Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

Газоразрядный счетчик Гейгера газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа. газоразрядный прибор для автоматического подсчёта числа попавших в него ионизирующих частиц. Представляет собой газонаполненный конденсатор, который пробивается при пролёте ионизирующей частицы через объём газа.

Работа счетчика основана на ударной ионизации. Гамма кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный заряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе. Работа счетчика основана на ударной ионизации. Гамма кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электроны, двигаясь в газе и сталкиваясь с атомами газа, выбивают из атомов электроны и создают положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. Чтобы счетчик смог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный заряд нужно погасить. Это происходит автоматически. В момент появления импульса тока на сопротивлении R возникает большое падение напряжения, поэтому напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и настолько, что разряд прекращается, и счетчик снова готов к работе.

Камера Вильсона изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном между 1910 и 1912 гг. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного пара: при появлении в среде перенасыщенного пара каких-либо центров конденсации (в частности, ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно). Для исследования количественных характеристик частиц (например, массы и скорости) камеру помещают в магнитное поле, искривляющее треки. изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном между 1910 и 1912 гг. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного пара: при появлении в среде перенасыщенного пара каких-либо центров конденсации (в частности, ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно). Для исследования количественных характеристик частиц (например, массы и скорости) камеру помещают в магнитное поле, искривляющее треки.

Пузырьковая камера Пузырьковая камера была изобретена Дональдом Глейзером (США) в 1952 году. За своё открытие Глейзер получил Нобелевскую премию в 1960 году. Луис Уолтер Альварес усовершенствовал пузырьковую камеру Глейзера, использовав в качестве перегретой жидкости водород. А также для анализа сотен тысяч фотографий, получаемых при исследованиях с помощью пузырьковой камеры, Альварес впервые применил компьютерную программу, позволявшую анализировать данные с очень большой скоростью. Пузырьковая камера была изобретена Дональдом Глейзером (США) в 1952 году. За своё открытие Глейзер получил Нобелевскую премию в 1960 году. Луис Уолтер Альварес усовершенствовал пузырьковую камеру Глейзера, использовав в качестве перегретой жидкости водород. А также для анализа сотен тысяч фотографий, получаемых при исследованиях с помощью пузырьковой камеры, Альварес впервые применил компьютерную программу, позволявшую анализировать данные с очень большой скоростью. Пузырьковая камера позволила зафиксировать поведение многих ионизирующих частиц, не поддававшихся ранее наблюдению, и получить о них в тысячи раз большую информацию. До этого около 40 лет была известна Камера Вильсона. Пузырьковая камера позволила зафиксировать поведение многих ионизирующих частиц, не поддававшихся ранее наблюдению, и получить о них в тысячи раз большую информацию. До этого около 40 лет была известна Камера Вильсона.

Принцип работы Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии близком к вскипанию. При резком уменьшении давления жидкость становится перегретой. Если в данном состоянии в камеру попадёт ионизирующая частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирована. Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии близком к вскипанию. При резком уменьшении давления жидкость становится перегретой. Если в данном состоянии в камеру попадёт ионизирующая частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирована.

Открытие радиоактивности Нестабильность атомов была открыта в конце 19 века Беккерелем. Он долгое время изучал ренгеновское излучение. Случайно, Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно, без каких-либо внешних влияний, создают какое-то излучение. Затем, в 1898 году Мария Склодовская- Кюри во Франции и другие ученые открыли излучение тория. В дальнейшем Мария Склодовская- Кюри выделила ранее неизвестный радиоактивный химический элемент – полоний. В следствии, открытия радиоактивных элементов было выдвинуто определение радиоактивности. Нестабильность атомов была открыта в конце 19 века Беккерелем. Он долгое время изучал ренгеновское излучение. Случайно, Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно, без каких-либо внешних влияний, создают какое-то излучение. Затем, в 1898 году Мария Склодовская- Кюри во Франции и другие ученые открыли излучение тория. В дальнейшем Мария Склодовская- Кюри выделила ранее неизвестный радиоактивный химический элемент – полоний. В следствии, открытия радиоактивных элементов было выдвинуто определение радиоактивности. Радиоактивность – это способность нестабильных ядер превращаться в другие ядра. Радиоактивность – это способность нестабильных ядер превращаться в другие ядра.

Альфа-частицы А́льфа-части́ца положительно заряженная частица, образованная 2 протонами и 2 нейтронами. Идентична ядру атома гелия-4 (4He2+). Образуется при альфа- распаде ядер. При этом ядро может перейти в возбуждённое состояние, избыток энергии удаляется при выделении гамма-излучения. Однако вероятность перехода ядра при альфа- распаде на возбуждённый уровень, как правило, сильно подавлена, что связано с экспоненциальным уменьшением вероятности альфа-распада при уменьшении кинетической энергии излучаемых альфа-частиц. Альфа- частицы могут вызывать ядерные реакции; в первой искусственно вызванной ядерной реакции (Э. Резерфорд, 1919, превращение ядер азота в ядра кислорода) участвовали именно альфа-частицы. Поток альфа- частиц называют альфа-лучами. А́льфа-части́ца положительно заряженная частица, образованная 2 протонами и 2 нейтронами. Идентична ядру атома гелия-4 (4He2+). Образуется при альфа- распаде ядер. При этом ядро может перейти в возбуждённое состояние, избыток энергии удаляется при выделении гамма-излучения. Однако вероятность перехода ядра при альфа- распаде на возбуждённый уровень, как правило, сильно подавлена, что связано с экспоненциальным уменьшением вероятности альфа-распада при уменьшении кинетической энергии излучаемых альфа-частиц. Альфа- частицы могут вызывать ядерные реакции; в первой искусственно вызванной ядерной реакции (Э. Резерфорд, 1919, превращение ядер азота в ядра кислорода) участвовали именно альфа-частицы. Поток альфа- частиц называют альфа-лучами.

Бета-частицы Бета-частица (β-частица), заряженная частица, испускаемая в результате бета-распада. Поток бета- частиц называется бета-лучи или бета-излучение. Бета- лучи под действием электрического и магнитного полей отклоняются от прямолинейного направления. Скорость частиц в бета-лучах близка к скорости света. Бета-лучи способны ионизировать газы, вызывать химические реакции, люминесценцию, действовать на фотопластинки. Бета-частица (β-частица), заряженная частица, испускаемая в результате бета-распада. Поток бета- частиц называется бета-лучи или бета-излучение. Бета- лучи под действием электрического и магнитного полей отклоняются от прямолинейного направления. Скорость частиц в бета-лучах близка к скорости света. Бета-лучи способны ионизировать газы, вызывать химические реакции, люминесценцию, действовать на фотопластинки.

Гамма-излучение Га́мма-излуче́ние (гамма-лучи, γ-лучи) вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны < 5×103 нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Га́мма-излуче́ние (гамма-лучи, γ-лучи) вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны < 5×103 нм и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Обычно считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма- излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке к рентгеновскому излучению. Очевидно, физически кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно. Гамма-квантами являются фотоны с высокой энергией. Обычно считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма- излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке к рентгеновскому излучению. Очевидно, физически кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно. Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер (энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т.д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер (энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т.д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях Открыто Полем Виллардом в 1900 году при изучении излучения радия. Открыто Полем Виллардом в 1900 году при изучении излучения радия.

Радиоактивные превращения Радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие. Сопровождаемое испусканием различных частиц. Радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие. Сопровождаемое испусканием различных частиц. Правило Содди: при альфа распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает примерно на четыре атомные единицы массы. Правило Содди: при альфа распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает примерно на четыре атомные единицы массы.

Закон радиоактивного распада Период полураспада. Радиоактивный распад – статистический процесс. Период полураспада – промежуток времени, за который распадется половина первоначального числа атомов. Период полураспада определяет скорость радиоактивного распада. Период полураспада. Радиоактивный распад – статистический процесс. Период полураспада – промежуток времени, за который распадется половина первоначального числа атомов. Период полураспада определяет скорость радиоактивного распада. Предположим, что в начальный момент времени( t = 0) их число было N0. Тогда по истечение времени периода полураспада T нераспавшимися останутся N0/2 атомов. Предположим, что в начальный момент времени( t = 0) их число было N0. Тогда по истечение времени периода полураспада T нераспавшимися останутся N0/2 атомов. t = N0 t = N0 t = T1/ N0/2 t = T1/ N0/2 через время 2T число нераспавшихся атомов останется N0/2*2 t = 2T1/ N0/2*2 = N0 / 22 и т.д. через время 2T число нераспавшихся атомов останется N0/2*2 t = 2T1/ N0/2*2 = N0 / 22 и т.д. через время nT число нераспавшихся атомов останется N0/ 2n через время nT число нераспавшихся атомов останется N0/ 2n t = nT1/ N = N0/ 2n = N02-t/T. t = nT1/ N = N0/ 2n = N02-t/T. Закон радиоактивного распада получаем в виде N = N02-t/T. Период полураспада для разных изотопов меняется в широких пределах, от с для 4 Be8 до 3,7*1010 для 37Rb87.

Изотопы ИЗОТОПЫ разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Название "изотопы" было предложено в 1912 английским радиохимиком Фредериком Содди, который образовал его из двух греческих слов: isos одинаковый и topos место. Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева. ИЗОТОПЫ разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Название "изотопы" было предложено в 1912 английским радиохимиком Фредериком Содди, который образовал его из двух греческих слов: isos одинаковый и topos место. Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева. Атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. Положение химического элемента в периодической системе Менделеева (его порядковый номер) определяется зарядом ядра его атомов. Изотопами называются поэтому разновидности одного и того же химического элемента, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра. По образному выражению Ф.Содди, атомы изотопов одинаковы "снаружи", но различны "внутри". Атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. Положение химического элемента в периодической системе Менделеева (его порядковый номер) определяется зарядом ядра его атомов. Изотопами называются поэтому разновидности одного и того же химического элемента, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра. По образному выражению Ф.Содди, атомы изотопов одинаковы "снаружи", но различны "внутри".

Открытие нейтрона Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за которое он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году. Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за которое он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году. В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он). В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он).

Ядерные силы Ядерные силы, силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Обусловливают самые интенсивные из всех известных в физике взаимодействий. Я. с. являются короткодействующими (радиус их действия ~ см. Ядерные силы, силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Обусловливают самые интенсивные из всех известных в физике взаимодействий. Я. с. являются короткодействующими (радиус их действия ~ см.

Энергия связи атомных ядер Энергия связи (для данного состояния системы) разность между полной энергией связанного состояния системы тел или частиц и энергией состояния, в котором эти тела или частицы бесконечно удалены друг от друга и находятся в состоянии покоя. Энергия связи (для данного состояния системы) разность между полной энергией связанного состояния системы тел или частиц и энергией состояния, в котором эти тела или частицы бесконечно удалены друг от друга и находятся в состоянии покоя. Энергию связи системы, состоящей из бесконечно удалённых покоящихся частиц, принято считать равной нулю. Энергию связи системы, состоящей из бесконечно удалённых покоящихся частиц, принято считать равной нулю. Для системы из i компонент (частиц) энергия связи E определяется как Для системы из i компонент (частиц) энергия связи E определяется как E=M*c2 E=M*c2 где энергия i-го компонента (бесконечно удалённой покоящейся частицы) и энергия системы. где энергия i-го компонента (бесконечно удалённой покоящейся частицы) и энергия системы. Так, например, энергии связи двухатомной молекулы соответствует энергия термической диссоциации, энергии связи атомного ядра дефект массы. Так, например, энергии связи двухатомной молекулы соответствует энергия термической диссоциации, энергии связи атомного ядра дефект массы. Удельная энергия связи, то есть изменение энергии системы при добавлении одной частицы называется химическим потенциалом; для системы, состоящей из нескольких частиц существует несколько химических потенциалов. Удельная энергия связи, то есть изменение энергии системы при добавлении одной частицы называется химическим потенциалом; для системы, состоящей из нескольких частиц существует несколько химических потенциалов.

Цепные ядерные реакции Ядерная цепная реакция - реакция деления атомных ядер тяжелых элементов под действием нейтронов. После каждого деления число нейтронов возрастает, при этом возможен самоподдерживающийся процесс деления ядер. Ядерная цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии. Ядерная цепная реакция - реакция деления атомных ядер тяжелых элементов под действием нейтронов. После каждого деления число нейтронов возрастает, при этом возможен самоподдерживающийся процесс деления ядер. Ядерная цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии.

Ядерный реактор Ядерный реактор - устройство, в активной зоне которого осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер тяжелых элементов, в результате которой происходит контролируемое выделение ядерной энергии. Ядерный реактор - устройство, в активной зоне которого осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер тяжелых элементов, в результате которой происходит контролируемое выделение ядерной энергии. Ядерные реакторы используются: Ядерные реакторы используются: - для выработки электрической энергии; - для выработки электрической энергии; - для научных исследований; - для научных исследований; - для воспроизводства ядерного топлива и т.д. - для воспроизводства ядерного топлива и т.д. Ядерные реакторы различаются: Ядерные реакторы различаются: - по энергии нейтронов, вызывающих деление ядер: ядерные реакторы на тепловых, быстрых и промежуточных нейтронах; - по энергии нейтронов, вызывающих деление ядер: ядерные реакторы на тепловых, быстрых и промежуточных нейтронах; - по характеру распределения ядерного топлива: гомогенные и гетерогенные; - по характеру распределения ядерного топлива: гомогенные и гетерогенные; - по используемому замедлителю: графитовые, водо-водяные и др.; - по используемому замедлителю: графитовые, водо-водяные и др.; - по назначению: энергетические, исследовательские и т.д. - по назначению: энергетические, исследовательские и т.д.