Методы исследования частиц: счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера
Все ли дороги ведут к Солнцу?
Мы разобрали примеры, которые подтверждают правило: почти вся энергия, которую мы используем, берет начало от Солнца. Почти вся, поскольку есть исключения.
Ветер возникает из-за перепада давления, спровоцированного неравномерным нагревом атмосферы от Солнца, но, кроме нагрева, на ветрообразование влияет вращение Земли. Из-за вращения Земли, например, пассаты направлены именно так
Есть местности, где подземные воды подогреваются горячей магмой, если водоносный слой в этой местности расположен близко к ее слою. Такие подогретые воды образуют геотермальные источники, на энергии которых работают электростанции, в том числе в России, или энергией которых отапливают дома, как это сделали в столице Исландии. Происходит ли эта энергия от Солнца – скорее нет, это вопрос к истории, как образовывались планеты Солнечной системы.
Такие исключения есть: ветер дует, и вода нагревается не только из-за Солнца – но сегодня мы столкнемся кое с чем принципиально новым, о чем речь еще не шла.
Среди источников энергии огромная доля приходится на топливо: древесину, торф, уголь, газ, нефть. Это все органические вещества и материалы. С древесиной все ясно, а по поводу происхождения горючих полезных ископаемых есть разные теории. В основном они сходятся на растительном и животном происхождении, и по этой цепочке снова придем к фотосинтезу и электромагнитному излучению от Солнца.
|
|
|
Сегодня мы рассмотрим принципиально другой способ получения энергии: человек научился расщеплять атом и использовать выделяющуюся при этом энергию. Это первый случай, когда человек использует не преобразованную солнечную энергию, а извлекает энергию, проникнув глубже, внутрь атома. А ведь само слово «атом» означает «неделимый», каким его раньше считали.
Мы привыкли наблюдать явления макромира, в котором деление объекта на части не приводит к высвобождению большого количества энергии. Почему же при расщеплении атома выделяется энергия, что за энергия там заключена? Вы уже знаете, что носители электрического заряда – это протоны и электроны. Протоны содержатся в массивном атомном ядре, а электроны движутся вокруг ядра и могут от атома отделяться.
Одноименные заряды отталкиваются друг от друга: чем ближе они находятся, тем сильнее отталкиваются, сила обратно пропорциональна квадрату расстояния
Почему тогда протонам, которые компактно расположены в ядре и отталкиваются друг от друга с большой силой, не разлететься? Забегая вперед, скажем, что есть силы, называемые ядерными, которые держат их вместе. И если это взаимодействие нарушить, то части ядра действительно оттолкнутся друг от друга и приобретут большую кинетическую энергию.
|
|
|
Представьте себе две сжатые пружины, которые мы связали веревкой. Если разрезать веревку, то пружины разлетятся, энергия сжатия пружин выделится в виде кинетической энергии. Что-то похожее мы делаем с атомным ядром: есть некий порог, до которого ядро остается стабильным и после которого оно распадается с выделением энергии.
Радиоактивность. Виды излучений
Мы сегодня уже упоминали модель, согласно которой атом состоит из массивного положительно заряженного ядра, небольшого по сравнению с размером атома, и движущихся вокруг него электронов.
Увидеть структуру атома нельзя, он слишком мал для оптического микроскопа. Один из вариантов – чем-то его «прощупать». Представьте, что перед вами препятствие и вы его не видите и не знаете его структуру: это крупная решетка, мелкая сетка или вообще стекло. Можно поводить по нему струей воды, и по тому, как вода будет разбрызгиваться, мы сделаем вывод о препятствии.
В 1896 году французский физик Анри Беккерель обнаружил, что от некоторых веществ, например урана и радия, самопроизвольно исходит некое неизвестное ранее излучение, которое назвали радиоактивным, а свойство атома его испускать – радиоактивностью. Это излучение обнаружили потому, что оно засвечивало фотопластинки.
|
|
|
Удачной идеей было проверить, взаимодействует ли это излучение с магнитным полем. Если лучи представляют собой поток заряженных частиц, то магнитное поле должно действовать на эти движущиеся частицы с силой Лоренца, и это можно обнаружить. Давайте мысленно проведем этот эксперимент.
Поместим крупицу радия в толстостенный свинцовый сосуд с узким отверстием, чтобы исходящее от частицы радиоактивное излучение выходило из него тонким пучком (к тому времени уже было обнаружено, что слой свинца не пропускает радиоактивное излучение). На пути луча поместим фотопластинку, которая темнеет в том месте, куда попадает излучение. А до пластинки поместим магнит так, чтобы луч находился в магнитном поле.
В результате на фотопластинке увидели три пятна. Это значит, во-первых, что излучение неоднородно, разные составляющие этого пучка повели себя в магнитном поле по-разному. Второй важный вывод: радиоактивное излучение содержит заряженные частицы. При движении заряженной частицы в магнитном поле возникает сила Лоренца, направленная перпендикулярно направлению движения частицы, и частица отклоняется от прямолинейной траектории. Так как часть пучка отклонилась в одну сторону, а часть – в другую, значит, заряд этих частиц противоположного знака: одни положительные, другие отрицательные. А та часть пучка, которая не отклонилась, заряженных частиц не содержит.
|
|
|
Обнаруженные разновидности радиоактивного излучения назвали α-, β- и γ-излучением: соответственно положительно, отрицательно заряженные частицы и электрически нейтральное излучение.
Что такое γ-частицы?
С α- и β-частицами все ясно: α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, а β-частица – это электрон.
Что же такое γ-излучение? Это электромагнитное излучение высокой частоты, даже выше, чем частота рентгеновского излучения. Оказывается, электромагнитное излучение в ходе некоторых экспериментов проявляет свойства потока частиц, мы в старших классах рассмотрим это явление. Эти свойства более выраженно проявляются в случае излучения с высокой частотой. Наверняка вы слышали слово «фотон» – это частица света. То есть свет тоже можно считать электромагнитной волной, а можно – потоком частиц-фотонов – он проявляет и те, и те свойства. Сейчас это может показаться удивительным, позже мы разберемся в этом подробнее. А пока нам достаточно понимать, что γ-излучение можно назвать электромагнитной волной, а можно – потоком легких электрически нейтральных γ-частиц, движущихся со скоростью света.
Какой из этого важный вывод? Допустим, нам показали какую-то деталь, которая, на первый взгляд, представляет собой цельный литой кусок металла. Но если мы увидим, что из нее выпадают болты, какие-то еще структурные части, значит, деталь не литая, она разбирается на части.
Поскольку от атома отделяются разные частицы, значит, его тоже можно «разобрать» на части, из которых он состоит.
Дальнейшие исследования показали, что α-частица представляет собой ядро атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов. β-частица – это электрон, а γ-излучение – это электромагнитное излучение, частота которого даже выше, чем у рентгеновского
О том, что радиация опасна для живых организмов, говорят постоянно. В частности, когда обсуждают последствия аварий на атомных электростанциях, взрывов ядерного оружия и просто незащищенного нахождения рядом с радиоактивными веществами.
Теперь мы знаем, что из себя представляет радиоактивное излучение, поэтому можем проследить, какие физические процессы происходят при его взаимодействии с веществом. А это нужно понимать, чтобы суметь защититься от опасных последствий.
Свойства радиации
Итак, представьте: частица радиоактивного излучения движется с большой скоростью и достигает вещества. Размеры частицы соизмеримы с размерами отдельных атомов и молекул. Поэтому есть смысл рассматривать их взаимодействие.
При столкновении частицы радиоактивного излучения с молекулой вещества (а молекула состоит из атомов), кинетической энергии частицы может хватить даже для того, чтобы спровоцировать распад атомного ядра. Это зависит от скорости частицы и от бомбардируемого вещества. Но это происходит в редких случаях. На что энергии частицы наверняка хватает – это на отделение электрона от атома (или молекулы, если атомы соединены в молекулу). Так атом или молекула приобретает положительный заряд, то есть становится ионом.
Электрон в веществе может присоединиться к другому атому, который станет ионом; могут нарушаться химические связи в молекуле. Но если не вдаваться в подробности всех этих процессов, можно упрощенно свести их к ионизации вещества – образованию ионов. Поэтому радиоактивное излучение называют также ионизирующим.
