Elementaarosakeste jälgimise ja registreerimise meetodeid (1)

Juhan Liivi nimeline Alatskivi Keskkool
Füüsika
Kelly Saar
ELEMENTAAROSAKESTE JÄLGIMISE JA REGISTREERIMISE MEETODID
Referaat
Juhendaja : L. Pogorelova
Alatskivi
2009
Sisukord
Sissejuhatus
Aatom koosneb tuumast ja elektronidest. Aatomituum ise koosneb elementaarosakestest.
Füüsika haru, milles uuritakse aatomituumade ehitust ja muundumist, nimetatakse tuumafüüsikaks.
Algselt ei eraldatud tuumafüüsikat ja elementaarosakeste füüsikat. Elementaarosakeste maailma mitmekesisusega puutus füüsika kokku tuumaprotsesside uurimisel . Elementaarosakeste füüsika eraldamine iseseisvaks uurimispiirkonnaks toimus suhteliselt hiljuti , umbkaudu 1950. aastal. Praegu kaks iseseisvat füüsika haru: ühe sisuks on aatomituumade uurimine , teise sisuks on elementaarosakeste olemuse, omaduste ja vastastikuste muundumiste uurimine. Käsitletavate probleemide ja uurimismeetodite rakendamise osas säilis neil aga palju ühist.
Tuuma ja elementaarosakeste füüsika tekkis ja arenes vastavate seadmete leiutamise tõttu. Need on tuumade ja elementaarosakeste põrkumiste ning vastastikuste muundumiste registreerimise ja uurimise seadmed . Just need seadmed annavad informatsiooni mikromaailmas toimuvatest sündmustest.[1]
Elementaarosakeste jälgimise ja registreerimise meetodid
Elementaarosakesi õnnestub vaadelda tänu neile jälgedele, mida nad jätavad ainest läbiminekul. Jälgede iseloom lubab otsustada osakese energia, impulsi jms üle. Laetud osakesed kutsuvad oma teel esile molekulide ionisatsiooni. Neutraalsed osakesed ei jäta jälgi, kuid võivad endast märku anda laetud osakesteks lagunemise momendil või põrkumisel mõne tuumaga . Järelikult saab neutraalseid osakesi avastada ikkagi ionisatsiooni järgi, mida kutsuvad esile nende poolt tekitatud laetud osakesed.
Ioniseerivate osakeste registreerimiseks kasutatavad seadmed jaotatakse kahte rühma. Esimesse kuuluvad seadmed, mis reageerivad osakese läbilennufakti ja võimaldavad mõnel juhul määrata ka tema energiat. Teise rühma kuuluvad nn. jäljekambrid, s.o. seadmed, mis lasevad vaadelda jälgi aines.
Registreerivate seadmete hulka kuuluvad ionisatsioonikambrid, proportsionaal ehk võrdelised loendurid ja Geigeri – Mülleri loendurid. Laialdase kasutuse said ka Tšerenkovi ja stsintillatsiooniloendurid.
Aines liikuv laetud osake mitte ainult ei ioniseeri aatomeid, vaid ka ergastab neid. Siirdudes ergastatud olekust põhiolekusse, kiirgavad aatomid nähtavat valgust. Aineid, milles laetud osakesed ergastuvad märgatava välke (stsintillatsiooni), nimetatakse fosfoorideks. Fosfoore on orgaanilisi (benseen, naftaleen , antratseen jt.) ja anorgaanilisi. Kõige enam tarvitatavad anorgaanilised fosfoorid on ZnS-Ag (hõbedaga aktiveeritud tsinksulfiidid) ja NaI-Tl. Prootonite loenduritena kasutatakse tavaliselt plastmass stsintillaatoreid. Kasutamist leiavad ka vedelad stsintillaatorid.
Stsintillatsiooniloendur koosneb fosfoorist, millest valgus suunatakse spetsiaalse valgusjuhtme abil fotokordistile, kus loendatakse väljundis tekkinud impulsse. Määratakse ka impulsside amplituud , mis on võrdeline välke intensiivsusega. See annab täiendavat informatsiooni osakestest. Loendurid ühendatakse sageli rühmadesse ja lülitatakse nii, et registreeritakse ainult neid sündmusi, mida märkasid mitu seadet üheaegselt või vastupidi, registreeris ainult üks seade. Esimesel juhul öeldakse, et loendurid on lülitatud kointsidentsskeemi, teisel juhul antikointsidentsskeemi.
Kasutatakse mitmesugusei lülitussüsteeme, võib suurest hulgast nähtustest välja eraldada huvipakkuvad. Näiteks kaks loendurit, mis on paigutatud teineteise kohale ja lülitatud kointsidentsskeemi, registreerivad vaid vertikaalsihis liikuva osakese 1, kuid ei registreeri osakesi 2 ja 3 (vt. Lisa:1).
