粒子を研究するための実験方法とツール。あ

16.01.2024

サロン

原子核の構造の研究は、原子核および核粒子の自然崩壊または強制崩壊の現象の考察と密接に関連しています。崩壊した原子核の破片を調べ、これらの破片の運命を追跡することによって、原子核と核力の構造について結論を導くことができます。

当然のことながら、最初は原子核の自然崩壊という現象、すなわち放射性現象が詳細に研究されました。これと並行して、宇宙から私たちにやってくる、並外れた透過力を持つ放射線である宇宙線の研究が始まりました。物質と相互作用するとき、宇宙放射線粒子は発射粒子の役割を果たします。長い間、宇宙線の研究は素粒子の相互変換性を研究する最も重要な方法であり、ある程度は原子核を研究する方法でもありました。現在、加速器内で生成された粒子の流れによる衝撃による原子核の破壊の研究が最も重要になってきています。

これから説明する実験方法は、特定の標的への核攻撃から生じる宇宙線や粒子の研究にも同様に適用できます。

トレイルカメラ。

粒子の軌跡（軌跡）を見ることを可能にした最初の装置は霧箱でした。高速粒子が過飽和水蒸気を含む室内を飛行し、その経路に沿ってイオンを生成すると、そのような粒子は飛行機の後に空に残ることがある「尾翼」によく似た痕跡を残します。このトレイルは凝縮した蒸気によって形成されます。粒子の経路を示すイオンは蒸気の凝縮の中心です。これが、はっきりと目に見える痕跡が現れる理由です。粒子の痕跡を直接観察したり、写真に撮ったりすることができます。

チャンバー内の蒸気の状態を調整するには、ピストンを動かすことでチャンバーの容積を変化させます。蒸気が急速に断熱膨張すると過飽和状態になります。

追跡カメラが磁場の中に置かれている場合、軌道の曲率から粒子の速度を既知の比率で、または逆に既知の速度で決定できます (406 ページの式を参照)。

ウィルソンの部屋はすでに歴史に属しています。チャンバー内はガスで満たされているため、衝突はほとんどありません。カメラの「クリーニング」時間は非常に長く、写真は 20 秒後にしか撮影できません。最後に、痕跡は 1 秒程度の時間存続するため、絵画の位置がずれる可能性があります。

1950 年にバブルチャンバーが提案され、素粒子物理学で重要な役割を果たしました。チャンバーの物質は過熱液体です。荷電粒子がイオンを形成し、イオンの近くに気泡が生成され、その痕跡が可視化されます。このカメラは 1 秒あたり 10 枚の写真を撮影できます。このカメラの最大の欠点は、電源の入れ方を制御できないことです。したがって、研究対象の現象を捉えた写真を選択するには、多くの場合何千枚もの写真が必要になります。

異なる原理に基づいた火花室は非常に重要です。平行平板コンデンサに高電圧が印加されると、平行平板間で火花が飛び散ります。ギャップにイオンがある場合、スパークはより低い電圧でジャンプします。したがって、プレート間を飛行する電離粒子がスパークを生成します。

スパークチャンバー内では、粒子自体がコンデンサーのプレート間に高電圧を100万分の1秒間オンにします。ただし、適切なタイミングでスイッチをオンにする可能性に関する利点は、欠点によって弱められます。プレートに対して 45 度以下の角度を形成する粒子のみが表示され、痕跡は非常に短く、すべての二次現象が現れる時間があるわけではありません。彼ら自身。

最近、ソ連の研究者らが新しいタイプのトレイルカメラ（いわゆるストリーマカメラ）を提案し、すでに広く使われている。このようなカメラのブロック図を図に示します。 237. 火花室とは異なり、互いに遠く離れた位置にあるプレートの間に落下する粒子はカウンターによって検出されます。電子論理装置

主要なイベントを区別し、実験者が興味のあるものを選択します。この時点で、高電圧がプレートに短時間印加されます。粒子の経路に沿って形成されるイオンはダッシュ (ストリーマ) を形成し、写真に撮られます。粒子の経路はこれらの破線で囲まれています。

破線の方向に沿って写真を撮ると、粒子の軌跡は点線のように見えます。

ストリーマチャンバの成功は、一次イオンからの電子なだれの形成と高電圧パルスのパラメータの正確な相関関係にかかっています。プレート間の距離が 30 cm のネオン 90% とヘリウム 10% の混合物では、電圧 600,000 V とパルス時間で良好な結果が得られます。この場合、パルスは遅くとも s 後までに印加する必要があります。一次イオン化イベント。このタイプのウェイクチャンバーは複雑で高価な装置であり、現代の粒子加速器が電子管から離れているのと同じくらい、霧箱からは遠く離れています。

電離カウンターと電離箱。

放射線を扱うように設計されたイオン化装置は、ほとんどがガスが充填された円筒形のコンデンサです。 1 つの電極は円筒形のプレートで、もう 1 つは円筒の軸に沿って延びる糸またはチップです (図 237a)。コンデンサに印加される電圧とメーターを満たすガスの圧力は、問題の内容に応じて特別な方法で選択する必要があります。ガイガーカウンターと呼ばれるこの装置の一般的なバリエーションでは、シリンダーとフィラメントに降伏電圧が印加されます。壁やメーターの端を通って侵入した場合

粒子がイオン化すると、電流パルスがコンデンサに流れ、一次電子とそれらが生成する自己放電電子およびイオンがコンデンサの正極板に近づくまで続きます。この電流パルスは従来の無線工学手法によって増幅でき、カウンタを通過する粒子の通過はクリック音、フラッシュ光、または最終的にはデジタルカウンタによって記録できます。

このような装置は、装置に入る粒子の数を数えることができます。このために必要なことは 1 つだけです。次の粒子がカウンターに入るまでに現在のパルスを停止する必要があります。メーターの動作モードが間違って選択されると、メーターが「チョーク」し始め、正しくカウントされなくなります。イオン化カウンターの分解能は限られていますが、それでも非常に高く、1 秒あたり最大粒子数です。

電圧を下げて、形成されたイオンの数に比例した電流パルスがコンデンサを通過するモード (比例カウンター) を実現できます。これを行うには、非自立的なガス放出の領域で作業する必要があります。コンデンサの電界中を移動する一次電子はエネルギーを獲得します。衝突電離が始まり、新しいイオンと電子が生成されます。カウンターに飛来する粒子によって生成された初期イオンペアは、イオンペアに変換されます。非自立放電モードで動作する場合、ゲインは一定の値となり、比例計数器は粒子が計数器を通過するという事実を確立するだけでなく、そのイオン化能力も測定します。

比例計数管および上記のガイガー計数管における放電は、イオン化が停止すると消えます。ガイガーカウンターの違いは、ガイガーカウンターでは入ってくる粒子がトリガーメカニズムのように機能し、破壊時間は初期のイオン化に関係しないことです。

比例計数管は粒子のイオン化能力に反応するため、特定の種類の粒子のみを検出するように計数管の動作モードを選択できます。

デバイスが飽和電流モード (電圧を下げることで実現可能) で動作する場合、デバイスを流れる電流は、単位時間あたりにデバイスの体積に吸収される放射線エネルギーの尺度になります。この場合、その装置は電離箱と呼ばれます。この場合、ゲインは 1 に等しくなります。電離箱の利点は、安定性が高いことです。電離箱の設計は大きく異なる場合があります。チャンバーの充填物、壁の材質、電極の数と形状は研究の目的に応じて異なります。立方ミリメートル程度の容積を有する小さなチャンバーに加えて、最大数百メートルの容積を有するチャンバーを処理しなければならない。一定のイオン化源の影響下で、チャンバー内にからまでの範囲の電流が発生します。

シンチレーションカウンター。

素粒子を計数する手段として蛍光物質のフラッシュ (シンチレーション) を計数する方法は、ラザフォードによって原子核の構造に関する古典的な研究に初めて使用されました。このアイデアを現代的に具体化したものは、ラザフォードの単純な装置とはほとんど似ていません。

この粒子は固体物質であるリンに閃光を引き起こします。荷電粒子や光子のエネルギーを光エネルギーに変換する能力を持つ有機物質や無機物質が数多く知られています。多くの蛍光体の残光持続時間は非常に短く、10 億分の 1 秒程度です。これにより、計数率の高いシンチレーションカウンターを構築することが可能となる。多くの蛍光体では、光出力は粒子のエネルギーに比例します。これにより、粒子エネルギーを推定するためのカウンターを構築することが可能になります。

最新のカウンターでは、可視光に感応する従来の光電陰極を備えた光電子増倍管と蛍光体が組み合わされています。乗算器で生成された電流は増幅されて計数装置に送られます。

最も一般的に使用される有機リンは、アントラセン、スチルベン、テルフェニルなどです。これらの化合物はすべて、炭素原子の六角形から構成される、いわゆる芳香族化合物のクラスに属します。シンチレーターとして利用するには、これらの物質を単結晶にする必要があります。大きな単結晶を成長させるのはやや難しく、有機化合物の結晶は非常に壊れやすいため、ポリスチレンまたは他の同様の高分子物質である透明なプラスチック中の有機リンのいわゆる固溶体であるプラスチックシンチレーターの使用は、非常に興味深いものとなっています。。無機リンのうち、アルカリ金属ハロゲン化物、硫化亜鉛、アルカリ土類金属タングステン酸塩が用いられる。

チェレンコフが反撃する。

1934 年にチェレンコフは、高速荷電粒子が完全に純粋な液体または固体の誘電体中を移動すると、特別な輝きが現れることを示しました。これは、物質の原子のエネルギー遷移に伴う蛍光発光や制動放射とは根本的に異なります。 X線連続スペクトルなど。チェレンコフ放射は、荷電粒子が誘電体内で光の位相速度を超える速度で移動するときに発生します。放射線の主な特徴は、放射線が円錐面に沿って粒子の運動方向に前方に伝播することです。円錐角は次の式で求められます。

ここで、は粒子の運動方向に対する円錐の母線の角度、V は粒子の速度、つまり媒質中の光の速度です。したがって、特定の屈折率を持つ媒体には、それを下回ると放射線が発生しなくなる臨界速度が存在します。この臨界速度では、放射線は粒子の運動方向と平行になります。光速に非常に近い速度で移動する粒子の場合、最大放射角が観察されます。シクロヘキサンの場合

経験と理論が示すように、チェレンコフ放射スペクトルは主に可視領域にあります。

チェレンコフ放射は、水中を移動する船からの船首波の形成に似た現象です。この場合、船の速度は水面の波の速度よりも速くなります。

米。 2376 は放射線の発生源を示しています。荷電粒子は軸線に沿って経路に沿って移動し、粒子に追従する電磁場により、粒子の軌道に沿った点で媒体が一時的に分極されます。

これらすべての点が球面波の発生源になります。これらの球面波が同位相となり、単一の前線を形成する単一の角度が存在します。

荷電粒子の経路上の 2 点を考えてみましょう (図 237c)。粒子は一度に 1 つずつ、もう 1 つずつ球形の波を作成しましたが、粒子がこれら 2 点の間を移動するのに時間がかかることは明らかです。これら 2 つの波が同じ位相で角度 9 で伝播するためには、最初の光線の移動時間が 2 番目の光線の移動時間よりもある時間だけ長い必要があります。粒子が時間内に移動する経路は次のとおりです。に等しい波は同じ時間でその距離をカバーしますここから、上記の式が得られます。

チェレンコフ放射線は、素粒子を検出する方法として近年非常に広く使用されています。この現象に基づくカウンターはチェレンコフカウンターと呼ばれます。発光物質は、シンチレーションカウンターと同様に、光電子増倍管や増幅器と組み合わされます。

光電流。チェレンコフカウンターには多くのデザインがあります。

チェレンコフカウンターには多くの利点があります。これらには、高速な計数率と、光速に非常に近い速度で移動する粒子の電荷を決定する能力が含まれます (光出力が粒子の電荷に大きく依存するとは言いませんでした)。チェレンコフ計数器の助けを借りてのみ、荷電粒子の速度の直接決定、超高速粒子の移動方向の決定などの重要な問題を解決できます。

カウンターの配置。

素粒子の変形と相互作用のさまざまなプロセスを研究するには、特定の場所での粒子の出現に注目するだけでなく、同じ粒子のその後の運命を追跡できる必要があります。このような問題は、一般化されたカウント回路を備えたカウンターの特別な配置を使用して解決されます。たとえば、すべてのカウンタの放電が正確に同時に始まる場合にのみカウントが行われるように、2 つ以上のカウンタの電気回路を接続することが可能です。これは、同じ粒子がすべてのカウンターを通過したことの証拠として機能します。このカウンタのオンの切り替えを「マッチング切り替え」と呼びます。

厚層写真乳剤の方法。

知られているように、写真乾板の感光層は、臭化銀微結晶が導入されたゼラチンフィルムである。写真プロセスの基本はこれらの結晶のイオン化であり、その結果臭化銀が還元されます。このプロセスは光の影響下だけでなく、荷電粒子の影響下でも発生します。荷電粒子が乳剤中を通過すると、乳剤中に隠れた痕跡が現れ、写真乾板を現像した後にそれを見ることができます。写真乳剤中の痕跡は、その原因となった粒子について多くの詳細を物語っています。高度にイオン化した粒子は油っぽい残留物を残します。イオン化は粒子の電荷と速度に依存するため、痕跡の出現だけでも多くのことを物語ります。貴重な情報は、写真乳剤内の粒子の距離 (軌跡) によって提供されます。痕跡の長さを測定することによって、粒子のエネルギーを決定することができます。

薄い乳剤を含む従来の写真乾板を使用した研究は、核物理学の目的にはほとんど役に立ちません。このようなプレートは、厳密にプレートに沿って移動する粒子のみを記録します。ミソフスキーとジダノフ、そして数年後にイギリスのパウエルが、これに近い乳剤厚さの写真乾板を導入しました（通常の版の場合、層の厚さは100分の1です）。写真法は、その明瞭さ、つまり粒子が破壊されたときに起こる変形の複雑な画像を観察できる点で価値があります。

図では、この方法により得られた典型的な写真を図２３８に示す。核変態がその点で起こった。

この方法の最新バージョンでは、粒子追跡が記録される媒体として大容量のエマルジョンチャンバーが使用されます。

観察を分析する方法。

記載されている機器の助けを借りて、研究者は、速度とエネルギー、電荷、質量などの素粒子の最も重要な定数をすべて決定する機会を得ます。これらすべてのパラメータはかなり高い精度で決定できます。粒子流の存在下では、素粒子のスピンの値とその磁気モーメントを決定することも可能です。これは、171 ページで説明した、磁場中でのビーム分割の同じ実験によって行われます。

直接観測されるのは荷電粒子のみであることに注意してください。中性粒子と光子に関するすべてのデータは、荷電粒子に対するこれらの目に見えない粒子の作用の性質を研究することによって間接的に取得されます。しかし、目に見えない粒子について得られたデータは高い信頼性を持っています。

素粒子のあらゆる種類の変換の研究において重要な役割を担うのは、運動量とエネルギー保存則の適用です。高速粒子を扱うため、エネルギー保存則を適用する際には、質量の変化を考慮する必要があります。

写真に「フォーク」の形の粒子の痕跡があると仮定します。最初の粒子は、2 番目と 3 番目の 2 つの粒子に変化しました。この場合、次の関係が満たされる必要があります。まず、最初の粒子の運動量は、結果として得られる粒子の運動量のベクトル和に等しくなければなりません。

質量の差はどこにありますか

核物理学の全体的な経験は、素粒子のあらゆる変換中に保存則が厳密に満たされることを示しています。これにより、これらの法則を使用して、写真乳剤に痕跡を残さず、ガスをイオン化しない中性粒子の特性を決定することができます。写真乾板上で 2 つの分岐した軌跡が観察された場合、研究者にとっては、これらの軌跡が分岐する点で中性粒子の変換が発生したことが明らかです。結果として得られる粒子の運動量、エネルギー、質量を決定することにより、中性粒子のパラメータの値について自信を持った結論を導くことができます。このようにして中性子が発見され、後述するニュートリノや中性中間子の判定もこのようにして行われます。

今日は粒子を研究するための実験方法について話します。このレッスンでは、放射性元素ラジウムの崩壊によって生成されるアルファ粒子を原子の内部構造の研究にどのように使用できるかについて説明します。原子を構成する粒子を研究するための実験方法についても説明します。

トピック: 原子と原子核の構造。原子核のエネルギーを利用する

レッスン 54. 粒子を研究するための実験方法

エリュトキン・エフゲニー・セルゲイビッチ

このレッスンでは、粒子を検出するための実験方法について説明します。先ほど、20 世紀初頭に、原子の構造と原子核の構造を研究できるツールが登場したという事実についてお話しました。これらは、放射性崩壊の結果として形成されるα粒子です。

核反応の結果として形成される粒子や放射線を記録するには、大宇宙で使用されるものとは異なるいくつかの新しい方法が必要です。ちなみに、そのような方法の1つはラザフォードの実験ですでに使用されていました。シンチレーション（フラッシュ）方式と呼ばれます。 1903年、粒子が硫化亜鉛に衝突すると、衝突した場所で小さなフラッシュが発生することが発見されました。この現象はシンチレーション法の基礎となりました。

