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

27.02.2024
1127
0

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, счётчики и трековые детекторы.

Рис. 1. Схема включения газоразрядного счётчика

Счётчики позволяют регистрировать число прошедших через них частиц. С одним из таких счётчиков мы уже знакомы — это была экспериментальная установка Резерфорда, в которой регистрация частиц происходила за счёт вспышек на экране, покрытом слоем сульфида цинка. Наиболее популярным счётчиком является счётчик Гейгера. Данное устройство представляет собой стеклянную трубку (баллон) с двумя электродами внутри (рис. 1). Трубка заполнена газом под давлением 
~104 Па. Катод счётчика 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 заряжённая 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 счётчики используют для регистрации быстрых заряжённых частиц и гамма-квантов. Существуют и другие виды счётчиков, в том числе позволяющие регистрировать потоки нейтронов.

Сцинтилляционные счётчики

Рис. 2. Устройство спинтарископа

Устройство простейшего сцинтилляционного счётчика, 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 заряжённой 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 внедрёнными в них молекулами веществ, которые испускают фотоны света под действием ионизирующих излучений. Подсчёт вспышек в сцинтилляторе ведётся быстродействующим  фотоприёмником, например полупроводниковым фотодиодом. Сигналы с этих фотоприёмников поступают в специальные системы, осуществляющие подсчёт поступивших электрических импульсов.

Камера Вильсона и пузырьковые камеры

Рис. 3. Камера Вильсона

Счётчики 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 ещё в 1912 г. Внешний вид демонстрационной 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 пролёте заряжённой частицы через такой пар 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 можно определить энергию частицы, а по толщине (числу капелек на единицу длины трека) — её 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 удаётся получить более чёткие 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
Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия
Ядерная физика
Следующий урок
Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Причины радиоактивности. Альфа- и бета-распады. Правила смещения
Ядерная физика
Урок подготовил(а)
teacher
Андрей Михайлович
Учитель физики
Опыт работы: 12 лет
Поделиться:
  • Косвенная речь

    Русский язык

  • Словосочетание. Виды синтаксической связи

    Русский язык

  • Перестановки

    Алгебра

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