Страница 288 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. По рисунку 205 расскажите об устройстве и принципе действия счётчика Гейгера.

1. По рисунку 205 расскажите об устройстве и принципе действия счётчика Гейгера.

Устройство. Счётчик Гейгера (или счётчик Гейгера-Мюллера) представляет собой газоразрядный прибор для обнаружения ионизирующего излучения. Его основной частью является герметичная трубка, чаще всего в виде металлического цилиндра, который выполняет роль катода (отрицательного электрода). Вдоль оси цилиндра натянута тонкая металлическая проволока, являющаяся анодом (положительным электродом). Трубка заполнена разреженным инертным газом (например, аргоном или неоном) с небольшой добавкой гасящего газа (например, паров спирта или галогенов). Между анодом и катодом прикладывается высокое постоянное напряжение (от сотен до нескольких тысяч вольт), которое само по себе не способно вызвать разряд в газе.

Принцип действия. Когда ионизирующая частица (например, альфа-частица, бета-частица или гамма-квант) пролетает через рабочий объём счётчика, она сталкивается с атомами газа и ионизирует их, создавая на своём пути электрон-ионные пары. Под действием сильного электрического поля свободные электроны начинают ускоренно двигаться к положительно заряженному аноду (нити). Набрав достаточную энергию, они сталкиваются с другими атомами газа, также ионизируя их. Этот процесс многократно повторяется, что приводит к возникновению электронной лавины. Весь этот процесс называется газовым разрядом. В результате в электрической цепи счётчика возникает короткий, но сильный импульс тока. Этот импульс затем усиливается и регистрируется электронной схемой, которая может подавать звуковой сигнал (щелчок) или увеличивать показания на цифровом дисплее. Роль гасящего газа заключается в том, чтобы быстро прекратить (погасить) разряд, после чего счётчик снова готов к регистрации следующей частицы.

Ответ: Счётчик Гейгера — это газонаполненный цилиндр с двумя электродами (нить-анод и сам цилиндр-катод). Его работа основана на явлении ударной ионизации: пролетающая радиоактивная частица создаёт в газе первичные ионы, которые в сильном электрическом поле вызывают лавинный газовый разряд, регистрируемый как электрический импульс.

Счётчик Гейгера является чувствительным прибором, который применяется для регистрации различных видов ионизирующего излучения. Он способен обнаруживать:

• Альфа-частицы ($\alpha$-частицы): Это ядра атомов гелия. Они обладают очень высокой ионизирующей способностью, но малой проникающей способностью. Для их регистрации счётчик должен иметь специальное очень тонкое входное окно (например, из слюды), чтобы частицы могли проникнуть в рабочий объём.
• Бета-частицы ($\beta$-частицы): Это электроны или позитроны. Они обладают меньшей, чем у альфа-частиц, ионизирующей способностью, но большей проникающей силой и регистрируются счётчиком с высокой эффективностью.
• Гамма-кванты ($\gamma$-кванты) и рентгеновское излучение: Это высокоэнергетические фотоны. В отличие от заряженных частиц, они ионизируют газ не напрямую, а косвенно: гамма-квант выбивает электрон из атома материала стенки счётчика или из атома газа, и уже этот вторичный электрон запускает лавинный разряд. Из-за такой косвенной регистрации эффективность обнаружения гамма-излучения у счётчиков Гейгера сравнительно невысока (обычно 1–2%).

Ответ: Счётчик Гейгера применяется для регистрации альфа-частиц, бета-частиц, а также (с меньшей эффективностью) гамма-квантов и рентгеновских лучей.

2. Для регистрации каких частиц применяется счётчик Гейгера?

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 фотонного излучения, обладающие достаточной энергией для ионизации газа внутри детектора.