この方法はまだ不完全でした。すべてのフラッシュを確認するには画面を注意深く見なければならず、目が疲れました。結局、顕微鏡を使用しなければなりませんでした。特定の放射線をより明確に、迅速かつ確実に記録できる新しい方法の必要性が生じました。

この方法は、ラザフォード、ガイガーが率いる研究室のメンバーによって最初に提案されました。彼は、落下する荷電粒子を「カウント」できる装置、いわゆる装置を作成しました。ガイガーカウンター。ドイツの科学者ミュラーがまさにこの計数器を改良した後、それはガイガー・ミュラー計数器として知られるようになりました。

どのように構築されていますか? このカウンターはガス排出です。これは次の原理に基づいて動作します。このカウンターの主要部分では、粒子が通過するときにガス放電が形成されます。放電とは気体中の電流の流れであることを思い出してください。

米。 1. ガイガーミュラー計数管の概略図

陽極と陰極が入ったガラス容器。陰極は円筒の形をしており、陽極はこの円筒の内側に張られています。電流源により、カソードとアノードの間に十分に高い電圧が生成されます。電極間、真空シリンダー内には通常、不活性ガスが存在します。これは、将来同じ放電を発生させるために特別に行われます。さらに、回路には高抵抗 (R ～ 10 9 オーム) が含まれています。この回路に流れる電流を消す必要があります。そしてカウンターは次のように動作します。ご存知のとおり、核反応の結果として形成される粒子はかなり高い透過力を持っています。したがって、これらの要素が内部に配置されているガラス容器は、それらにとって何の障害にもなりません。その結果、粒子はこのガス放電カウンターの内部に侵入し、内部のガスをイオン化します。このようなイオン化の結果として、高エネルギーのイオンが形成され、これらのイオンが衝突し、互いに衝突して荷電粒子の雪崩を生成します。この荷電粒子の雪崩は、電子だけでなく、マイナスおよびプラスに帯電したイオンで構成されます。そして、この雪崩が通過するとき、電流を検出することができます。これにより、粒子がガス放電カウンターを通過したことを理解する機会が得られます。

このようなカウンターは 1 秒間に約 10,000 個の粒子を登録できるため便利です。いくつかの改良の後、このカウンターは g 線も記録するようになりました。

確かに、 ガイガーカウンター- 一般的に放射能の存在を決定できるようにする便利なもの。ただし、ガイガーミュラーカウンターでは、粒子のパラメーターを決定したり、これらの粒子を使用して研究を行ったりすることはできません。これには、まったく異なる方法、まったく異なる方法が必要です。ガイガーカウンターの作成後すぐに、そのような方法と装置が登場しました。最も有名で広く普及しているものの 1 つはウィルソン室です。

米。 2. 霧室

カメラのデザインにも注目してください。上下に動くピストンが入ったシリンダー。このピストンの内側には、アルコールと水で湿らせた黒い布が入っています。シリンダーの上部は透明な素材、通常は非常に密度の高いガラスで覆われています。その上にカメラが設置されており、霧室内で何が起こるかを撮影します。これらすべてをはっきりと見えるようにするために、左側が照らされています。パーティクルの流れは、右側のウィンドウを通して送られます。これらの粒子は、水とアルコールからなる媒体の中に落ち、水の粒子やアルコールの粒子と相互作用します。ここが最も興味深い点です。ガラスとピストンの間の空間は、蒸発によって生じた水とアルコールの蒸気で満たされます。ピストンが急激に下がると、圧力が低下し、ここにある蒸気は非常に不安定な状態になります。液体に入る準備ができています。しかし、不純物を含まない純粋なアルコールと水がこの空間に置かれるため、しばらくの間（それは非常に大きい場合もあります）、そのような非平衡状態が持続します。荷電粒子がそのような過飽和の領域に入った瞬間に、荷電粒子は水蒸気の凝縮が始まる中心になります。さらに、負の粒子が入った場合、それらは何らかのイオンと相互作用し、正の場合は別の物質のイオンと相互作用します。この粒子が飛んだところにはいわゆる飛跡、つまり痕跡が残ります。霧箱が磁場の中に置かれると、電荷を持った粒子が磁場の中で偏向し始めます。そして、すべては非常に単純です。粒子が正に帯電している場合、粒子は一方向に偏向されます。否定的な場合は、別の場所に進みます。このようにして、電荷の符号を決定することができ、粒子が移動するまさにその曲線の半径によって、この粒子の質量を決定または推定することができます。これで、特定の放射線を構成する粒子に関する完全な情報を得ることができると言えます。

