deteCtoare de radiaţii ionizante Pe parcursul anilor au fost elaborate și implementate mai multe metode de cercetare a radiaţiilor nucleare. La baza metodelor respective se află proprietatea particulelor încărcate de a ioniza și a excita particulele din componenţa substanţei. Aici vom lua cunoștinţă de ideile fizice ale principalelor metode. Realizarea practică a unora din ele este destul de dificilă, fiindcă instalaţiile respective sunt masive, sofisticate și costisitoare. Metoda emulsiilor fotografice i-a permis lui Becque rel să descopere radioactivitatea na tu rală
(a. 1896). Metoda aceasta se bazează pe acţiunea ionizantă a particulelor încărcate. Trecând prin pelicula fotografică, ele ionizează, asemenea luminii, crista lele microscopice de bromură de argint (AgBr). La developare argintul metalic formează mai multe linii punctate negre. Acestea marchează atât traseul parti cu lei incidente, cât și locurile unde s-au produs reacţii nucleare, precum și traseele parti culelor rezul tate. Grosimile liniilor sunt determinate de sarcinile și masele particulelor, iar lungimile – de energiile lor. Contorul cu scintilaţii (scânteieri) a fost inventat în anul 1903 de către fizicianul englez William Crookes (1832–1919), după ce a fost descoperită fluorescenţa sulfurii de zinc provocată de ciocnirile particulelor α. Cu ajutorul lupei sau microscopului pot fi observate locurile unde s-au produs scintilaţiile.
E. Rutherford a utilizat această metodă la cercetarea împrăștierii particulelor α și a descoperit nucleul. În prezent scintilaţiile sunt înregistrate prin intermediul elementelor fotoelectrice care transformă semnalele luminoase în impulsuri electrice. După valorile acestor impulsuri se fac concluzii supli mentare privind energiile particulelor incidente. Contorul cu descărcare electrică în gaze a fost inventat în anul 1908 de către fizicianul german Hans Wilhelm Geiger (1882–1945) în colaborare cu E. Ruther ford. În anul 1928, H. Geiger și W. Müller au perfecţionat contorul, care în prezent este cunoscut sub numele de contorul geiger–Müller. Reprezentarea schematică a contorului este redată în figura 7.7. Un tub cilindric de sticlă conţine un anod (1) de forma unui fir subţire, întins de-a lungul tubului, și un catod (2) – o peliculă metalică depusă pe suprafaţa interioară a tubului sau un cilindru
metalic coaxial cu anodul. Tubul este umplut cu gaz, de exemplu, un amestec de argon cu vapori de spirt metilic, la o presiune de câteva zecimi din cea atmosferică. Între electrozi este aplicată o tensiune înaltă, dar insuficientă pentru a produce descărcări electrice în tub. Intensitatea câmpului electric în regiunea anodului este mult mai mare decât lângă catod (aproape de anod – liniile de intensitate sunt mult mai dense decât lângă catod). Particula încărcată, pătrunzând cu viteză mare în interiorul tubului, ionizează gazul. Ionii pozitivi se deplasează spre catod, iar electronii – spre anod, unde intensitatea câmpului electric este mai mare. Obţinând energii mari, ei ionizează prin ciocnire atomii neutri ai gazului. Se formează o avalanșă de electroni și în tub se produce o descărcare electrică. Ca rezultat, scade mult rezistenţa amestecului din tub și crește brusc intensitatea curentului în circuit. Între capetele rezistorului R se produce un impuls de ten siune ce este transmis la dispozitivul de înregistrare. După fiecare impuls de tensiune la rezistor descărcarea electrică încetează, contorul revine la starea iniţială și poate să înregistreze particulele următoare. Contorul Geiger–Müller se folosește pentru numărarea automată a particulelor încărcate și a fotoni- lor (cuantelor) γ. Acesta poate înregistra până la
1000 de particule pe secundă. Camera cu ceaţă a fost inventată în anul 1912 de către fizicianul englez Charles Thomas Rees Wilson (1869–1959) și este cunoscută mai mult sub numele de camera Wilson. Ea reprezintă (fig. 7.8) un vas din
Fig. 7.8
Fig. 7.7
116
Lucrare de laborator studiul urmelor particulelor elementare încărcate Scopul lucrării: Determinarea razei de curbură a traiectoriei particulelor elementare înregistrate în camera Wilson, calculul energiei lor cinetice şi a sarcinii specifice.
