§ 112. Експериментальні методи реєстрації заряджених частинок

Розвиток ядерної фізики вимагає вимірювання кіль­кості випромінюваних частинок, їх енергії, швидкості, вивчення їх траєкторій тощо. Розміри окремих частинок (електронів, протонів, альфа-частинок тощо) такі, що без­посередньо спостерігати їх не можна навіть за допомогою електронного мікроскопа. Однак фізики сконструювали прилади, які дають можливість реєструвати частинки, спостерігати їх траєкторії тощо.

Частинки великих енергій, що випромінюються під час радіоактивних перетворень, входять до складу космічних променів або створюються на спеціальних потужних при­скорювачах (про що мова піде далі). Вони можуть іоні­зувати молекули, впливати на фотопластинку, викликати свічення деяких речовин тощо. За цими проявами можна спостерігати частинки, реєструвати їх, відрізняти одну від одної і вимірювати енергію.

Іонізаційна камера. Одним з найпростіших приладів для дослідження інтенсивних потоків частинок великої енергії є іонізаційна камера. Це заповнена газом посудина (мал. 222) з двома електродами, на які подається стала напруга. В багатьох конструкціях одним з електродів в корпус камери, другий електрод вводиться всередину камери і добре ізолюється від першого. Влітаючи в камеру, частинка утворює певну кількість іонів і через газ йде струм. При відповідній напрузі між електродами сила струму досягає насичення, тобто сила струму не залежить від напруги і пропорційна кількості утворюваних під дією випромінювання іонів, що дає можливість за виміряною

силою струму насичення визначати інтенсивність ядерних випромінювань.

Лічильник Гейгера—Мюллера. Значного підсилення слабких іонізаційних струмів, обумовлених іонізацією газу навіть однією швидкою частинкою або гамма-кван-том, можна досягти, скориставшись явищем ударної іоні­зації. Це використовується в будові лічильників Гейгера — Мюллера, швидке клацання яких добре знайоме всім а багатьох популярних кінофільмів. Цей лічильник є мета­левою тонкостінною трубкою 1 (мал. 223), яка служить катодом. Анодом є тонка металева нитка 2, протягнута вздовж осі трубки. Між ниткою і стінками трубки при­кладена значна різниця потенціалів порядку 800—1000 В. Трубка звичайно заповнюється інертним газом під зни­женим тиском — для збільшення довжини вільного про­бігу і полегшення ударної іонізації газу.

Проникаючи в трубку, проміння іонізує атоми газу на своєму шляху. Виникаючі вільні електрони й іони, при­скорюючись електричним полем між ниткою і стінками, здійснюють іонізацію, яка веде до пробивання газу,— від­бувається електричний розряд, і сила струму через лічиль­ник різко зростає. Імпульс напруги з навантаження R по­дається в реєструючий пристрій (звичайно це підсилювач і механічний лічильник). Поки триває розряд, лічильник не може реєструвати влітання в нього інших частинок. Щоб лічильник міг реєструвати нову частинку, необхідно погасити лавинний розряд. З цією метою в коло лі­чильника вмикають резистор з великим опором (порядку ). При проходженні через цей резистор струму на ньому виникає великий спад напруги, внаслідок чого різко зменшується напруга між трубкою і ниткою (като­дом і анодом), і це веде до припинення розряду. Для зменшення тривалості розряду лічильник заповнюється

аргоном з добавкою до нього метану або пари метилового спирту. Додатні іони на шляху до катода при зіткненні з масивними молекулами метану чи спирту нейтралізую­ться і вже не можуть вибити з катода електрони, необхідні для підтримання розряду.

Підбираючи режим роботи лічильника (значення опо­ру R та інші умови), можна добитися, щоб розряд припи­нявся за 10~⁴ с. Це дає можливість підрахувати частинки, які швидко рухаються одна за одною (близько 10 000 ча­стинок за секунду). Коли кількість частинок дуже ве­лика, механічний лічильник не встигає спрацьовувати («захлинається») і не розрізняє окремих частинок. Тому застосовують спеціальні радіотехнічні пристрої, які дають можливість реєструвати якусь відому частку всіх імпуль­сів (один з чотирьох або один з шістнадцяти і т. д.).

Лічильник Гейгера—Мюллера застосовується для різ­номанітних досліджень. З його допомогою можна не тільки реєструвати кількість частинок, визначати їх проникну вдатність (поміщаючи перед лічильником різні екрани), а й визначати напрям руху частинок. Для цього кілька лічильників вмикаються за особливою схемою («схемою збігів») так, що лічильники реагують тільки тоді, коли частинка пройде послідовно через два (або кілька) лічиль­ники. Очевидно, що в цьому випадку лічильники реєстру­ватимуть лише частинки з певним напрямом руху (тобто напрямом, який проходить через лічильники, увімкнуті за схемою збігів).

Лічильники Гейгера—Мюллера дешеві, винятково прості в експлуатації (великий імпульс), безвідмовні. Тому вони широко використовуються в ядерній фізиці і техніці.

Фотоемульсійний метод. Найбільш дешевим методом реєстрації іонізуючих випромінювань є фотоемульсійний (або метод товстошарових емульсій). Він грунтується на тому, що заряджена частинка при русі в фотоемульсії руйнує молекули бромистого срібла лише в тих зернах, через які вона пройшла. Після проявлення такої пла­стинки в ній виникають «доріжки» з осілого срібла, добре видимі в мікроскопі. Кожна така доріжка є слідом рухо­мої частинки. За характером видимого сліду — його дов­жиною, товщиною тощо можна судити як про властивості частинки, яка залишила слід (про її енергію, швидкість, масу, напрям руху тощо), так і про характер процесу (роз­сіювання, ядерна реакція, розпад частинок тощо), якщо він стався в емульсії.

За допомогою фотоемульсійного методу було зроблено багато визначних відкриттів і одержано важливі характе­ристики елементарних частинок. Достоїнство цього методу полягає в тому, що за його допомогою можна реєструвати шляхи всіх частинок, що пролетіли через фотопластинку за час спостереження, що фотопластинка завжди готова до застосування (емульсія не потребує процедур, які б при­водили її в робочий стан), що емульсія має велику галь­мівну здатність (обумовлену її великою густиною), що цей метод дає слід частинки, який не зникає і його потім можна ретельно вивчати.

Недоліком цього методу в довготривалість і складність хімічної обробки фотопластинок і головне — багато часу, який треба затратити на тривалий розгляд кожної плас­тинки під мікроскопом з великим збільшенням.

Камера Вільсона. Безпосередньо спостерігати і фото­графувати сліди окремих частинок можна в камері, ви­найденій у 1911 р. англійським ученим Вільсоном. Камера Вільсона — це герметично закритий циліндр Ь (мал. 224), заповнений газом і парами рідин, близьких до насичення. Під час швидкого руху поршня а відбувається збільшення об'єму, пара охолоджується і з насиченої перетворює­ться в перенасичену. Якщо в цей час у циліндр влітає заряджена частинка, то на своєму шляху вона іонізує молекули газу, і на цих іонах конденсуються краплинки рідини, які роблять видимою траєкторію частинки. При належній підготовці камери туманний слід утворюється настільки густим, що його добре видно не лише оком, а й можна сфотографувати.

Видимі відрізки шляхів заряджених частинок у камері Вільсона звичайно називають треками. На малюнку 225 відтворені фотографії треків альфа-частинок.

За довжиною треку можна визначити енергію частин­ки, а за кількістю краплинок туману на одиницю довжини треку можна оцінити її швидкість. За характером треку можна визначити вид (природу) частинки, що пролетіла. Так, масивна альфа-частинка залишає суцільний жирний слід, швидка бета-частинка (електрон) — тонкий, а при малій швидкості — звивистий слід.

Можливості камери Вільсона як приладу для кількіс­них вимірювань значно розширюються при вміщенні її 8 сильне магнітне поле. 8авдяки цьому можна за кривиз­ною сліду частинки визначати її масу, імпульс і знак за­ряду, а в деяких випадках також енергію, швидкість і чис­ло пар іонів, створюваних частинкою на одиниці довжини свого шляху. Справді, на заряджену частинку, яка влітав в камеру перпендикулярно до ліній магнітної індукції, дів сила Лоренцаі частинка рухається по колу, тобто

звідкиТаким чином, за відомим за-

рядом частинки 9, за даним значенням магнітної індук­ції В, виміряним радіусом кривизни R траєкторії і відо­мою швидкістю v можна визначити масу частинки т, її кінетичну енергію й імпульс. Знак заряду частинки легко визначається за напрямом її відхилення в магнітному полі.

Серйозним недоліком камери Вільсона є її малий об'єм. Для вивчення явищ, які відбуваються з частинками, не­обхідно, щоб останні завершували повністю свій пробіг в межах камери Вільсона, що не завжди можливе для дуже швидких частинок. Звичайно камера має розмір порядку 20 см — відстань для пробігів частинок у газі дуже незначна. Тому в останні роки для дослідження швидких частинок застосовують так звані бульбашкові камери.

? 1. Як влаштована іонізаційна камера? 2. Яке явище використо­вується в будові лічильників Гейгера—Мюллера? Як побудовано цей лічильник? 3. За допомогою якого приладу можна вивчати сліди заря­джених частинок? 4. Який принцип дії камери Вільсона? Як за допо­могою цієї камери можна визначити природу частинки, що пролетіла в камері, її енергію, шві дкість?