Презентация к уроку "Методы регистации заряженных чвстиц"
учебно-методический материал по физике (11 класс) по теме

                                                     Беккерель, Антуан Анри

Беккерель родился в Париже в семье ученых, которая, считая его самого и его сына, дала четыре поколения ученых. Он получил образование в Ecole Polytechnique и инженерное образование в Ecole des Ponts et Chaussees. В 1892 г. он стал третьим человеком из их семьи, который возглавил кафедру физики в Museum National d'Histore Naturelle. В 1894 г. он стал главным инженером в управлении мостов и дорог.

     В 1896 г. Беккерель случайно открыл радиоактивность во время работ по исследованию фосфоресценции в солях урана. Исследуя работу Рентгена, он завернул флюоресцирующий материал – уранилсульфат калия в непрозрачный материал вместе с фотопластинками, с тем, чтобы приготовиться к эксперименту, требующему яркого солнечного света. Однако еще до осуществления эксперимента Беккерель обнаружил, что фотопластинки были полностью засвечены. Это открытие побудило его исследованию спонтанного испускания ядерного излучения. В 1903 г. Он получил совместно с Пьером и Марией Кюри Нобелевскую премию по физике «В знак признания его выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиоактивности».

Изображение фотопластинки Беккереля, которая была засвечена излучением солей урана. Ясно видна тень металлического мальтийского креста, помещенного между пластинкой и солью урана.

     Беккерель открыл «альфа», «бета» и «гамма» частицы. Он поместил кусок урана в свинцовый короб с направленным отверстием. В опыте он использовал магнит и экран.

Частицы, собранные «в кучу», пролетали сквозь магнитное поле и изменяли свою траекторию полета, так как все они были заряжены по-разному. «Гамма» частицы, не имеющие заряда, беспрепятственно пролетали через магнитное поле и отображались на экране строго противоположно отверстию короба. «Альфа» частицы, имеющие заряд «+», притягивались к южному полюсу и летели по искривленной траектории, отображаясь на экране чуть ниже «гамма» частиц. «Бета» частицы, имеющие отрицательный заряд, притягивались к северному полюсу и, соответственно, отображались на экране выше «гамма» частиц.

     В 1908 г. – году его смерти – Беккерель был избран постоянным членом французской академии наук. Он умер в возрасте 55 лет в Ле-Круазик (Бретань). В его честь названа единица радиоактивности в системе единиц СИ – беккерель, а также один кратер на Луне и один на Марсе.

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

N

S

Камера Вильсона

     Регистрация заряженных частиц основана на явлении ионизации или возбуждении атомов, которое они вызывают в веществе детектора. На этом основана работа таких детекторов как камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы. С помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле были открыты позитрон, мюон и -мезоны, с помощью пузырьковой камеры — многие странные частицы, с помощью искровой камеры регистрировались нейтринные события и т.д.

     Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).

     Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. Для создания пересыщенного пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов, образовавшихся при предыдущей ионизации газа.

В камере Вильсона треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10-3-10-4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных).

Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно около 1 мин.

Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.

     Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и “запускают” камеру лишь для наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает. “Управляемость” камеры Вильсона объясняется тем, что можно обеспечить очень высокую скорость расширения газовой среды и камера успевает отреагировать на запускающий сигнал внешних счётчиков.

Пузырьковая камера

     Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории её движения. Изобретена А. Глэзером в 1952 г. (Нобелевская премия 1960 г.).

     Принцип действия основан на вскипании перегретой жидкости вдоль трека заряженной частицы. Пузырьковая камера представляет собой сосуд, заполненный прозрачной перегретой жидкостью. При быстром понижении давления, вдоль трека ионизирующей частицы образуется цепочка пузырьков пара, которые освещаются внешним источником и фотографируются.

     После фотографирования следа давление в камере повышается, пузырьки газа схлопываются и камера снова готова к работе. В качестве рабочей жидкости в камере используется жидкий водород одновременно служащий водородной мишенью для исследования взаимодействия частиц с протонами.
Камера Вильсона и пузырьковая камера имеют огромное преимущество, которое заключается в том, что можно непосредственно наблюдать все заряженные частицы, образующиеся в каждом акте реакции. Для того чтобы определить тип частицы и ее импульс, камеры Вильсона и пузырьковые камеры помещают в магнитное поле. Расшифровка фотографий с пузырьковых камер представляет отдельную трудоемкую проблему.

Радиоактивность

     В 1896 году Анри Пуанкаре выдвинул предположение, что Х-лучи, открытые Рентгеном, могут самопроизвольно испускаться некоторыми природными фосфоресцирующими веществами. Рассуждения Пуанкаре были логичны и просты: рентгеновское излучение, по-видимому, возникает на том конце вакуумной трубки, куда попадают катодные лучи и где светится стекло трубки. Но тогда, может быть, светящиеся (люминесцирующие) вещества могут и сами испускать лучи, наподобие рентгеновских?

Доклад Пуанкаре произвел большое впечатление на Антуана Беккереля, потомственного физика и химика. Идея Беккереля сводилась к тому, чтобы обнаружить засвечивание фотопластинок Х-лучами даже через плотную обертку, например, через несколько слоев черной бумаги. Невидимые же лучи должны были, по мысли ученого, испускаться подходящими минералами после выдержки их на свету — для того, чтобы в них накопилась энергия, и мог начаться процесс, похожий на процесс фосфоресценции.

Беккерель взял несколько кристалликов одной из солей урана (это вещество фосфоресцировало особенно интенсивно) и поместил на окне, подложив под них фотопластинку, завернутую в плотную черную бумагу. На фотопластинке лежала еще и фигурная металлическая прокладка — медный крестик, — чтобы на негативе отпечаталось ее изображение, создаваемое Х-лучами. Гипотеза подтвердилась: фотопластинка, на которой лежали кусочки урана, исправно засвечивалась неким излучением. То есть, соединение урана испускало лучи неизвестной  природы. Доклад об обнаружении Х-лучей, испускаемых самопроизвольно природными веществами, был сделан. «Облученные солнечным светом соли урана испускают рентгеновскую радиацию» — заявил на заседании Французской академии Беккерель. Однако истина оказалась другой — к счастью для науки и цивилизации Беккерель, как настоящий ученый, проводил опыты аккуратно и последовательно. В столе он обнаружил фотопластинку, которая не подвергалась действию солнечных лучей, поскольку один из дней выдался несолнечным, но решил и ее проявить. Ученый с удивлением обнаружил, что фотопластинка опять засвечена — на ней имелся четкий отпечаток крестика. Вывод ученого был однозначен:      уран излучал независимо от воздействия на него солнечного   света!

     Начатые в конце 19-го века исследования атомных ядер привели к великому открытию — Антуан А.Беккерель обнаружил, что ядра атомов некоторых химических элементов (в данном случае это была соль урана) испускают невидимые лучи неизвестной природы с уникальной проникающей способностью.

     Поместив препарат радия в магнитное поле, излучение удалось разделить на несколько компонент. Часть исходного пучка отклонялась в одну сторону, часть в другую, таким образом, эти компоненты, названные альфа- и бета-излучением, имели различные электрические заряды. Затем Полем Вилларом в 1900 году была обнаружена и третья компонента излучения, не чувствующая магнитное поле. Ее назвали гамма-излучением.

  Впервые эти опыты провели в 1900 году супруги Кюри, пытаясь найти отличия между рентгеновскими лучами и радиоактивным излучением.

 Первый этап эксперимента состоял в помещении пробирки с радием между полюсами магнита, затем на пути лучей ставилась тонкая алюминиевая пластина. Часть лучей задерживалась преградой, часть легко проходила сквозь нее. Оказалось, что альфа-компонента излучения, положительно заряженная, сильно поглощается веществом, вторая — бета-компонента — имеет значительно более высокую проникающую способность. Именно Мария и Пьер Кюри установили, что бета-компонента излучения отрицательно заряжена и представляет собой поток чрезвычайно быстрых электронов — их скорость была близка к скорости света.

