Страница 261 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. По рисунку 184 расскажите об устройстве и принципе действия счётчика Гейгера.

1. По рисунку 184 расскажите об устройстве и принципе действия счётчика Гейгера.

Счётчик Гейгера (или счётчик Гейгера-Мюллера) — это газоразрядный прибор, предназначенный для обнаружения и измерения ионизирующего излучения. Несмотря на отсутствие рисунка, можно описать его стандартное устройство и принцип работы.

Устройство счётчика:

• Основным элементом является герметичная трубка, которая служит газоразрядной камерой. Чаще всего это металлический цилиндр или стеклянная трубка с нанесенным на внутреннюю поверхность проводящим слоем. Этот цилиндр выполняет роль катода (отрицательного электрода).
• Вдоль оси цилиндра натянута тонкая металлическая нить (обычно из вольфрама), которая является анодом (положительным электродом). Анод и катод изолированы друг от друга.
• Трубка заполнена инертным газом (например, аргоном, неоном) под низким давлением (около 10-20 кПа). В газ также добавляют небольшое количество "гасящей" примеси — органического вещества (например, паров спирта) или галогена (например, брома).
• К электродам через высокое сопротивление (резистор $R$) подключается источник высокого напряжения (от 400 до 1500 В). Величина напряжения подбирается так, чтобы оно было немного ниже напряжения самостоятельного газового разряда.
• Для регистрации частиц с низкой проникающей способностью, таких как альфа-частицы, в корпусе счётчика имеется тонкое входное окно, например, из слюды.

Принцип действия:

1. Когда ионизирующая частица (альфа-, бета-частица или гамма-квант) попадает в рабочий объём счётчика, она взаимодействует с атомами газа, выбивая из них электроны и создавая таким образом первичные электронно-ионные пары.
2. Под действием сильного электрического поля, создаваемого высоким напряжением, образовавшиеся электроны начинают двигаться к аноду, а положительные ионы — к катоду.
3. Вблизи тонкой нити анода электрическое поле особенно сильное. Электроны, ускоряясь в этом поле, приобретают энергию, достаточную для ионизации других атомов газа при столкновениях. Этот процесс, называемый ударной ионизацией, приводит к возникновению электронной лавины.
4. Развитие лавины приводит к кратковременному несамостоятельному газовому разряду. В результате через резистор $R$ протекает короткий импульс тока.
5. Этот импульс вызывает падение напряжения на резисторе, которое регистрируется усилителем и счётчиком импульсов. Каждому зарегистрированному импульсу соответствует одна попавшая в счётчик частица.
6. После прохождения разряда "гасящая" добавка помогает быстро прекратить лавину и вернуть счётчик в исходное состояние, готовое к регистрации следующей частицы. Молекулы гасящего газа поглощают энергию положительных ионов, не давая им выбить вторичные электроны из катода и вызвать повторный, ложный разряд.

Ответ: Счётчик Гейгера представляет собой газонаполненную трубку с двумя электродами (анодом и катодом), к которым приложено высокое напряжение. Его действие основано на явлении ударной ионизации: пролетающая частица ионизирует газ, создавая первичные электроны, которые в сильном электрическом поле вызывают лавину ионов и электронов. Эта лавина представляет собой короткий электрический разряд, который регистрируется как импульс тока, свидетельствующий о попадании частицы в счётчик.

2. Для регистрации каких частиц применяется счётчик Гейгера?

Счётчик Гейгера — универсальный детектор, чувствительный к любому виду ионизирующего излучения. Однако его эффективность регистрации для разных частиц различна.

Он применяется для регистрации:

• Бета-частиц ($β$-частиц): это электроны или позитроны. Так как они являются заряженными частицами и обладают достаточной проникающей способностью, чтобы пройти через стенку или окно счётчика, эффективность их регистрации очень высока и близка к 100% (для частиц, попавших в рабочий объём).
• Альфа-частиц ($α$-частиц): это ядра атомов гелия. Они обладают очень высокой ионизирующей способностью, но очень низкой проникающей. Поэтому для их регистрации счётчик должен иметь специальное тонкое входное окно.
• Гамма-квантов ($\gamma$-квантов) и рентгеновского излучения: это фотоны высокой энергии. Они не имеют заряда и ионизируют газ слабо. Их регистрация происходит в основном косвенно: гамма-квант выбивает электрон из материала катода (стенки счётчика), и уже этот вторичный электрон вызывает газовый разряд. Из-за низкой вероятности такого взаимодействия эффективность регистрации гамма-излучения счётчиком Гейгера невелика и составляет обычно 1–2%.

Стандартные счётчики Гейгера практически нечувствительны к нейтронам, так как нейтроны не имеют электрического заряда и не вызывают ионизацию напрямую. Для регистрации нейтронов используются специальные счётчики, заполненные, например, газом трифторидом бора ($BF_3$) или имеющие стенки, покрытые бором или литием. Нейтрон, взаимодействуя с ядром бора, вызывает ядерную реакцию с испусканием альфа-частицы, которая уже легко регистрируется счётчиком.

Ответ: Счётчик Гейгера применяется для регистрации заряженных частиц (в первую очередь бета-частиц, а при наличии тонкого окна — и альфа-частиц), а также гамма-квантов и рентгеновского излучения.

2. Для регистрации каких частиц применяется счётчик Гейгера?

2. Для регистрации каких частиц применяется счётчик Гейгера?

Счётчик Гейгера (или счётчик Гейгера-Мюллера) — это газоразрядный прибор, предназначенный для обнаружения и измерения ионизирующего излучения. Он способен регистрировать различные виды корпускулярного и электромагнитного излучения, частицы которого обладают достаточной энергией для ионизации атомов газа внутри счётчика.

В частности, счётчик Гейгера применяется для регистрации:

• Альфа-частиц ($α$-частиц) — ядер атомов гелия.
• Бета-частиц ($β$-частиц) — электронов или позитронов.
• Гамма-квантов ($γ$-квантов) и рентгеновского излучения, которые являются высокоэнергетическими фотонами.
• Иногда он также может регистрировать нейтроны, но для этого требуется специальная модификация счётчика (например, использование газа, содержащего бор-10).

Эффективность регистрации разных типов излучения у счётчика Гейгера различна. Он очень чувствителен к альфа- и бета-частицам, но имеет более низкую эффективность при регистрации гамма-квантов и рентгеновских лучей, поскольку они слабее взаимодействуют с газом в счётчике и с меньшей вероятностью вызывают первичную ионизацию.

Ответ: Счётчик Гейгера применяется для регистрации ионизирующих излучений, в частности альфа-частиц, бета-частиц, а также гамма- и рентгеновских квантов.

3. По рисунку 185 расскажите об устройстве и принципе действия счётчика Гейгера.

(Поскольку рисунок 185 отсутствует, будет описано стандартное устройство и принцип действия счётчика Гейгера-Мюллера).

Устройство счётчика Гейгера

Счётчик Гейгера состоит из нескольких ключевых компонентов:

1. Детекторная трубка: Это герметичный цилиндр, который является основной частью прибора. Стенки цилиндра обычно металлические или стеклянные с внутренним металлическим покрытием и служат катодом (отрицательным электродом).
2. Анод: Тонкая металлическая нить (часто из вольфрама), натянутая вдоль оси цилиндра-катода. Нить электрически изолирована от катода и является анодом (положительным электродом).
3. Газовая среда: Внутренний объем трубки заполнен инертным газом (например, аргоном, неоном) под низким давлением. В газ также добавляют небольшое количество "гасящей" примеси (например, паров спирта или галогенов).
4. Источник высокого напряжения: Между анодом (+) и катодом (−) создается высокое напряжение (от 400 до 1000 вольт).
5. Регистрирующая схема: Анод через высокое сопротивление ($R$) подключен к источнику напряжения. С этого сопротивления снимается сигнал (импульс напряжения), который затем усиливается и подается на регистрирующее устройство (счетчик импульсов, динамик для звуковых щелчков, дисплей).

Принцип действия счётчика Гейгера

Принцип действия основан на явлении ударной ионизации в газе.

1. Исходное состояние: В отсутствие ионизирующего излучения газ в трубке не проводит ток, так как напряжение между электродами ниже напряжения самостоятельного разряда.
2. Первичная ионизация: Частица ионизирующего излучения (например, $β$-частица), пролетая через объём счётчика, сталкивается с атомами газа и выбивает из них электроны. В результате образуются пары "положительный ион — электрон".
3. Газовое усиление (лавина): В сильном электрическом поле, которое особенно велико вблизи тонкого анода, созданные электроны ускоряются до энергий, достаточных для ионизации других атомов газа при столкновениях. Каждый новый электрон также ускоряется и ионизирует следующие атомы. Этот процесс, называемый ударной ионизацией, приводит к возникновению электронной лавины. Все электроны лавины устремляются к аноду.
4. Формирование импульса: Лавина электронов за очень короткое время (около 1 микросекунды) достигает анода, создавая короткий, но мощный импульс тока в цепи. Протекание этого тока через резистор $R$ вызывает резкое падение напряжения на нём, которое и регистрируется как один "счёт".
5. Гашение разряда: После того как электроны собраны на аноде, вокруг него остается облако медленно движущихся положительных ионов. Это облако ослабляет электрическое поле у анода, и лавинный процесс прекращается. Молекулы гасящей добавки нейтрализуют положительные ионы, не давая им, при достижении катода, выбить новые электроны и вызвать повторный разряд. Это обеспечивает "сброс" счётчика и его готовность к регистрации следующей частицы.

Таким образом, каждая попавшая в счётчик частица вызывает один электрический импульс. Частота этих импульсов пропорциональна интенсивности (мощности дозы) ионизирующего излучения.

Ответ: Счётчик Гейгера состоит из газонаполненной трубки с двумя электродами (катод-цилиндр и анод-нить), к которым приложено высокое напряжение. Принцип действия основан на регистрации электрических импульсов, возникающих в результате лавинного газового разряда, который инициируется ионизирующей частицей, пролетающей через счётчик.

3. По рисунку 185 расскажите об устройстве и принципе действия камеры Вильсона.

3. Камера Вильсона — это один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Её устройство и принцип действия основаны на явлении конденсации пересыщенного пара.

Устройство камеры Вильсона

Камера представляет собой герметичный сосуд с прозрачной верхней крышкой (для наблюдения) и подвижным поршнем или диафрагмой в нижней части. Внутренний объем камеры заполнен смесью газа (например, воздуха или аргона) и паров легкоконденсирующейся жидкости, такой как вода или этиловый спирт. Для визуализации треков используется боковая подсветка. Часто в камере создается электрическое поле для очистки объема от ионов после регистрации, а для исследования свойств частиц вся установка может быть помещена во внешнее магнитное поле.

Принцип действия камеры Вильсона

Работа камеры основана на том, что ионы, создаваемые заряженной частицей, служат центрами конденсации для пересыщенного пара. Процесс происходит в несколько этапов.

Сначала создается пересыщенное состояние. Исходно пар в камере является насыщенным. При резком движении поршня вниз происходит адиабатное расширение газа. Вследствие этого газ и пар внутри камеры быстро охлаждаются, и пар становится пересыщенным. Это состояние является метастабильным: пар готов сконденсироваться, но для этого нужны «зародыши» или центры конденсации.

Далее происходит ионизация. Когда быстрая заряженная частица пролетает через рабочий объем камеры в этот момент, она сталкивается с молекулами газа и ионизирует их, оставляя за собой след из положительно и отрицательно заряженных ионов.

Затем формируется видимый трек. Ионы, образовавшиеся вдоль траектории частицы, становятся идеальными центрами конденсации. Молекулы пересыщенного пара мгновенно конденсируются на них, образуя мельчайшие капельки жидкости. Цепочка таких капелек, подсвеченная источником света, видна как туманный след (трек), который в точности повторяет путь частицы.

Полученные треки фотографируют и анализируют. По длине трека можно судить об энергии частицы, по его толщине — об ионизирующей способности (например, треки тяжелых α-частиц — короткие и жирные, а легких β-частиц — длинные и тонкие). Если камера находится в магнитном поле, то по искривлению трека можно определить знак заряда частицы и её импульс.

Наконец, происходит перезарядка камеры. После регистрации события включается электрическое поле, которое «собирает» все ионы, очищая объем. Поршень возвращается в исходное положение, капельки испаряются, и камера готова к новому циклу измерений.

Ответ: Камера Вильсона — это прибор, состоящий из герметичной камеры с поршнем, заполненной парами жидкости (воды, спирта). Принцип действия заключается в создании пересыщенного пара путем резкого адиабатного расширения, в котором пролетевшая заряженная частица оставляет след из ионов. Эти ионы служат центрами конденсации, в результате чего вдоль траектории частицы образуется видимый туманный след (трек) из капелек жидкости.

4. Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле?

4. Камера Вильсона, помещенная в однородное магнитное поле, индукция которого $\vec{B}$ направлена перпендикулярно плоскости движения частиц, позволяет определить ряд важных характеристик заряженных частиц по их трекам (следам из капелек сконденсированного пара).

Основные характеристики, которые можно определить:

• Знак электрического заряда частицы. На движущуюся в магнитном поле заряженную частицу действует сила Лоренца, $F_Л = qvB$, которая всегда перпендикулярна вектору скорости частицы $\vec{v}$. Эта сила заставляет частицу двигаться по дуге окружности. Направление изгиба трека зависит от знака заряда частицы ($q$). Используя правило левой руки (для положительного заряда) или правило правой руки (для отрицательного), зная направление магнитного поля и направление движения частицы, можно однозначно определить знак её заряда. Например, если поле направлено от нас, то положительно заряженные частицы будут отклоняться влево, а отрицательно заряженные — вправо.

• Импульс частицы. Сила Лоренца является центростремительной силой, которая удерживает частицу на круговой траектории. Приравнивая силу Лоренца и центростремительную силу, получаем: $qvB = \frac{mv^2}{R}$, где $m$ — масса частицы, а $R$ — радиус кривизны её трека. Учитывая, что импульс частицы $p = mv$, можно выразить его через радиус кривизны: $p = qBR$. Таким образом, измерив по фотографии радиус кривизны трека $R$ и зная величину заряда частицы $q$ (которая обычно кратна элементарному заряду) и индукцию магнитного поля $B$, можно рассчитать импульс частицы. Чем больше импульс, тем больше радиус кривизны трека (т.е. тем меньше трек искривляется).

• Энергия частицы. По мере движения в камере частица теряет энергию на ионизацию атомов среды. Это приводит к уменьшению её скорости, а следовательно, и импульса. В результате радиус кривизны её трека уменьшается, и траектория выглядит как скручивающаяся спираль. По изменению кривизны трека можно судить о потере энергии и, следовательно, определить начальную энергию частицы. Кроме того, толщина трека также связана с энергией: медленные частицы производят более плотную ионизацию и оставляют более толстые следы.

• Удельный заряд частицы ($q/m$). Если возможно оценить скорость частицы (например, по плотности ионизации), то в сочетании с данными об импульсе можно определить и её массу, а следовательно, и удельный заряд, что помогает идентифицировать частицу.

Ответ: С помощью камеры Вильсона в магнитном поле можно определить знак электрического заряда частицы, её импульс, а также оценить её энергию и удельный заряд.

5. Пузырьковая камера, как и камера Вильсона, является трековым детектором, но имеет перед ней существенное преимущество, которое заключается в гораздо большей плотности рабочего вещества.

В камере Вильсона треки образуются в перенасыщенном паре (газе), тогда как в пузырьковой камере — в перегретой жидкости (например, в жидком водороде или пропане). Плотность жидкости на несколько порядков превышает плотность газа. Это основное различие приводит к следующим преимуществам:

• Высокая вероятность взаимодействия. Из-за высокой плотности рабочего вещества частицы, пролетающие через пузырьковую камеру, с гораздо большей вероятностью будут взаимодействовать с ядрами атомов этой жидкости. Это позволяет регистрировать редкие события и изучать продукты ядерных реакций, которые в камере Вильсона просто не произошли бы (частица пролетела бы насквозь).

• Эффективное торможение частиц. Высокая плотность среды обеспечивает большую тормозную способность. Высокоэнергетические частицы быстрее теряют свою энергию и с большей вероятностью останавливаются внутри рабочего объема камеры. Это позволяет измерить их полный пробег и более точно определить их начальную энергию.

• Изучение короткоживущих частиц. Продукты ядерных реакций часто являются нестабильными, короткоживущими частицами. В плотной среде они успевают пролететь лишь очень короткое расстояние перед распадом. Пузырьковая камера позволяет регистрировать треки таких частиц и их последующие распады, что крайне сложно сделать в разреженной среде камеры Вильсона.

Таким образом, пузырьковая камера является более эффективным инструментом для исследований в области физики высоких энергий, так как позволяет изучать взаимодействия частиц, а не только их траектории.

Ответ: Главное преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона заключается в использовании в качестве рабочего вещества перегретой жидкости, которая имеет гораздо большую плотность, чем пар в камере Вильсона. Это значительно увеличивает вероятность взаимодействия исследуемых частиц с веществом и позволяет эффективнее регистрировать и изучать продукты ядерных реакций.

5. В чём преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона? Чем отличаются эти приборы?

В чём преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона?

Пузырьковая камера обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с камерой Вильсона, что сделало ее основным инструментом в физике высоких энергий на несколько десятилетий. Основные преимущества заключаются в следующем:

• Более высокая плотность рабочего вещества. В пузырьковых камерах используется перегретая жидкость (например, жидкий водород, пропан, фреон), которая в сотни раз плотнее, чем перенасыщенный пар в камере Вильсона. Это приводит к тому, что частицы чаще взаимодействуют с ядрами вещества в камере. В результате, пузырьковая камера является одновременно и детектором, и мишенью, что повышает эффективность регистрации редких событий.

• Более высокая тормозная способность. Из-за высокой плотности среды заряженные частицы теряют больше энергии на единицу длины пути. Это позволяет регистрировать треки даже очень быстрых частиц, которые в камере Вильсона могли бы оставить слишком слабый след или вообще не быть замеченными. Треки в пузырьковой камере получаются более короткими, но и более чёткими и сплошными.

• Более короткое время восстановления. Пузырьковая камера может быть готова к регистрации следующего события значительно быстрее. Время, необходимое для сжатия жидкости и исчезновения пузырьков, составляет доли секунды, в то время как в камере Вильсона требуется больше времени для удаления ионов и восстановления перенасыщенного состояния пара.

Ответ: Главное преимущество пузырьковой камеры заключается в использовании жидкой рабочей среды, которая намного плотнее газа в камере Вильсона. Это обеспечивает более высокую вероятность взаимодействия частиц, позволяет получать более чёткие треки и сокращает время восстановления прибора, делая его более эффективным для исследований в области физики высоких энергий.

Чем отличаются эти приборы?

Несмотря на то, что оба прибора служат для визуализации треков заряженных частиц, они основаны на разных физических принципах и имеют конструктивные различия:

• Рабочее вещество и его состояние.

  Камера Вильсона: Использует перенасыщенный пар (например, смесь воздуха с парами воды или спирта). Рабочее состояние достигается резким адиабатическим расширением, что приводит к охлаждению и перенасыщению пара.

  Пузырьковая камера: Использует перегретую жидкость (жидкость, нагретую выше точки кипения при данном давлении). Рабочее состояние достигается резким понижением давления.

• Принцип образования трека.

  Камера Вильсона: Пролетающая частица ионизирует атомы пара. Ионы становятся центрами конденсации, на которых образуются мелкие капельки жидкости, формируя видимый след.

  Пузырьковая камера: Пролетающая частица ионизирует атомы жидкости. Вдоль траектории частицы выделяется энергия, которая вызывает локальное вскипание жидкости на ионах. Ионы становятся центрами парообразования, на которых образуются мелкие пузырьки пара.

• Условия работы.

  Камера Вильсона: Работает при температурах, близких к комнатной.

  Пузырьковая камера: Часто работает при криогенных (очень низких) температурах, если в качестве рабочего вещества используется, например, жидкий водород или гелий.

• Чувствительность и область применения.

  Камера Вильсона: Исторически первый трековый детектор, хорошо подходит для демонстрационных целей и изучения частиц с невысокой энергией. Менее эффективен для физики высоких энергий из-за низкой плотности среды.

  Пузырьковая камера: Более современный прибор, предназначенный для экспериментов на ускорителях высоких энергий. Высокая плотность среды позволяет не только регистрировать треки, но и изучать сложные взаимодействия частиц.

Ответ: Камера Вильсона и пузырьковая камера отличаются рабочим веществом (перенасыщенный пар против перегретой жидкости), принципом образования трека (конденсация капель на ионах против образования пузырьков пара на ионах), а также рабочими условиями и чувствительностью. Камера Вильсона использует конденсацию в газе, а пузырьковая камера — кипение в жидкости.