих ионах образуются капельки сконденсировавшегося пара. В камере возникает след траектории частицы (трек) в виде полоски тумана (рис.3), который можно наблюдать и фотографировать. Трек существует десятые доли секунды. Вернув поршень в исходное положение и удалив ионы электрическим полем, можно вновь выполнить адиабатное расширение. Таким образом, опыты с камерой можно проводить многократно. Рис.3
-1911357702550 Если камеру поместить между полюсами электромагнита, то возможности камеры по изучению свойств частиц значительно расширяются. В этом случае на движущуюся частицу действует сила Лоренца, что позволяет по искривлению траектории определить значение заряда частицы и ее импульс. На рисунке 4 приведен возможный вариант расшифровки фотографии треков электрона и позитрона. Вектор индукции В магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости чертежа за чертеж. Влево отклоняется позитрон, вправо — электрон.
3) Пузырьковая камера
42494201802765Отличается от камеры Вильсона тем, что перенасыщенные пары в рабочем объеме камеры заменяются перегретой жидкостью, т.е. такой жидкостью, которая находится под давлением, меньшим давления ее насыщенных паров.
Пролетая в такой жидкости, частица вызывает возникновение пузырьков пара, образуя тем самым трек (рис.5).
В исходном состоянии поршень сжимает жидкость. При резком понижении давления температура кипения жидкости оказывается меньше температуры окружающей среды.
Жидкость переходит в неустойчивое (перегретое) состояние. Это и обеспечивает появление пузырьков на пути движения частицы. В качестве рабочей смеси применяются водород, ксенон, пропан и некоторые другие вещества.
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.
4) Метод толстослойных фотоэмульсий
Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующие действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра.
Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При появлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зёрен серебра образует трек частицы.
По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими, но при фотографировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсии состоит в том, что время экспозиции может быть сколько угодно большим. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсии увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.
5) Сцинтилляционный метод
Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и электронных устройств для усиления и подсчета импульсов. Сцинтиллятор преобразует энергию ионизирующего излучения в кванты видимого света, величина которых зависит от типа частиц и материала сцинтиллятора. Кванты видимого света, попав на фотокатод, выбивают из него электроны, число которых многократно увеличивается фотоумножителем. В результате этого на выходе фотоумножителя образуется значительный импульс, который затем усиливается и сосчитывается пересчетной установкой. Таким образом, за счет энергии a-или b-частицы, g-кванта или другой ядерной частицы в сцинтилляторе появляется световая вспышка-сцинтилляция, которая затем с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) преобразуется в импульс тока и регистрируется.
ІІ. Используя теоретический материал и ресурсы Internet, заполните таблицу
Вопросы Спинтарископ Счётчик Гейгера Камера Вильсона Пузырьковая камера Толстослойныефотоэмульсии
1. Автор, год          
2. Устройство          
3. Информация о частице          
4. Тип частиц          
5. Преимущества          
6. Недостатки          
7. Физические законы          
8. Принцип работы          
9. Открытия, сделанные с использованием прибора          
ІІІ. Выполните лабораторную работу
Тема: "Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям"
Цель:  провести  идентификацию заряженной частицы по результатам сравнения ее трека с треком протона в камере Вильсона, помещенной  в магнитное поле; оценить погрешность эксперимента, систематизировать полученные из анализа треков на фотографиях сведения, сформировать выводы и заключения.
Оборудование: готовая фотография двух треков заряженных частиц. I трек– протон, II – частица, которую необходимо идентифицировать.
Пояснения
При выполнении данной лабораторной работы следует помнить, что:
- длина трека тем больше, чем больше энергия частицы (и чем меньше плотность среды);
-толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость;
-при движении заряженной частицы в магнитном поле трек ее получается искривленным, причем радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше ее заряд и модуль индукции магнитного поля:
-частица двигалась от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшм радиусом кривизны (радиус кривизны по мере движения уменьшается, так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы).
Порядок выполнения работы
1. Ознакомьтесь с фотографией треков двух заряженных частиц. (Трек I принадлежит протону, трек II – частице, которую надо идентифицировать) (см. рис.1) .
2. Измерьте радиусы кривизны треков, на их начальных участках (см. рис. 2)
3105155873750
713740186690
Рис. 1 Рис. 2
3. Вычислите для частицы ІІ удельный заряд qxmx = qp mp · RІRІІ . Используя табличные данные, определите, ядром какого элемента является частица ІІ.
ЧастицаУдельный заряд
Электрон 1,759 · 1011 Кл/кг
Протон 9,578 · 107 Кл/кг
Альфа-частица 4,822 · 107 Кл/кг
4. Оцените относительную погрешность эксперимента:
ε = 1- СтабСх · 100% =
5. Все полученные результаты занесите в таблицу
RІ, мRІІ, мУдельный заряд частицы, которую идентифицируют
Cx = qxmx, Кл/кг Название идентифицированной частицы Табличная частица
Cтаб = qтабmтаб, Кл/кг Относительная погрешность,
ε, %
6. Дополнительное задание.
а) В каком направлении двигались частицы?
б) Длина треков частиц примерно одинакова. О чем это говорит?
в) Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует?