Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
§ 76. МЕТАДЫ НАЗІРАННЯ I РЭГІСТРАЦЫІ
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСЦІЦ
Спачатку пазнаёмімся з прыстасаваннямі, дзякуючы якім узнікла і пачала развівацца фізіка атамнага ядра і элементарных часціц. Гэта прыстасаванні для рэгістрацыі і вывучэння сутыкненняў і ўзаемных ператварэнняў ядзер і элементарных часціц. Іменна яны даюць інфармацыю аб падзеях у мікрасвеце.
212
Прынцыпы дзеяння прыбораў для рэгістрацыі элементарных часціц. Любое прыстасаванне, якое рэгіструе элементарныя часціцы або атамныя ядры, што рухаюцца, падобна да зараджанай стрэльбы з узведзеным курком. Невялікае намаганне пры націсканні на спускавы кручок стрэльбы выклікае эфект, непараўнальны з затрачаным намаганнем,— выстрал.
Рэгіструючы прыбор — гэта больш ці менш складаная макраскапічная сістэма, якая можа знаходзіцца ў няўстойлівым стане. Пры невялікім парушэнні, выкліканым праляцеўшай часціцай, пачынаецца працэс пераходу сістэмы ў новы, больш устойлівы стан. Гэты працэс і дазваляе рэгістраваць часціцу. У цяперашні час выкарыстоўваецца шмат розных метадаў рэгістрацыі часціц.
У залежнасці ад мэт эксперыменту і ўмоў, у якіх ён праводзіцца, прымяняюцца тыя ці іншыя рэгіструючыя прыстасаванні, якія адрозніваюцца адно ад аднаго па асноўных характарыстыках.
Газаразрадны лічыльнік Гейгера. Лічыльнік Гейгера — адзін з важнейшых прыбораў для аўтаматычнага лічэння часціц.
Лічыльнік (рыс. 173) складаецца са шкляной трубкі, пакрытай унутры металічным слоем (катод), і тонкай металічнай ніці, якая ідзе ўздоўж восі трубкі (анод). Трубка запаўняецца газам, звычайна аргонам. Дзеянне лічыльніка заснавана на ўдарнай іанізацыі. Зараджаная часціца (электрон, ачасціца і г. д.), пралятаючы ў газе, адрывае ад атамаў электроны і стварае дадатныя іоны і свабодныя электроны. Электрычнае поле паміж анодам і катодам (да іх падводзіцца высокае напружанне) паскарае электроны да энергій, пры якіх пачынаецца ўдарная іанізацыя. Узнікае лавіна іонаў, і ток праз лічыльнік рэзка ўзрастае. Пры гэтым на нагрузачным рэзістары R утвараецца імпульс напружання, які падаецца ў рэгіструючае прыстасаванне.
Для таго каб лічыльнік мог рэгістраваць наступную трапіўшую ў яго часціцу, лавінны разрад неабходна пагасіць. Гэта адбываецца аўтаматычна. Паколькі ў момант з’яўлення імпульсу току падзенне напружання на нагрузачным рэзістары R вялікае, то напружанне паміж анодам і катодам рэзка памяншаецца —
настолькі, што разрад спыняецца.
Лічыльнік Гейгера прымяняецца ў асноўным для рэгістрацыі электронаў і уквантаў (фатонйў вялікай энергіі). Аднак непасрэдна укванты ў выніку іх малой іанізуючай здольнасці не рэгіструюцца. Для іх выяўлення ўнутраную сценку трубкі пакрываюць матэрыялам, з якога укванты выбіваюць электроны.
Лічыльнік рэгіструе амаль усе
213
гмасціна
Поріл'ань
Вентыль
Рыс. 174
след, які можна
электроны, якія пападаюць у яго; што ж датычыць уквантаў, то ён рэгіструе толькі прыблізна адзін са ста, Рэгістрацыя цяжкіх часціц (напрыклад, ачасціц) адбываецца з цяжкасцямі, таму што складана зрабіць у лічыльніку дастаткова тонкае «акенца», празрыстае для гэтых часціц.
У цяперашні час створаны лічыльнікі, якія працуюць на іншых прынцыпах, чым лічыльнік Гейгера.
Камера Вільсана. Лічыльнікі дазваляюць толькі рэгістраваць факт праходжання праз іх часціцы і фіксаваць некаторыя яе характарыстыкі. У камеры ж Вільсана, створанай у 1912 г., хуткая зараджаная часціца пакідае назіраць непасрэдна або фатаграфаваць. Гэты
прыбор можна назваць «акном» у мікрасвет, г. зн. свет элементарных часціц і сістэм, што з іх складаюцца.
Дзеянне камеры Вільсана заснавана на кандэнсацыі перанасычанай пары на іонах з утварэннем кропелек вады. Гэтыя іоны стварае ўздоўж сваёй траекторыі зараджаная часціца, што рухаецца.
