Экспериментальные методы исследования частиц счетчик гейгера

Экспериментальные методы исследования частиц: таблица

В данной статье мы поможем подготовиться к уроку по физике (9 класс). Экспериментальные методы исследования частиц — это не обычная тема, а очень интересная и захватывающая экскурсия в мир молекулярной ядерной науки. Достичь такого уровня прогресса цивилизация смогла совсем недавно, и ученые до сих пор спорят, а нужны ли человечеству такие знания? Ведь если люди смогут повторить процесс атомного взрыва, который привел к появлению Вселенной, то может, разрушится не только наша планета, но и весь Космос.

Принцип действия прибора

Счетчик Гейгера состоит из металлического цилиндра, являющегося катодом, и натянутой вдоль его оси тонкой проволочки – анода.

Катод и анод через сопротивление R присоединены к источнику высокого напряжения ( 200-1000 В ), благодаря чему в пространстве между электродами возникает сильное электрическое поле. Оба электрода помещают в герметичную стеклянную трубку, заполненную разреженным газом.

Характеристика элементарных частиц

Все наименьшие частицы имеют одно и тоже свойство: они могут взаимопревращаться под влиянием собственного воздействия. Одни имеют сильные электромагнитные свойства, другие слабые гравитационные. Но все элементарные частицы характеризуются по следующим параметрам:

• Масса.
• Спин — собственный момент импульса.
• Электрический заряд.
• Время жизни.
• Четность.
• Магнитный момент.
• Барионный заряд.
• Лептонный заряд.

Детекторы для экспериментов на встречных пучках [ править | править код ]

В физике элементарных частиц понятие «детектор» относится не только к различного типа датчикам для регистрации частиц, но и к большим установкам, созданным на их основе и включающим в себя также инфраструктуру для поддержания их работоспособности (криогенные системы, системы кондиционирования, электропитания), электронику для считывания и первичной обработки данных, вспомогательные системы (напр. сверхпроводящие соленоиды для создания внутри установки магнитного поля). Как правило, такие установки сейчас создаются большими международными группами.

Поскольку постройка большой установки требует значительных финансовых затрат и человеческих усилий, в большинстве случаев она применяется не для одной определенной задачи, а для целого спектра различных измерений. Основными требованиями, предъявляемыми к современному детектору для экспериментов на ускорителе являются:

• Высокая эффективность (малый процент потерянных частиц или частиц с плохо определенными параметрами)
• Способность к разделению различных типов частиц, образующихся в распаде (пионов, каонов, протонов и т. д.)
• Способность точного измерения импульса заряженных частиц для восстановления инвариантной массы нестабильных состояний.
• Способность точного измерения энергии фотонов.

Для специфических задач могут потребоваться дополнительные требования, например, для экспериментов, измеряющих CP-нарушение в системе B-мезонов важную роль играет координатное разрешение в области взаимодействия пучков.

Необходимость выполнения этих условий приводит к типичной на сегодняшний день схеме универсального многослойного детектора. В англоязычной литературе такую схему принято сравнивать с луковицей (onion-like structure). В направлении от центра (области взаимодействия пучков) к периферии типичный детектор для ускорителя на встречных пучках состоит из следующих систем:

Трековая система [ править | править код ]

Трековая система предназначена для регистрации траектории прохождения заряженной частицы: координат области взаимодействия, углов вылета. В большинстве детекторов трековая система помещена в магнитное поле, что приводит к искривлению траекторий движения заряженных частиц и позволяет определить их импульс и знак заряда.

Трековая система обычно выполняется на основе газовых ионизационных детекторов или полупроводниковых кремниевых детекторов.

Система идентификации [ править | править код ]

Система идентификации позволяет отделить друг от друга различные типы заряженных частиц. Принцип работы систем идентификации чаще всего заключается в измерении скорости пролета частицы одним из трех способов:

• по углу излучения черенковского света в специальном радиаторе (а также по самому факту наличия или отсутствия черенковского излучения),
• по времени пролета до точки регистрации,
• по плотности удельной ионизации вещества.

Совместно с измерением импульса частицы в трековой системе это дает информацию о массе, а, следовательно, и о типе частицы.

