Добрецов Сборник лабораторных работ по ядерной физике ч.2 2010

Один оборот винта соответствует перемещению тубуса на 0,1 мм. Общее расстояние перемещения тубуса от упора до упора 2,2 2,4 мм. Крайние положения тубуса определяются рисками, нанесенными на коробке 12. Микроскоп оборудован винтами грубой подачи тубуса 2. Размеры направляющих грубой подачи тубусодержателя обеспечивают возможность перемещения тубуса

впределах 50 мм. При вращении винтов грубой и тонкой подачи по часовой стрелке (если смотреть на микроскоп справа) тубус микроскопа опускается, при вращении против часовой стрелки – поднимается. Микроскоп снабжен предметным столиком с укрепленным на нем двухкоординатным препаратоводителем. Отсчет продвижения по обеим координатам может производиться по шкалам и нониусам с точностью до 0,1 мм. На кронштейн 10 крепится апланатический конденсор 9 Конденсор работает совместно с зеркалом 11, которое составлено из двух зеркал – плоского и вогнутого.

При работе с микроскопом нужно соблюдать следующие основные правила.

Установив пластинку на предметный столик, ввернуть в

револьвер необходимые объективы, а в бинокулярный тубус вставить окуляры. Чтобы полностью использовать разрешающую способность микроскопа, необходимо правильно осветить исследуемый объект. Для освещения применяется искусственный источник света. Поворачивая зеркало (при одновременном наблюдении в окуляры микроскопа), получить наиболее яркое освещение поля зрения микроскопа. Затем вынуть из бинокулярного тубуса микроскопа один из окуляров и посмотреть, равномерно ли освещена последняя поверхность линзы объектива,

впротивном случае необходимо поворотом зеркала добиться равномерного освещения. Глядя в окуляры микроскопа и одновременно вращая винт конденсора, найти такое положение, при котором освещение получается наиболее ярким. Просмотр

ядерных пластинок производится обычно при увеличении 10 или 20 . Пластинка ставится под объектив микроскопа, и начинается систематический просмотр в одном из направлений (например, в горизонтальном). При этом тщательно просматривается по всей глубине эмульсии каждое поле зрения в микроскопе. Просмотрев внимательно поле зрения, пластинку сместить на одно поле в

10

горизонтальном направлении и продолжить просмотр. После того как будет просмотрена вся горизонтальная полоска, произвести смещение по вертикали, также приблизительно на одно поле, и вновь начать просмотр горизонтальной полоски. Таким образом, можно просмотреть всю пластинку и зарегистрировать изучаемые события; в данном случае – трехлучевые «звезды». Поставив изучаемую «звезду» в центр поля, с помощью нониусов записать ее координаты.

РАБОТА С ИММЕРСИОННЫМ ОБЪЕКТИВОМ

Разрешающая сила микроскопа пропорциональна значению числовой апертуры объектива А = n sin , где – апертурный угол, т.е. половина максимального угла, под которым свет входит в объектив; n – коэффициент преломления среды между передней линзой объектива и препаратом. Применяя среду с n > 1, можно увеличить разрешающую силу по сравнению с той, которая достигается при воздушном промежутке (n = 1) между рассматриваемым препаратом и объективом. В связи с этим при больших увеличениях применяют так называемые иммерсионные объективы (обычно 60 , 90 , 100 ), работающие со специальной оптической средой – иммерсионным маслом, помещаемым между исследуемым препаратом и объективом. Основные правила работы на микроскопе при больших увеличениях:

1)найти изучаемый объект при малом увеличении («сухие» 10 или 20 объективы), поместить его в центре поля зрения;

2)вращая (от себя!) винт грубой настройки микроскопа,

поднять объектив на 10 20 мм от поверхности препарата;

3)поворотом револьверного устройства поставить над пластинкой иммерсионный объектив и установить освещение, соответствующее данному объективу;

4)на освещенный участок препарата нанести каплю иммерсионного масла;

5)вращая винт грубой настройки, опускать объектив до момента погружения его нижней части в масло;

6)осторожным движением подвести объектив ближе к поверхности препарата. Касаться поверхности эмульсии объектив не должен!

11

7)смотря в окуляры, медленно и плавно вращая (от себя!) винт грубой настройки, найти изображение исследуемого объекта. При этом нижняя часть объектива должна остаться погруженной в масло;

8)в дальнейшем фокусировку производить микровинтом;

9)окончив работу, следует поднять объектив и ваткой, смоченной в растворителе (бензин, бензол и др.), снять иммерсионное масло с объектива и поверхности препарата.

ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СЛЕДОВ И УГЛОВ

Для измерения длины следов в один из окуляров помещается окулярная шкала. Цена деления окулярной шкалы зависит от увеличения микроскопа и определяется с помощью объектмикрометра. Типичный объект-микрометр представляет собой стеклянную или металлическую пластинку, в центре которой имеется шкала длиной 1 мм, разбитая на 100 малых делений. Для определения цены деления окулярной шкалы при данном увеличении на предметный столик под объектив помещают объект-микрометр так, чтобы в поле зрения микроскопа были видны одновременно окулярная шкала и шкала объект-микрометра. Зная цену деления шкалы объект-микрометра, можно легко определить цену деления окулярной шкалы. Предположим, что используем обычный объект-микрометр с делениями в 0,01 мм и его 10 делений совпадают с пятью делениями окулярной шкалы. Тогда пять делений окулярной шкалы равны 0,10 мм и одно деление, следовательно, равно 0,02 мм. Таким образом, определив цену деления окулярной шкалы, можно точно измерить проекцию следа интересующей нас частицы.

Вертикальная составляющая следа – глубины следа – измеряется с помощью микровинта (показания барабана микровинта дают глубину следа сразу в микрометрах). Коэффициент усадки K учитывает уменьшение толщины эмульсии в процессе обработки. Усадка эмульсии обусловлена, главным образом, удалением незасвеченного галоидного серебра (ядерные эмульсии содержат до 80 % бромистого серебра по массе). Коэффициент усадки равен отношению толщины эмульсии при экспозиции к ее толщине после проявления.

12

Углы между проекциями следов можно измерить с помощью окулярного лимба, имеющегося на микроскопе.

Контрольные вопросы к работе 7

1.Дайте определение энергии ядерной реакции Q. Чему равна величина Q для изучаемой ядерной реакции в данной лабораторной работе. К какому типу ядерных реакций относится изучаемая реакция?

2.Как проверить, что реакция вызвана нейтроном или γ- квантом?

3.Выразите пробег протона в эмульсии через пробег α-частицы, если их кинетические энергии одинаковы.

4.Что собой представляет ядерная эмульсия, используе-мая в данной работе?

5.Чем объясняется наличие страгглинга пробегов частиц и его определение?

3.В описании ЛР утверждается, что реакция протекает по схеме

126 C n, n 342 He . Из каких полученных результатов измерений это следует?

13

Р а б о т а 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЕЧЕНИЙ НЕУПРУГОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ -МЕЗОНОВ С ЯДРАМИ

Цель – определение сечений неупругого взаимодействия -ме- зонов с ядрами углерода, фтора и хлора и анализ результатов с помощью оптической модели.

ВВЕДЕНИЕ

Измерение сечений взаимодействия быстрых -мезонов с ядрами позволяет получить сведения о размерах ядер и сечениях элементарных пион-нуклонных взаимодействий [3 6].

Для изучения структуры ядра необходимо, чтобы дебройлевская длина волны налетающей частицы была мала по сравнению с размерами ядра-мишени. Оценим длину волны частицы с импульсом 1 ГэВ/с:

= / p = (6,6 10–16 эВ с) (3 1010 см/с) (10–9 эВ–1) = = 0,2 10–13 см.

Возможны два вида взаимодействия частицы высокой энергии с ядром: упругое и неупругое. При упругом взаимодействии не образуется новых частиц, не меняется внутреннее состояние ядра. Неупругие процессы можно описывать, введя мнимую часть в потенциал взаимодействия. Описание взаимодействия с помощью комплексного потенциала является основой оптической модели ядра.

При условии R используется приближение геометрической оптики. В первом приближении ядро считается полупрозрачным шаром с однородной плотностью нуклонов (рис. 8.1):

14

Формула (8.3) получена для ядра с постоянной плотностью (r), где r – расстояние от центра ядра. Реальные ядра имеют плотность, постепенно уменьшающуюся к краю (в этом случае аналогичные расчеты также могут быть выполнены).

Постоянной плотности распределения нуклонов в ядре соответствует прямоугольная потенциальная яма. При энергиях налетающей частицы, больших глубины ямы, мнимая часть оптического потенциала W следующим образом связана с плотностью распределения нуклонов в ядре:

где v = pc2/Eполн – скорость налетающей частицы.

Если вещество, в котором происходит взаимодействие, состоит из нескольких элементов, оптическая модель позволяет вычислить значения неупругих сечений для каждого элемента в отдельности по измеренной длине свободного пробега до неупругого взаимодействия L. Действительно, коэффициент поглощения k очень мало зависит от природы ядра и является функцией энергии налетающей частицы. Пусть ni – число ядер i-го элемента в 1 см3;

i – сечение неупругого взаимодействия для i-го элемента, тогда

Определив k, можно найти сечение для каждого элемента по (8.3). Предположение о независимости k от r не является

принципиальным, а используется лишь для получения простой формулы. Расчет можно сделать для любой зависимости k(r), соответствующей распределению плотности нуклонов (r).

При высоких энергиях случаи упругого рассеяния на ядрах обычно не фиксируются. Упругое сечение сосредоточено в области очень малых углов и для своего измерения требует специальной методики. Действительно, угловое распределение дифракционного упругого рассеяния на черном шаре имеет характерный вид:

16

При рассеянии заряженных частиц следует вводить поправку на кулоновское рассеяние. Эта поправка может быть введена в

выражения для сечений добавлением множителя (1 ± Ze2/ER), где E – энергия налетающей частицы, знаки «+» и «–» соответствуют рассеянию отрицательных и положительных частиц соответственно. При энергиях больше 1 ГэВ этот множитель отличается от 1 меньше, чем на 0,01.

При низких энергиях следует учитывать ионизационные потери в веществе мишени. При высоких энергиях эти потери становятся

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Работа выполняется на снимках, полученных на 200-литровой пузырьковой камере МИФИ в пучке –-мезонов с импульсом 4 ГэВ/с протонного синхротрона ИТЭФ. Камера наполнена фреоновой смесью, состав которой может быть представлен формулой C2F5Cl3. Плотность рабочей жидкости 1,16 г/см3.

Схема расположения камеры на ускорителе показана на рис. 8.2. Часть кольца ускорителя представлена магнитными блоками 20 25 (счет ведется от инжектора). -Мезоны генерируются протонами, ускоренными до энергии 7 ГэВ, на мишени, помещенной внутри вакуумной камеры ускорителя в промежутке между блоками 20 и

17

25. Выведенные магнитным полем ускорителя вторичные отрицательно заряженные частицы фокусируются двумя магнитными линзами МЛ-15 и подвергаются селекции по импульсу в поле поворотного магнита СП-7. За поворотным магнитом установлена система коллиматоров К. Изменяя ток в поворотном магните, можно в заданном направлении получить частицы с нужным импульсом p. Пузырьковая камера расположена в электромагните типа МС-12 на расстоянии 35 м от мишени. Контроль наличия пучка и его пространственного положения относительно заданной точки входа пучка в пузырьковую камеру осуществляется с помощью трех стинтилляционных счетчиков (СС), установленных перед камерой и включенных в схему совпадений.

18

зонов на лету, примесь других частиц мала. Грубо примесь мюонов можно оценить, зная расстояние от мишени до камеры. Доля -ме- зонов с импульсом 4 ГэВ/с, распавшихся на расстоянии 35 м, равна

Здесь – среднее время жизни заряженного пиона, t – время пролѐта пионом с заданным импульсом расстояния от мишени до детектора. Практически все возникшие мюоны будут оставаться в пучке.

В данной работе используются снимки, полученные без магнитного поля. На рис. 8.3 показана фотография взаимодействий в камере. Для измерения средней длины свободного пробега достаточно подсчитать число входящих частиц и число образованных ими звѐзд. Так как мюоны очень слабо взаимодействуют с веществом, все зарегистрированные взаимодействия следует считать вызванными -мезонами, а число входящих -мезонов определить, учитывая подсчитанную выше примесь мюонов.

Рис. 8.3

Случаи упругого рассеяния представляют собой однолучевые звезды с малым углом отклонения, так как ядро отдачи при этом

19