Aparate şi materiale necesare:
Fotografia traseelor lăsate de particulele încărcate în camera Wilson, riglă milimetrică, hârtie de calc.
sticlă (1) dotat cu un piston mobil (2). Camera conţine vapori de apă sau de spirt etilic (3) cu densitatea apro piată de cea a vaporilor saturanţi. La deplasarea bruscă a pistonului în jos vaporii se dilată adiabatic, temperatura lor se micșorează. Astfel, ei devin suprasaturanţi. Starea dată este nestabilă. Dacă în cameră pătrunde o particulă încărcată și ionizează moleculele, ionii formaţi devin centre de condensare și în jurul lor se formează picături de lichid. Traseul particulei încărcate este marcat de o urmă vizibilă (4) cu lăţimea de până la 1 mm. Traseul este iluminat lateral (5) și fotografiat (6). Fotografiile obţinute cu ajutorul camerei Wilson reprezintă urme luminoase pe un fundal întunecat. După lăţimea urmelor, se pot face concluzii referitor la na tura particulei încărcate. Urmele lăsate de particulele α sunt mai late decât cele lăsate de electroni. Particulele cu energii mai mari lasă urme mai lungi. O informaţie mai amplă se obţine prin intro ducerea camerei Wilson într-un câmp magnetic omogen (v. Lucrarea de laborator de mai jos). Camera cu bule. A fost inventată în anul 1952 de către fizicianul american Donald Arthur Glaser
1. Ce proprietăţi fizice ale radiaţiilor nucleare se află la baza metodelor de cercetare a acestora? 2. În ce constă metoda emulsiilor fotografice? 3. În baza cărui fenomen fizic funcţionează contorul cu scintilaţii? 4. Cum funcţionează contorul Geiger–Müller? Verificaţi-vă cunoştinţele
5. Care mărimi fizice ce caracterizează particulele încărcate pot fi determinate cu ajutorul camerei Wilson? 6. Ce informaţii suplimentare despre radiaţiile nucleare pot fi obţinute prin introducerea camerei Wilson şi a celei cu bule întrun câmp magnetic?
(1926–2013). Ea reprezintă un alt dispozitiv care permite vizua lizarea traseului particulei încărcate. Într-un vas se află un gaz lichefiat – hidrogen, deuteriu, xenon, propan etc. – la presiune înaltă. Substanţa se află în stare lichidă, chiar dacă temperatura ei este mai mare decât temperatura de fierbere la presiune atmo sferică normală. Prin micșorarea bruscă a presiunii (în anumite limite) substanţa este adusă în stare de lichid supraîncălzit. Această stare este nestabilă, deoarece în condiţiile date în vas ar trebui să se afle lichid și vapori saturanţi. Particula încărcată care pătrunde în vas formează un lanţ de ioni. Aceștia servesc drept centre de vaporizare și în jurul lor se formează bule mici de vapori ai acestui lichid. Lanţul acestor bule marchează traseul particulei în lichid și, fiind luminat lateral, poate fi fotografiat. Pentru a obţine o informaţie mai bogată despre particula studiată, camera cu bule se introduce, ca și cea cu ceaţă, într-un câmp magnetic. Despre rolul important ce l-au jucat camerele cu ceaţă și cu bule în domeniul cercetărilor nucleare denotă faptul că inventatorii lor au devenit lau reaţi ai Premiului Nobel (Wilson – în 1927 și Glaser – în 1960).