米。 3. 霧箱内の粒子追跡

霧箱には欠点が 1 つあります。粒子の通過の結果として形成されるまさにその軌跡は短命です。新しい写真を撮るために、毎回カメラを再度準備する必要があります。したがって、カメラの上部には同じトラックを記録するカメラがあります。

当然のことながら、これは粒子を登録するために使用される最後のデバイスではありません。 1952 年に、バブルチャンバーと呼ばれる装置が発明されました。その動作原理は霧箱とほぼ同じです。過熱した液体を使用して作業のみが実行されます。液体が沸騰しそうな状態。この瞬間、粒子はそのような液体の中を飛び、気泡形成の中心を作ります。このようなチャンバーで形成されたトラックははるかに長く保存され、これによりチャンバーがより便利になります。

米。 4. 気泡室の外観

ロシアでは、さまざまな放射性粒子、崩壊、反応を観察する別の方法が開発されました。厚膜乳剤の手法です。粒子は、特定の方法で調製されたエマルジョンに入ります。エマルジョン粒子と相互作用することにより、それらは軌跡を作成するだけでなく、霧箱や気泡室で軌跡を撮影したときに得られる写真を表す軌跡自体を作成します。はるかに便利です。しかし、ここにも重要な欠点が 1 つあります。光乳剤法が長期間機能するためには、継続的な浸透、新しい粒子の侵入、または形成された放射線が存在する必要があります。このように短期的な衝動を記録するのは問題があります。

他の方法についてもお話します。たとえば、スパークチャンバーと呼ばれる方法があります。そこでは、粒子の後に起こる放射性反応の結果として、火花が形成されます。また、はっきりと表示され、登録も簡単です。

現在、半導体センサーが最もよく使用されており、コンパクトで便利で、かなり良好な結果が得られます。

上記の方法を使用してどのような発見がなされたかについては、次のレッスンで説明します。

追加文献リスト

ボロボイA.A. 粒子がどのように検出されるか (ニュートリノの飛跡による)。『図書館「量子」』。 Vol. 15. M.: ナウカ、1981
ブロンスタイン MP 原子と電子。『図書館「量子」』。 Vol. 1. M.: ナウカ、1980
帰光院 I.K.、帰光院 A.K. 物理：高校3年生の教科書。 M.: 「啓蒙」
キタイゴロツキー A.I. 誰にとっても物理学。光子と原子核。ブック 4. M.: 科学
ミャキシェフ G.Ya.、シンヤコヴァ A.Z. 物理。光学量子物理学。 11年生：物理を深く学ぶための教科書。 M.: バスタード

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核放射線を検出するために使用される機器は、核放射線検出器と呼ばれます。最も広く使用されているのは、核放射線が生成する物質原子のイオン化と励起によって核放射線を検出する検出器です。ガス排出カウンターはドイツの物理学者 G. ガイガーによって発明され、その後 W. ミュラーとともに改良されました。したがって、ガス排出計数器はガイガーミュラー計数器と呼ばれることがよくあります。メーターの本体となる円筒管には、細い金属の糸が軸に沿って張られています。ネジ山とチューブ本体は絶縁体によって分離されています。メーターの作動容積は、約 0.1 atm の圧力で、ガスの混合物、たとえばアルゴンとメチルアルコール蒸気の混合物で満たされています。

イオン化粒子を記録するには、カウンター本体とフィラメントの間に高い定電圧が印加されます (フィラメントは陽極です)。カウンターの作動空間を通過する高速荷電粒子

充填ガスの経路に沿ってガスの原子がイオン化します。電場の影響下で、自由電子はアノードに移動し、陽イオンはカソードに移動します。カウンターの NNH アノード付近の電界強度は非常に高いため、自由電子は中性原子との 2 回の衝突の間の経路でそれに近づくと、イオン化に十分なエネルギーを獲得します。メーター内でコロナ放電が発生しますが、短時間で停止します。

電圧パルスは、カウンターと直列に接続された抵抗器から記録装置の入力に送信されます。核放射線を登録するためのガス放電カウンターのスイッチをオンにする概略図を図 314 に示します。電子計数装置の読み取り値に基づいて、カウンターによって登録された高速荷電粒子の数が決定されます。

