Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

Физика элементарных частиц – сравнительно молодая область физической науки. Она выделилась из ядерной физики в пятидесятые годы двадцатого века. Предположение о дискретности строения вещества появилось еще в античности. Тогда же появился и термин "атом", что в переводе на русский язык означает неделимый. Этот термин сохраняется сегодня в науке чисто традиционно, поскольку современной физике известно множество субатомных (то есть - составляющих атомы) частиц. Некоторые из этих частиц, прежде всего - электрон, протон, нейтрон и фотон, - нам уже знакомы.

СЦИНТИЛЛЯЦИЯ (от лат. scintillatio — мерцание), кратковременная вспышка люминесценции, возникающая в сцинтилляторах под действием ионизирующих излучений (например, быстрых электронов).

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР (сцинтилляционный спектрометр) - прибор для регистрации и спектрометрии частиц. Действие основано на возбуждении заряженными частицами в ряде веществ световых вспышек (сцинтилляций),которые регистрируются фотоэлектронными умножителями. Сцинтилляционные детекторы обладают высокой эффективностью регистрации нейтронов и γ-квантов и быстродействием. Используются в телевизорах (светящийся при работе экран). Э. Резерфорд применил в опытах по рассеянию α- частиц.

Он используется, в основном, для регистрации электронов и γ-квантов. Основа счетчика Гейгера - трубка, заполненная газом и снабженная двумя электродами, на которые подается высокое напряжение. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Когда элементарная частица пролетает сквозь счетчик, она ионизирует газ, и ток через счетчик очень резко возрастает. Образующийся при этом на нагрузке импульс напряжения подается к регистрирующему устройству.Cчетчик Гейгера позволяет лишь фиксировать факт появления частицы.    

Камера Вильсона и пузырьковая камера 

дают возможность наблюдать след, который оставляют пролетающие частицы. Камеру Вильсона заполняют парами воды или спирта, а затем создают условия, в которых пар становится пересыщенным. Для этого резко опускают поршень, вызывая адиабатическое расширение пара. Элементарная частица, пролетая сквозь такую камеру, образует вдоль своей траектории ионы, которые затем выступают как центры конденсации: в них образуются капельки воды. Таким образом, частица оставляет за собой след, или как говорят, трек. Подобный след оставляет высоко летящий в небе самолет. Снимки этих капель и дают информацию о траектории частиц. Действие пузырьковых камер основано на том, что они заполнены перегретой жидкостью, в которой появляются маленькие пузырьки пара на ионах, возникающих при движении быстрых частиц. Если фотоэмульсия содержит мельчайшие кристаллы бромистого серебра, то его атомы ионизируются при пролете элементарной частицы. Затем, когда фотопластинку проявляют, происходит химическая реакция восстановления серебра, и треки частиц становятся видимыми.

Метод толстослойных фотоэмульсий

Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Беккерелю открыть в 1896 г. радиоактивность. Метод фотоэмульсии был развит советскими физиками Л. В. Мысовским, Г. Б. Ждановым и др. 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 проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зерен серебра образует трек частицы. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (порядка 10-3 см для α-частиц, испускаемых радиоактивными элементами), но при фотографировании их можно увеличить. Преимущество фотоэмульсий в том, что время экспозиции может быть сколь угодно большим. Это позволяет регистрировать редкие явления. Важно и то, что благодаря большой тормозящей способности фотоэмульсий увеличивается число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами.