Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

  • Все предметы
  • 11 класс
  • Физика
  • Методы регистрации ионизирующих радиоактивных ядерных излучений. Биологическое действие радиоактивных излучений. Дозиметрия

Конспект урока: Методы регистрации ионизирующих радиоактивных ядерных излучений. Биологическое действие радиоактивных излучений. Дозиметрия

Ядерная физика

Методы регистрации ионизирующих радиоактивных ядерных излучений

План урока

  • Газоразрядные счётчики
  • Сцинтилляционные счётчики
  • Камера Вильсона и пузырьковые камеры

Цели урока

  • Знать, что такое детекторы ядерных излучений
  • Знать принцип работы счётчика Гейгера
  • Знать, что называют сцинтилляцией
  • Знать, как работает камера Вильсона

Разминка

  • Что называют термоядерной реакцией?
  • Как выглядит формула для нахождения энергетических уровней атома водорода?
  • Какое устройство называют лазером?

Газоразрядные счётчики

 

Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества. Поэтому регистрирующее устройство (детектор) должно содержать среду, способную зафиксировать ионизацию вещества. Для регистрации ионизирующих излучений используют следующие виды приборов: ионизационные калориметры, счетчики и трековые детекторы.

Рис. 1. Схема включения газоразрядного счётчика Рис. 1. Схема включения газоразрядного счётчика

Счетчики позволяют регистрировать число прошедших через них частиц. С одним из таких счетчиков мы уже знакомы - это была экспериментальная установка Резерфорда, в которой регистрация частиц происходила за счет вспышек на экране, покрытом слоем сульфида цинка. Наиболее популярным счетчиком является счетчик Гейгера. Данное устройство представляет собой стеклянную трубку (баллон) с двумя электродами внутри (рис. 1). Трубка заполнена газом под давлением ~104 Па. Катод счетчика представляет собой металлический цилиндр, а анод - тонкую натянутую внутри цилиндра проволоку. Её подключают к положительному полюсу источника, а цилиндр через нагрузочный резистор с большим сопротивлением - к отрицательному полюсу. До тех пор пока газ в баллоне не ионизирован, ток в цепи отсутствует и напряжение на резисторе равно нулю. Для регистрации ионизирующих частиц между корпусом счётчика и нитью прикладывается высокое постоянное напряжение. Пролетающая через рабочий объём счётчика быстрая заряженная частица производит на своём пути ионизации атомов наполняющего газа. В результате в трубке возникает электрический разряд, который регистрируется в виде кратковременного импульса напряжения на резисторе.

Подобные счетчики используют для регистрации быстрых заряженных частиц и гамма-квантов. Существуют и другие виды счетчиков, в том числе счетчики, позволяющие регистрировать потоки нейтронов.

 

Сцинтилляционные счётчики

Рис. 2. Устройство спинтарископа Рис. 2. Устройство спинтарископа

Устройство простейшего сцинтилляционного счетчика, предназначенного для регистрации альфа-частиц, - спинтарископа – представлено на рисунке 2. Основными деталями спинтарископа является экран 3, покрытый слоем сульфида цинка, и короткофокусная лупа 4. Альфа-радиоактивный препарат помещают на конце стержня 1 примерно против середины экрана. При попадании альфа-частицы в кристаллы сульфида цинка возникает вспышка света, которую можно зарегистрировать при наблюдении через лупу. Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки, как раз таки, и называется сцинтилляцией. Сцинтилляция представляет собой одну из разновидностей явления люминесценции. В настоящее время вместо покрытых сульфидом цинка экранов, которые использовал Резерфорд, используются сцинтилляторы - прозрачные полимерные материалы с внедренными в них молекулами веществ, которые испускают фотоны света под действием ионизирующих излучений. Подсчет вспышек в сцинтилляторе ведется быстродействующим  фотоприемником, например полупроводниковым фотодиодом. Сигналы с этих фотоприемников поступают в специальные системы,  осуществляющие подсчет поступивших электрических импульсов.

Камера Вильсона и пузырьковые камеры

Рис. 3. Камера Вильсона Рис. 3. Камера Вильсона

Счетчики позволяют зарегистрировать частицу, но они не дают информации о характере движения частиц: виде траектории, их длине. Наблюдать траектории движения частиц - треки - позволяют трековые детекторы. Различают несколько видов трековых детекторов. В качестве примеров рассмотрим два таких детектора: камеру Вильсона и пузырьковую камеру. Одним из самых замечательных приборов экспериментальной ядерной физики является камера Вильсона, созданная еще в 1912 г. Внешний вид демонстрационный школьной камеры Вильсона показан на рисунке 3. В цилиндрическом сосуде с плоской стеклянной крышкой находится воздух с насыщенными парами воды (или спирта). Рабочий объём камеры через трубку соединяется с резиновой грушей. Внутри камеры на тонком стержне укреплён радиоактивный препарат. Для приведения камеры в действие грушу сначала плавно сжимают, затем резко опускают. При быстром адиабатическом расширении воздух и пары в камере охлаждаются, пар переходит в состояние пересыщения. При пролете через такой пар заряженной частицы происходит конденсация пара вдоль траектории.

Перенасыщенный пар конденсируется в капли жидкости, причём образование капель происходит в первую очередь на ионах, которые служат центрами конденсации пара. Колонка капель, сконденсировавшихся на ионах вдоль траектории движения частицы, называется треком частицы. По длине трека мрдно определить энергию частицы, а по толщине (числу капелек на единицу длины трека) - ее скорость. Для выполнения точных измерений физических характеристик регистрируемых частиц камеру Вильсона помещают в постоянное магнитное поле. Треки частиц, движущихся в магнитном поле, оказываются искривлёнными. Радиус кривизны трека зависит от скорости движения частицы, её массы и заряда. При известной индукции магнитного поля эти характеристики частиц могут быть определены по измеренным радиусам кривизны треков частиц. Первые фотографии треков альфа-частиц в магнитном поле получил советский физик П. Л. Капица в 1923 г.

В отличие от камеры Вильсона, пузырьковые камеры обладают рядом преимуществ. Во-первых, их размеры могут во много раз превышать размеры камер Вильсона. Это повышает вероятность обнаружения частиц. Во-вторых, эта вероятность увеличивается и потому, что в пузырьковых камерах плотность вещества существенно больше, чем в камерах Вильсона. В-третьих, в пузырьковых камерах используется жидкий водород или гелий, тем самым уменьшается плотность конвекционных потоков и удается получить более четкие снимки треков.


Контрольные вопросы

 

1. Что называют детекторами ядерных излучений?
2. Опишите принцип работы счётчика Гейгера-Мюллера?
3. Что называют сцинтилляцией?
4. Как работает камера Вильсона?
5. Кто первый сфотографировал треки альфа-частиц в магнитном поле с помощью камеры Вильсона?


Предыдущий урок
Ядерные реакции. Ядерная энергетика
Ядерная физика
Следующий урок
Построение изображений, создаваемых тонкими линзами
Геометрическая оптика
  • Комбинации тел: многогранники, цилиндр, конус, шар

    Геометрия

  • Методы регистрации ионизирующих радиоактивных ядерных излучений. Биологическое действие радиоактивных излучений. Дозиметрия

    Физика

  • Общая характеристика глобальных проблем. Экологическая проблема в фокусе современного мирового развития

    География

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке