Урок физики для 11 класса "Методы регистрации элементарных частиц"

Тема урока. Методы регистрации ионизирующих излучений

Цели урока: познакомить учащихся с экспериментальными методами исследования частиц; развивать познавательный интерес учащихся, обеспечивая посильное вовлечение их в активную познавательную деятельность;

воспитание общечеловеческих качеств - осознанности восприятия научных достижений в мире; развития любознательности, выдержки.

Тип урока. Изучение нового материала.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания

- В чем заключалось открытие, сделанное Беккерелем в 1896 г.?

- Как стали называть способность атомов некоторых химиче­ских элементов к самопроизвольному излучению?

- Как были названы частицы, входящие в состав радиоактивного излучения?

- О чем свидетельствует явление радиоактивности?

- Что происходит с радием в результате а-распада?

- Какая часть атома - ядро или электронная оболочка - претерпевают изменения при радиоактивном распаде?

- Запишите реакцию а-распада радия и объясните, что означает каждый символ в этой записи.

- Как называются верхнее и нижнее числа, стоящие перед бук­венным обозначением элемента?

- Чему равно массовое число?

- На примере реакции а-распада радия объясните, в чем заключаются законы сохранения заряда (зарядового числа) и массо­вого числа?

- Какой вывод следовал из открытия, сделанного Резерфордом и Содди?

- Что такое радиоактивность?

III. Изучение нового материала

Для изучения ядерных явлений были разработаны методы регистрации элементарных частиц и излучений. Наиболее распростра­ненными являются методы, основанные на ионизующем и фотохимическом действии частиц.

Сцинтилляционный счетчик

В 1903 г. У. Крупе заметил, что а-частицы, испускаемые радио­активным аппаратом, попадая на покрытый сернистым цинком эк­ран, вызывают свечение. Устройство было использовано Э. Резер­фордом. Сцинтилляции теперь наблюдают и считают не визуально, а с помощью специальных устройств - сцинтилляционных счетчиков.

Газоразрядный счетчик Гейгера

Действие основано на ударной ионизации. Заряженная частица, I пролетающая в газе, отрывает у атома электрон и создает ионы и электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет J электроны до энергии, при которой начинается ударная ионизация.

Чтобы счетчик Гейгера мог регистрировать наглядно попадающую в него частицу, надо своевременно прекратить лавинный разряд. Быстрое гашение разряда можно достичь примесями, добавлен­ными к инертному газу. Положительные ионы газа, сталкиваясь с молекулами спирта, рекомбинируют в нейтральные атомы и теряют способность выбивать из катода электроны (самогасящиеся счетчи­ки).

Ток, возникающий при самостоятельном разряде проходит через резистор, вызывает на нем большое падение напряжения, что приво­дит к быстрому уменьшению напряжения между анодом и катодом: лавинный разряд прекращается.

На электродах восстанавливается начальное напряжение, и счет­чик готов к регистрации следующей частицы. Скорость счета равна 10⁴ частиц в секунду.

Камера Вильсона

Действие камеры Вильсона основано на конденсации перенасы­щенного пара на ионах с образованием капель воды. Если в геомет­рическом сосуде с парами воды или спирта происходит резкое рас­ширение газа (адиабатный процесс), температура убывает. И если в этот момент через объем камеры пролетает заряженная частица, то на своем пути она создает ионы, на которых образуются капельки сконденсировавшегося пара.

Таким образом, частица оставляет за собой след (трек) в виде по­лоски тумана. Этот трек можно наблюдать или сфотографировать. По треку можно определить энергию и скорость частицы. Если по­местить камеру в магнитное поле, то по искривлению трека можно определить знак заряда и его энергию, а по толщине трека - величи­ну заряда и массу частицы.

Пузырьковая камера

В 1952 г. Д. Глейзером для регистрации заряженных частиц, имеющих высокую энергию, была создана пузырьковая камера. Принцип действия ее основан на том, что в перегретом состоянии чистая жидкость, находясь под высоким давлением, не закипает при температуре выше точки кипения. Пузырьковая камера заполнена жидким водородом под высоким давлением. При резком уменьше­нии давления переводят жидкость в перегретое состояние.

Если в это время в рабочий объем камеры попадает заряженная частица, то она образует на своем пути в жидкости цепочку ионов. В области пролета частицы жидкость закипает, вдоль ее траектории появляются мелкие пузырьки пара, которые являются треком этой частицы.

Преимущество перед камерой Вильсона: пузырьковая камера может регистрировать частицы с большей энергией, так как в пу­зырьковой камере большая плотность рабочего вещества. Кроме то­го, по сравнению с камерой Вильсона, пузырьковая камера обладает быстродействием. Рабочий цикл равен 0,1 с.

Метод толстослойных фотоэмульсий

Этот метод был разработан в 1928 г. физиками А. П. Ждановым и Л. В. Мысовским. Его сущность заключается в использовании специальных фотоэмульсий для регистрации заряженных частиц. Пролетающая сквозь фотоэмульсию быстрая частица действует на зерна бромистого серебра и образует скрытое изображение. При проявлении фотопластинки образуется трек. После исследования трека оценивается энергия и масса заряженной частицы.

Преимущество метода: с его помощью получают неисчезающие со временем следы частиц, которые могут быть тщательно изучены.

IV. Закрепление материала

- На каком принципе основано действие газоразрядного счетчика Гейгера?

- Какого вида излучения регистрирует счетчик Гейгера?

- Какие изменения могут произойти в работе счетчика, если ре­зистор R заменить другим, имеющим меньшее сопротивление?

- Какой вид имеет траектория движения электрона в пузырько­вой камере, помещенной в магнитное поле?

- Можно ли в камере Вильсона наблюдать треки заряженной а -частицы со временем жизни 10-²³ с?

- На каком принципе основано действие пузырьковой камеры?

V. Подведение итогов урока

Домашнее задание

§ 8.6. упр.34.