Jäljekambrite hulka kuuluvad Wilsoni kamber , mullikamber , sädekamber ja emulsioonikamber. Peale selle on veel difusioonikamber.[2]
Geigeri - Mülleri loendur
Geigeri - Mülleri loendur on üks põhilisem osakeste automaatse loenduse aparaat . Loendur koosneb klaastorust, mille sisepind on kaetud metallikihiga. Piki toru telgjoont kulgeb peenike metallniit ( anood ). Toru on täidetud gaasiga – tavaliselt argooniga. Loenduri töö põhineb põrkeionisatsioonil. Gaasis lendav laetud osake (elektron, α-osake jne.) lööb gaasi aatomeist välja elektrone, tekitades nii positiivseid ioone kui vabu elektrone. Anoodile ja katoodile rakendatud kõrgepinge tekitab elektrivälja, mis kiirendab elektrone põrkeionisatsiooni tekitamiseks vajaliku energiani. Tekib ioonide laviin ja voolutugevus loenduris kasvab järsult. Seejuures tekib koormustakistil R pingeimpulss, mis antakse registreerimisseadmesse.
Et loendur suudaks registreerida järgmise temasse sattuva osakese, tuleb laviinlahendus kustutada . See toimub automaatselt. Kuna vooluimpulsi tekkimise momendil tekib koormustakistusel R suur pingelang, väheneb anoodi ja katoodi vaheline pinge järsult sedavõrd, et gaasilahendus lakkab.
Geigeri – Mülleri loendurit kasutatakse peamiselt elektronide ja γ- kvantide (suure energiaga footonite ) registreerimiseks. γ-kvantide väikese ionisatsioonivõime tõttu ei registreeri loendur neid vahetult. γ-kvantide kindlakstegemiseks kaetakse klaastoru sisepind ainega, millest γ-kvandid löövad välja elektrone.
Loendur loendab peaaegu kõik temasse tunginud elektronid; gammakvantidest registreerib ta ligikaudu igast sajast vaid ühe. Raskete osakeste (näiteks alfaosakeste) registreerimine on küllalt keerukas, sest raske on teha loendurisse nende osakeste jaoks läbipaistvat õhukest „aknakest“.[1]
Wilsoni kamber
Loenduritega saab registreerida vaid osakese läbimineku fakti ja määrata osakese mõningaid karakteristikuid. 1912. aastal loodud Wilsoni kambris jätab kiire laetud osake jälje, mida saab vahetult vaadelda või fotografeerida. Wilsoni kambrit võib nimetada „aknaks“ mikromaailma, s.t. elementaarosakeste ja neist koosnevate süsteemide maailma.
Wilsoni kambri töö põhineb üleküllastunud auru kondenseerumisel liikuva laetud osakese poolt osakese liikumisteel tekitatud ioonidel .
Wilsoni kamber kujutab endast hermeetiliselt suletud anumat, mis on täidetud küllastusolekule lähedase vee- või piirituseauruga. Kolvi kiire allaliikumisega tekitatud rõhu vähenemise tõttu kolvi peal paisub aur kambris adiabaatiliselt, mille tagajärjel aur jahtub ja muutub üleküllastatuks. Üleküllastunud olek on ebapüsiv ja aur kondenseerub kergesti. Kondensatsioonituumadeks on ioonid , mida tekitab kambri tööruumis liikuv osake. Kui osake tungib kambrisse vahetult enne või kohe pärast auru paisumist , tekivad osakese teel veepiisad . Need veepiisad ongi kambrisse lendava osakese nähtavaks jäljeks. Seejärel viiakse kamber lähteolekusse tagasi ja puhastatakse elektrivälja abil ioonidest. Kambri mõõtmetest sõltuvalt kõigub kambri töörežiimi taastamiseks kuluv aeg mõnest sekundist mitmete minutiteni.
Informatsioon, mida annavad osakeste jäljed Wilsoni kambris, on loendurite omast tunduvalt rikkalikum. Jälje pikkuse järgi saab määrata osakese energia, jälje ühe pikkusühiku kohta tekitatud ioonide arvu järgi aga hinnata osakese kiirust.
Nõukogude füüsikud P. Kapitsa ja D. Skobeltsõn soovitasid paigutada kambri homogeensesse magnetvälja. Magnetväli mõjub liikuvale laetud osakesele jõuga ( Lorentzi jõuga), mis kõverdab osakese trajektoori osakese kiiruse suurust muutmata. Osakese jälg kõverdub seda rohkem, mida suurem on osakese laeng ja mida väiksem on tema mass. Jälje kõveruse järgi saab määrata osakese laengu ja massi suhte. Kui üks eespool mainitud suurustest on teada, saab arvutada ka teise suuruse. Näiteks, osakese laengu ja jälje kõveruse järgi saab leida osakese massi.[1]
Mullikamber
Ameerika teadlane D. Glaser soovitas 1952. aastal kasutada osakeste jälgede kindlakstegemiseks ülekuumutatud vedelikku. Ülekuumutatud vedelikus tekivad suure kiirusega liikuva osakese poolt tekitatud vedelikuioonidel aurumullikesed, mis muudavadki osakese jälje nähtavaks. Sellist tüüpi kambreid hakati nimetama mullikambriteks.
Lähteolekus on vedelik kambris suure rõhu all, mis takistab vedeliku keema hakkamist, vaatamata sellele et vedeliku temperatuur on atmosfäärirõhule vastavast keemistemperatuurist kõrgem. Rõhu järsul vähendamisel osutub vedelik ülekuumenenuks ja on lühikest aega ebapüsivas olekus. Laetud osakesed, mis tungivad mullikambrisse just sel ajal, tekitavad aurumullikestest koosneva jälje. Vedelikuna kasutatakse põhiliselt vedelat vesinikku või propaani. Mullikambri töötsükli kestus pole pikk – umbes 0,1 s.
Mullikambri eelis Wilsoni kambri ees on tingitud töötava aine suurest tihedusest. Selle tõttu on osakeste teepikkused küllalt lühikesed ning isegi suure energiaga osakesed jäävad kambris seisma. See võimaldab jälgida osakese järjestikuste muundumiste seeriat ja osakese poolt põhjustatud reaktsioone.
Osakeste jäljed Wilsoni ja mullikambris on peamised allikad, kust saab informatsiooni osakeste käitumise ja omaduste kohta.
Elementaarosakeste jälgede vaatlemine jätab sügava mulje, tekitab mikromaailmaga kokkupuute tunde.[1]
Emulsioonimeetod
Wilsoni ja mullikambrite kõrval kasutatakse osakeste registreerimiseks paksukihilist fotoemulsiooni. Kiirete laetud osakeste ioniseeriva toime tõttu fotoplaadi emulsioonile avastas prantsuse füüsik A. Becquerel 1896. aastal radioaktiivsuse. Emulsioonimeetodit arendasid edasi nõukogude füüsikud L. Mõssovski, A. Ždanov jt.
Fotoemulsioon sisaldab suure arvu hõbebromiidi mikroskoopilisi kristallikesi. Kristallikesse tungiv kiire laetud osake lööb üksikutest broomi aatomitest elektrone välja ning nende kristallikeste ahel moodustab varjatud kujutise. Ilmutamisel taastatakse nendes kristallides metalliline hõbe ja hõbedaterakeste ahel moodustab osakese jälje. Jälje pikkus ja jämeduse järgi saab hinnata osakese energiat ja massi.
Jäljed on fotoemulsiooni suure tiheduse tõttu väga lühikesed (radioaktiivsete elementide kiiratud α-osakese jälje pikkuse suurusjärk on 10-3 cm), kuid pildistamise korral saab neid suurendada.
Fotoemulsioonimeetodi eeliseks on pidev summeeriv töötamine, mis võimaldab registreerida haruldasi nähtusi. Tänu fotoemulsiooni suurele pidurdusvõimele toimub suur hulk huvitavad osakeste ja tuumade vahelisi reaktsioone.[1]
Sädekamber
1957. aastal leiutasid F. E. Cranshaw ja J.F. de Beer laetud osakeste trajektoori registreerimiseks seadme, mida hakati nimetama sädekambriks. Seade koosneb tasaparalleelsete elektroodide süsteemist. Elektroodid kujutavad endast karkassi, mis on üle tõmmatud õhukese lehtmetalliga, või on nende osas lihtsalt metallplaat. Elektroodid ühendatakse üle ühe. Üks rühm maandatakse, aga teisele antakse lühiajaline (kestusega 10-7 s) kõrgepingeimpulss (10-15kV). Kui elektroodide pingestamise ajal satub kambrisse ioniseeriv osake, siis muutub tema trajektoor nähtavaks elektroodide vahel tekkiva sädemete ahela tõttu. Sädekamber paigutatakse tavaliselt kahe kointsidentsskeemi lülitatud loenduri vahele. Kui osake on läbinud need loendurid, siis on ta läbinud ka sädekambri. Kointsidentsskeemi väljundil tekkinud impulss lülitab elektronskeemi abil sisse pinge sädekambris. Intergaasiga täidetud kambrites võib elektroodide vahekaugus olla mitu sentimeetrit . Kui osakese liikumissuuna ja elektroodi pinnanormaali vaheline nurk on alla 40 kraadi, siis areneb lahendus osakese jälje sihis.[1]
Kokkuvõte
Elementaarosakeste jälgimise ja registreerimise meetodid on väga huvitavad. See, et neid uuriti, võimaldab meil tänapäeval elementaarosakeste liikumist vaadelda ning teha sealt järeldusi: kuidas elementaarosakesed liiguvad, palju kaaluvad, millise jälje jätavad. Ajalugu on pakkunud meile palju, mida saab kasutada ka tänapäeval nähtuste uurimiseks, tehnikat vaid kaasajastades. Nende osakeste uurimine tekitab mikromaailmaga sideme ning jätab sügava mulje, sest osakesed on väga väikesed ning palja silmaga nähtamatud.
Kasutatud kirjandus
1. G. Mjakišev ja B. Buhhovtsev „Füüsika 12.klassile“ lk 117
2. J. Saveljev „Füüsika üldkursus“ 3 osa. lk 367-370
Lisad
Lisa:1