15-е. Методы изучения субатомных частиц
§ 15-е. Методы изучения субатомных частиц
Известно, что частицы, испущенные атомами (субатомные частицы), обладают способностью воздействовать на вещество, на которое они попадают. Например, под ударами быстро летящих заряженных частиц тонкий слой сульфида цинка (и некоторых других веществ) может светиться. На использовании этого явления основано устройство так называемого сцинтилляционного счётчика, одной из разновидностей которого является спинтарископ Крукса (см. рисунок).
В своей диссертации, защищённой в 1903 году, М.Кюри написала так: «Существенная часть этого прибора — зёрнышко радиевой соли 1, укреплённое на конце металлической проволоки 2 перед экраном 3 из фосфоресцирующего цинка. В лупу наблюдают обращённую к радию сторону экрана. Глаз видит настоящий дождь светящихся точек, которые постоянно вспыхивают и вновь исчезают; экран имеет вид звёздного неба».
Современные сцинтилляционные счётчики основаны на схожем принципе, однако работу «наблюдателя» выполняет электронный датчик, регистрирующий вспышки света и подсчитывающий их количество и частоту в различных зонах наблюдения.
Следующий прибор для регистрации заряженных частиц называется счётчиком Гейгера-Мюллера. Он состоит из трубки 1 с находящимися в ней двумя электродами 2 и 3, на которые подано высокое напряжение. Трубка заполнена разреженным газом. Проникающее в трубку излучение 4 ионизирует нейтральные молекулы газа 5, и он становится проводником, соответственно, в газе возникает электрический ток.
Счётчик Гейгера-Мюллера регистрирует β-частицы и γ-излучение (так как α-частицы не проходят через корпус). Для регистрации γ-излучения электрод 3 покрыт веществом, испускающим электроны под воздействием излучения. Обычно счётчик Гейгера-Мюллера снабжают динамиками или наушниками, в которых слышны «щелчки». Их частоту или количество может подсчитывать и электронный счётчик, заменяющий человека.
Первым прибором, который дал возможность исследовать отдельные частицы, стала камера Вильсона (см. рисунок). Она представляет собой закрытый поршнем 1 цилиндр 2, заполненный смесью паров спирта и воды. При опускании поршня возрастает объём, занимаемый смесью, и, согласно первому закону термодинамики, температура паров падает (см. § 6-з). Поэтому влетающие через отверстие 3 частицы легко вызывают образование полос тумана 4, которые можно сфотографировать.
Следы от движущихся заряженных частиц — треки — имеют различную толщину, следовательно, образованы различным количеством тумана. Это объясняется тем, что в камеру влетают частицы с различными энергиями. Чем она больше, тем больше пара может быть превращено в туман, тем более широким будет туманный след, оставляемый летящей частицей.
Разновидностью камеры Вильсона является пузырьковая камера. Её отличие в том, что она заполнена не переохлаждённым, то есть легко конденсирующимся паром, а перегретой, то есть легко закипающей жидкостью. Трек частицы, движущейся в такой жидкости, является цепочкой пузырьков насыщенного пара (см. § 7-к).
Если пузырьковую камеру или камеру Вильсона поместить в магнитное поле, мы получим новый прибор — масс-спектрограф. Теперь движущиеся частицы с различными зарядами и массами будут по-разному менять свои траектории под действием поля (см. правый рисунок). Магнитное поле искривляет траектории заряженных частиц в соответствии с правилом левой руки (см. § 10-г). По виду траекторий можно определить скорость, массу, импульс, энергию, заряд и другие характеристики частиц.