     Позднее, к 1909 году, Резерфорд с сотрудниками экспериментально доказали, что альфа-излучение представляет собой поток ионов гелия, т.е. атомов гелия, у которых полностью удалены внешние электронные оболочки. Гамма-излучение оказалось потоком электромагнитных квантов очень высокой энергии, их проникающая способность еще выше, чем у рентгеновских лучей, энергия которых ниже энергии гамма-лучей.  

     Таким образом, в конце 19-го века было установлено, что соли урана самопроизвольно, без предварительного воздействия на них света, испускают лучи неизвестного происхождения. Содержащее уран вещество, положенное на фотографическую пластинку, обернутую в черную бумагу, воздействует на пластинку и на бумагу. Эти лучи способны разряжать электроскоп, превращая окружающий воздух в проводник электричества. А.Беккерель убедился, что эти свойства урана не зависят от предварительного облучения, а неизменно проявляются даже тогда, когда урансодержащее вещество долго выдерживают в темноте. Именно он открыл то явление, которое впоследствии от Марии Кюри получит название «радиоактивность».

     В 1903 году Уолтер Рамзай и Фредерик Содди обнаруживают, что радий непрерывно выделяет также небольшое количество газа гелия. Так был обнаружен первый пример ядерного превращения. Позднее, уже работая в Англии, Резерфорд и Содди, опираясь на гипотезу, высказанную Марией Кюри, публикуют «Теорию радиоактивных превращений», в которой утверждают, что радиоактивные элементы, даже когда кажутся неизменными, находятся в состоянии самопроизвольного распада: чем быстрее процесс их превращения, тем больше их активность. Определение, данное Резерфордом и Содди, таково: радиоактивность есть не что иное, как распад атома на заряженную частицу (именно она и представляет собой радиоактивное излучение) и атом другого элемента, по своим химическим свойствам отличный от исходного. Образовавшийся атом также может испытать радиоактивный распад. Следствием этого утверждения является вывод о существовании целых радиоактивных семейств, первый элемент которых радиоактивен, а последний стабилен.

N

S

Радиотерапия

Сущность метода.

     Целью лучевой терапии является уничтожение клеток, составляющих опухоль. Ионизирующее излучение взаимодействует с молекулами воды, формируя пероксид и свободные радикалы, поэтому, чем более активны метаболические процессы в клетке, тем более сильное повреждающее воздействие оказывает на неё радиация. Раковые клетки являются активно делящимися и быстро растущими; в норме схожей активностью обладают клетки костного мозга. Соответственно, если раковые клетки более активны, чем окружающие ткани, то и повреждающее действие излучения причинит им более серьёзный вред.

Типы воздействия

По типу воздействия излучение можно разделить на две группы — корпускулярное и волновое, эквивалентной дозой 15-30 тысяч мкЗв.

Корпускулярное

1. α-частицы,
2. β-частицы,
3. электронное,
4. нейтронное (в качестве источника используется изотоп 252Cf),
5. протонное.

 Волновое

1. рентгеновское излучение,
2. γ-излучение.

Показания

     Наиболее распространённой причиной назначения лучевой терапии является наличие новообразований различной этиологии. В зависимости от локализации опухоли различаются типы воздействия и доза излучения.

Применение

Выделяют три способа воздействия. Контактную, дистанционную и внутритканевую терапию иногда называют брахитерапией.

Контактный: контактное воздействие производится при непосредственном приложении источника излучения к ткани опухоли, производится интраоперативно или при поверхностно расположенных новообразованиях. В связи с этим данный метод, пусть и менее вредный для окружающих тканей, используется значительно реже.

 Дистанционный: при дистанционном волновом воздействии между очагом воздействия и источником излучения лежат здоровые ткани. Чем их больше, тем сложнее доставить необходимую дозу излучения к очагу, и тем больше побочных эффектов терапии. Но, несмотря на наличие серьезных побочных эффектов, этот метод наиболее распространен. Это обусловлено тем, что он наиболее универсален и доступен в использовании.

     Перспективным является метод протонной терапии, в настоящее время в мире ведется активное исследование эффективности и безопасности данной методики. В России в настоящее время метод не нашел широкого применения, в связи с дороговизной оборудования и недостаточно изученной клинической эффективностью.

Внутритканевой : в ткани, содержащие опухолевый очаг, вводятся закрытые источники в виде проволок игл, капсул, сборок из шариков или открытые источники, растворы которых непосредственно вводятся в организм через рот, в полость, опухоль или сосуд. Применение растворов основано на способности некоторых радионуклидов накапливаться преимущественно в определённых тканях (йод — в щитовидной железе, фосфор — в костном мозге и др.)

Счетчик Гейгера

     Счётчик Гейгера представляет собой, как правило, цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока — анод. Система заполнена газовой смесью.
При прохождении через счётчик заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду — нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к коронному разряду. Амплитуда сигнала достигает нескольких вольт и легко регистрируется. Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию частицы.

Пропорциональный счетчик.

      Пропорциональный счетчик имеет такую же конструкцию, как и счётчик Гейгера. Однако за счёт подбора напряжения питания и состава газовой смеси в пропорциональном счетчике при ионизации газа пролетевшей заряженной частицей не происходит коронного разряда. Под действием электрического поля создаваемого вблизи положительного электрода первичные частицы производят вторичную ионизацию и создают электрические лавины, что приводит к усилению первичной ионизации созданной пролетевшей через счётчик частицы в 103 — 106 раз. Пропорциональный счетчик позволяет регистрировать энергию частиц.

Ядерные эмульсии.

     Аналогично, как это происходит в обычной фотографии, заряженная частица нарушает вдоль своего пути структуру кристаллической решётки зерен галоидного серебра,  делая их способными к проявлению. Ядерная эмульсия является уникальным средством для регистрации редких событий. Стопки ядерных эмульсий позволяют регистрировать частицы очень больших энергий. С их помощью можно определить координаты трека заряженной частицы с точностью до 1 микрона. Ядерные эмульсии широко используются для регистрации космических частиц на шарах-зондах и космических аппаратах.

     Фотоэмульсии как детекторы частиц в какой-то мере аналогичны камере Вильсона и пузырьковой камере. Впервые их применил английский физик С.Пауэлл для изучения космических лучей. Фотоэмульсия представляет собой слой желатина с диспергированными в нем зернами бромида серебра. Под действием света в зернах бромида серебра образуются центры скрытого изображения, способствующие восстановлению бромида серебра до металлического серебра при проявлении обычным фотографическим проявителем. Ионизация, производимая заряженными частицами, дает такой же результат: возникает след из сенсибилизированных зерен, который после проявления можно видеть под микроскопом. Методика ядерных эмульсий наиболее привлекательна тем, что они довольно компактны. Эмульсии, почти такие же, как и в фотографии, поставляются в виде листков толщиной 0,1 мм. Отдельные листки складывают в стопки нужного объема (характерный размер – порядка десятков сантиметров). После облучения в потоке частиц стопки разделяют на листки для проявления и анализа. Ширина следа частицы составляет лишь несколько микрометров, что позволяет измерять положение частицы с гораздо большей точностью, чем в пузырьковой камере и камере Вильсона. Плотность следа (число почерневших зерен на единицу его длины) прямо пропорциональна ионизации, производимой падающей частицей и, следовательно, зависит от ее скорости. Кроме того, в результате многочисленных столкновений с атомами эмульсии траектория частицы обнаруживает отклонения. По результатам измерения плотности следа и его отклонений можно определить массу частицы, оставившей след, а тем самым идентифицировать ее. Путем таких же измерений можно определить заряд частицы. Так были обнаружены ядра железа с высокой энергией в космических лучах.