Экспериментальные методы исследования частиц

Слайд 1. Экспериментальные методы исследования частиц

Физика, 9 класс: Как увидеть невидимый мир

Слайд 2. Границы видимого

Размеры атомных ядер и элементарных частиц составляют порядка $10^{-15}$ м. Глаз человека не способен увидеть такие объекты напрямую. Поэтому физики используют косвенные методы: мы наблюдаем не саму частицу, а результат её взаимодействия со средой, который оставляет макроскопический след.

Слайд 3. Что мы хотим узнать о частице?

Электрический заряд $q$ и его знак

Масса покоя частицы $m_0$

Скорость движения $v$

Энергия $E$ и импульс $p$

Время жизни нестабильных частиц

Слайд 4. Принцип регистрации

Большинство методов основано на ионизации или возбуждении атомов среды под действием пролетающей частицы. Этот первичный эффект затем усиливается и преобразуется в сигнал, который может обработать компьютер или зафиксировать глаз человека.

Слайд 5. Камера Вильсона

В 1912 году Ч. Вильсон создал прибор, в котором быстрая частица (например, протон $p^{+}$ или электрон $e^{-}$) оставляет за собой след из капелек тумана. Это происходит в пересыщенном паре спирта. Трек позволяет вычислить энергию и импульс частицы, особенно если камера помещена в магнитное поле.

Слайд 6. Пузырьковая камера

Работает на принципе закипания жидкости.

Использует перегретую жидкость (водород или пропан).

Трек состоит из цепочки пузырьков пара.

Плотность среды выше, чем в газе, что позволяет регистрировать частицы высоких энергий.

Слайд 7. Эффективность методов

Сравнение 'мертвого времени' (условные единицы). Чем меньше значение, тем быстрее прибор готов к регистрации следующей частицы. Современные датчики работают в тысячи раз быстрее классических камер.

Слайд 8. Основные инструменты физика

Газоразрядный счетчик для регистрации интенсивности излучения.

Регистрирует вспышки света при попадании частицы в кристалл.

Плотный слой, сохраняющий треки частиц на долгое время.

Гигантские комплексы с полупроводниковыми детекторами.

Слайд 9. Вопросы для обсуждения

Почему микрочастицы нельзя увидеть в обычный микроскоп?

Как по кривизне трека в магнитном поле определить знак заряда частицы?

В чем главное преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона?

Какую роль играет явление ионизации в работе большинства детекторов?

Слайд 10. Итоги занятия

Методы исследования основаны на взаимодействии частиц с веществом (ионизации).

Камера Вильсона и пузырьковая камера — методы визуализации траекторий (треков).

Счетчики (Гейгера, сцинтилляционные) служат для подсчета числа событий.

Магнитное поле в детекторах позволяет определить знак заряда и импульс частицы.