|
E-Book Content
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5.1 (А)
ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА В ОПЫТАХ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПРОБЕГА АЛЬФА ЧАСТИЦ. Лабораторная работа
ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОБЕГА α-ЧАСТИЦ В АРГОНЕ ВВЕДЕНИЕ При движении
быстрых
заряженных
частиц
в
веществе
происходит взаимодействие их с атомами вещества, в результате чего они постепенно теряют свою энергию и тормозятся. При умеренных энергиях частиц основной причиной этого торможения являются ионизационные потери, т.е. потери энергии на возбуждение ионизацию атомов среды, через которую частица пролетает. Проанализируем этот процесс на уровне грубых оценок. Пусть масса движущейся частицы M много больше массы электрона m. Пролетая на расстоянии ρ от атома среды со скоростью v, эта частица на протяжении времени t ~ ρ/v действует на электрон атома с силой F ~ ze2/ρ2 , где ze - заряд частицы, и сообщает ему импульс ∆p ~ F·t. При этом электрон приобретает энергию ∆E = (∆p)2/2m, а частица её теряет. При
взаимодействии
с
электронами
среды,
расположенными
на
расстоянии от ρ до ρ+δρ от пути частицы, потери энергии на пути dx составят
(∆p ) dE = 2πρ ⋅ δρ ⋅ n e , dx 2m 2
(1)
где ne - плотность электронов в среде. ne =n·Z, n- число атомов вещества в единице объёма, Z- атомный номер вещества (не путать с зарядом падающей частицы ze !). Если подставить сюда выражение для ∆p и проинтегрировать по прицельным параметрам ρ от ρmin до ρmax, то получится следующая формула для потерь энергии частицы на единицу длины её пути:
dE 4πn e z 2 e 4 ⎛ ρ max ln⎜⎜ = dx mv 2 ⎝ ρ min Минимальный
прицельный
⎞ ⎟⎟ . ⎠
параметр
(1') ρmin
определяются
из
максимальной передачи энергии электрону, а максимальный равен расстоянию, на котором передача энергии электрону становится порядка энергии связи электрона в атоме. Точное вычисление этих параметров не является простой задачей, однако можно утверждать, что логарифм отношения ρmax/ρmin в широком диапазоне скоростей v является медленно меняющейся функцией v. При скорости v много меньше скорости света (vc/137) этот логарифм практически не меняется при изменении скорости частицы. Основной результат заключается в том, что удельные ионизационные потери энергии заряженной частицы в веществе прямо пропорциональны концентрации электронов в нём и очень слабо зависят от других свойств вещества. В тоже время они пропорциональны квадрату заряда частицы, но обратно пропорциональны квадрату её скорости. Рис.1. Кривая для удельной ионизации α-частиц. Иллюстрацией
этой
закономерности
является
кривая
для
удельной ионизации α-частиц (см. рис. 1). α-частицы - это частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов ( можно сказать, что это ядра атома гелия), рождающиеся в процессе α-распада нестабильных тяжелых ядер. Из рисунка видно, что удельные ионизационные потери возрастают по мере движения α-частицы к точке остановки, что соответствует
уменьшению
её
скорости.
Эффект
ионизации
нейтральных атомов на пути движения быстрых заряженных частиц широко используется для их регистрации. В частности, одним из приборов, работа которых основана на этом эффекте, является ионизационная камера, которая и будет использована нами для регистрации α-частиц в данной лабораторной работе.
ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА Плоская и