ΟΛΑ ΤΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΦΥΣΙΚΗΣ 11η τάξη
ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟΥ ΕΠΙΠΕΔΟΥ

2ο εξάμηνο

ΑΤΟΜΙΚΗ ΚΑΙ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ

ΜΑΘΗΜΑ 11/88

Θέμα. Μέθοδοι καταγραφής ιοντίζουσας ακτινοβολίας

Σκοπός του μαθήματος: να εξοικειωθούν οι μαθητές με σύγχρονες μεθόδους ανίχνευσης και μελέτης φορτισμένων σωματιδίων.

Είδος μαθήματος: νέο υλικό μάθησης.

ΠΛΑΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

Έλεγχος γνώσης		1. Χρόνος ημιζωής. 2. Νόμος της ραδιενεργής διάσπασης. 3. Σχέση μεταξύ της σταθεράς ημιζωής και της έντασης της ραδιενεργής ακτινοβολίας.
Διαδηλώσεις		2. Παρατήρηση ιχνών σωματιδίων σε θάλαμο νεφών. 3. Φωτογραφίες ιχνών φορτισμένων σωματιδίων σε θάλαμο φυσαλίδων.
Εκμάθηση νέου υλικού		1. Η δομή και η αρχή λειτουργίας του μετρητή Geiger-Muller. 2. Θάλαμος ιοντισμού. 3. Θάλαμος σύννεφων. 4. Θάλαμος φυσαλίδων. 5. Η μέθοδος του φωτογραφικού γαλακτώματος παχιάς στρώσης.
Εμπέδωση της ύλης που μελετήθηκε		1. Ποιοτικές ερωτήσεις. 2. Μαθαίνοντας να λύνουμε προβλήματα.

ΜΕΛΕΤΗ ΝΕΟΥ ΥΛΙΚΟΥ

Όλες οι σύγχρονες καταγραφές πυρηνικών σωματιδίων και ακτινοβολίας μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες:

α) οι υπολογιστικές μέθοδοι που βασίζονται στη χρήση οργάνων μετρούν τον αριθμό των σωματιδίων του ενός ή του άλλου τύπου·

β) μεθόδους παρακολούθησης, που επιτρέπουν την αναδημιουργία σωματιδίων. Ο μετρητής Geiger-Muller είναι μια από τις πιο σημαντικές συσκευές για αυτόματη μέτρηση σωματιδίων. Η λειτουργία του μετρητή βασίζεται στον ιονισμό κρούσης. Ένα φορτισμένο σωματίδιο διέρχεται μέσα από ένα αέριο, αφαιρώντας ηλεκτρόνια από τα άτομα και δημιουργώντας θετικά ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ της ανόδου και της καθόδου επιταχύνει τα ηλεκτρόνια σε ενέργειες στις οποίες αρχίζει ο ιονισμός. Ο μετρητής Geiger-Muller χρησιμοποιείται κυρίως για την καταγραφή ηλεκτρονίων και γ-ακτινοβολιών.

Ένας τέτοιος θάλαμος καθιστά δυνατή τη μέτρηση δόσεων ιονίζουσας ακτινοβολίας. Συνήθως αυτός είναι ένας κυλινδρικός πυκνωτής, μεταξύ των πλακών του οποίου υπάρχει ένα αέριο. Μεταξύ των πλακών εφαρμόζεται υψηλή τάση. Ελλείψει ιονίζουσας ακτινοβολίας, πρακτικά δεν υπάρχει ρεύμα και στην περίπτωση της ακτινοβολίας αερίου, εμφανίζονται σε αυτό ελεύθερα φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια και ιόντα) και ρέει ένα ασθενές ρεύμα. Αυτό το ασθενές ρεύμα ενισχύεται και μετριέται. Η ένταση του ρεύματος χαρακτηρίζει την ιονιστική επίδραση της ακτινοβολίας (γ-κβάντα).

Ένας θάλαμος σύννεφων που δημιουργήθηκε το 1912 παρέχει πολύ μεγαλύτερες ευκαιρίες για τη μελέτη του μικροκόσμου. Σε αυτόν τον θάλαμο, ένα γρήγορα φορτισμένο σωματίδιο αφήνει ένα ίχνος που μπορεί να παρατηρηθεί απευθείας ή να φωτογραφηθεί.

Η δράση του θαλάμου νεφών βασίζεται στη συμπύκνωση υπερκορεσμένων ατμών σε ιόντα με το σχηματισμό σταγονιδίων νερού. Αυτά τα ιόντα δημιουργούνται κατά μήκος της τροχιάς του από ένα κινούμενο φορτισμένο σωματίδιο. Τα σταγονίδια σχηματίζουν ένα ορατό ίχνος ενός σωματιδίου που έχει πετάξει - μια διαδρομή.

Οι πληροφορίες που δίνονται από τα ίχνη στον θάλαμο σύννεφων είναι πολύ πιο ολοκληρωμένες από αυτές που μπορούν να δώσουν οι μετρητές. Η ενέργεια των σωματιδίων μπορεί να προσδιοριστεί από το μήκος της τροχιάς και η ταχύτητά της μπορεί να εκτιμηθεί από τον αριθμό των σταγονιδίων ανά μονάδα μήκους τροχιάς.

Οι Ρώσοι φυσικοί P. L. Kapitsa και D. V. Skobeltsin πρότειναν την τοποθέτηση του θαλάμου σύννεφων σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο. Ένα μαγνητικό πεδίο δρα σε ένα φορτισμένο κινούμενο σωματίδιο με μια ορισμένη δύναμη. Αυτή η δύναμη κάμπτει την τροχιά του σωματιδίου χωρίς να αλλάζει το μέτρο της ταχύτητάς του. Πίσω από την καμπυλότητα της τροχιάς, μπορεί κανείς να προσδιορίσει την αναλογία του φορτίου ενός σωματιδίου προς τη μάζα του.

Συνήθως, τα ίχνη σωματιδίων σε έναν θάλαμο σύννεφων όχι μόνο παρατηρούνται, αλλά και φωτογραφίζονται.

Το 1952, ο Αμερικανός επιστήμονας D. Glaser πρότεινε τη χρήση ενός υπερθερμασμένου υγρού για την ανίχνευση ιχνών σωματιδίων. Σε αυτό το υγρό, εμφανίζονται φυσαλίδες ατμού στα ιόντα που σχηματίζονται κατά την κίνηση ενός γρήγορα φορτισμένου σωματιδίου, οι οποίες δίνουν μια ορατή διαδρομή. Οι θάλαμοι αυτού του τύπου ονομάζονταν θάλαμοι με φυσαλίδες.

Το πλεονέκτημα ενός θαλάμου με φυσαλίδες έναντι ενός θαλάμου νέφους οφείλεται στη μεγαλύτερη πυκνότητα της ουσίας εργασίας. Ως αποτέλεσμα, οι διαδρομές των σωματιδίων αποδεικνύονται αρκετά σύντομες και ακόμη και σωματίδια υψηλής ενέργειας «κολλάνε» στον θάλαμο. Αυτό καθιστά δυνατή την παρατήρηση μιας σειράς διαδοχικών μετασχηματισμών του σωματιδίου και των αντιδράσεων που προκαλούνται από αυτό.

Τα ίχνη στον θάλαμο σύννεφων και στον θάλαμο φυσαλίδων είναι μία από τις κύριες πηγές πληροφοριών σχετικά με τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες των σωματιδίων.

Η φθηνότερη μέθοδος καταγραφής σωματιδίων και ακτινοβολίας είναι το φωτογαλάκτωμα. Βασίζεται στο γεγονός ότι ένα φορτισμένο σωματίδιο, που κινείται σε ένα φωτογραφικό γαλάκτωμα, καταστρέφει τα μόρια βρωμιούχου αργύρου σε εκείνους τους κόκκους από τους οποίους έχει περάσει. Κατά την ανάπτυξη, το μεταλλικό ασήμι μειώνεται στους κρυστάλλους και μια αλυσίδα κόκκων αργύρου σχηματίζει μια τροχιά σωματιδίων. Το μήκος και το πάχος της τροχιάς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της ενέργειας και της μάζας του σωματιδίου.

ΕΡΩΤΗΣΗ ΠΡΟΣ ΤΟΥΣ ΜΑΘΗΤΕΣ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΝΕΟΥ ΥΛΙΚΟΥ

Πρώτο επίπεδο

1. Είναι δυνατή η καταγραφή αφόρτιστων σωματιδίων χρησιμοποιώντας θάλαμο νέφους;

2. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα ενός θαλάμου με φυσαλίδες έναντι του θαλάμου σύννεφων;

Δεύτερο επίπεδο

1. Γιατί τα σωματίδια άλφα δεν καταχωρούνται χρησιμοποιώντας μετρητή Geiger-Muller;

2. Ποια χαρακτηριστικά των σωματιδίων μπορούν να προσδιοριστούν χρησιμοποιώντας ένα θάλαμο νέφους τοποθετημένο σε μαγνητικό πεδίο;

ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟΥ ΜΕΛΕΤΗΜΕΝΟΥ ΥΛΙΚΟΥ

1. Πώς μπορεί κανείς να προσδιορίσει τη φύση ενός σωματιδίου που πέταξε μέσα από τον θάλαμο, την ενέργειά του, την ταχύτητά του χρησιμοποιώντας έναν θάλαμο σύννεφων;

2. Για ποιο σκοπό μερικές φορές ο θάλαμος νέφους μπλοκάρεται με ένα στρώμα μολύβδου;

3. Πού είναι μεγαλύτερη η μέση ελεύθερη διαδρομή ενός σωματιδίου: στην επιφάνεια της Γης ή στην ανώτερη ατμόσφαιρα;

1. Το σχήμα δείχνει μια τροχιά ενός σωματιδίου που κινείται σε ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο με μαγνητική επαγωγή 100 mT, κατευθυνόμενη κάθετα στο επίπεδο του σχήματος. Η απόσταση μεταξύ των γραμμών του πλέγματος στο σχήμα είναι 1 εκ. Ποια είναι η ταχύτητα του σωματιδίου;

2. Η φωτογραφία που φαίνεται στο σχήμα τραβήχτηκε σε θάλαμο σύννεφων γεμάτο με υδρατμούς. Ποιο σωματίδιο θα μπορούσε να περάσει μέσα από τον θάλαμο του νέφους; Το βέλος δείχνει την κατεύθυνση της αρχικής ταχύτητας του σωματιδίου.

2. Σάβ: Αρ. 17.49; 17,77; 17,78; 17,79; 17.80.

3. Δ: προετοιμασία για ανεξάρτητη εργασία Νο. 14.

ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΠΟ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΟ ΕΡΓΟ Νο 14 «ΑΤΟΜΙΚΟΣ ΠΥΡΗΝ. ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ. ΡΑΔΙΟΕΝΕΡΓΕΙΑ"

Η διάσπαση του ραδίου 226 88 Ra έχει συμβεί

A Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα έχει μειωθεί κατά 1.

Θα σχηματιστεί ένας πυρήνας με ατομικό αριθμό 90.

Σχηματίστηκε ένας πυρήνας με μαζικό αριθμό 224.

D Σχηματίστηκε ο πυρήνας ενός ατόμου ενός άλλου χημικού στοιχείου.

Ένας θάλαμος νέφους χρησιμοποιείται για την ανίχνευση φορτισμένων σωματιδίων.

Και ο θάλαμος σύννεφων σάς επιτρέπει να προσδιορίζετε μόνο τον αριθμό των σωματιδίων που έχουν περάσει.

Χρησιμοποιώντας έναν θάλαμο νέφους, μπορείτε να καταχωρήσετε νετρόνια.

B Ένα φορτισμένο σωματίδιο που έχει πετάξει μέσα από έναν θάλαμο νέφους προκαλεί βρασμό του υπερθερμασμένου υγρού.

D Τοποθετώντας έναν θάλαμο νέφους σε ένα μαγνητικό πεδίο, μπορεί κανείς να προσδιορίσει το πρόσημο του φορτίου των σωματιδίων που περνούν.

Η εργασία 3 στοχεύει στη δημιουργία μιας αντιστοιχίας (λογικό ζεύγος). Για κάθε γραμμή που σημειώνεται με ένα γράμμα, αντιστοιχίστε τη δήλωση που σημειώνεται με έναν αριθμό.

Και το Proton.

Θα ήταν Νετρόνιο.

σε ισότοπα.

G Σωματίδιο Άλφα.

1 Ουδέτερο σωματίδιο που σχηματίζεται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο.

2 Ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο που αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Πανομοιότυπο με τον πυρήνα του ατόμου του ηλίου

3 Σωματίδιο που δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο και έχει μάζα 1,67 · 10-27 kg.

4 Σωματίδιο με θετικό φορτίο, ίσο σε συντελεστή με το φορτίο ενός ηλεκτρονίου και μάζα 1,67 · 10-27 kg.

5 Πυρήνες με το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο αλλά διαφορετικές μάζες.

Ποιο ισότοπο σχηματίζεται από το ουράνιο 23992 U μετά από δύο β-διασπάσεις και μία διάσπαση; Γράψτε την εξίσωση της αντίδρασης.

11 κύτταρα

1 επιλογή

1. Η δράση του μετρητή Geiger βασίζεται στο

Α. Διάσπαση μορίων από κινούμενο φορτισμένο σωματίδιο Β. Ιοντισμός κρούσης.

Β. Απελευθέρωση ενέργειας από ένα σωματίδιο. Ζ. Σχηματισμός ατμού σε υπερθερμασμένο υγρό.

Ε. Συμπύκνωση υπερκορεσμένων ατμών.

2. Συσκευή καταγραφής στοιχειωδών σωματιδίων, η λειτουργία της οποίας βασίζεται

ο σχηματισμός φυσαλίδων ατμού σε ένα υπερθερμασμένο υγρό ονομάζεται

Α. Φωτογραφικό γαλάκτωμα παχιάς στρώσης. Β. μετρητής Geiger. Β. Κάμερα.

Δ. Θάλαμος σύννεφων. Δ. Θάλαμος φυσαλίδων.

3. Ένας θάλαμος νέφους χρησιμοποιείται για τη μελέτη των ραδιενεργών εκπομπών. Η δράση του βασίζεται στο γεγονός ότι όταν ένα γρήγορα φορτισμένο σωματίδιο διέρχεται από αυτό:
Α. ένα ίχνος υγρών σταγόνων εμφανίζεται σε ένα αέριο. Β. στο αέριο υπάρχει ώθηση ηλεκτρικού ρεύματος.
V. Μια λανθάνουσα εικόνα του ίχνους αυτού του σωματιδίου σχηματίζεται στην πλάκα.

Ζ. εμφανίζεται μια λάμψη φωτός στο υγρό.

4. Τι είναι η τροχιά που σχηματίζεται με τη μέθοδο του γαλακτώματος παχιάς στρώσης;

A Μια αλυσίδα από σταγονίδια νερού B. Μια αλυσίδα από φυσαλίδες ατμού

Γ. Χιονοστιβάδα ηλεκτρονίων Δ. Αλυσίδα κόκκων αργύρου

5. Είναι δυνατή η καταγραφή μη φορτισμένων σωματιδίων χρησιμοποιώντας θάλαμο νέφους;

Α. Είναι δυνατό αν έχουν μικρή μάζα (ηλεκτρόνιο)

Β. Είναι δυνατόν αν έχουν μικρή ορμή

Β. Είναι δυνατό αν έχουν μεγάλη μάζα (νετρόνια)

Δ. Είναι δυνατό αν έχουν μεγάλη ορμή Δ. Είναι αδύνατο

6. Με τι γεμίζει ο θάλαμος σύννεφων

Α. Ατμοί νερού ή αλκοόλης. Β. Αέριο, συνήθως αργό. Β. Χημικά αντιδραστήρια

Ζ. Υγρό υδρογόνο ή προπάνιο που θερμαίνεται σχεδόν μέχρι το σημείο βρασμού

7. Η ραδιενέργεια είναι...

Α. Η ικανότητα των πυρήνων να εκπέμπουν αυθόρμητα σωματίδια, ενώ μετατρέπονται σε πυρήνες άλλων

χημικά στοιχεία

Β. Η ικανότητα των πυρήνων να εκπέμπουν σωματίδια, ενώ μετατρέπονται σε πυρήνες άλλων χημικών

στοιχεία

Γ. Η ικανότητα των πυρήνων να εκπέμπουν αυθόρμητα σωματίδια

Δ. Ικανότητα πυρήνων να εκπέμπουν σωματίδια

8. Άλφα - ακτινοβολία- Αυτό

9. Ακτινοβολία γάμμα- Αυτό

Α. Ροή θετικών σωματιδίων Β. Ροή αρνητικών σωματιδίων Γ. Ροή ουδέτερων σωματιδίων

10. Τι είναι η ακτινοβολία βήτα;

11. Κατά την α-διάσπαση, ο πυρήνας ...

Α. Μετατρέπεται στον πυρήνα ενός άλλου χημικού στοιχείου, το οποίο είναι δύο κύτταρα πιο κοντά

κορυφή του περιοδικού πίνακα

Β. Μετατρέπεται στον πυρήνα ενός άλλου χημικού στοιχείου, που είναι ένα κύτταρο πιο πέρα

από την αρχή του περιοδικού πίνακα

Ζ. Παραμένει ο πυρήνας του ίδιου στοιχείου με μαζικό αριθμό μειωμένο κατά ένα.

12. Ο ανιχνευτής ακτινοβολίας τοποθετείται σε κλειστό κουτί από χαρτόνι με πάχος τοιχώματος μεγαλύτερο από 1 mm. Τι είδους ακτινοβολία μπορεί να καταγράψει;

13. Σε τι μετατρέπεται το ουράνιο-238 μετάα - και δύοβ - χωρισμοί;

14. Ποιο στοιχείο πρέπει να αντικαταστήσει το X;

204 79 Au X + 0 -1 e

11 κύτταρα

Δοκιμή «Μέθοδοι καταγραφής στοιχειωδών σωματιδίων. Ραδιοενέργεια".

Επιλογή 2.

1. Συσκευή καταγραφής στοιχειωδών σωματιδίων, η λειτουργία της οποίας βασίζεται

συμπύκνωση υπερκορεσμένου ατμού ονομάζεται

Α. Κάμερα Β. Θάλαμος νέφους Γ. Γαλάκτωμα παχιάς μεμβράνης

D. μετρητής Geiger Δ. Θάλαμος φυσαλίδων

2. Μια συσκευή για την καταγραφή της πυρηνικής ακτινοβολίας, στην οποία το πέρασμα μιας γρήγορης φόρτισης

σωματίδιο προκαλεί ένα ίχνος σταγονιδίων υγρού σε ένα αέριο, που ονομάζεται

Α. Μετρητής Geiger Β. Θάλαμος νέφους Γ. Γαλάκτωμα παχιάς μεμβράνης

Δ. Θάλαμος φυσαλίδων Ε. Θωράκιση από θειούχο ψευδάργυρο

3. Σε ποιο από τα παρακάτω όργανα καταγραφής πυρηνικής ακτινοβολίας

η διέλευση ενός γρήγορα φορτισμένου σωματιδίου προκαλεί την εμφάνιση ενός ηλεκτρικού παλμού

ρεύμα αερίου;

Α. Σε μετρητή Geiger B. Σε θάλαμο νέφους Γ. Σε φωτογραφικό γαλάκτωμα

Δ. Σε μετρητή σπινθηρισμών.

4. Η μέθοδος φωτογαλακτώματος για την ανίχνευση φορτισμένων σωματιδίων βασίζεται σε

Α. Ιοντισμός κρούσης. Β. Διάσπαση μορίων από κινούμενο φορτισμένο σωματίδιο.

Β. Σχηματισμός ατμού σε υπερθερμασμένο υγρό. Δ. Συμπύκνωση υπερκορεσμένων ατμών.

Ε. Απελευθέρωση ενέργειας από ένα σωματίδιο

5. Ένα φορτισμένο σωματίδιο προκαλεί την εμφάνιση ενός ίχνους φυσαλίδων υγρού ατμού μέσα

Α. μετρητής Geiger. Β. Wilson chamber V. Photoemulsions.

Δ. Μετρητής σπινθηρισμών. Δ. Θάλαμος φυσαλίδων

6. Με τι γεμίζει ο θάλαμος με φυσαλίδες

Α. Ατμοί νερού ή αλκοόλης. Β. Ένα αέριο, συνήθως αργό. Β. Χημικά αντιδραστήρια.

Ζ. Θερμαίνεται σχεδόν μέχρι να βράζει υγρό υδρογόνο ή προπάνιο.

7. Τοποθετείται ένα δοχείο με ραδιενεργό υλικό

μαγνητικό πεδίο, που προκαλεί τη δέσμη

Η ραδιενεργή ακτινοβολία χωρίζεται σε τρία

εξαρτήματα (βλέπε σχήμα). Συστατικό (3)

αντιστοιχεί

Α. Ακτινοβολία γάμμα Β. Ακτινοβολία άλφα

Β. Ακτινοβολία βήτα

8. Ακτινοβολία βήτα- Αυτό

Α. Ροή θετικών σωματιδίων Β. Ροή αρνητικών σωματιδίων Γ. Ροή ουδέτερων σωματιδίων

9. Τι είναι η ακτινοβολία άλφα;

Α. Ροή πυρήνων ηλίου Β. Ροή πρωτονίων Γ. Ροή ηλεκτρονίων

Δ. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα υψηλής συχνότητας

10. Τι είναι η ακτινοβολία γάμμα;

Α. Ροή πυρήνων ηλίου Β. Ροή πρωτονίων Γ. Ροή ηλεκτρονίων

Δ. Ηλεκτρομαγνητικά κύματα υψηλής συχνότητας

11. Κατά τη β-διάσπαση, ο πυρήνας ...

Α. Μετατρέπεται στον πυρήνα ενός άλλου χημικού στοιχείου, που είναι ένα κύτταρο πιο πέρα

από την αρχή του περιοδικού πίνακα

Β. Μετατρέπεται στον πυρήνα ενός άλλου χημικού στοιχείου, το οποίο είναι δύο κύτταρα πιο κοντά

κορυφή του περιοδικού πίνακα

Β. Παραμένει ο πυρήνας του ίδιου στοιχείου με τον ίδιο μαζικό αριθμό

Ζ. Παραμένει ο πυρήνας του ίδιου στοιχείου με μαζικό αριθμό μειωμένο κατά ένα

12 Ποιος από τους τρεις τύπους ακτινοβολίας έχει τη μεγαλύτερη διεισδυτική ισχύ;

Α. Ακτινοβολία γάμμα Β. Ακτινοβολία άλφα Γ. Ακτινοβολία βήτα

13. Ο πυρήνας του οποίου χημικό στοιχείο είναι το προϊόν μιας διάσπασης άλφα

και δύο βήτα διασπάσεις του πυρήνα του δεδομένου στοιχείου 214 90 Th?

14. Ποιο στοιχείο πρέπει να αντικαταστήσειΧ?

Ένας θάλαμος νέφους είναι ένας ανιχνευτής τροχιάς στοιχειωδών φορτισμένων σωματιδίων, στον οποίο η τροχιά (ίχνος) ενός σωματιδίου σχηματίζει μια αλυσίδα μικρών σταγονιδίων υγρού κατά μήκος της τροχιάς της κίνησής του. Εφευρέθηκε από τον C. Wilson το 1912 (βραβείο Νόμπελ το 1927). Στον θάλαμο νέφους (βλ. Εικ. 7.2), τα ίχνη των φορτισμένων σωματιδίων γίνονται ορατά λόγω της συμπύκνωσης υπερκορεσμένων ατμών στα ιόντα αερίων που σχηματίζονται από το φορτισμένο σωματίδιο. Στα ιόντα σχηματίζονται σταγονίδια υγρών, τα οποία μεγαλώνουν σε μεγέθη επαρκή για παρατήρηση (10 -3 -10 -4 cm) και φωτογράφηση σε καλό φως. Η χωρική ανάλυση ενός θαλάμου νέφους είναι συνήθως 0,3 mm. Το μέσο εργασίας είναι συνήθως ένα μείγμα υδρατμών και αλκοόλης σε πίεση 0,1-2 ατμοσφαιρών (οι υδρατμοί συμπυκνώνονται κυρίως σε αρνητικά ιόντα, οι ατμοί αλκοόλης στα θετικά ιόντα). Ο υπερκορεσμός επιτυγχάνεται με ταχεία μείωση της πίεσης λόγω της επέκτασης του όγκου εργασίας. Ο χρόνος ευαισθησίας της κάμερας, κατά τον οποίο ο υπερκορεσμός παραμένει επαρκής για συμπύκνωση στα ιόντα, και ο ίδιος ο όγκος είναι αποδεκτά διαφανής (δεν υπερφορτώνεται με σταγονίδια, συμπεριλαμβανομένων των σταγονιδίων φόντου), ποικίλλει από εκατοστά του δευτερολέπτου έως αρκετά δευτερόλεπτα. Μετά από αυτό, είναι απαραίτητο να καθαρίσετε τον όγκο εργασίας της κάμερας και να αποκαταστήσετε την ευαισθησία της. Έτσι, ο θάλαμος νέφους λειτουργεί σε κυκλική λειτουργία. Ο συνολικός χρόνος κύκλου είναι συνήθως > 1 λεπτό.

Οι δυνατότητες του θαλάμου νέφους αυξάνονται σημαντικά όταν τοποθετούνται σε μαγνητικό πεδίο. Σύμφωνα με την τροχιά ενός φορτισμένου σωματιδίου που καμπυλώνεται από ένα μαγνητικό πεδίο, προσδιορίζεται το πρόσημο του φορτίου και η ορμή του. Χρησιμοποιώντας έναν θάλαμο σύννεφων το 1932, ο Κ. Άντερσον ανακάλυψε ένα ποζιτρόνιο στις κοσμικές ακτίνες.

Μια σημαντική βελτίωση, που απονεμήθηκε το 1948 από το βραβείο Νόμπελ (P. Blackett), ήταν η δημιουργία ενός ελεγχόμενου θαλάμου νέφους. Οι ειδικοί μετρητές επιλέγουν τα συμβάντα που πρέπει να καταχωρηθούν από το θάλαμο νέφους και «ξεκινούν» τον θάλαμο μόνο για να παρατηρούν τέτοια συμβάντα. Η απόδοση ενός θαλάμου νέφους που λειτουργεί σε αυτή τη λειτουργία αυξάνεται πολλαπλάσια. Η "ελεγχιμότητα" του θαλάμου νέφους εξηγείται από το γεγονός ότι είναι δυνατό να παρέχεται ένας πολύ υψηλός ρυθμός διαστολής του αερίου μέσου και ο θάλαμος έχει χρόνο να ανταποκριθεί στο σήμα ενεργοποίησης των εξωτερικών μετρητών.

Αρχικά, ας εξοικειωθούμε με τις συσκευές, χάρη στις οποίες προέκυψε και άρχισε να αναπτύσσεται η φυσική του ατομικού πυρήνα και των στοιχειωδών σωματιδίων. Πρόκειται για συσκευές καταγραφής και μελέτης συγκρούσεων και αμοιβαίων μετασχηματισμών πυρήνων και στοιχειωδών σωματιδίων. Παρέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες για γεγονότα στον μικρόκοσμο. Η αρχή της λειτουργίας των συσκευών για την καταγραφή στοιχειωδών σωματιδίων. Οποιαδήποτε συσκευή καταγράφει στοιχειώδη σωματίδια ή κινούμενους ατομικούς πυρήνες είναι σαν ένα γεμάτο όπλο με οπλισμένη σκανδάλη. Μια μικρή προσπάθεια κατά το πάτημα της σκανδάλης ενός όπλου προκαλεί ένα αποτέλεσμα που δεν είναι συγκρίσιμο με την προσπάθεια που καταβλήθηκε - μια βολή. Μια συσκευή εγγραφής είναι ένα περισσότερο ή λιγότερο πολύπλοκο μακροσκοπικό σύστημα που μπορεί να βρίσκεται σε ασταθή κατάσταση. Με μια μικρή διαταραχή που προκαλείται από ένα διερχόμενο σωματίδιο, ξεκινά η διαδικασία μετάβασης του συστήματος σε μια νέα, πιο σταθερή κατάσταση. Αυτή η διαδικασία καθιστά δυνατή την καταχώρηση ενός σωματιδίου. Επί του παρόντος, χρησιμοποιούνται πολλές διαφορετικές μέθοδοι καταχώρισης σωματιδίων. Ανάλογα με τους στόχους του πειράματος και τις συνθήκες στις οποίες διεξάγεται, χρησιμοποιούνται διάφορες συσκευές καταγραφής που διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τα κύρια χαρακτηριστικά τους. Μετρητής εκκένωσης αερίου Geiger. Ο μετρητής Geiger είναι μια από τις πιο σημαντικές συσκευές για την αυτόματη μέτρηση σωματιδίων. Ο πάγκος (Εικ. 253) αποτελείται από έναν γυάλινο σωλήνα επικαλυμμένο στο εσωτερικό με ένα μεταλλικό στρώμα (κάθοδος) και ένα λεπτό μεταλλικό νήμα που τρέχει κατά μήκος του άξονα του σωλήνα (άνοδος). Ο σωλήνας είναι γεμάτος με αέριο, συνήθως αργό. Η λειτουργία του μετρητή βασίζεται στον ιονισμό κρούσης. Ένα φορτισμένο σωματίδιο (ηλεκτρόνιο, α-σωματίδιο κ.λπ.), που πετά μέσα από ένα αέριο, αποσπά τα ηλεκτρόνια από τα άτομα και δημιουργεί θετικά ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ της ανόδου και της καθόδου (υψηλή τάση εφαρμόζεται σε αυτά) επιταχύνει τα ηλεκτρόνια σε ενέργειες στις οποίες αρχίζει ο ιονισμός κρούσης. Υπάρχει μια χιονοστιβάδα ιόντων και το ρεύμα μέσω του μετρητή αυξάνεται απότομα. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται ένας παλμός τάσης στην αντίσταση φορτίου R, η οποία τροφοδοτείται στη συσκευή εγγραφής. Για να μπορέσει ο μετρητής να καταγράψει το επόμενο σωματίδιο που έχει πέσει μέσα του, πρέπει να σβήσει η εκκένωση χιονοστιβάδας. Αυτό συμβαίνει αυτόματα. Δεδομένου ότι τη στιγμή που εμφανίζεται ο παλμός ρεύματος, η πτώση τάσης στην αντίσταση φορτίου R είναι μεγάλη, η τάση μεταξύ της ανόδου και της καθόδου μειώνεται απότομα - τόσο πολύ ώστε η εκφόρτιση σταματά. Ο μετρητής Geiger χρησιμοποιείται κυρίως για την καταγραφή ηλεκτρονίων και y-quanta (φωτόνια υψηλής ενέργειας). Ωστόσο, λόγω της χαμηλής ιονιστικής τους ικανότητας, τα y-κβάντα δεν καταγράφονται άμεσα. Για την ανίχνευση τους, το εσωτερικό τοίχωμα του σωλήνα καλύπτεται με ένα υλικό από το οποίο τα y-quanta εξουδετερώνουν τα ηλεκτρόνια. Ο μετρητής καταγράφει σχεδόν όλα τα ηλεκτρόνια που εισέρχονται σε αυτόν. Όσο για το y-κβάντα, καταγράφει περίπου μόνο ένα y-κβάντο στα εκατό. Η καταγραφή βαρέων σωματιδίων (για παράδειγμα, σωματιδίων α) είναι δύσκολη, καθώς είναι δύσκολο να γίνει ένα αρκετά λεπτό παράθυρο διαφανές για αυτά τα σωματίδια στον μετρητή. Προς το παρόν, έχουν δημιουργηθεί μετρητές που λειτουργούν με αρχές διαφορετικές από τον μετρητή Geiger. θάλαμος Wilson. Οι μετρητές επιτρέπουν μόνο την καταγραφή του γεγονότος ότι ένα σωματίδιο διέρχεται από αυτούς και την καταγραφή ορισμένων από τα χαρακτηριστικά του. Στον ίδιο θάλαμο σύννεφων, που δημιουργήθηκε το 1912, ένα γρήγορα φορτισμένο σωματίδιο αφήνει ένα ίχνος που μπορεί να παρατηρηθεί απευθείας ή να φωτογραφηθεί. Αυτή η συσκευή μπορεί να ονομαστεί παράθυρο στον μικρόκοσμο, δηλαδή στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων και των συστημάτων που αποτελούνται από αυτά. Η δράση του θαλάμου νεφών βασίζεται στη συμπύκνωση υπερκορεσμένων ατμών σε ιόντα με το σχηματισμό σταγονιδίων νερού. Αυτά τα ιόντα δημιουργούνται κατά μήκος της τροχιάς του από ένα κινούμενο φορτισμένο σωματίδιο. Ο θάλαμος νεφών είναι ένα ερμητικά σφραγισμένο δοχείο γεμάτο με νερό ή ατμό αλκοόλης κοντά στον κορεσμό (Εικ. 254). Με ένα απότομο χαμήλωμα του εμβόλου, που προκαλείται από τη μείωση της πίεσης κάτω από αυτό, ο ατμός στο θάλαμο διαστέλλεται αδιαβατικά. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται ψύξη και ο ατμός γίνεται υπερκορεσμένος. Αυτή είναι μια ασταθής κατάσταση ατμού: ο ατμός συμπυκνώνεται εύκολα. Τα κέντρα συμπύκνωσης είναι ιόντα, τα οποία σχηματίζονται στον χώρο εργασίας του θαλάμου από ένα ιπτάμενο σωματίδιο. Εάν ένα σωματίδιο εισέλθει στον θάλαμο αμέσως πριν ή αμέσως μετά τη διαστολή, τότε στο δρόμο του εμφανίζονται σταγονίδια νερού. Αυτά τα σταγονίδια σχηματίζουν ένα ορατό ίχνος ενός ιπτάμενου σωματιδίου - μια διαδρομή (Εικ. 255). Στη συνέχεια, ο θάλαμος επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση και τα ιόντα απομακρύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο. Ανάλογα με το μέγεθος της κάμερας, ο χρόνος ανάκτησης του τρόπου λειτουργίας ποικίλλει από μερικά δευτερόλεπτα έως δεκάδες λεπτά. Οι πληροφορίες που δίνονται από τα κομμάτια στο θάλαμο σύννεφων είναι πολύ πιο πλούσιες από αυτές που μπορούν να δώσουν οι μετρητές. Από το μήκος της διαδρομής, μπορεί κανείς να προσδιορίσει την ενέργεια του σωματιδίου και από τον αριθμό των σταγονιδίων ανά μονάδα μήκους της διαδρομής, μπορεί να εκτιμήσει την ταχύτητά του. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαδρομή ενός σωματιδίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργειά του. Και όσο περισσότερα σταγονίδια νερού σχηματίζονται ανά μονάδα μήκους της διαδρομής, τόσο χαμηλότερη είναι η ταχύτητά της. Τα πολύ φορτισμένα σωματίδια αφήνουν ένα παχύτερο κομμάτι. Οι Σοβιετικοί φυσικοί P. L. Kapitsa και D. V. Skobeltsyn πρότειναν την τοποθέτηση του θαλάμου σύννεφων σε ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο δρα σε ένα κινούμενο φορτισμένο σωματίδιο με μια ορισμένη δύναμη (δύναμη Lorentz). Αυτή η δύναμη κάμπτει την τροχιά του σωματιδίου χωρίς να αλλάζει το μέτρο της ταχύτητάς του. Η τροχιά έχει τη μεγαλύτερη καμπυλότητα, τόσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο του σωματιδίου και τόσο μικρότερη είναι η μάζα του. Η καμπυλότητα της τροχιάς μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του λόγου του φορτίου ενός σωματιδίου προς τη μάζα του. Εάν ένα από αυτά τα μεγέθη είναι γνωστό, τότε μπορεί να υπολογιστεί το άλλο. Για παράδειγμα, με το φορτίο ενός σωματιδίου και την καμπυλότητα της τροχιάς του, υπολογίστε τη μάζα. θάλαμος φυσαλίδων. Το 1952, ο Αμερικανός επιστήμονας D. Glaser πρότεινε τη χρήση ενός υπερθερμασμένου υγρού για την ανίχνευση ιχνών σωματιδίων. Σε ένα τέτοιο υγρό, εμφανίζονται φυσαλίδες ατμού στα ιόντα που σχηματίζονται κατά την κίνηση ενός γρήγορα φορτισμένου σωματιδίου, δίνοντας μια ορατή διαδρομή. Οι θάλαμοι αυτού του τύπου ονομάζονταν θάλαμοι με φυσαλίδες. Στην αρχική κατάσταση, το υγρό στον θάλαμο βρίσκεται υπό υψηλή πίεση, γεγονός που το εμποδίζει να βράσει, παρά το γεγονός ότι η θερμοκρασία του υγρού είναι υψηλότερη από το σημείο βρασμού στην ατμοσφαιρική πίεση. Με απότομη μείωση της πίεσης, το υγρό αποδεικνύεται υπερθερμασμένο και για μικρό χρονικό διάστημα θα είναι σε ασταθή κατάσταση. Τα φορτισμένα σωματίδια που πετούν ακριβώς αυτή τη στιγμή προκαλούν την εμφάνιση ιχνών που αποτελούνται από φυσαλίδες ατμού (Εικ. 256). Ως υγρό χρησιμοποιούνται κυρίως υγρό υδρογόνο και προπάνιο. Η διάρκεια του κύκλου εργασίας του θαλάμου φυσαλίδων είναι μικρή - περίπου 0,1 δευτ. Το πλεονέκτημα ενός θαλάμου με φυσαλίδες έναντι ενός θαλάμου νέφους οφείλεται στη μεγαλύτερη πυκνότητα της ουσίας εργασίας. Ως αποτέλεσμα, οι διαδρομές των σωματιδίων αποδεικνύονται αρκετά σύντομες και σωματίδια ακόμη και υψηλών ενεργειών κολλάνε στον θάλαμο. Αυτό καθιστά δυνατή την παρατήρηση μιας σειράς διαδοχικών μετασχηματισμών του σωματιδίου και των αντιδράσεων που προκαλεί. Τα ίχνη στον θάλαμο σύννεφων και στον θάλαμο φυσαλίδων είναι μία από τις κύριες πηγές πληροφοριών σχετικά με τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες των σωματιδίων. Η παρατήρηση ιχνών στοιχειωδών σωματιδίων προκαλεί έντονη εντύπωση, δημιουργεί μια αίσθηση άμεσης επαφής με τον μικρόκοσμο. Μέθοδος φωτογραφικών γαλακτωμάτων παχιάς στρώσης. Για την καταγραφή των σωματιδίων, μαζί με τους θαλάμους νεφών και τους θαλάμους φυσαλίδων, χρησιμοποιούνται φωτογραφικά γαλακτώματα παχιάς στρώσης. Η ιονιστική επίδραση των γρήγορα φορτισμένων σωματιδίων στο γαλάκτωμα μιας φωτογραφικής πλάκας επέτρεψε στον Γάλλο φυσικό A. Becquerel να ανακαλύψει τη ραδιενέργεια το 1896. Η μέθοδος του φωτογραφικού γαλακτώματος αναπτύχθηκε από τους Σοβιετικούς φυσικούς L. V. Mysovsky, A. P. Zhdanov και άλλους. Το φωτογραφικό γαλάκτωμα περιέχει μεγάλο αριθμό μικροσκοπικών κρυστάλλων βρωμιούχου αργύρου. Ένα γρήγορα φορτισμένο σωματίδιο, διεισδύοντας στον κρύσταλλο, αποσπά ηλεκτρόνια από μεμονωμένα άτομα βρωμίου. Μια αλυσίδα τέτοιων κρυστάλλων σχηματίζει μια λανθάνουσα εικόνα. Όταν αναπτύσσεται σε αυτούς τους κρυστάλλους, το μεταλλικό ασήμι μειώνεται και μια αλυσίδα κόκκων αργύρου σχηματίζει μια τροχιά σωματιδίων (Εικ. 257). Το μήκος και το πάχος της τροχιάς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της ενέργειας και της μάζας του σωματιδίου. Λόγω της υψηλής πυκνότητας του φωτογραφικού γαλακτώματος, τα ίχνη είναι πολύ μικρά (της τάξης του 1 (Τ3 cm για τα σωματίδια α που εκπέμπονται από ραδιενεργά στοιχεία), αλλά κατά τη φωτογράφηση μπορούν να αυξηθούν. Το πλεονέκτημα των φωτογραφικών γαλακτωμάτων είναι ότι Ο χρόνος έκθεσης μπορεί να είναι αυθαίρετα μεγάλος. Αυτό επιτρέπει την καταγραφή σπάνιων φαινομένων.Είναι επίσης σημαντικό ότι λόγω της μεγάλης δύναμης αναστολής των φωτογραφικών γαλακτωμάτων, αυξάνεται ο αριθμός των παρατηρούμενων ενδιαφέροντων αντιδράσεων μεταξύ σωματιδίων και πυρήνων. Δεν έχουμε πει για όλες τις συσκευές που ανίχνευση στοιχειωδών σωματιδίων.Οι σύγχρονες συσκευές για την ανίχνευση σπάνιων και πολύ βραχύβιας σωματιδίων είναι πολύ περίπλοκες.Σε εκατοντάδες άτομα εμπλέκονται στην κατασκευή τους.Ε 1- Είναι δυνατόν να καταγράψουμε αφόρτιστα σωματίδια με θάλαμο νέφους!2. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα ενός θαλάμου με φυσαλίδες σε σύγκριση με έναν θάλαμο σύννεφων!

Μέθοδοι Καταχώρησης και Ανιχνευτές Σωματιδίων

§ Θερμιδομετρική (ανάλογα με την εκλυόμενη ενέργεια)

§ Φωτογαλάκτωμα

§ Θάλαμοι με φυσαλίδες και σπινθήρες

§ Ανιχνευτές σπινθηρισμού

§ Ανιχνευτές ημιαγωγών

Σήμερα, φαίνεται σχεδόν απίθανο πόσες ανακαλύψεις στην πυρηνική φυσική έχουν γίνει χρησιμοποιώντας φυσικές πηγές ραδιενεργής ακτινοβολίας με ενέργεια μόνο λίγων MeV και τις απλούστερες συσκευές ανίχνευσης. Ανακαλύφθηκε ο ατομικός πυρήνας, ελήφθησαν οι διαστάσεις του, παρατηρήθηκε για πρώτη φορά πυρηνική αντίδραση, ανακαλύφθηκε το φαινόμενο της ραδιενέργειας, ανακαλύφθηκε το νετρόνιο και το πρωτόνιο, προβλέφθηκε η ύπαρξη νετρίνων κ.λπ. Ο κύριος ανιχνευτής σωματιδίων για μεγάλο χρονικό διάστημα ήταν μια πλάκα επικαλυμμένη με θειούχο ψευδάργυρο. Τα σωματίδια καταγράφηκαν από το μάτι από τις λάμψεις φωτός που παρήγαγαν σε θειούχο ψευδάργυρο. Η ακτινοβολία Cherenkov παρατηρήθηκε οπτικά για πρώτη φορά. Ο πρώτος θάλαμος φυσαλίδων στον οποίο ο Glaeser παρατήρησε ίχνη σωματιδίων είχε το μέγεθος μιας δακτυλήθρας. Η πηγή των σωματιδίων υψηλής ενέργειας εκείνη την εποχή ήταν οι κοσμικές ακτίνες - σωματίδια που σχηματίστηκαν στον παγκόσμιο χώρο. Νέα στοιχειώδη σωματίδια παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά στις κοσμικές ακτίνες. 1932 - ανακαλύφθηκε το ποζιτρόνιο (K. Anderson), 1937 - ανακαλύφθηκε το μιόνιο (K. Anderson, S. Nedermeyer), 1947 - ανακαλύφθηκε το μεσόνιο (Powell), 1947 - ανακαλύφθηκαν περίεργα σωματίδια (J. Rochester, K Μπάτλερ).

Με τον καιρό, οι πειραματικές ρυθμίσεις έγιναν όλο και πιο περίπλοκες. Αναπτύχθηκαν τεχνικές για την επιτάχυνση και την ανίχνευση σωματιδίων και πυρηνικών ηλεκτρονικών. Η πρόοδος στη φυσική των πυρηνικών και των στοιχειωδών σωματιδίων καθορίζεται όλο και περισσότερο από την πρόοδο σε αυτούς τους τομείς. Τα βραβεία Νόμπελ Φυσικής απονέμονται συχνά για εργασία στον τομέα της τεχνικής φυσικών πειραμάτων.

Οι ανιχνευτές χρησιμεύουν τόσο για την καταγραφή του ίδιου του γεγονότος της παρουσίας ενός σωματιδίου όσο και για τον προσδιορισμό της ενέργειας και της ορμής του, της τροχιάς του σωματιδίου και άλλων χαρακτηριστικών. Για την καταγραφή σωματιδίων, χρησιμοποιούνται συχνά ανιχνευτές που είναι όσο το δυνατόν πιο ευαίσθητοι στην καταγραφή ενός συγκεκριμένου σωματιδίου και δεν αισθάνονται το μεγάλο φόντο που δημιουργείται από άλλα σωματίδια.

Συνήθως σε πειράματα πυρηνικής και σωματιδιακής φυσικής είναι απαραίτητο να ξεχωρίσουμε «απαραίτητα» γεγονότα σε ένα γιγάντιο υπόβαθρο «περιττών» γεγονότων, ίσως ένα στο δισεκατομμύριο. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιούνται διάφοροι συνδυασμοί μετρητών και μεθόδων καταγραφής, χρησιμοποιούνται σχήματα συμπτώσεων ή αντισυμπτώσεων μεταξύ γεγονότων που καταγράφονται από διαφορετικούς ανιχνευτές, επιλογή συμβάντων κατά πλάτος και σχήμα σημάτων κ.λπ. Η επιλογή των σωματιδίων με βάση το χρόνο πτήσης τους σε μια ορισμένη απόσταση μεταξύ των ανιχνευτών, η μαγνητική ανάλυση και άλλες μέθοδοι χρησιμοποιούνται συχνά για την αξιόπιστη διάκριση διαφόρων σωματιδίων.

Η καταγραφή των φορτισμένων σωματιδίων βασίζεται στο φαινόμενο του ιονισμού ή της διέγερσης των ατόμων, που προκαλούν στην ουσία του ανιχνευτή. Αυτή είναι η βάση για τη λειτουργία ανιχνευτών όπως θάλαμος σύννεφων, θάλαμος φυσαλίδων, θάλαμος σπινθήρα, φωτογραφικά γαλακτώματα, σπινθηρισμός αερίων και ανιχνευτές ημιαγωγών. Τα μη φορτισμένα σωματίδια (-κβάντα, νετρόνια, νετρίνα) ανιχνεύονται από δευτερογενή φορτισμένα σωματίδια που προκύπτουν από την αλληλεπίδρασή τους με την ουσία του ανιχνευτή.

Τα νετρίνα δεν καταγράφονται απευθείας από τον ανιχνευτή. Μεταφέρουν μαζί τους μια συγκεκριμένη ενέργεια και ορμή. Η έλλειψη ενέργειας και ορμής μπορεί να ανιχνευθεί με την εφαρμογή του νόμου της διατήρησης της ενέργειας και της ορμής σε άλλα σωματίδια που καταγράφονται ως αποτέλεσμα της αντίδρασης.

Τα ταχέως αποσυντιθέμενα σωματίδια καταγράφονται από τα προϊόντα διάσπασής τους. Οι ανιχνευτές έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για την άμεση παρατήρηση των τροχιών των σωματιδίων. Έτσι, με τη βοήθεια ενός θαλάμου νέφους τοποθετημένου σε μαγνητικό πεδίο, ανακαλύφθηκαν το ποζιτρόνιο, το μιόνιο και τα -μεσόνια, με τη βοήθεια ενός θαλάμου φυσαλίδων - πολλά παράξενα σωματίδια, με τη βοήθεια ενός θαλάμου σπινθήρα καταγράφηκαν γεγονότα νετρίνων κ.λπ.

1. Μετρητής Geiger. Ο μετρητής Geiger είναι, κατά κανόνα, μια κυλινδρική κάθοδος, κατά μήκος του άξονα της οποίας τεντώνεται ένα σύρμα - η άνοδος. Το σύστημα είναι γεμάτο με ένα μείγμα αερίων.

Όταν διέρχεται από τον μετρητή, το φορτισμένο σωματίδιο ιονίζει το αέριο. Τα προκύπτοντα ηλεκτρόνια, κινούμενα προς το θετικό ηλεκτρόδιο - νήμα, πέφτοντας στην περιοχή ενός ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου, επιταχύνονται και, με τη σειρά τους, ιονίζουν μόρια αερίου, γεγονός που οδηγεί σε εκκένωση κορώνας. Το πλάτος του σήματος φτάνει αρκετά βολτ και καταγράφεται εύκολα. Ο μετρητής Geiger καταγράφει τη διέλευση ενός σωματιδίου από τον μετρητή, αλλά δεν επιτρέπει τη μέτρηση της ενέργειας του σωματιδίου.

2. Αναλογικός μετρητής.Ο αναλογικός μετρητής έχει την ίδια σχεδίαση με τον μετρητή Geiger. Ωστόσο, λόγω της επιλογής της τάσης τροφοδοσίας και της σύνθεσης του μείγματος αερίων σε έναν αναλογικό μετρητή, όταν το αέριο ιονίζεται από ένα διερχόμενο φορτισμένο σωματίδιο, δεν εμφανίζεται εκκένωση κορώνας. Κάτω από τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται κοντά στο θετικό ηλεκτρόδιο, τα πρωτεύοντα σωματίδια παράγουν δευτερογενή ιονισμό και δημιουργούν ηλεκτρικές χιονοστιβάδες, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση του πρωτογενούς ιονισμού του δημιουργημένου σωματιδίου που πετάει μέσω του μετρητή κατά 10 3 - 10 6 φορές. Ο αναλογικός μετρητής καθιστά δυνατή την καταγραφή της ενέργειας των σωματιδίων.

3. Θάλαμος ιοντισμού.Ακριβώς όπως στον μετρητή Geiger και στον αναλογικό μετρητή, ο θάλαμος ιονισμού χρησιμοποιεί ένα μείγμα αερίων. Ωστόσο, σε σύγκριση με έναν αναλογικό μετρητή, η τάση τροφοδοσίας στον θάλαμο ιονισμού είναι χαμηλότερη και δεν λαμβάνει χώρα ενίσχυση ιονισμού σε αυτόν. Ανάλογα με τις απαιτήσεις του πειράματος, για τη μέτρηση της ενέργειας των σωματιδίων χρησιμοποιούνται είτε μόνο η ηλεκτρονική συνιστώσα του τρέχοντος παλμού είτε τα ηλεκτρονικά στοιχεία και τα στοιχεία ιόντων.

4. Ανιχνευτής ημιαγωγών. Η συσκευή ενός ανιχνευτή ημιαγωγών, που συνήθως είναι κατασκευασμένος από πυρίτιο ή γερμάνιο, είναι παρόμοια με τη συσκευή ενός θαλάμου ιονισμού. Ο ρόλος του αερίου σε έναν ανιχνευτή ημιαγωγών διαδραματίζεται από μια ευαίσθητη περιοχή που δημιουργείται με συγκεκριμένο τρόπο, στην οποία δεν υπάρχουν φορείς ελεύθερου φορτίου στην κανονική κατάσταση. Μόλις βρεθεί σε αυτή την περιοχή, ένα φορτισμένο σωματίδιο προκαλεί ιονισμό, αντίστοιχα, εμφανίζονται ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και εμφανίζονται οπές στη ζώνη σθένους. Κάτω από τη δράση της τάσης που εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδια που εναποτίθενται στην επιφάνεια της ευαίσθητης ζώνης, εμφανίζεται η κίνηση ηλεκτρονίων και οπών και σχηματίζεται ένας παλμός ρεύματος. Το φορτίο του παλμού ρεύματος μεταφέρει πληροφορίες για τον αριθμό των ηλεκτρονίων και των οπών και, κατά συνέπεια, για την ενέργεια που έχει χάσει το φορτισμένο σωματίδιο στην ευαίσθητη περιοχή. Και, εάν το σωματίδιο έχει χάσει εντελώς ενέργεια στην ευαίσθητη περιοχή, ενσωματώνοντας τον παλμό ρεύματος, λαμβάνονται πληροφορίες για την ενέργεια του σωματιδίου. Οι ανιχνευτές ημιαγωγών έχουν υψηλή ενεργειακή ανάλυση.

Ο αριθμός των ζευγών ιόντων ιόν σε έναν μετρητή ημιαγωγών καθορίζεται από τον τύπο N ιόν = E/W,

όπου E είναι η κινητική ενέργεια του σωματιδίου, W είναι η ενέργεια που απαιτείται για να σχηματιστεί ένα ζεύγος ιόντων. Για το γερμάνιο και το πυρίτιο, W ~ 3-4 eV και είναι ίση με την ενέργεια που απαιτείται για τη μετάβαση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Η μικρή τιμή του W καθορίζει την υψηλή ανάλυση των ανιχνευτών ημιαγωγών, σε σύγκριση με άλλους ανιχνευτές στους οποίους η ενέργεια του πρωτεύοντος σωματιδίου ξοδεύεται στον ιονισμό (Eion >> W).

5. Θάλαμος σύννεφων.Η αρχή της λειτουργίας ενός θαλάμου νέφους βασίζεται στη συμπύκνωση υπερκορεσμένων ατμών και στο σχηματισμό ορατών σταγονιδίων υγρού σε ιόντα κατά μήκος της διαδρομής ενός φορτισμένου σωματιδίου που πετά μέσα από τον θάλαμο. Για τη δημιουργία υπερκορεσμένου ατμού, συμβαίνει μια ταχεία αδιαβατική διαστολή του αερίου με τη βοήθεια ενός μηχανικού εμβόλου. Μετά τη φωτογράφηση της διαδρομής, το αέριο στον θάλαμο συμπιέζεται ξανά, τα σταγονίδια στα ιόντα εξατμίζονται. Το ηλεκτρικό πεδίο στο θάλαμο χρησιμεύει για τον «καθαρισμό» του θαλάμου από ιόντα που σχηματίστηκαν κατά τον προηγούμενο ιονισμό αερίου

6. Θάλαμος φυσαλίδων.Η αρχή της λειτουργίας βασίζεται στο βρασμό ενός υπερθερμασμένου υγρού κατά μήκος της διαδρομής ενός φορτισμένου σωματιδίου. Ο θάλαμος με φυσαλίδες είναι ένα δοχείο γεμάτο με ένα διαφανές υπερθερμασμένο υγρό. Με ταχεία μείωση της πίεσης, σχηματίζεται μια αλυσίδα από φυσαλίδες ατμού κατά μήκος της διαδρομής του ιονίζοντος σωματιδίου, οι οποίες φωτίζονται από μια εξωτερική πηγή και φωτογραφίζονται. Μετά τη φωτογράφιση του ίχνους, η πίεση στο θάλαμο ανεβαίνει, οι φυσαλίδες αερίου καταρρέουν και ο θάλαμος είναι ξανά έτοιμος για λειτουργία. Το υγρό υδρογόνο χρησιμοποιείται ως ρευστό εργασίας στον θάλαμο, το οποίο ταυτόχρονα χρησιμεύει ως στόχος υδρογόνου για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων με τα πρωτόνια.

Ο θάλαμος νέφους και ο θάλαμος με φυσαλίδες έχουν το μεγάλο πλεονέκτημα ότι μπορούν να παρατηρούν άμεσα όλα τα φορτισμένα σωματίδια που παράγονται σε κάθε αντίδραση. Για τον προσδιορισμό του τύπου του σωματιδίου και της ορμής του, οι θάλαμοι σύννεφων και οι θάλαμοι φυσαλίδων τοποθετούνται σε μαγνητικό πεδίο. Ο θάλαμος φυσαλίδων έχει μεγαλύτερη πυκνότητα του υλικού του ανιχνευτή σε σύγκριση με τον θάλαμο νέφους, και ως εκ τούτου οι διαδρομές των φορτισμένων σωματιδίων περικλείονται πλήρως στον όγκο του ανιχνευτή. Η αποκρυπτογράφηση φωτογραφιών από θαλάμους με φυσαλίδες παρουσιάζει ένα ξεχωριστό χρονοβόρο πρόβλημα.

7. Πυρηνικά γαλακτώματα.Ομοίως, όπως συμβαίνει στη συνηθισμένη φωτογραφία, ένα φορτισμένο σωματίδιο διαταράσσει τη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος κόκκων αλογονιδίου αργύρου κατά μήκος της διαδρομής του, καθιστώντας τους ικανούς να αναπτυχθούν. Το πυρηνικό γαλάκτωμα είναι ένα μοναδικό εργαλείο για την καταγραφή σπάνιων γεγονότων. Στοίβες πυρηνικών γαλακτωμάτων καθιστούν δυνατή την ανίχνευση σωματιδίων πολύ υψηλών ενεργειών. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των συντεταγμένων της διαδρομής ενός φορτισμένου σωματιδίου με ακρίβεια ~1 micron. Τα πυρηνικά γαλακτώματα χρησιμοποιούνται ευρέως για την ανίχνευση κοσμικών σωματιδίων σε μπαλόνια και διαστημικά οχήματα.

8. Θάλαμος σπινθήρα.Ο θάλαμος σπινθήρα αποτελείται από πολλά επίπεδα διάκενα σπινθήρα συνδυασμένα σε έναν όγκο. Μετά τη διέλευση του φορτισμένου σωματιδίου μέσα από το θάλαμο σπινθήρα, ένας σύντομος παλμός υψηλής τάσης εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδιά του. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα ορατό κανάλι σπινθήρα κατά μήκος της διαδρομής. Ένας θάλαμος σπινθήρα τοποθετημένος σε μαγνητικό πεδίο καθιστά δυνατό όχι μόνο την ανίχνευση της κατεύθυνσης της κίνησης των σωματιδίων, αλλά και τον προσδιορισμό του τύπου του σωματιδίου και της ορμής του από την καμπυλότητα της τροχιάς. Οι διαστάσεις των ηλεκτροδίων του θαλάμου σπινθήρα μπορεί να είναι έως και αρκετά μέτρα.

9. Κάμερα Streamer.Αυτό είναι ένα ανάλογο του θαλάμου σπινθήρα, με μεγάλη απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων ~0,5 m. Η διάρκεια της εκφόρτισης υψηλής τάσης που εφαρμόζεται στα διάκενα σπινθήρα είναι ~10 -8 s. Επομένως, δεν σχηματίζεται διάσπαση σπινθήρα, αλλά ξεχωριστά μικρά φωτεινά κανάλια φωτός - σερπαντίνες. Πολλά φορτισμένα σωματίδια μπορούν να καταχωρηθούν ταυτόχρονα στον θάλαμο του streamer.

10. Αναλογικός θάλαμος.Ένας αναλογικός θάλαμος είναι συνήθως επίπεδος ή κυλινδρικός σε σχήμα και είναι κατά κάποιο τρόπο ανάλογος με έναν αναλογικό μετρητή πολλών ηλεκτροδίων. Τα ηλεκτρόδια καλωδίων υψηλής τάσης διαχωρίζονται μεταξύ τους σε απόσταση αρκετών mm. Τα φορτισμένα σωματίδια, περνώντας από το σύστημα των ηλεκτροδίων, δημιουργούν έναν παλμό ρεύματος στα καλώδια με διάρκεια ~10 -7 s. Καταγράφοντας αυτούς τους παλμούς από μεμονωμένα καλώδια, είναι δυνατή η ανακατασκευή της τροχιάς των σωματιδίων με ακρίβεια πολλών μικρών. Ο χρόνος ανάλυσης του αναλογικού θαλάμου είναι μερικά μικροδευτερόλεπτα. Η ενεργειακή ανάλυση του αναλογικού θαλάμου είναι ~5-10%.

11. Θάλαμος ολίσθησης.Αυτό είναι ένα ανάλογο ενός αναλογικού θαλάμου, το οποίο σας επιτρέπει να επαναφέρετε την τροχιά των σωματιδίων με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια.

Οι θάλαμοι με σπινθήρα, σερπαντίνες, αναλογικές και παρασυρόμενες έχουν πολλά από τα πλεονεκτήματα των θαλάμων με φυσαλίδες, επιτρέποντάς τους να ενεργοποιούνται από ένα συμβάν ενδιαφέροντος, χρησιμοποιώντας τους για να ταιριάζουν με τους ανιχνευτές σπινθηρισμού.

12. Ανιχνευτής σπινθηρισμού. Ο ανιχνευτής σπινθηρισμού χρησιμοποιεί την ιδιότητα ορισμένων ουσιών να λάμπουν όταν περνάει ένα φορτισμένο σωματίδιο. Τα κβάντα φωτός που παράγονται στον σπινθηριστή καταγράφονται στη συνέχεια χρησιμοποιώντας φωτοπολλαπλασιαστές. Χρησιμοποιούνται και οι δύο κρυσταλλικοί σπινθηριστές, για παράδειγμα, NaI, BGO, καθώς και πλαστικοί και υγροί. Οι κρυσταλλικοί σπινθηριστές χρησιμοποιούνται κυρίως για την ανίχνευση γάμμα κβαντών και ακτίνων Χ, πλαστικών και υγρών - για την ανίχνευση νετρονίων και μετρήσεων χρόνου. Μεγάλοι όγκοι σπινθηριστών καθιστούν δυνατή τη δημιουργία ανιχνευτών πολύ υψηλής απόδοσης για την ανίχνευση σωματιδίων με μικρή διατομή αλληλεπίδρασης με την ύλη.

13. Θερμιδομετρητές.Τα θερμιδόμετρα είναι εναλλασσόμενα στρώματα μιας ουσίας στα οποία επιβραδύνονται τα σωματίδια υψηλής ενέργειας (συνήθως αυτά είναι στρώματα σιδήρου και μολύβδου) και ανιχνευτές, που χρησιμοποιούνται ως σπινθήρες και αναλογικοί θάλαμοι ή στρώματα σπινθηριστών. Ένα σωματίδιο υψηλής ενέργειας ιονισμού (E > 1010 eV), που διέρχεται από το θερμιδόμετρο, δημιουργεί μεγάλο αριθμό δευτερογενών σωματιδίων, τα οποία, αλληλεπιδρώντας με την ουσία του θερμιδομέτρου, δημιουργούν με τη σειρά τους δευτερεύοντα σωματίδια - σχηματίζουν μια βροχή σωματιδίων προς την κατεύθυνση του πρωτογενές σωματίδιο. Με τη μέτρηση του ιονισμού σε σπινθήρες ή αναλογικούς θαλάμους, ή την απόδοση φωτός των σπινθηριστών, μπορεί να προσδιοριστεί η ενέργεια και ο τύπος του σωματιδίου.

14. Πάγκος Cherenkov.Η λειτουργία του μετρητή Cherenkov βασίζεται στην καταγραφή της ακτινοβολίας Cherenkov-Vavilov, η οποία συμβαίνει όταν ένα σωματίδιο κινείται σε ένα μέσο με ταχύτητα v που υπερβαίνει την ταχύτητα διάδοσης του φωτός στο μέσο (v > c/n). Το φως της ακτινοβολίας Cherenkov κατευθύνεται προς τα εμπρός υπό γωνία προς την κατεύθυνση της κίνησης των σωματιδίων.

Η εκπομπή φωτός καταγράφεται χρησιμοποιώντας φωτοπολλαπλασιαστή. Με τη βοήθεια ενός μετρητή Cherenkov, μπορεί κανείς να προσδιορίσει την ταχύτητα ενός σωματιδίου και να επιλέξει σωματίδια ανάλογα με τις ταχύτητες τους.

Ο μεγαλύτερος ανιχνευτής νερού στον οποίο ανιχνεύονται σωματίδια χρησιμοποιώντας ακτινοβολία Cherenkov είναι ο ανιχνευτής Superkamiokande (Ιαπωνία). Ο ανιχνευτής έχει κυλινδρικό σχήμα. Η διάμετρος του όγκου εργασίας του ανιχνευτή είναι 39,3 μ., το ύψος είναι 41,4 μ. Η μάζα του ανιχνευτή είναι 50 τόνοι, ο όγκος εργασίας για την καταγραφή των ηλιακών νετρίνων είναι 22 τόνοι. Ο ανιχνευτής Superkamiokande διαθέτει 11.000 φωτοπολλαπλασιαστές που σαρώνουν το ~40% της επιφάνειας του ανιχνευτή.