Шкільні прилади і досліди для вивчення і рахунку іонізуючих частинок

3.1 Спостереження   слідів α-частинок

Шкільна камера Вільсона. На мал. 15 показаний зовнішній вигляд приладу, а на мал. 16 — схема його пристрою .

Для демонстрації досвіду прилад встановлюють в проекційний ліхтар для горизонтальної проекції (мал. 17) і клеми його приєднують до випрямляча напругою 200—300 в.

Гумову грушу (див. мал. 17), в якій поміщено декілька крапель спирту, поволі стискають, а потім швидко відпускають. При цьому відбувається адіабатне розширення повітря. Пари спирту пересичують простір камери, і на іонах, утворюваних α- частинками, осідають крапельки спирту. Ланцюжки таких крапельок дають тонкі прямолінійні сліди.

Мал. 16. Схема пристрою камери Вільсона шкільного

типу конструкції P. M. Іванова:

1 — короткий металевий порожнистий циліндр; 2 — патрубок; З — дві металеві діафрагми; 4 — радіоактивний препарат; 5 — стекла; 6 — металеві шайби; 7 — гумові кільця (циліндр 1, стекла 5, шайби 6 і гумові кільця 7 скріпляють болтами); « — шар желатин, до якого підведений контакт від клеми 9; друга клема 10 сполучена з корпусом приладу — циліндром 1

Для більш успішного проведення дослідів з цим приладом вчителі вносять ряд змін. Рекомендується ввести всередину камери шматочок вати, змоченої спиртом, а замість гумової груші використовувати судину місткістю до 1,5 л. Останній з'єднується з камерою за допомогою трубочки з краном . Якщо з судини відкачати насосом повітря і відкрити кран, то відбувається адіабатне розширення повітря, що знаходиться в камері. Пересичені пари осідають на іонах.

Рекомендується також використовувати кільце, вирізане із станиоля, яке може замінити легко провідний, що псується, шар желатини.

В. К. Ляпидевский (Москва) створив зручні для учбової мети два прилади:

Мал,    17.   Установка   камери Вільсона в проекційному ліхтарі для демонстрації на екрані шляхів α -частинок

Дифузійна камера. Основна частина приладу — прозора судина 1 з металевим дном 2 (мал. 25). Судина щільно закривається зверху металевою кришкою 3, На її поверхні, обернутій всередину судини, є жолоб 4. В ньому знаходиться спирт. В резервуарі 5 поміщена охолоджуюча суміш (наприклад, суміш льоду з сіллю NaCl або СаС12) або тверда вуглекислота. Пружини 6 при жимают вуглекислоту до дна 2 резервуару. По висоті прилада виникає перепад температури та пружності пара. Останій дифундує до основи приладу і там залишається перенасиченим.

Джерелом α-частинок може бути голка, вістря   якої   стикалося   з   радіоактивним препаратом. Голка поміщається всередину область пересиченої пари і

Мал. 18. Схема дифузійної камери

резервуара. Іонізуюча частинка, рухаючись зверху вниз, потрапляє в область пересиченої пари і тут утворює слід, як в камері Вільсона. Він видний при бічному освітленні резервуару.

В. К. Ляпидевский рекомендує ще такий простий досвід. Стакан встановлюється на тверду вуглекислоту І закривається картонним кружком, змоченим спиртом. Крізь стінки стакана видні сліди руху іонізуючих частинок.

Такі камери володіють великою чутливістю, діють безперервно, не вимагають джерел напруги, завжди готові до дії і прості в обігу.

 

Рекомендується широко використовувати їх для проведення лабораторних робіт вчаться.

Конвекційна камера. Вона має дно (мал. 19) з підведеною центральною частиною 1. Ця частина зроблена з металу. Ближче до бічних стінок

Мал. 19. Схема конвекційної камери

 дно 2 виконано з матеріалу з низькою теплопровідністю. Температура

центральної частини дна підтримується порівняно низька (від —40 до — 60°) за допомогою твердої вуглекислоти 3 або охолоджуючих сумішей, що знаходяться в контейнері 4.

На дно наливається шар етилового спирту 5, а над дном поміщається джерело α -частинок 6. Спостереження ведеться через кришку приладу 7. Підсвітка чутливого шару здійснюється через бічні стінки 8, температура яких кімнатна.

В результаті конвекції пари спирту переносяться від стінок приладу до центральної частини дна і тут конденсуються. Якщо внесений радіоактивний препарат, то на іонах, що утворюються тими, що розлітаються по сфері α - частинками, осідають крапельки спирту. Ланцюжок таких крапель спирту і є слідом руху зарядженої частинки. Для створення електричного поля між кришкою і дном приладу, що збільшує кількість спостережуваних слідів в чутливому шарі, кришка робиться з органічного скла і електризується при допомозі тертя.

3.2 Камери для спостереження α - частинок методом сцинтиляцій.