Consideraţii teoretice O particulă încărcată, ce intră într-un câmp magnetic perpendicular pe liniile lui de inducţie, se mișcă în acest câmp pe o traiectorie circulară cu raza (1.7): , (7.23) unde m, q și υ sunt, respectiv, masa, sarcina electrică și viteza particulei încăr cate, iar B este inducţia câmpului magnetic. La introducerea camerei Wilson într-un câmp mag netic orientat perpendicular pe direcţia de mișcare a particulelor, traseele înregistrate vor prezenta niște
117
Fig. 7.9
Fig. 7.10
porţiuni de cerc. Având fotografia acestor trasee, raza de curbură a traiectoriei se poate măsura direct. Fie O centrul arcului de cerc (fig. 7.9). Dacă trasăm coarda AB = l, atunci triunghiul AOB este isoscel, iar OD este înălţime și mediană. No tând înălţimea sectoru lui de cerc CD = h din triunghiul dreptunghic ODB, avem:
din care rezultă: (7.24) Dacă se cunoaște traseul particulei înregistrate (sarcina și masa sunt cunoscute), atunci se poate determina și energia ei cinetică. Folosind relaţia (7.23), avem: (7.25) Pentru determinarea sarcinii specifice a unei particule necunoscute, traseul acesteia se înregistrează în aceleași condiţii ca și traseul unei particule cunoscute. În acest caz υ și B sunt aceleași și pentru sarcina specifică necunoscută din (7.23) obţinem: (7.26) unde r și rx sunt razele de curbură ale traiectoriilor particulei cunoscute și, respectiv, ale celei necu noscute. În figura 7.10 este redată fotografia traseelor nucleului de heliu și ale nucleelor izotopilor de hidro gen înregistrate în camera Wilson, situată într-un câmp magnetic de inducţie B = 2,2 T. Este cunoscut că toate parti culele intră în acest câmp cu una și aceeași viteză, orientată perpendicular pe liniile de inducţie, și traiectoria 1 aparţine izotopului de hidrogen , adică protonului. mod de lucru: 1. Așezaţi hârtia de calc pe fotografia din figura 7.10 și transferaţi pe ea urmele înregistrate în camera Wilson de două particule: a protonului cu numărul 1 și a doua la indicaţia profesorului. 2. Trasaţi câte o coardă la capetele traiectoriei pro tonului. Măsuraţi lungimile acestor coarde și înălţimile h respective, iar din relaţia (7.24) calculaţi raza de curbură a traiectoriei protonului r1,i la începutul și r1, f la sfârșitul mișcării lui. 3. Folosind relaţia (7.25), calculaţi energia cinetică a protonului în cele două poziţii și determinaţi cu cât s-a micșorat energia lui în timpul parcurgerii acestei traiectorii. 4. Trasaţi o coardă la începutul traiectoriei parti culei necunoscute. Măsuraţi lungimea ei l și înălţimea h a sectorului de cerc obţinut. Calculaţi raza de curbură rx. 5. Folosind relaţia (7.26), determinaţi sarcina spe cifică (q/m)x a particulei necunoscute. Stabiliţi ce nucleu reprezintă această particulă. 6
(a. 1896). Metoda aceasta se bazează pe acţiunea ionizantă a particulelor încărcate. Trecând prin pelicula fotografică, ele ionizează, asemenea luminii, crista lele microscopice de bromură de argint (AgBr). La developare argintul metalic formează mai multe linii punctate negre. Acestea marchează atât traseul parti cu lei incidente, cât și locurile unde s-au produs reacţii nucleare, precum și traseele parti culelor rezul tate. Grosimile liniilor sunt determinate de sarcinile și masele particulelor, iar lungimile – de energiile lor. Contorul cu scintilaţii (scânteieri) a fost inventat în anul 1903 de către fizicianul englez William Crookes (1832–1919), după ce a fost descoperită fluorescenţa sulfurii de zinc provocată de ciocnirile particulelor α. Cu ajutorul lupei sau microscopului pot fi observate locurile unde s-au produs scintilaţiile.