В частности, счётчик Гейгера применяется для регистрации:

• Бета-частиц ($\beta$-частиц): это электроны или позитроны. Счётчик Гейгера очень эффективен для их регистрации, так как они легко проникают через стенки счётчика (если они не слишком толстые) и эффективно ионизируют газ.
• Альфа-частиц ($\alpha$-частиц): это ядра атомов гелия. Поскольку альфа-частицы имеют очень низкую проникающую способность, для их регистрации счётчик должен иметь специальное тонкое входное окно (например, из слюды).
• Гамма-квантов ($\gamma$-квантов) и рентгеновского излучения: это высокоэнергетические фотоны. Эффективность регистрации гамма-квантов счётчиком Гейгера относительно невысока (обычно около 1-2%), так как фотоны слабо взаимодействуют с газом в трубке. Регистрация происходит, когда гамма-квант выбивает электрон из материала катода (стенки трубки) или, реже, из атома газа.
• Также могут быть зарегистрированы и другие заряженные частицы, например, протоны или мюоны, если они попадают в рабочий объём детектора.

Таким образом, счётчик Гейгера является универсальным, но не селективным детектором, то есть он регистрирует факт попадания ионизирующей частицы, но, как правило, не позволяет определить её тип или энергию.

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

3. По рисунку 206 расскажите об устройстве и...

Поскольку рисунок 206 не представлен, рассмотрим общее устройство и принцип действия счётчика Гейгера-Мюллера.

Устройство

Основной частью счётчика является газоразрядная трубка (трубка Гейгера-Мюллера). Она представляет собой герметичный резервуар, обычно в форме металлического или стеклянного цилиндра с внутренним металлическим покрытием.

• Катод: Внутренняя поверхность цилиндра служит отрицательным электродом — катодом.
• Анод: Вдоль оси цилиндра натянута тонкая металлическая нить, которая является положительным электродом — анодом. Анод изолирован от катода.
• Газовая среда: Трубка заполнена инертным газом (например, аргоном, неоном) при низком давлении (около 10-20 кПа). В газ также добавляют небольшое количество "гасящей" примеси (например, галогены или пары спирта) для стабилизации работы счётчика.
• Источник высокого напряжения: К электродам (аноду и катоду) приложено высокое постоянное напряжение, обычно от 400 до 1500 вольт.
• Регистрирующая схема: Счётчик подключён к электронной схеме, которая фиксирует импульсы тока и преобразует их в звуковой сигнал (щелчок) или отображает на цифровом индикаторе.

Принцип действия

Принцип действия основан на явлении ударной ионизации.

1. Ионизация газа: Когда ионизирующая частица (например, $\beta$-частица) пролетает через рабочий объём трубки, она сталкивается с атомами газа и выбивает из них электроны. В результате образуются пары ион-электрон.
2. Движение зарядов: Под действием сильного электрического поля, создаваемого высоким напряжением, электроны начинают двигаться к положительному аноду, а положительные ионы — к отрицательному катоду.
3. Газовое усиление (лавина): Вблизи тонкой нити анода электрическое поле особенно сильно. Электроны, ускоренные этим полем, приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с другими атомами газа также ионизировать их. Каждый новый электрон, в свою очередь, ускоряется и ионизирует следующие атомы. Этот процесс нарастает лавинообразно и называется таунсендовской лавиной или газовым разрядом.
4. Регистрация импульса: В результате лавины через счётчик проходит кратковременный, но мощный импульс тока. Этот импульс регистрируется внешней электронной схемой.
5. Гашение разряда: После прохождения импульса вокруг анода образуется "облако" из медленно движущихся положительных ионов, которое экранирует поле и прекращает разряд. Гасящая добавка в газе помогает быстро нейтрализовать эти ионы и предотвратить возникновение вторичных разрядов, позволяя счётчику вернуться в исходное состояние и быть готовым к регистрации следующей частицы.

Ответ: Счётчик Гейгера состоит из герметичной трубки с двумя электродами (цилиндрический катод и нитевидный анод), заполненной инертным газом. Его действие основано на возникновении самостоятельного газового разряда (лавины), когда ионизирующая частица попадает в трубку, где создано сильное электрическое поле. Возникающий импульс тока регистрируется электронной схемой.

3. По рисунку 206 расскажите об устройстве и принципе действия камеры Вильсона.

Устройство камеры Вильсона

Камера Вильсона — это один из первых приборов для регистрации траекторий (треков) заряженных элементарных частиц. Её конструкция включает следующие основные элементы:

• Герметичная камера: обычно представляет собой стеклянный цилиндр, закрытый сверху прозрачной стеклянной крышкой для наблюдения и фотографирования. Дно камеры часто делают черным для лучшей контрастности треков.
• Поршень или диафрагма: подвижный элемент, расположенный в нижней части камеры. Резкое движение поршня вниз приводит к быстрому (адиабатному) расширению газа внутри камеры.
• Рабочее вещество: внутренний объем камеры заполнен смесью инертного газа (например, аргона) и паров летучей жидкости (чаще всего воды или этилового спирта). Перед началом работы пар должен быть насыщенным.
• Источник света: сбоку от камеры располагается мощная лампа. Ее вспышка освещает образовавшиеся треки, делая их видимыми.
• Фото- или видеокамера: устанавливается над верхней крышкой для фиксации изображения треков.
• Электрическое поле: между верхней и нижней частями камеры часто создают электрическое поле, которое используется для очистки рабочего объема от ионов после регистрации события, подготавливая камеру к новому циклу.

Ответ: Камера Вильсона состоит из герметичного сосуда с прозрачной крышкой, наполненного смесью газа и насыщенного пара жидкости. В камере имеется поршень для быстрого изменения объема, источник света для подсветки треков и фотокамера для их регистрации.

Принцип действия камеры Вильсона

Принцип действия камеры основан на физическом явлении конденсации перенасыщенного пара на ионах, которые выступают в роли центров конденсации. Работа камеры происходит циклически и включает следующие шаги:

1. Создание перенасыщенного пара. В исходном состоянии пар в камере насыщен. С помощью поршня объем камеры резко увеличивают. В соответствии с законами термодинамики, при адиабатном расширении газ и пар внутри камеры охлаждаются. В результате охлаждения насыщенный пар становится перенасыщенным — это неустойчивое состояние, при котором пар готов сконденсироваться, но для этого нужны "зародыши" или центры конденсации.
2. Ионизация. Когда быстрая заряженная частица (например, альфа-частица, протон, электрон) пролетает через камеру, она на своем пути сталкивается с молекулами газа и ионизирует их, оставляя за собой "хвост" из положительно и отрицательно заряженных ионов.
3. Формирование трека. Ионы, созданные частицей, немедленно становятся центрами, на которых перенасыщенный пар начинает конденсироваться. На каждом ионе образуется микроскопическая капелька жидкости (тумана). Совокупность этих капелек формирует видимый след — трек, который в точности повторяет траекторию движения частицы.
4. Регистрация. В момент образования трека вспыхивает лампа, освещая его, и камера фиксирует изображение. По виду трека можно судить о частице:
   • Треки тяжелых частиц (альфа-частиц, протонов) — короткие, прямые и жирные из-за высокой плотности ионизации.
   • Треки легких частиц (электронов) — тонкие, длинные и часто извилистые.
   Если поместить камеру в магнитное поле, треки заряженных частиц искривляются, что позволяет определить знак их заряда и оценить импульс.
5. Возврат в исходное состояние. После фотографирования трека включается электрическое поле, которое "очищает" объем от ионов. Затем поршень возвращается в исходное положение, камера нагревается, капельки тумана испаряются, и прибор готов к регистрации следующего события.

Ответ: Принцип действия основан на конденсации перенасыщенного пара на ионах. Перенасыщенный пар создается путем резкого адиабатного расширения. Заряженная частица, пролетая сквозь камеру, создает на своем пути ионы. Эти ионы служат центрами конденсации, в результате чего вдоль траектории частицы образуется видимый след из капелек тумана (трек).