Экспериментальные методы исследования частиц

 Сцинтилляционный метод

Чтобы ре­ги­стри­ро­вать те ча­сти­цы и из­лу­че­ния, ко­то­рые об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те ядер­ных ре­ак­ций, нужны ка­кие-то новые ме­то­ды, от­лич­ные от ис­поль­зу­ю­щих­ся в мак­ро­ми­ре. Кста­ти, в опы­тах Ре­зер­фор­да уже ис­поль­зо­вал­ся один такой метод. Он на­зы­ва­ет­ся ме­то­дом сцин­тил­ля­ций (вспы­шек). В 1903 г. было об­на­ру­же­но, что если a-ча­сти­ца по­па­да­ет на сер­ни­стый цинк, то в том месте, куда она по­па­ла, воз­ни­ка­ет неболь­шая вспыш­ка. Это яв­ле­ние и было по­ло­же­но в ос­но­ву сцин­тил­ля­ци­он­но­го ме­то­да.

Этот метод был все же несо­вер­ше­нен. При­хо­ди­лось очень тща­тель­но на­блю­дать за экра­ном, чтобы уви­деть все вспыш­ки, глаз уста­вал: ведь при­хо­ди­лось поль­зо­вать­ся мик­ро­ско­пом. Воз­ник­ла необ­хо­ди­мость в новых спо­со­бах, ко­то­рые да­ва­ли бы воз­мож­ность более четко, быст­ро и до­сто­вер­но ре­ги­стри­ро­вать те или иные из­лу­че­ния.

 Счётчик Гейгера – Мюллера

Такой спо­соб впер­вые бы пред­ло­жен со­труд­ни­ком ла­бо­ра­то­рии, ко­то­рой ру­ко­во­дил Ре­зер­форд, – Гей­ге­ром. Он со­здал при­бор, спо­соб­ный «счи­тать» за­ря­жен­ные ча­сти­цы, по­па­да­ю­щие в него, т.н. счет­чик Гей­ге­ра. После того как немец­кий уче­ный Мюл­лер усо­вер­шен­ство­вал этот самый счет­чик, он стал на­зы­вать­ся счет­чи­ком Гей­ге­ра – Мюл­ле­ра.

Как же он устро­ен? Счет­чик этот га­зо­раз­ряд­ный, т.е. ра­бо­та­ет по та­ко­му прин­ци­пу: внут­ри этого са­мо­го счет­чи­ка, в глав­ной его части, об­ра­зу­ет­ся га­зо­вый раз­ряд при про­ле­те ча­сти­цы. На­пом­ню, что раз­ряд – это про­те­ка­ние элек­три­че­ско­го тока в газе.

Рис. 1. Прин­ци­пи­аль­ная схема счет­чи­ка Гей­ге­ра-Мюл­ле­ра

Стек­лян­ный бал­лон, внут­ри ко­то­ро­го рас­по­ло­же­ны анод и катод. Катод пред­став­лен в виде ци­лин­дра, а внут­ри этого ци­лин­дра про­тя­нут анод. Между ка­то­дом и ано­дом за счет ис­точ­ни­ка тока со­зда­ет­ся до­ста­точ­но вы­со­кое на­пря­же­ние. Между элек­тро­да­ми, внут­ри ва­ку­ум­но­го бал­ло­на на­хо­дит­ся, как пра­ви­ло, инерт­ный газ. Де­ла­ет­ся это спе­ци­аль­но, чтобы со­здать в даль­ней­шем тот самый элек­три­че­ский раз­ряд. Кроме этого, в схеме при­сут­ству­ет вы­со­кое (R~10⁹Ом) со­про­тив­ле­ние. Нужно оно, чтобы по­га­сить ток, про­те­ка­ю­щий в этой цепи. А ра­бо­та счет­чи­ка про­ис­хо­дит сле­ду­ю­щим об­ра­зом. Как мы знаем, ча­сти­цы, ко­то­рые об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те ядер­ных ре­ак­ций, об­ла­да­ют до­ста­точ­но боль­шой про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­стью. По­это­му стек­лян­ный бал­лон, внут­ри ко­то­ро­го на­хо­дят­ся ука­зан­ные эле­мен­ты, не пред­став­ля­ет для них ка­кой-ли­бо пре­гра­ды. В ре­зуль­та­те ча­сти­ца про­ни­ка­ет внутрь этого га­зо­раз­ряд­но­го счет­чи­ка, иони­зи­ру­ет газ, ко­то­рый на­хо­дит­ся внут­ри. В ре­зуль­та­те такой иони­за­ции об­ра­зу­ют­ся энер­гич­ные ионы, ко­то­рые в свою оче­редь стал­ки­ва­ют­ся и со­зда­ют, стал­ки­ва­ясь между собой, ла­ви­ну за­ря­жен­ных ча­стиц. Эта ла­ви­на за­ря­жен­ных ча­стиц будет со­сто­ять из ионов от­ри­ца­тель­ных, по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных, а также из элек­тро­нов. И когда про­хо­дит эта ла­ви­на, мы можем за­фик­си­ро­вать элек­три­че­ский ток. Это и даст нам воз­мож­ность по­нять, что через га­зо­раз­ряд­ный счет­чик про­шла ча­сти­ца.

Удо­бен тем, что в одну се­кун­ду такой счет­чик может ре­ги­стри­ро­вать при­бли­зи­тель­но 10000 ча­стиц. После неко­то­ро­го усо­вер­шен­ство­ва­ния этот счет­чик стал ре­ги­стри­ро­вать еще и g-лу­чи.

Ко­неч­но, счет­чик Гей­ге­ра – удоб­ная вещь, ко­то­рая дает воз­мож­ность опре­де­лить су­ще­ство­ва­ние во­об­ще ра­дио­ак­тив­но­сти. Од­на­ко опре­де­лить па­ра­мет­ры ча­сти­цы, про­ве­сти с этими ча­сти­ца­ми ка­кие-ли­бо ис­сле­до­ва­ния, счет­чик Гей­ге­ра – Мюл­ле­ра не поз­во­ля­ет. Для этого нужны со­всем дру­гие спо­со­бы, со­всем дру­гие ме­то­ды. Вско­ре после со­зда­ния счет­чи­ка Гей­ге­ра, по­яви­лись такие ме­то­ды, такие устрой­ства. Одно из самых из­вест­ных и рас­про­стра­нен­ных – ка­ме­ра Виль­со­на.

 Камера Вильсона

Рис. 2. Ка­ме­ра Виль­со­на

Об­ра­ти­те вни­ма­ние на устрой­ство ка­ме­ры. Ци­линдр, внут­ри ко­то­ро­го рас­по­ла­га­ет­ся пор­шень, ко­то­рый может хо­дить вверх-вниз. Внут­ри на этом поршне на­хо­дит­ся тем­ная ткань, смо­чен­ная спир­том и водой. Верх­няя часть ци­лин­дра за­кры­та про­зрач­ным ма­те­ри­а­лом, как пра­ви­ло, это до­ста­точ­но плот­ное стек­ло. Над ним рас­по­ла­га­ет­ся фо­то­ап­па­рат, чтобы про­из­во­дить фо­то­гра­фи­ро­ва­ние того, что будет про­ис­хо­дить внут­ри ка­ме­ры Виль­со­на. Чтобы все это было видно очень хо­ро­шо, с левой сто­ро­ны про­из­во­дит­ся под­свет­ка. Через окош­ко, спра­ва, на­прав­ля­ет­ся поток ча­стиц. Эти ча­сти­цы, по­па­дая внут­ри в среду, ко­то­рая со­сто­ит из воды и спир­та, будут с ча­сти­ца­ми воды и ча­сти­ца­ми спир­та вза­и­мо­дей­ство­вать. Тут как раз и кро­ет­ся самое ин­те­рес­ное. Про­стран­ство между стек­лом и порш­нем за­пол­не­но па­ра­ми воды и спир­та, об­ра­зу­ю­щи­ми­ся в ре­зуль­та­те ис­па­ре­ния. Когда пор­шень резко опус­ка­ет­ся вниз, то дав­ле­ние по­ни­жа­ет­ся и пары, ко­то­рые здесь на­хо­дят­ся, при­хо­дят в очень неустой­чи­вое со­сто­я­ние, т.е. го­то­вы пе­рей­ти в жид­кость. Но по­сколь­ку в это про­стран­ство по­ме­ща­ют­ся чи­стые спирт и вода, без при­ме­сей, то ка­кое-то время (оно может быть и до­ста­точ­но боль­шим) такое нерав­но­вес­ное со­сто­я­ние со­хра­ня­ет­ся. В мо­мент, когда в об­ласть та­ко­го пе­ре­на­сы­ще­ния по­па­да­ют за­ря­жен­ные ча­сти­цы, они и ста­но­вят­ся теми цен­тра­ми, на ко­то­рых на­чи­на­ет­ся кон­ден­са­ция пара. При­чем, если по­па­да­ют от­ри­ца­тель­ные ча­сти­цы, они вза­и­мо­дей­ству­ют с од­ни­ми иона­ми, а если по­ло­жи­тель­ные – то с иона­ми дру­го­го ве­ще­ства. Там, где эта ча­сти­ца про­ле­те­ла, оста­ет­ся так на­зы­ва­е­мый трек, проще го­во­ря, след. Если ка­ме­ру Виль­со­на те­перь по­ме­стить в маг­нит­ное поле, то ча­сти­цы, ко­то­рые об­ла­да­ют за­ря­да­ми, на­чи­на­ют в маг­нит­ном поле от­кло­нять­ся. А даль­ше все очень про­сто: если ча­сти­ца по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ная, то она от­кло­ня­ет­ся в одну сто­ро­ну. Если от­ри­ца­тель­ная – в дру­гую. Так мы можем опре­де­лить знак заряд, а по ра­ди­у­су того са­мо­го за­круг­ле­ния, по ко­то­ро­му ча­сти­ца дви­жет­ся, мы можем опре­де­лить или оце­нить массу этой ча­сти­цы. Те­перь можно го­во­рить о том, что мы можем по­лу­чить пол­но­цен­ную ин­фор­ма­цию о ча­сти­цах, из ко­то­рых со­сто­ит то или иное из­лу­че­ние.

Рис. 3. Треки ча­стиц в ка­ме­ре Виль­со­на

У ка­ме­ры Виль­со­на есть один недо­ста­ток. Те самые треки, ко­то­рые об­ра­зу­ют­ся в ре­зуль­та­те про­хож­де­ния ча­стиц, недол­го­веч­ны. Каж­дый раз при­хо­дит­ся снова го­то­вить ка­ме­ру, чтобы по­лу­чить новую кар­ти­ну. По­это­му свер­ху над ка­ме­рой и рас­по­ла­га­ет­ся фо­то­ап­па­рат, ко­то­рый ре­ги­стри­ру­ет те самые треки.

 Пузырьковая камера

Есте­ствен­но, ка­ме­ра Виль­со­на – это не по­след­нее устрой­ство, ко­то­рое ис­поль­зу­ют для ре­ги­стра­ции ча­стиц. В 1952 г. было изоб­ре­те­но устрой­ство, ко­то­рое по­лу­чи­ло на­зва­ние пу­зырь­ко­вой ка­ме­ры. Прин­цип ра­бо­ты у нее при­мер­но такой же, как у ка­ме­ры Виль­со­на; толь­ко ра­бо­та про­во­дит­ся с пе­ре­гре­той жид­ко­стью, т.е. в со­сто­я­нии, когда жид­кость вот-вот го­то­ва за­ки­петь. В этот мо­мент через такую жид­кость про­ле­та­ют ча­сти­цы, ко­то­рые и со­зда­ют цен­тры об­ра­зо­ва­ния пу­зырь­ков. Треки, об­ра­зо­ван­ные в такой ка­ме­ре, со­хра­ня­ют­ся го­раз­до доль­ше, и этим ка­ме­ра удоб­нее.

Рис. 4. Внеш­ний вид пу­зырь­ко­вой ка­ме­ры

 Метод толстослойных фотоэмульсий

В Рос­сии был со­здан еще один метод на­блю­де­ния за ра­дио­ак­тив­ны­ми раз­лич­ны­ми ча­сти­ца­ми, рас­па­да­ми, ре­ак­ци­я­ми. Это метод тол­сто­слой­ных фо­то­эмуль­сий. Ча­сти­цы по­па­да­ют в эмуль­сии, при­го­тов­лен­ные опре­де­лен­ным об­ра­зом. Вза­и­мо­дей­ствуя с ча­сти­ца­ми эмуль­сий, они не про­сто со­зда­ют треки, но треки, ко­то­рые уже сами по себе пред­став­ля­ют фо­то­гра­фию, ко­то­рую мы по­лу­ча­ем, когда фо­то­гра­фи­ру­ем треки в ка­ме­ре Виль­со­на или в пу­зырь­ко­вой ка­ме­ре. Это го­раз­до удоб­нее. Но и здесь есть один важ­ный недо­ста­ток. Чтобы фо­то­эмуль­си­он­ный метод ра­бо­тал до­воль­но дол­гое время, долж­но про­ис­хо­дить по­сто­ян­ное про­ник­но­ве­ние, по­па­да­ние об­ра­зо­вав­ших­ся новых ча­стиц или из­лу­че­ний, т.е. ре­ги­стри­ро­вать крат­ко­вре­мен­ные им­пуль­сы таким спо­со­бом про­бле­ма­тич­но.

 Другие методы регистрации частиц

Можно го­во­рить и о дру­гих ме­то­дах: на­при­мер, есть такой метод, как ис­кро­вая ка­ме­ра. Там в ре­зуль­та­те про­те­ка­ния ра­дио­ак­тив­ных ре­ак­ций по следу дви­же­ния ча­сти­цы об­ра­зу­ют­ся искры. Их тоже хо­ро­шо видно и легко ре­ги­стри­ро­вать.

На се­го­дняш­ний день чаще всего ис­поль­зу­ют по­лу­про­вод­ни­ко­вые дат­чи­ки, ко­то­рые и ком­пакт­ны, и удоб­ны, и дают до­ста­точ­но хо­ро­ший ре­зуль­тат.