Такий прилад, розроблений В. А. Кубицким (Сумська обл.), є видозмінений спінтарископ. Прилад (мал. 20) складається з циліндрової трубки 1, виготовленої з пластмаси, завдовжки близько 20 см і діаметром З см. З обох кінців на трубку нагвинчують гайки 2. Між верхньою гайкою і трубкою встановлюється тонка скляна пластинка 3, покрита з внутрішньої сторони шаром люмінофора, і в гайку угвинчується оправа 4 з лупою. Через нижню гайку і пробку проходить стрижень 5, на кінці якого в поглибленні закріплюється радіоактивний препарат 6. Гумові прокладки 7 служать як ущільнювачі і забезпечують герметизацію. Збоку трубка має штуцер 5 з краном для приєднання до вакууму-насос. Для виготовлення люминесцінюючого екрану знімають склад, що світиться, із старого екрану від шкільної рентгенівської трубки. Порошок кришать в ступі, пропускають через густе сито, наносять його на скельце, заздалегідь покрите тонким шаром спиртного розчину шелаку.

Радіоактивна речовина не повинна торкатися екрану. Направляюча гайка у нижнього кінця стрижня забезпечує як найменшу відстань препарату від екрану (3—4 мм).

Рекомендується наступний порядок проведення досвіду, який можна провести у фізичному практикумі; адаптація ока в темноті протягом 10 мін; лупа фокусується для спостерігача;

Мал. 20. Схема приладу для спостереження α -частинок методом сцинтиляцій

стрижень наближається до екрану можливо ближче і спостерігаються сцинтиляції; стрижень відсовується і спостерігають менше число спалахів на екрані, поки їх не буде одиниці в полі зору. Потім відкачують повітря з приладу насосом і спостерігають збільшення числа сцинтиляцій, що свідкує про збільшення пробігу α-частин. Пробіг вимірюється завдовжки висунутої ділянки стрижня. Перед внутрішньою поверхнею екрану можна поміщати різної товщини речовини і знайти їх поглинальну здатність. Виготовлення приладу можна значно спростити, якщо не ставити при цьому задачу відкачування повітря.

3.3 Рахунок іонізуючих частинок.

1. Індикатор іонізуючих мікрочастинок (автор конструкції Д. І. Пеннер м. Свердловськ). Цей прилад, призначений для демонстраційної мети являє собою спрощену схему лічильника Гейгера—Мюллера (мал.21, крайня ліва панель). В приладі використовується трубка СТС-8, конденсатори 3 і С2 типу КСО-5 місткістю порядка 4000—6000 пф, постійний опір R типу вс на 5,6 Мом. Клеми 1 приєднуються до кенотронного випрямляча

Мал.21. Демонстраційна установка з дратуючою

напругою 300—400 в,

 а клеми 2 — до шкільного демонстраційного підсилювача низької частоти, на виході якого включений гучномовець.

Випрямлена напруга 350—400 в, необхідна для живлення трубки, можна узяти від окремого випрямляча, в якому використовуються напівпровідникові (германієві) діоди, наприклад ДГ-Ц24, включені по схемі подвоєння напруги.

На випрямляч від трансформатора подається змінна напруга, діюче значення якої може бути 150, 160 і 170 в. Для живлення трубки можна використовувати  також   дві сухі   батареї типу 160-АМЦГ-0,35.

Для живлення рахункових трубок, що працюють при більш високих напругах, можна використовувати батарею конденсаторів. Така батарея заряджає при паралельному з'єднанні паперових конденсаторів (розрахованих на робочу напругу 400 в і більше)

Схема включення рахункової трубки до подвоювача напруги і адаптерного входу радіоприймача а розряджається при послідовному. Переклад з одного з'єднання на інше проводиться перемикачем, що має три положення. Зарядка конденсаторів здійснюється від випрямляча напругою 230—300 в ,

Установка спрацьовує від випромінювання циферблатів годинника, голки спінтарископа або препарату, що світяться, від шкільної камери Вільсона.

2. Шкільний лабораторний лічильник іонізуючих частинок. Загальний вид приладу, розроблений в Інституті загального і політехнічного утворення АПН РРФСР (В. А. Буровым і А. А. Покровськім), представлений на мал. 22. Прилад складається з перетворювача напруги на напівпровідниковому триоді, рахуючої трубки типу СТС - 5, високоомного головного телефона електромагнітного типу і двох гальванічних елементів.

Мал.22 . Лабораторний лічильник іонізуючих частинок

3.4 Рентгенівські промені

В зміст уроку про рентгенівське проміння повинні входити наступні; питання: рентгенівська трубка, властивості рентгенівського випромінювання і механізм його освіти, природа і застосування.

Розглядається електронна рентгенівська трубка (мал. 23): розрідження в трубці, джерело електронів (вольфрамова спіраль-розжарювання), матеріал антикатода (вольфрам, молібден, мідь, хром і т. п.), напруга (десятки і сотні киловольт), швидкість електронів (107—108 м/сек) і коефіциент корисної дії (дуже малий залежно від прикладеної напруги).

Роз'яснюються основні властивості рентгенівського проміння. Вони іонізують газ, мають велику проникаючу здатність, викликають люмінесценцію і фотоефект, не відхиляються електричним і магнітним полями, відображаються і заломлюються, випробовують дифракцію і діють на різні живі організми. Є в середній школі устаткування дозволяє демонструвати деякі з цих властивостей рентгенівського проміння.

1. Електроскоп заряджає від ебонітової палички. При роботі рентгенівської трубки, що знаходиться від нього на деякій відстані, листочки електроскопу швидко спадають.

2.     При включенні . рентгенівської      трубки      світиться екран, покритий люмінесціюючою речовиною, набір люмінофорів, флюоресцеин і т.п.

3.   На екрані від рентгенівської установки можна отримати тіньове зображення грона руки, металевих предметів, що знаходяться в картонній коробці або в конверті з щільного паперу, і т.п.

4.  Магніти не зміщують зображення на екрані.

Мал. 23. Сучасна (електронна)  рентгенівська трубка

Електрони, що вилітають з розжареного катода (термоелектрони), розгоняться в сильному електричному полі. При різниці потенціалів U між катодом і анодом електрон придбаває кінетичну

енергію за рахунок роботи сил електричного.Тут U виражене у вольтах.

При ударі об антикатод електрони випробовують сильне гальмування в електричних полях атомів металу. Частина енергії перетворюється у внутрішню енергію металу, інша частина в енергію нового виду випромінювання— рентгенівського проміння, витікаючого з металу (антикатода). Рекомендується звернути увагу на наступне:

1.     Проникаюча      здатність      рентгенівського      випромінювання залежить від величини прикладеної до трубки різниці потенціалів. Чим вона більше, тим жорсткіше випромінювання (коротше довжина  хвилі).

2.   Різні   матеріали неоднаково    «прозорі» для нього. Менш щільні речовини    більш    «прозорі».    Наприклад,    1    мм    свинцю    ослабляє рентгенівське випромінювання (при 100 кв на трубці) в такій же мірі, в якій 6,5 мм сталі або 1     м дерева. Тому при роботі на рентгенівських установках   як   захисні   засоби   використовуються   екрани   з   свинцю, рукавички і фартухи з свинцевої гуми, Свинцеве скло..

3. Хвильова природа рентгенівського випромінювання виявилася в дифракції на кристалічній гратці. Рентгенівське випромінювання охоплює діапазон довжинхвиль від 100 А до 0,01 А. Енергія кванта жорсткого рентгенівського випромінювання в десятки тисяч раз більше енергії фотона зеленого світла. Маса γ- кванта в десятки разів більше маси спокою електрона Застосування рентгенівського випромінювання: для лікування і діагностики хвороб, виявлення дефектів у виробах, вивчення структури речовин і т.п. Бажано виготовити і показати настінні таблиці із зображенням схем установок, вживаних в рентгенівській дефектоскопії

(мал. 24) для просвічування грудної клітини

Мал.24. Схема рентгенівської установки

За наявності учбового часу повідомляється, що доза рентгенівського і гамма-випромінювань є мірою випромінювання, заснованою на їх іонізуючій здатності.

Одиницю вимірювання рентгенівського і гамма-випромінювання р треба відрізняти від потужності дози цих випромінювань, що виміряється в рентгенах в секунду (р/сек). Наприклад, якщо опромінювати об'єкт з потужністю   дози   0,5  р/сек,   то   протягом   8   мін   він   отримає  дозу

випромінювання

3.5 Визначення напряму розповсюдження космічного проміння

Устаткування: 1) індикатори іонізуючих частинок лабораторные— 2 шт., 2) підсилювач низької частоти з радіотехнічного набору, 3) гучномовець електродинамічний на підставці, 4) випрямляч універсальнй ВУП, 5) потенціометр радіотехнічний опором 1,0— 1,5 МОм на підставці, 6) дроти сполучні з наконечниками, 7) штатив універсальний.

Напрям розповсюдження космічного проміння можна визначити за допомогою двох індикаторів, якщо включити їх в електричний ланцюг по так званій схемі збігів.

Для цього збирають установку по малюнку 26. На стійці демонстраційного штатива закріплюють на різній висоті два лабораторні індикатори так, щоб нитки їх рахункових трубок паралелі. Вихідні кубла індикаторів, призначені для включення телефонів, сполучають послідовно і підключають до вхідних затисків підсилювача низької частоти. До підсилювача підключають ще гучномовець і універсальний напівпровідниковий випрямляч. Затиски випрямляча, з яких знімається регульована постійна напруга, подається