Калориметр [ править | править код ]

Калориметр предназначен для измерения энергии частиц путём их полного поглощения. Это единственный способ регистрации фотонов (так как они не являются заряженными и, следовательно, не оставляют следов в трековой системе). Фотоны и электроны образуют электромагнитный ливень в веществе и, таким образом, полностью поглощаются. Выделенная энергия может быть измерена либо по величине вспышки сцинтилляционного света (сцинтилляционные калориметры), либо путём подсчета частиц ливня (семплинг-калориметры).

Мюонная система [ править | править код ]

Мюонную систему можно отнести к системе идентификации, но технически она реализуется отдельно во внешней части детектора. Чаще всего она встраивается в железо, замыкающее магнитный поток соленоида трековой системы. Мюонная система позволяет отделить мюоны по их способности проходить большие расстояния в веществе без поглощения (это является следствием того, что мюон не испытывает ядерного взаимодействия).

Список работающих или строящихся детекторов для ускорителей на встречных пучках [ править | править код ]

• Детекторы на коллайдере LHC (CERN)
  • ATLAS
  • CMS
  • LHCb
  • Alice
• Детекторы на коллайдере Tevatron
  • CDF
  • D0
• Детекторы на электрон-позитронных коллайдерах
  • BaBar (коллайдер PEP-II, SLAC)
  • Belle (коллайдер KEKB, KEK)
  • BES (коллайдер BEPC, Пекин)
  • CLEO (коллайдер CESR)
  • КЕДР (коллайдер ВЭПП-4, Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск)
  • КМД, СНД (коллайдер ВЭПП-2М, ВЭПП-2000, Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск)

Влияние радиационных полей на летательные аппараты и здоровье космонавтов

Указанные электронные компоненты обладают устойчивостью к ионизирующему излучению, присутствующему в поясе радиации вокруг Земли. Для защиты корпусов космических аппаратов от ионизирующего облучения применяются специальные покрытия, сделанные из сплавов железа, алюминия и бериллия. Также используются материалы с высоким содержанием водорода (например, полиэтилен).

Ионизирующее излучение оказывает вредное влияние на космонавтов. Радиация в поясе Ван Аллена разрушает ткани, нарушает метаболизм, снижает иммунитет и повышает риск развития злокачественных новообразований. Траектории управляемых космических аппаратов выстраиваются таким образом, чтобы минимизировать нахождение астронавтов в радиационных поясах. Такой подход использовался американскими учеными при планировании полета на Луну. Участники программы «Апполон», побывавшие в заряженной магнитосфере, получили годовую поглощенную дозу 2-11,4 мЗв (безопасный уровень радиации составляет 50 мЗв).

Где посмотреть уровни радиации на карте

Для РФ:

■ Карта “Народного монитора” (можно оставить только датчики радиации в меню “Вид” в левом верхнем углу)

■ ФГУП “Радон” – уровни радиации для Москвы и части МО

■ Карта Гейгера – совместный проект производителя датчиков СОЭКС с Информационным центром атомной отрасли “Росатома”

■ Радиационная обстановка на предприятиях “Росатома” (нужен Flash Player)

■ Официальная карта ЕГАС мониторинга радиационной обстановки РФ

Мировые данные:

■ Карта Группы по мониторингу радиоактивности окружающей среды (The Radioactivity Environmental Monitoring) — служба Объединенного исследовательского центра Европейской комиссии

■ Данные Radiation Network – карты обновляются регулярно, информация поступает от частных лиц по всему миру

■ Радиационная карта США от EPA Radnet Gross Data (сервис Агентства по охране окружающей среды)

■ Сервис Radmon.org, который поддерживают энтузиасты из разных стран

А здесь – список зараженных радиацией объектов на территории бывшего СССР. Не подходите близко!

Примеры экспериментальных исследований

Исследование по улучшению социального климата в классе

В государственном институте общины Валенсии под названием Castellar-Oliveral было проведено расследование, главной целью которого было улучшение социального климата в классе.

Это должно было быть достигнуто путем применения образовательной программы для сосуществования, в которой поощрялись участие и сотрудничество, разрешение конфликтов и стандарты обучения..

Фундаментальная идея этого исследования состояла в том, чтобы улучшить восприятие каждого ученика о классе.

В этом исследовании были выбраны две группы студентов. Одна из групп была экспериментальной; то есть тот, который был подвержен влиянию педагогической программы.

Другая группа была контрольной группой, которая оставалась свободной от влияния эксперимента..

Исследование является полевым, потому что оно проводится в нормальных условиях повседневной жизни. В этом случае, это в классе в школе.

Обе группы были довольно однородными, потому что они учились в одном и том же курсе (в разных секциях), и их классы были похожи, так как у них были одинаковые условия.

После эксперимента выяснилось, что социальный климат в классе действительно заметно улучшился..

Эти результаты позволили рассмотреть применение указанной образовательной программы для сосуществования в обоих классах..

Возможное лекарство от рака молочной железы и простаты

Хулио Сезар Карденас, главный научный сотрудник лаборатории клеточного метаболизма и биоэнергетики Чилийского университета, провел эксперимент, в ходе которого он обнаружил возможное лекарство от рака молочной железы и простаты.

Результаты этого исследования были получены после 7 лет исследований. В течение этого времени Карденас проводил исследования с клетками людей (в пробирке) и с мышами.

Данные, которые его исследование показало, отражают, что на 50% уменьшилось размножение опухоли при раке простаты и молочной железы.

Хотя эти результаты весьма обнадеживают, исследователь заявляет, что пока еще невозможно проводить тесты на людях. По его оценкам, это произойдет примерно через 10 лет.

Плохой сон может вызвать проблемы в паре

Согласно исследованию, проведенному Университетом Калифорнии в Беркли, было подсчитано, что плохой сон может порождать эгоистичные отношения у людей и создавать проблемы в парах.

Исследование возглавляет психолог Ами Гордон, который утверждает, что, помимо эгоистичных взглядов, возможно, что плохой сон порождает довольно негативное представление о жизни..

Исследование было основано на данных, собранных от 60 пар, которые были в возрасте от 18 до 56 лет. Аспекты, которые они принимали во внимание, были способом, которым они решали свои ежедневные проблемы и чувства, которые, по их словам, они испытывали к своим партнерам..

Люди, которые говорили, что у них проблемы со сном, на самом деле проявляли гораздо меньшую признательность к своим партнерам и были более невнимательными, демонстрируя очень низкую узнаваемость по отношению к своим сверстникам..

Открытия о регенерации раковых клеток

Ученые из Национального центра научных исследований Франции объявили о революционном открытии.

Он касается возможности регенерации клеток, пораженных ультрафиолетовыми лучами, используемых в химиотерапии и лучевой терапии..

Методом для этого открытия была нанотехнология. После многих экспериментов эти ученые добились регистрации ферментов в реальном времени, пока они восстанавливали раковые клетки..

Объем этого исследования заключается в том, что может быть возможно ингибировать работу этих ферментов, когда они готовятся к восстановлению клеток, пораженных ультрафиолетовыми лучами..

Предотвращение вулканического воздействия в Мексике

Дональд Брюс Дингвелл — ученый из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене, Германия..

Он провел экспериментальное исследование, в ходе которого он изучил природные процессы, которые возникают, когда извержения происходят в вулканах взрывно.

Что этот ученый сделал, чтобы воссоздать в лабораторных условиях, аналогичных тем, которые испытывали до извержений вулканов. Цель Dingwell — определить возможные риски и элементы, которые можно предсказать..

Преимущество этого исследования заключается в том, что оно позволит людям, живущим рядом с вулканами, вести нормальный образ жизни..

Это будет так, потому что будет возможно идентифицировать элементы, которые могут предсказать близость вулканической активности и позволят жителям этих районов иметь возможность действовать вовремя..

Одним из главных бенефициаров этого будет Мексика. В Институте геофизики Национального автономного университета Мексики прошла конференция Дингвелла, на которой он рассказал о своих выводах.

Среди конкретных элементов, исследованных этим исследователем, выделяются текстура магмы, качество вулканического пепла и концентрация газов. Все это важные элементы для прогнозирования вулканической активности.