В том месте в веществе, куда попадает ионизирующее излучение, возникают ионы, и этот факт можно использовать, чтобы отслеживать и само наличие излучения, и даже траектории ионизирующих частиц. Как это реализуется в приборах для исследования частиц – об этом подробнее в ответвлении.
Методы исследования частиц: счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера
Непосредственно увидеть частицы ионизирующего излучения мы не можем. Как их выявить? На пути частицы в веществе образуются ионы. Увидеть ионы мы тоже не можем, но можем выявить их косвенно по их проявлениям. Как? Придумали несколько способов.
Ионы – это носители заряда, значит, при наличии ионов в газе может протекать ток. Возьмем герметичную стеклянную трубку, поместим в нее два электрода (их обычно делают в форме цилиндра и нити, рис. 9) и подадим на них высокое напряжение в несколько сотен вольт. Заполним трубку разреженным газом (чаще всего аргоном). Ток между электродами изначально не протекает. Но как только в трубку влетает ионизирующая частица, она ионизирует один или несколько атомов газа. Образовавшиеся носители заряда начинают двигаться в поле между электродами и создают электрический ток. Одна пара ионов не создаст заметного тока, но при высоком напряжении, а значит, сильном поле между электродами ионы будут разгоняться. Подобрано такое напряжение, чтобы ионы разогнались достаточно, чтобы при столкновении с другими атомами газа тоже их ионизировать, спровоцировав так называемую электронно-ионную лавину, которая быстро затухает, и прибор готов регистрировать следующую частицу. Таким образом, этот «всплеск» тока означает регистрацию ионизирующей частицы. Мы описали принцип работы счетчика Гейгера. Осталось включить в схему динамик, который при импульсе тока, а значит, при регистрации ионизирующей частицы будет издавать звук. Возможно, вы слышали характерное потрескивание счетчика Гейгера.
Регистрировать ионизирующие частицы можно по-другому. Возьмем сосуд с перегретой жидкостью. Вы помните: это жидкость, которая нагрета до температуры выше температуры кипения, но которая не закипает, потому что в ней нет пузырьков газа и других неоднородностей, провоцирующих закипание. Так вот, ионы могут быть такой неоднородностью. Поэтому, когда через перегретую жидкость пролетает ионизирующая частица, она оставляет за собой видимый след из пузырьков пара. Теперь можно не просто зарегистрировать сам факт наличия ионизирующей частицы, но и проследить ее траекторию, а еще добавить внешнее магнитное поле и следить, как это поле действует на частицу. Описанный прибор назвали пузырьковой камерой.
В качестве перегретой жидкости используется, например, жидкий водород, что усложняет конструкцию прибора – его реализовали только в 1952 году. До этого вместо перегретой жидкости использовали перенасыщенный пар. Прибор на перенасыщенном паре называется камерой Вильсона. Пролетающая через такую камеру, частица оставляет за собой след из ионов, которые провоцируют конденсацию пара. В итоге мы наблюдаем след из капелек жидкости.
Для живых организмов опасность радиоактивного излучения как раз в том, что оно проникает в ткани и клетки и вызывает различные нарушения на молекулярном уровне. Образуются химически активные ионы, которые нарушают нормальный ход химических реакций в клетках, нарушаются химические связи в важных для жизнедеятельности молекулах. И так как живой организм – это сложная система, эти нарушения влекут за собой целую цепочку губительных процессов, на которых мы подробно останавливаться не будем.
Говорить о самом факте, что облучение вредно, недостаточно. Облучение нужно оценивать количественно. Есть дозы, несовместимые с жизнью. Но если в организм попадет одна ионизирующая частица, вреда она не нанесет. Мы ежедневно получаем небольшие дозы облучения, поскольку радиоактивные вещества в небольших количествах есть в окружающей нас природе, они содержатся даже внутри нашего организма. Также ионизирующее излучение попадает к нам из космоса, и это нормально, в таких условиях развивалась жизнь. Где же грань между безвредной и опасной дозами?
Причиненный организму вред можно оценить, зная энергию ионизирующего излучения, поглощенную каждым килограммом вещества (в частности, тканей организма). Эту величину назвали поглощенной дозой излучения и обозначили буквой D, запишем:
записать
Единицу измерения поглощенной дозы излучения назвали грей:
записать
Дата добавления: 2021-04-05; просмотров: 237; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!