Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Ионизирующая частица разрушает атомы и в веществе появляются свободные электроны (или ионы). Оказывается, что энергия, которая затрачивается ею в газах на образование одной пары ионов, весьма слабо зависит от вида газа и сорта частицы. Так, для воздуха, азота, инертных газов она составляет 35 эВ на одну пару ионов. Альфа-частица с энергией 3,5 МэВ создаст на своем пути около UO5 пар ионов, с суммарным зарядом ~10-1* кулона. Как мы увидим в дальнейшем, физики научились с большой {точностью регистрировать такие заряды. Очень важно/что в полупроводниках, таких, как германий и кремний, энергия образования единицы заряда приблизительно в АО раз меньше, чем в газах. Это определяет основные преимущества так называемых кристаллических, или полупроводниковых, счетчиков, потому что в 10 раз больший заряд можно зарегистрировать с гораздо лучшей точностью.
Теперь ненадолго вернемся к фотографическому методу регистрации. Эмульсия на фотопластинке состоит из же-
42
латины и кристалликов галоидного серебра. Пролетающая частица ионизирует атомы в этих кристаллах, разрушает молекулы и создает в них скрытые центры изображения. При проявлении скрытые центры образуют черные зернышки очень маленького размера (диаметром около половины микрометра). Легкая частица на единице пути создает меньше таких зернышек, чем тяжелая той же энергии. Поэтому след я-мезона представляется почти сплошным, а электрона — ближе к пунктирному. К тому же в конце путр электрон, потерявший свою энергию, движется по весьма искривленной траектории, напоминающей блуждания в лабиринте. Тяжелые частицы при взаимодействии с электронами отклоняются мало. Что касается нейтральных частиц, то они, естественно, на пластинке следов не оставляют. Фотографический метод дает еще много интересной информации и о скорости частиц, и о их массе и заряде.
4.2. Потери на излучение
При малых скоростях летящая частица успевает ионизировать и возбуждать атомы. Но чем быстрее она летит, тем меньше времени остается для такого взаимодействия, и процессы ионизации начинают уступать первенство другим механизмам потерь энергии. Первый, на котором мы остановимся, носит название тормозного излучения.
Физики многие годы наблюдали зеленое светящееся пятно на стекле, которое возникало под пучком катодных лучей. Но от наблюдения до понимания лежал еще длинный путь.
Ноябрьским вечером 1895 г. Вильгельм Конрад Рентген, пятидесятилетний профессор физики, обнаружил, что из зеленого пятна, кроме видимого света, исходит еще и невидимое и загадочное излучение. Оно заставляло светиться экран, покрытый солью бария, и свободно проникало сквозь картон, пачку бумаги, книгу, эбонитовую пластинку. Какие только преграды не ставил на пути этого излучения исследователь! Вот на экране появилось изображение костей руки — мягкие ткани для нового вида лучей были прозрачными. Пятьдесят дней, точнее сказать, пятьдесят суток, почти без перерыва Рентген исследовал свойства ж-лучей.
Первая же статья ученого буквально обошла весь мир. Но объяснить природу загадочных лучей Рентген не смог.
43
Более того, великий физик до конца жизни не признавал существования электронов. А именно их торможение в стекле трубки и бьпо причиной жестких квантов — рентгеновских лучей и более мягких — зеленого видимого света.
Частица влетает в вещество и начинает им тормозиться. Мы уже говорили о том, что заряд, движущийся с ускорением а, излучает электромагнитные волны и интенсивность их излучения пропорциональна а2. Энергия квантов берется опять-таки за счет торможения заряда. Отсюда и название процесса — тормозное излучение.
Ускорение движения в поле ядра тем больше, чем больше заряд ядра Z и чем меньше масса частицы (а ~ ~1/М). Поэтому интенсивность излучения зависит от массы, как 1/М2, и от заряда, как Z2.
Сильнее всего излучают электроны, попавшие в тяжелое вещество, например, в свинец. Потери энергии на тормозное излучение для таких частиц, как протон, или для более тяжелых ядер необходимо учитывать только для очень быстрых частиц, прилетающих из космоса. Энергия, при которой потери на ионизацию и тормозное излучение сравниваются, носит название критической (i?Kp). Приведем несколько значений Екр для электрона в различных средах:
воздух ?кр a 90 МэВ,
алюминий Екр X 50 МэВ,
свинец .E1Kp »7 МэВ.
Пробег самых быстрых электронов относительно невелик, но для того чтобы точно зарегистрировать их энергию, детектор должен быть достаточно массивным, иначе кванты тормозного излучения не поглотятся в нем.
4.3. Излучение Вавилова—¦ Черенкова
Следующий вид излучения быстрых заряженных частиц носит имя ученых, открывших его,— излучение Вавилова — Черенкова. Оно возникает в очень интересной физической ситуации, когда частица в веществе движется со скоростью, большей скорости света. Речь идет, конечно, о скорости света в среде сср, которая может быть в несколько раз меньше с = 3•1O8 м/с. Но почему свет замедляется, проходя, например, через воду или стекло?
44
Электромагнитная волна, падая на вещество, заставляет электроны колебаться с частотой, равной частоте колебаний ее поля. Колеблющиеся электроны в свою очередь излучают электромагнитные волны, и резульшрую-щее поле в любой точке находится сложением амплитуд ото всех этих источников. Полная картина представляется таким образом, как будто энергия и импульс, переносимые волной, стали двигаться в веществе медленнее, чем в вакууме. Отношение свак и сср называется абсолютным показателем преломления п. Для стекла п = 1,5-^-1,7. Это значит, что свет в стекле движется со скоростью сст = = (1,7 -і- 2) ¦1O8 м/с и быстрая частица может его обогнать. Например, электрон, имеющий энергию около 300 КэВ, влетев в стекло, некоторое время, пока он не затормозился и не растерял свою энергию, летит со скоростью V ^> с. (Более детальные вычисления будут сделаны при решении задач.)