E. Rutherford a utilizat această metodă la cercetarea împrăștierii particulelor α și a descoperit nucleul. În prezent scintilaţiile sunt înregistrate prin intermediul elementelor fotoelectrice care transformă semnalele luminoase în impulsuri electrice. După valorile acestor impulsuri se fac concluzii supli mentare privind energiile particulelor incidente. Contorul cu descărcare electrică în gaze a fost inventat în anul 1908 de către fizicianul german Hans Wilhelm Geiger (1882–1945) în colaborare cu E. Ruther ford. În anul 1928, H. Geiger și W. Müller au perfecţionat contorul, care în prezent este cunoscut sub numele de contorul geiger–Müller. Reprezentarea schematică a contorului este redată în figura 7.7. Un tub cilindric de sticlă conţine un anod (1) de forma unui fir subţire, întins de-a lungul tubului, și un catod (2) – o peliculă metalică depusă pe suprafaţa interioară a tubului sau un cilindru
metalic coaxial cu anodul. Tubul este umplut cu gaz, de exemplu, un amestec de argon cu vapori de spirt metilic, la o presiune de câteva zecimi din cea atmosferică. Între electrozi este aplicată o tensiune înaltă, dar insuficientă pentru a produce descărcări electrice în tub. Intensitatea câmpului electric în regiunea anodului este mult mai mare decât lângă catod (aproape de anod – liniile de intensitate sunt mult mai dense decât lângă catod). Particula încărcată, pătrunzând cu viteză mare în interiorul tubului, ionizează gazul. Ionii pozitivi se deplasează spre catod, iar electronii – spre anod, unde intensitatea câmpului electric este mai mare. Obţinând energii mari, ei ionizează prin ciocnire atomii neutri ai gazului. Se formează o avalanșă de electroni și în tub se produce o descărcare electrică. Ca rezultat, scade mult rezistenţa amestecului din tub și crește brusc intensitatea curentului în circuit. Între capetele rezistorului R se produce un impuls de ten siune ce este transmis la dispozitivul de înregistrare. După fiecare impuls de tensiune la rezistor descărcarea electrică încetează, contorul revine la starea iniţială și poate să înregistreze particulele următoare. Contorul Geiger–Müller se folosește pentru numărarea automată a particulelor încărcate și a fotoni- lor (cuantelor) γ. Acesta poate înregistra până la
1000 de particule pe secundă. Camera cu ceaţă a fost inventată în anul 1912 de către fizicianul englez Charles Thomas Rees Wilson (1869–1959) și este cunoscută mai mult sub numele de camera Wilson. Ea reprezintă (fig. 7.8) un vas din
Fig. 7.8
Fig. 7.7
116
Lucrare de laborator studiul urmelor particulelor elementare încărcate Scopul lucrării: Determinarea razei de curbură a traiectoriei particulelor elementare înregistrate în camera Wilson, calculul energiei lor cinetice şi a sarcinii specifice.
Aparate şi materiale necesare:
Fotografia traseelor lăsate de particulele încărcate în camera Wilson, riglă milimetrică, hârtie de calc.
sticlă (1) dotat cu un piston mobil (2). Camera conţine vapori de apă sau de spirt etilic (3) cu densitatea apro piată de cea a vaporilor saturanţi. La deplasarea bruscă a pistonului în jos vaporii se dilată adiabatic, temperatura lor se micșorează. Astfel, ei devin suprasaturanţi. Starea dată este nestabilă. Dacă în cameră pătrunde o particulă încărcată și ionizează moleculele, ionii formaţi devin centre de condensare și în jurul lor se formează picături de lichid. Traseul particulei încărcate este marcat de o urmă vizibilă (4) cu lăţimea de până la 1 mm. Traseul este iluminat lateral (5) și fotografiat (6). Fotografiile obţinute cu ajutorul camerei Wilson reprezintă urme luminoase pe un fundal întunecat. După lăţimea urmelor, se pot face concluzii referitor la na tura particulei încărcate. Urmele lăsate de particulele α sunt mai late decât cele lăsate de electroni. Particulele cu energii mai mari lasă urme mai lungi. O informaţie mai amplă se obţine prin intro ducerea camerei Wilson într-un câmp magnetic omogen (v. Lucrarea de laborator de mai jos). Camera cu bule. A fost inventată în anul 1952 de către fizicianul american Donald Arthur Glaser
1. Ce proprietăţi fizice ale radiaţiilor nucleare se află la baza metodelor de cercetare a acestora? 2. În ce constă metoda emulsiilor fotografice? 3. În baza cărui fenomen fizic funcţionează contorul cu scintilaţii? 4. Cum funcţionează contorul Geiger–Müller? Verificaţi-vă cunoştinţele
5. Care mărimi fizice ce caracterizează particulele încărcate pot fi determinate cu ajutorul camerei Wilson? 6. Ce informaţii suplimentare despre radiaţiile nucleare pot fi obţinute prin introducerea camerei Wilson şi a celei cu bule întrun câmp magnetic?