Камера Вільсана — гэта герметычна закрыты сасуд, запоўнены парай вады або спірту, блізкай да насычэння (рыс. 174). Пры рэзкім апусканні поршня, выкліканым памяншэннем ціску пад поршнем, пара ў камеры адыябатычна пашыраецца. У выніку гэтага адбываецца ахаладжэнне, і пара становіцца перанасычанай. Гэта няўстойлівы стан пары: пара лёгка кандэнсуецца. Цэнтрамі кандэнсацыі становяцца іоны, якія ўтварае ў рабочай прасторы камеры праляцеўшая часціца. Калі часціца пранікае ў камеру непасрэдна перад пашырэннем або адразу пасля яго, то на яе шляху ўзнікаюць кропелькі вады. Гэтыя кропелькі ўтвараюць бачны след праляцеўшай часціцы — трэк (рыс. 175). Затым камера вяртаецца ў зыходны стан і іоны выдаляюцца электрычным полем. У залежнасці ад размераў камеры час аднаўлення рабочага рэжыму вагаецца ад некалькіх секунд да дзесяткаў мінут.
Інфармацыя, якую даюць трэкі ў камеры Вільсана, значна
Рыс. 175
багацейшая за тую, якую могуць даць лічыльнікі. Па даўжыні трэка можна вызначыць энергію часціцы, а па ліку кропелек на адзінку даўжыні трэка ацэньваецца яе скорасць.
Чым даўжэйшы трэк часціцы, тым большая яе энергія. А чым больш кропелек вады ўтвараецца на адзінку даўжыні трэка, тым меншая яе скорасць. Часціцы з вялікім зарадам пакідаюць трэк большай таўшчыні.
214
Савецкія фізікі П. Л. Капіца і Д. У. Скабяльцын прапанавалі змяшчаць камеру Вільсана ў аднароднае магнітнае поле. Магнітнае поле дзейнічае на зараджаную часціцу, што рухаецца, з пэўнай сілай (сілай Лорэнца). Гэта сіла скрыўляе траекторыю часціцы, не мяняючы модуля яе скорасці. Трэк мае тым большую крывізну, чым большы зарад часціцы і чым меншая яе маса. Па крывізне трэка можна вызначаць адносіну зараду часціцы да яе масы. Калі вядома адна з гэтых велічынь, то можна вылічыць другую. Напрыклад, па зараду часціцы і крывізне яе трэка можна вызначыць масу.
Пузырковая камера. У 1952 г. амерыканскім вучоным Д. Глейзерам было прапанавана выкарыстаць для выяўлення трэкаў часціц перагрэтую вадкасць. У такой вадкасці на іонах, якія ўтвараюцца пры руху хуткай зараджанай часціцы, узнікаюць пузыркі пары, якія даюць бачны трэк часціцы. Камеры такога тыпу былі названы пузырковымі.
У зыходным стане вадкасць у камеры знаходзіцца пад высокім ціскам, які ахоўвае яе ад закіпання, нягледзячы на тое што тэмпература вадкасці вышэйшая за тэмпературу кіпення пры атмасферным ціску. Пры рэзкім паніжэнні ціску вадкасць аказваецца перагрэтай і на працягу невялікага часу яна будзе знаходзіцца ў няўстойлівым стане. Зараджаныя часціцы, якія пралятаюць іменна ў гэты час, выклікаюць з’яўленне трэкаў, якія складаюцца з пузыркоў пары (рыс. 176). У якасці вадкасцей выкарыстоўваюцца галоўным чынам вадкі вадарод і прапан. Працягласць рабочага цыкла пузырковай камеры невялікая — каля 0,1 с.
Перавага пузырковай камеры перад камерай Вільсана абумоўлена большай шчыльнасцю рабочага рэчыва. Прабегі часціц у ьлніку гэтага аказваюцца дастаткова кароткімі, і часціцы нават вялікіх энергій засядаюць у камеры. Гэта дазваляе назіраць серыю паслядоўных ператварэнняў часціцы і рэакцыі, якія ёю выклікаюцца.
Трэкі ў камеры Вільсана і пузырковай камерьі — адна з галоўных крыніц інфармацыі аб паводзінах і ўласцівасцях часціц.
Назіранне слядоў элементарных часціц робіць моцнае ўражанне, стварае адчуванне непасрэднага судакранання з мікрасветам.
Метад таўстаслойных фотаэмульсій. Для рэгістрацйі часціц разам з камерамі Вільсана і пузырковымі камерамі прымяняюцца таўстаслойныя фотаэмульсіі. Іанізуючае дзеянне хуткіх зараджаных часціц на эмульсію фотапласцінкі дазволіла фран
215
Рыс. 177
цузскаму фізіку А. Бекерэлю адкрыць у 1896 г. радыеактыўнасць. Метад фотаэмульсій быў развіты савецкімі фізікамі Л. В. Мысоўскім, A. П. Жданавым і інш.
Фотаэмульсія змяшчае вялікую колькасць мікраскапічных крышталікаў браміду серабра. Хуткая зараджаная часціца, пранізваючы крышталік, адрывае электроны ад асобных атамаў брому. Ланцужок такіх крышталікаў утварае скрыты відарыс. Пры праяўленні ў гэтых крышталіках узнаўляецца металічнае серабро і ланцужок зёрнаў серабра ўтварае трэк часціцы (рыс. 177). Па даўжыні і таўшчыні трэка можна ацаніць энергію і масу часціцы.
3за вялікай шчыльнасці фотаэмульсіі трэкі атрымліваюцца вельмі кароткія (парадку 103 см для ачасціц, выпраменьваемых радыеактыўнымі элементамі), але пры фатаграфаванні іх можна павялічыць.
Перавага фотаэмульсій заключаецца ў тым, што час экспазіцыі можа быць неабмежавана вялікім. Гэта дазваляе рэгістраваць рэдкія з’явы. Важна і тое, што дзякуючы вялікай тармозячай здольнасці фотаэмульсій павялічваецца лік цікавых рэакцый, якія назіраюцца паміж часціцамі і ядрамі.
Мы расказалі далёка не аб усіх прыборах, што рэгіструюць элементарныя часціцы. Сучасныя прыборы для выяўлення часціц, якія рэдка сустракаюцца і вельмі мала жывуць, вельмі складаныя. У іх стварэнні прымаюць удзел сотні людзей.
J 1. Ці можна пры дапамозе камеры Вільсана рэгістраваць незараджаныя часціцы? 2. Якія перавагі мае пузырковая камера ў параўнанні з камерай Вільсана?
§ 77. АДКРЫЦЦЕ РАДЫЕАКТЫЎНАСЦІ
Нестабільнасць атамаў была адкрыта ў канцы XIX ст. Праз 46 гадоў быў пабудаваны першы атамны рэактар. Мы прасочым за хуткім развіццём фізікі атамнага ядра ў гістарычнай паслядоўнасці.
Адкрыццё радыеактыўнасці — з’явы, якая даказвае складаны састаў атамнага ядра, адбылося дзякуючы шчаслівай выпадко
216
СкладоўскаяКюры Марыя (1867—1934) — фізік і хімік. Нарадзілася ў Польшчы ў сям'і настаўніка, працавала ў Францыі. Яна — першая жанчынапрафесар Парыжскага універсітэта. Марыя СкладоўскаяКюры сумесна з мужам П. Кюры адкрыла новыя радыеактыўныя элементы палоній і радый і даследавала іх уласцівасці. Яна распрацавала класічны метад апрацоўкі і аналізу уранавых руд, на працягу рада гадоў даследавала ўласцівасці радыеактыўных выпраменьванняў, іх дзеянне на жывыя клеткі і г. д. Марыя СкладоўскаяКюры двойчы атрымлівала Нобелеўскую прэмію па фізіцы і хіміі.
васці. Рэнтгенаўскія прамені, як вы памятаеце, упершыню былі атрыманы пры сутыкненні хуткіх электронаў са шкляной сценкай разраднай трубкі. Адначасова назіралася свячэнне сценак трубкі. Бекерэль доўгі час даследаваў блізкую з’яву — свячэнне рэчываў, якія папярэдне абпраменьваліся сонечным свят.лом. Да такіх рэчываў належаць, у прыватнасці, солі урану, з якімі эксперыментаваў Бекерэль.
I вось у яго ўзнікла пытанне: ці не з’яўляюцца пасля абпраменьвання солей урану разам з бачным святлом і рэнтгенаўскія прамені? Бекерэль загарнуў фотапласцінку ў шчыльную чорную паперу, паклаў зверху крупінкі уранавай солі і выставіў на яркае сонечнае святло. Пасля праяўлення пласцінка пачарнела на тых участках, дзе ляжала соль. Значыць, уран ствараў нейкае выпраменьванне, якое,падобна да рэнтгенаўскага, пранізвае непразрыстыя целы і дзейнічае на фотапласцінку. Бекерэль думаў, што гэта выпраменьванне ўзнікае пад уплывам сонечных праменяў. Але аднойчы, у лютым 1896 г., чарговы дослед правесці не ўдалося зза хмарнага надвор’я. Бекерэль схаваў пласнінку ў шуфляду стала і паклаў на яе зверху медны крыж, пакрыты соллю урану. Праявіўшы на ўсякі выпадак пласцінку праз два дні, ён знайшоў на ёй пачарненне ў форме выразнага ценю крыжа. Гэта азначала, што солі урану самаадвольна, без уплыву знешніх фактараў, ствараюць нейкае выпраменьванне. Пачаліся інтэнсіўныя даследаванні. Зразумела, каб і не было гэтай шчаслівай выпадковасці, радыеактыўныя з’явы ўсё роўна былі б адкрыты, але, відаць, значна пазней.
КНІГІ ОНЛАЙН