シンチレーションカウンター。

アルファ粒子を記録するために設計された最も単純な装置であるスピンタリスコープの設計を図 302 に示します。スピンタリスコープの主要部品は、硫化亜鉛の層でコーティングされたスクリーン 3 と短焦点拡大鏡 4 です。放射性薬剤は、スクリーンのほぼ中央の反対側のロッド 1 の端に配置されます。アルファ粒子が硫化亜鉛の結晶に衝突すると、閃光が発生し、虫眼鏡で観察するとそれを検出できます。

高速荷電粒子の運動エネルギーをフラッシュのエネルギーに変換するプロセスは、シンチレーションと呼ばれます。シンチレーションは発光現象の一種です。最新のシンチレーションカウンターでは、光電池を使用して光フラッシュが記録され、結晶内の光フラッシュのエネルギーが電流パルスのエネルギーに変換されます。光電池出力の電流パルスは増幅されて記録されます。

ウィルソンの部屋。

実験核物理学の最も注目すべき機器の 1 つは霧箱です。ウィルソン学校のデモ室の外観を図 315 に示します。

平らなガラス蓋が付いた容器には、飽和アルコール蒸気を含む空気が入っています。チャンバーの作動容積はチューブを介してゴム球に接続されています。チャンバー内では、放射性薬剤が細いロッドに取り付けられています。カメラを起動するには、まず電球を軽く握り、次に急激に放します。急速な断熱膨張により、チャンバー内の空気と蒸気は冷却され、蒸気は過飽和状態になります。この瞬間にアルファ粒子が準備から離れると、ガス中での移動経路に沿ってイオンの柱が形成されます。過飽和蒸気は凝縮して液滴になり、液滴の形成は主にイオン上で発生し、イオンが水蒸気凝縮の中心として機能します。粒子の軌道に沿ってイオン上に凝縮された液滴の列は、粒子軌道と呼ばれます。

検出された粒子の物理的特性を正確に測定するために、霧箱が一定の磁場の中に置かれます。磁場中を移動する粒子の軌跡は曲がっていることがわかります。トラックの曲率半径は、粒子の速度、質量、電荷によって異なります。既知の磁場誘導を使用すると、これらの粒子の特性は、測定された粒子追跡の曲率半径から決定できます。

磁場中のアルファ粒子の軌跡の最初の写真は、1923 年にソ連の物理学者 P. L. カピツァによって取得されました。

一定の磁場の中で霧箱を使用してベータ線とガンマ線のスペクトルを研究し、素粒子を研究する方法は、ソビエトの物理学者で学者のドミトリー・ウラジミロヴィチ・スコベルツィンによって最初に開発されました。

バブルチャンバー。

バブルチャンバーの動作原理は次のとおりです。チャンバーには沸点に近い温度の液体が入っています。高速荷電粒子はチャンバー壁の薄い窓を通って作業空間に侵入し、途中で液体原子をイオン化して励起します。粒子がチャンバーの作動容積に侵入した瞬間、チャンバー内の圧力は急激に低下し、液体は過熱状態になります。粒子の経路に沿って現れるイオンは、過剰な運動エネルギーを持っています。このエネルギーにより、各イオンの近くの微視的な体積内の液体の温度が上昇し、沸騰し、蒸気泡が形成されます。液体を通過する高速荷電粒子の経路に沿って発生する一連の蒸気泡は、この粒子の軌跡を形成します。

気泡室では、あらゆる液体の密度が霧室の気体の密度よりも大幅に高いため、高速荷電粒子と原子核の相互作用をより効果的に研究することが可能です。気泡室を満たすには、液体水素、プロパン、キセノン、その他の液体が使用されます。

光乳化法。

写真法は、ベクレルによってこの方法を使用して放射能の現象が発見されて以来、歴史的に核放射線を記録するための最初の実験的方法です。

写真乳剤中に潜像を生成する高速荷電粒子の能力は、今日の核物理学で広く使用されています。核光乳剤は、素粒子物理学や宇宙線の分野の研究で特に成功的に使用されています。高速荷電粒子が写真乳剤の層中を移動すると、移動経路に沿って潜像の中心が形成されます。現像後、一次粒子の痕跡と、一次粒子の核相互作用の結果として乳剤中に生じるすべての荷電粒子の画像が現れます。