(1926–2013). Ea reprezintă un alt dispozitiv care permite vizua lizarea traseului particulei încărcate. Într-un vas se află un gaz lichefiat – hidrogen, deuteriu, xenon, propan etc. – la presiune înaltă. Substanţa se află în stare lichidă, chiar dacă temperatura ei este mai mare decât temperatura de fierbere la presiune atmo sferică normală. Prin micșorarea bruscă a presiunii (în anumite limite) substanţa este adusă în stare de lichid supraîncălzit. Această stare este nestabilă, deoarece în condiţiile date în vas ar trebui să se afle lichid și vapori saturanţi. Particula încărcată care pătrunde în vas formează un lanţ de ioni. Aceștia servesc drept centre de vaporizare și în jurul lor se formează bule mici de vapori ai acestui lichid. Lanţul acestor bule marchează traseul particulei în lichid și, fiind luminat lateral, poate fi fotografiat. Pentru a obţine o informaţie mai bogată despre particula studiată, camera cu bule se introduce, ca și cea cu ceaţă, într-un câmp magnetic. Despre rolul important ce l-au jucat camerele cu ceaţă și cu bule în domeniul cercetărilor nucleare denotă faptul că inventatorii lor au devenit lau reaţi ai Premiului Nobel (Wilson – în 1927 și Glaser – în 1960).
Consideraţii teoretice O particulă încărcată, ce intră într-un câmp magnetic perpendicular pe liniile lui de inducţie, se mișcă în acest câmp pe o traiectorie circulară cu raza (1.7): , (7.23) unde m, q și υ sunt, respectiv, masa, sarcina electrică și viteza particulei încăr cate, iar B este inducţia câmpului magnetic. La introducerea camerei Wilson într-un câmp mag netic orientat perpendicular pe direcţia de mișcare a particulelor, traseele înregistrate vor prezenta niște
117
Fig. 7.9
Fig. 7.10
porţiuni de cerc. Având fotografia acestor trasee, raza de curbură a traiectoriei se poate măsura direct. Fie O centrul arcului de cerc (fig. 7.9). Dacă trasăm coarda AB = l, atunci triunghiul AOB este isoscel, iar OD este înălţime și mediană. No tând înălţimea sectoru lui de cerc CD = h din triunghiul dreptunghic ODB, avem:
din care rezultă: (7.24) Dacă se cunoaște traseul particulei înregistrate (sarcina și masa sunt cunoscute), atunci se poate determina și energia ei cinetică. Folosind relaţia (7.23), avem: (7.25) Pentru determinarea sarcinii specifice a unei particule necunoscute, traseul acesteia se înregistrează în aceleași condiţii ca și traseul unei particule cunoscute. În acest caz υ și B sunt aceleași și pentru sarcina specifică necunoscută din (7.23) obţinem: (7.26) unde r și rx sunt razele de curbură ale traiectoriilor particulei cunoscute și, respectiv, ale celei necu noscute. În figura 7.10 este redată fotografia traseelor nucleului de heliu și ale nucleelor izotopilor de hidro gen înregistrate în camera Wilson, situată într-un câmp magnetic de inducţie B = 2,2 T. Este cunoscut că toate parti culele intră în acest câmp cu una și aceeași viteză, orientată perpendicular pe liniile de inducţie, și traiectoria 1 aparţine izotopului de hidrogen , adică protonului. mod de lucru: 1. Așezaţi hârtia de calc pe fotografia din figura 7.10 și transferaţi pe ea urmele înregistrate în camera Wilson de două particule: a protonului cu numărul 1 și a doua la indicaţia profesorului. 2. Trasaţi câte o coardă la capetele traiectoriei pro tonului. Măsuraţi lungimile acestor coarde și înălţimile h respective, iar din relaţia (7.24) calculaţi raza de curbură a traiectoriei protonului r1,i la începutul și r1, f la sfârșitul mișcării lui. 3. Folosind relaţia (7.25), calculaţi energia cinetică a protonului în cele două poziţii și determinaţi cu cât s-a micșorat energia lui în timpul parcurgerii acestei traiectorii. 4. Trasaţi o coardă la începutul traiectoriei parti culei necunoscute. Măsuraţi lungimea ei l și înălţimea h a sectorului de cerc obţinut. Calculaţi raza de curbură rx. 5. Folosind relaţia (7.26), determinaţi sarcina spe cifică (q/m)x a particulei necunoscute. Stabiliţi ce nucleu reprezintă această particulă. 6
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu