Експериментальні методи ядерної фізики

Методи ядерної фізики

1. Сцинтиляційний метод. При потраплянні швидких α-та β-частинок радіоактивного випромінювання на деякі люмінофори (наприклад, екран, вкритий сірчаним цинком) вони спричиняють такі інтенсивні збудження та випромінювання люмінофора, що в темряві їх можна спостерігати неозброєним оком у вигляді окремих спалахів − сцинтиляцій. Кожен спалах відповідає удару однієї частинки по екрану. Практично спалахи на екрані Р, зумовлені випромінюванням досліджуваної речовини R, спостерігають у закритій трубі М мікроскопа незначного збільшення (рис. 3.5); для зручності розрахунку в окуляр мікроскопа вводять окулярну сітку. Такий прилад називають спінтарископом Крукса.

Підрахувавши кількість спалахів в одній клітинці окуляра за певний проміжок часу, можна визначити повне число частинок, які випромінюються радіоакти­вним зразком у всіх напрямах. Для цього число спостережуваних сцинтиляцій треба помножити на , де – тілесний кут, під яким видно клітину екрана. Так було встановлено, що 1 г радію випромінює за секунду частинок. Від- частинок можна звільнитися, розміщуючи прилад у сильному магнітному полі. Як відомо, метод сцинтиляцій Е.Резерфорд використав для дослідження розсіювання - частинок при їх проходженні крізь металічну фольгу.

2. Камера Вільсона – прилад, за допомогою якого можна спосте­рігати і фотографувати треки елементарних частинок. На своєму шляху заряджена частинка іонізує середовище і залишає після себе слід (трек) у вигляді пар позитивних і негативних іонів. У середовищі пересиченої пари іони стають центрами конденсації пари і на них утворюються краплини рідини, які залишають видимий трек частин­ки. При підсвічуванні його можна спостерігати візуально та фотогра­фувати.

Камера Вільсона працює за принципом адіабатичного розширення й охолодження суміші повітря з насиченою парою води, спирту або ефіру. Газ у камері розширюється завдяки руху поршня, гумової діафрагми або рухомого дна (рис. 3.6.а). При цьому насичена пара перетворюється в пересичену і конденсується на іонах. Спостерігають треки частинок через скляну кришку камери.

Щоб виділити іони з робочого об'єму, між корпусом камери і її кришкою, покритою знизу желатиною, прикладають електричну на­пругу 150 - 200 В.

Можливості камери Вільсона були розширені російським фізи­ком Д.В.Скобельциним, який випробував камеру в сильному магнітному полі, паралельному її осі, та американським вченим Андерсоном, який розробив до камери автоматичний пристрій для її запуску і фотографування в той момент, коли частинка попадає в камеру.

Чіткість треків у камері Вільсона залежить від іонізуючої здатності частинок, зокрема сліди - частинок порівняно тонкі, сліди протонів р товстіші, а - частинок товсті (рис. 3.6.б). У магнітному полі завдяки малій масі сліди - частинок більш викривлені, ніж сліди - частинок; вони відхиляються у протилежні сторони, бо заряди їх мають різні знаки. Довжина сліду частинок того самого типу може бути мірою їхньої енергії.

У магнітному полі на рухому заряджену частинку діє сила Лоренца; якщо частинка рухається в напрямі перпендикулярному до магнітного поля, то сила Лоренца відіграє роль доцентрової сили:

. (3.5)

За фотознімками для даних частинок при різних значеннях індукції поля В і відомим радіусом кривизни траєкторії можна скласти три рівняння (3.5) і визначити характеристики частинок.

За допомогою камери Вільсона було відкрито елементарні час­тинки (позитрон та мезон), зафіксовано ядерні реакції, явище пере­творення фотона в пару електрон - позитрон тощо.

3. Бульбашкова камера. Недоліком камери Вільсона є мала густина і мала гальмуюча здатність її середовища, через що швидка частинка пролітає камеру, не викликаючи в ній помітних змін. Цей недолік усувається в бульбашковій камері, сконструйованій у 1952 р. Д.Глезером. Вона є прозорою циліндричною посудиною, наповненою ефіром, фреоном або пропаном при температурі кипіння. Підвище­ний тиск у камері до Па (залежно від рідини) затримує кипіння. Заряджена частинка, пролітаючи через камеру, залишає іонний слід. Після раптового зниження тиску до нормального рідина в камері починає кипіти і на іонах, як центрах кипіння, утворюються пухирці пари. Саме вони дають слід частинки, який при підсвічуванні можна спостерігати візуально та фотографувати.

Оскільки густина рідини значна, в ній довжина пробігу досліджуваної частинки значно менша, ніж у газах. Саме тому за допомогою бульбашкової камери можна досліджувати частинки дуже високих енергій.

4. Іонізаційний лічильник – прилад, в якому заряджена частинка реєструється за імпульсом газорозрядного струму, що зумовлюється іонізаційною дією частинки в газах.

Найбільш поширеним єгазорозрядний лічильник Гейгера - Мюллера (рис. 3.7. а). У ньому вмонтовано два електроди: один – це провідний шар на внутрішній поверхні скляного циліндра або просто металевий циліндр 1, другий – металева нитка 2, натягнута вздовж осі циліндра. На електроди лічильника подається елект­рична напруга, яка близька до розрядної. Завдяки цьо­му розряд починається ли­ше тоді, коли в лічильник попаде елементарна частин­ка або - фотон, які спри­чинять початкову іонізацію газу.

Ядерні частинки або - фотони можна реєструвати лише за початком газового розряду, бо коли розряд уже почався, попадання нових частинок у лічильник істотно не впливатиме на розрядний струм і їх не можна виявити. Тому після кожної частинки, що потрапила в лічильник і зумовлювала розряд, треба автоматично припинити розряд; це зробить лічильник придатним до реєстрації наступної частинки.

За способом припинення розряду лічильники поділяються на несамогасні і самогасні.

У несамогасних лічильниках у коло послідовно з анодом вмикається дуже великий опір ~ 10⁹ Ом. При виникненні розрядного струму на ньому падає переважна частина напруги джерела струму, тоді як між електродами вона різко зменшується і розряд припиняється. Цей процес триває близько с (мертвий час). Отже, максимальна швидкість лічби таких лічильників не перевищує 100 імп/с.

Конструктивно простіші і мають більшу швидкість лічби самогасні лічильники. Припинення розряду в них досягається спеціальним підбором газів; наприклад, беруть 90 % аргону і 10 % пари етилового спирту чи інший багатоатомний газ, іонізаційний потенціал якого менший, ніж для аргону. Загальний тиск їх становить близько 1 кПа.

Суть гасіння розряду така. У лічильнику електричне поле стає сильнішим з наближенням до осі, тут електрони здійснюють ударну іонізацію газу. Проте початковий імпульс іонізації, зумовлений ядер­ною частинкою, швидко закінчується; електрони вмить досягають анода, а малорухливі позитивні іони ще деякий час оточують нитку анода і настільки послаблюють біля неї поле, що ударна іонізація стає неможливою, лічильник не реагує на нові досліджувані частинки. З наближенням позитивних іонів до катода іони одноатомного газу нейтралізуються внаслідок виривання електронів з багатоатомних молекул. Останні перетворюються у важкі іони, які при наближенні до катода виривають електрони з металу і перетворюються в нейтральні молекули. Мертвий час самогасних лічильників ~ 10⁹ с.

Для реєстрації - частинок малих енергій, порядку 0,2 - 0,1 МеВ, та - частинок, проникна здатність яких дуже мала, використовують торцеві лічильники (рис. 3.7. б). У них нитку аноду замінено голкою, а в передній кінець трубки вмонтовано слюдяне віконце такої товщини, щоб частинки могли проникати в лічильник. Слюдяне віконце в лічильниках для - частинок має товщину близько 0,01 мм, для - частинок – близько 0,005 мм.

5. Метод товстошарових фотопластинок. Цей метод розробили російські фізики Л.П.Мисовський і А.П.Жданов у 1927 p., але особливого поширення він набув з 1945 p., коли було розроблено технологію виготовлення пластинок зі спеціальними емульсіями. Ці пластинки відрізняються від звичайних фотопластинок значно більшою товщиною емульсії (від 0,6 до 1,2 мм проти 0,1 мм у звичайних), більшим вмістом бромистого срібла (до 85 - 87 % за масою). Вони більш дрібнозернисті (розміри зерен бромистого срібла ~ 0,1 мкм проти 0,5 - 5 мкм у звичайних), а також більш однорідні.

Товстошарові пластинкиреєструють заряджені частинки, які проходять крізь шар емульсії. Під дією зарядженої частинки на шляху її руху в емульсії відбувається порівняно легке вивільнення електронів з іонів брому. Ці електрони, приєднуючись до іонів срібла, перетворюють останні в нейтральні атоми срібла. Після проявлення і закріплення приховане зображення у вигляді скупчення атомів срібла стає видимим. На світлому фоні пластинки з'являється чорний слід – трек.

Треки вивчають за допомогою мікроскопа великого збільшення. Аналіз треків дає змогу з високим ступенем точності визначити заряд і масу час­тинки, напрям її руху, енергію і час життя. Зокрема, чим більша енер­гія частинки, тим більша довжина її пробігу в емульсії; чим більший заряд, тим ширший трек (рис. 3.8). Отже, за треком частинки можна провести повну її ідентифікацію. За допомогою пластинок відкрили - і - мезони, зафіксували «вибухове» розщеплення ядра атома сріб­ла, спричинене космічною частинкою великої енергії (рис. 3.9) та ін.

6. Лічильник Черенкова ґрунтується на фіксуванні світіння, яке випромінює заряджена частинка (електрон, позитрон, протон тощо) в будь-якому прозорому середовищі тоді, коли швидкість частинки більша від фазової швидкості світла в даному середовищі, тобто при

.

Схемулічильника Черенкова зображено на рис. 3.10. Він складається з плексигласового або люцитового блока 1 (у ньому виникає світіння швидкої зарядженої частинки), оптичної збиральної сис­теми 2 та фотопом­ножувача 3. Лічильник реагує лише на частинку, що переміщується вздовж його осі зліва направо. Від неї світло випромінюється під кутом  до швидкості, зазнає на стінках блока повного внутрішнього відбивання і лінзою спрямовується на катод фотопомножувача. За імпульсом струму від фотопомножувача реєструються заряджені частинки, але такі, що мають велику швидкість (енергію) і спричиняють світіння Черенкова (електрони з енергією понад 0,18 МеВ, протони – понад 320 МеВ).

Лічильник Черенкова є єдиним лічильником, який завдяки реєстрації напрямленого випромінювання світла дає змогу встановити точний напрям руху реєстрованої частинки.