Что такое туманная камера?
Туманная камера, известная более как камера Вильсона, — это уникальный прибор, показывающий невидимые следы радиоактивных частиц. Таким образом, это уникальный инструмент для обучения, демонстрации и популяризации элементарных частиц и ядерной физики.
Как функционирует туманная камера?
Теория туманных камер совпадает с теорией фазовых переходов. Само изобретение туманной камери приписывается шотландском физику Чарльзу Вильсону, который изучал образование тумана в экспансионных туманных камерах (т..е, туманных камерах, которые достигают условий конденсации при помощи расширения газа). Для осаждения капель жидкости из пара требуются два основных условия. Давление насыщенных паров для данного давления и температуры и конденсационные ядра. Вильсон заметил, что кроме пыли и других твердых частиц, и ионы могут выступать в качестве ядра конденсации. Тем самым были заложены теоретические основы камер Вильсона.
Объяснение функции туманных камер
Туманная камера — устройства, используемые для отображения частиц ионизирующего излучения. Это излучение исходит от распада радиоактивных материалов. Частицы ионизирующего излучения, однако, очень малы и движутся с высокими скоростями, так что невидимы невооруженным глазом.
Отображаемые туманные следы возникают благодаря специфическим условиям в туманной камере. Основой является создание слоя насыщенных паров изопропилового спирта. Слой насыщенных паров возникает над черной наблюдательной пластиной благодаря созданию температурного градиента. В то время как наблюдательная пластина охлаждена, в верхней части внутреннего пространства туманной камери– в желобке – происходит нагрев изопропилового спирта. Теплый изопропиловый спирт, испаряющийся из желоба, падает вниз, на холодную пластину, над которой создается слой насыщенных паров толщиной около сантиметра.
Если через слой насыщенных паров изопропилового спирта пролетят электрически заряженные частицы, мы увидим след их пролета в форме яркого белого следа. Пролетающая заряженная частица вызывает ионизацию молекул изопропилового спирта, которые затем действуют как ядра конденсации. Наблюдаемый белый след, таким образом, является концентрацией очень мелких капель изопропилового спирта, возникших в ходе внезапной конденсации.
Белый след, возникший во время пролета частицы, контрастирует с черной наблюдательной поверхностью, и таким образом хорошо виден невооруженным глазом. Не бывает двух одинаковых туманных следов, они отличаются вплоть до того, что можно достаточно просто определить, какая частица вызвала своим пролетом конденсацию туманного следа, и даже ее свойства и из какого источника она исходила.
Образование белых следов в туманной камере можно сравнить с белыми туманными следами, которые появляются в небе за самолетами. Когда самолет летит на достаточной высоте, где находится насыщенный водяной пар, он вызывает тем самым его конденсацию. И по такому же принципу возникают белые следы в туманной камере.
Первую туманной камери изобрел шотландский физик Чарльз Томсон Рис Вильсон, который спустя почти двадцати лет разработки в 1911 году запустил устройство в первый раз запустил и совершил первое наблюдение.
В 1927 году он получил Нобелевскую премию по физике за открытие принципа визуального обнаружения электрически заряженных частиц при помощи конденсации насыщенных паров.
Наблюдение за явлениями и частицами
Радиоактивность
Радиоактивность и радиоактивные превращения — это явление, при котором происходит превращение внутренней структуры атомных ядер, которое часто сопровождается ионизирующим излучением (альфа, бета, гамма). Радиоактивность — изначально полностью естественное явление, не вызванное деятельностью человека. Радиоактивных веществ в мире множество, ими являются, например, урановая руда или обычные бананы.
Радиоактивное превращение можно наглядно объяснить с помощью простой метафоры. Представим себе человека с излишним весом. Это состояние для человека, как правило, неестественно, и он хочет избавиться от ожирения, то есть, похудеть. Легче всего это сделать, сбросив излишние жировые отложения. Ту же мотивацию имеют и атомные ядра, которые находятся в неестественном состоянии, например, у них большое количество нейтронов, или нейтроны слишком велики. Такие ядра, следовательно, естественно изменяют свою структуру, например, уменьшаются с помощью излучения альфа-частиц (двух протонов и двух нейтронов), или, например, превращают нейтрон в протон, при этом происходит излучение электрона (радиоактивные превращения бета-минус).
Хотя само понятие радиоактивности чаще всего связано с атомными электростанциями, доля последних в общем радиоактивном фоне, то есть дозе радиации, которой мы обычно подвергаемся на Земле, по сравнению с естественным радиоактивным фоном очень мала, даже включая ядерные аварии, как, например, авария 1986 года на Чернобыльской АЭС и авария 2011 года на АЭС Фукусима-дайити.
Наука о невидимом
Многие понятия в науке очень сложны для понимания. Некоторые сложны математически, другие – своей многогранностью. А некоторые — только своими размерами. Молекулы, атомы, субатомные частицы — все они образуют невероятно полезный мыслительные рамки науки. Почему весь мир верит в то, что мы никогда не можем увидеть? Есть бесчисленное множество экспериментальных доказательств, которые подтверждают наши теории. Несмотря на то, что частицы микромира невидимы и их трудно себе представить, их существование подтверждается бесчисленным количеством доказательств. Электричество, радио, электроника, лекарства и другие химические вещества, атомные электростанции и многое другое существует только благодаря правильности этих теорий. Большой проблемой в науке о микромире всегда было отображение частиц. Самым наглядным методом отображения частиц является метод изображений в туманной камере. В ней даже самые мельчайшие элементарные частицы вызывают выделение капелек жидкости, которые создают заметные туманные следы. В настоящее время в науке Туманная камера заменены электронными устройствами, но в плане наглядности они незаменимы.
НАБЛЮДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
ОСНОВНЫЕ
Альфа-частицы
Альфа-частицы — это обозначение объединения двух протонов и двух нейтронов, таким образом, речь идет о ядре гелия. Альфа-частицы оставляют в туманной камере короткие, но более выразительные следы. Поток альфа-частиц называется радиоактивным альфа-излучением. Это наименее проникающая радиация, ее остановит, например, лист бумаги или даже несколько метров воздуха. Естественным источником альфа-излучения является, например, уран, радий, а также радон. Изотоп радона Rn-222 известен своим потенциалом накопления в зданиях, часто происходит его высвобождение из земной коры. Примером искусственного источника альфа-излучения является изотоп Am-241 элемента америция, который в природе обычно не встречается.
Электроны
Разнообразные, часто тонкие и извилистые или тонкие и прямые туманные следы принадлежат электронам. Насколько извивается след электрона, зависит от его энергии. Тогда как электроны с высокой энергией пробивают себе путь в прямом направлении, электроны с более низкой энергией меняют свое направление в результате столкновений с молекулами изопропилового спирта. Электроны в туманной камере берут свое происхождение опять-таки либо от радиоактивных превращений, совершенных на земле, следовательно, как часть естественного радиоактивного фона, или от вторичного космического излучения. Поток электронов называется бета-минус-излучением. Бета-излучение более проникающе, чем альфа-излучение, его можно оттенить, например, пластинкой свинца толщиной 1 мм.
Позитроны
Позитрон – это первая наблюдаемая частица антивещества, aнтичастица электрона. Его след совпадает с электроном, отличить следы этих частиц можно путем размещения tуманной камери в магнитное поле, где следы электронов и позитронов начинают отклоняться в противоположные стороны. В конце концов, именно так позитрон был впервые обнаружен в 1932 году Карлом Андерсоном, который за это открытие получил Нобелевскую премию по физике. Наблюдаемые позитроны приходят из космического излучения или из естественных распадов атомов на земле. Поток излучаемых позитронов называется бета-плюс-излучением. Примером природного источника радиоактивного бета-плюс-излучения является калий 40-К, больше всего которого в бананах. Употребление одного банана представляет собой дозу, соответствующую 1% от средней суточной дозы радиоактивного излучения, обычно действующей на человека. С позитронами мы встречаемся и в медицине, а именно, в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Речь идет о методе визуализации, который отображает отдельные ткани. Этот метод основан на взаимодействии с радиофармпрепаратом, который дается пациенту. Этот радиофармпрепарат является источником бета-плюс-излучения, то есть, источником позитроном. Вылетающие позитроны аннигилируют с электронами, находящимися в атомах тела. Детектор при этом регистрирует фотоны, излучаемые при аннигиляции. В туманной камере аннигиляцию позитронов и электронов можно обнаружить с помощью следов в камере.
Протоны
Заметные следы, которые часто пересекают всю поверхность tуманной камери, — результат движения протонов — частиц, образующих ядра атомов. Эти протоны берут происхождение в космической радиации. Следы протонов могут оставить след на всю видимую область, а также более короткий след или даже просто точку – это зависит от угла, под которым протон проникает в tуманной камери. С протонами мы можем встретиться в медицине, а именно, в области лучевой терапии. В протонной терапии для облучения больной ткани, то есть, опухолей и карцином, используются ускоренные протоны. Протонная терапия является примером использования изначально исследовательского типа устройств для конкретного применения – протоны ускоряются с помощью ускорителя частиц (циклотрона).
РЕДКИЕ
Мюон
Мюоны возникают в результате взаимодействия космического излучения с атмосферой и проникают вплоть до земной поверхности, где мы можем их наблюдать, например, в туманной камере. Мы можем их наблюдать в туманной камере, несмотря на очень короткую продолжительность жизни, благодаря дилатации времени, одному из эффектов специальной теории относительности. Дело в том, что мюоны движутся к земле со скоростью, приближенной к скорости света, поэтому они успевают прибыть на землю до распада.
Если вы увидите в туманной камере след, похожий на след электрона, но обязательно очень выпрямленный (благодаря высокой скорости частиц), вполне возможно, что это именно мюон!
Ливень космического излучения
Космическое излучение представляет собой частицы, прибывающие из космоса на высокой скорости и падающие в атмосферу Земли, где происходит возникновение вторичного космического излучения путем взаимодействия с атомами в атмосфере. В туманной камере мы можем наблюдать космические лучи однозначно благодаря ливню вторичного космического излучения, а именно, как несколько туманных следов, ориентированных в том же направлении в тот же момент. Частицы космического излучения исходят, например, от Солнца, а также межзвездного и межгалактического пространства.
Дельта-электроны
Во время пролета относительно тяжелой частицы с высокой энергией в туманной камере можно наблюдать и следы так называемого дельта-излучения. Это электроны, вырванные из молекул изопропиловым пролетом именно такой тяжелой частицы, как, например, протон. Таким образом, в туманной камере вокруг прямого следа протона видны тонкие следы электронов именно в результате ионизации молекул изопропилового спирта. Именно такие утечки электронов, как правило, называются дельта-излучением, по-английски — delta ray.
Косвенное наблюдение гамма-излучения – Compton scattering
Радиоактивное гамма-излучения не наблюдается в камере Виьльсона непосредственно, поскольку речь идет действительно об излучении, а не потоке заряженных частиц, как в случае альфа-и бета-излучения. Этот факт, однако, можно частично преодолеть. Присоединением источники гамма-излучения к стеклу камеры Вильсона происходит вырывание электронов из молекул, образующих стекло. Эти электроны мы и наблюдаем в камере Вильсона.
Двойной след в форме „ V “ альфа-частиц после распада радона
Следы в форме буквы “V” принадлежает двум альфа-частицам, которые были излучены друг после друга. Если в видимой области камеры Вильсона присутствует радон 220-Р, мы наблюдаем его распад на polonium 216-Ро, который почти сразу распадается на Свинец 212-Pb. Эти два распада сопровождаются излучением всего двух альфа-частиц, чьи следы в камере Вильсона мы и наблюдаем. Радон 220-Р можно инъектировать в видимую область камеры Вильсона благодаря интерактивной кнопке модуля.
Демонстрация периода полураспада радона
Период полураспада — это время, в течение которого распадается половина текущего числа атомных ядер в образце. В камере Вильсона можно наглядно объяснить это понятие при помощи радона 220-Р и характерных следов в виде “V ”. После введения радона 220-Р наблюдательную поверхность камеры Вильсона мы наблюдаем максимальное количество следов в виде “V”. Радон 220-Rn имеет период полураспада одну минуту, поэтому за это время можно увидеть половину “V”– следов. Если подождать еще одну минуту, следовательно, еще один период полураспада, мы увидим в камере Вильсона половину половины “V”–следов из максимального количества, которое мы наблюдали после введения радона 220-Rn. Радон 220-Р можно ввести в видимую область камеры Вильсона благодаря интерактивной кнопке модуля.
Визуализация радиоактивного ряда тория
Радиоактивный ряд тория является одним из четырех основных радиоактивных рядов. Это последовательность элементов, где четко предопределено, на какой следующий элемент распадется предыдущий нестабильный элемент, и какая частица при этом излучится (например, альфа-частица или электрон). В камере Вильсона мы можем наблюдать часть радиоактивного ряд тория, когда после инъектирования радона 220-Р в наблюдательную поверхность видны следы двух альфа-частиц от распада радона 220-Р на полоний 216- Po и его распада на свинец 212-Pb. Радон 220-Р можно ввести в видимую область камеры Вильсона благодаря интерактивной кнопке модуля.
Альфа-частицы, излученные из источника альфа-излучения
Следы частиц радиоактивных излучений можно кроме наблюдения естественного радиоактивного фона наблюдать также путем размещения искусственных источников на наблюдательную поверхность камеры Вильсона. Источником частиц альфа-излучения, альфа-частиц, является например, америций 241-Am. После его размещения на наблюдательную поверхность можно наблюдать следы излученных альфа-частиц. Искусственный источник альфа-частиц америций 241-Am можно разместить в наблюдательной области камеры Вильсона с помощью интерактивной кнопки модуля.
Электроны, излученные из источника бета-излучения
Следы частиц радиоактивных излучений можно наблюдать, кроме наблюдения естественного радиоактивного фона, также путем размещения искусственных источников на видимую область камеры Вильсона. Источником частиц бета-излучения, электронов, например, является стронций 90-Sr. После его размещения в видимой области можно наблюдать всесторонний веер следов излученных электронов. Искусственный источник электронов стронций 90-Sr можно разместить в видимой области камеры Вильсона с помощью интерактивной кнопки модуля.
ОЧЕНЬ РЕДКИЕ
Пион
Пионы — частицы, состоящие из пары элементарных частиц кварков “u” и “d”, они содержат всегда один кварк и один антикварк. В камере Вильсона мы видим только следы заряженных пионов. Следы пионов очень схожи со следами электронов, и, следовательно, трудно различить их следы; это можно по следам в камере Вильсона. Пионы также являются частью вторичного космического излучения, которое возникает в атмосфере взаимодействием первичных частиц космических лучей с частицами атмосферы
Каон
Каоны — частицы, состоящие из одного кварка “с” и одного кварка “u” или “d”, всегда в паре кварк и антикварк. В камере Вильсона эту частицу можно определить только по следам в камере Вильсона при распаде какого-либо каона, причем каоны распадаются на пионы. Каоны были обнаружены на снимках камеры Вильсона в 1947 году при изучении вторичного космического излучения, частью которого они являются.
Elastic proton scattering
Elestic proton scattering является одним из редких явлений, которые можно наблюдать в камере Вильсона Это способ взаимодействия, при котором происходит упругое столкновение двух протонов.
Распад мюонов слабым взаимодействием
В камере Вильсона можно наблюдать распад мюонов слабым взаимодействием на электрон. Этот распад ясно заметен из течения туманного следа. Более толстый туманный след мюона после вдруг резко ломается и утончается – мюон распадается, и мы более тонкий видим след электрона. Другие частицы – мюоновый нейтрино и электронный антинейтрино– в камере Вильсона пока не видны, так как эти частицы не являются электрически заряженными.
Гамма-аннигиляция
Аннигиляция происходит в момент, когда частица встретит в свою античастицу. Наиболее известным примером является аннигиляция электрона и позитрона, при которой возникают два фотона гамма-излучения. В камере Вильсона это явление можно наблюдать как два тонких следа (электрон и позитрон), оканчивающихся в одном и том же месте. Фотон гамма-излучения в камере Вильсона мы пока не наблюдаем, так как эта частица не несет электрического заряда. Это явление можно наблюдать и в обратном порядке, когда фотон распадается на электрон и позитрон, чьи следы, таким образом, исходят из того же места.
Oh-my-god particle – частица ‘О боже мой’
В 1991 году была впервые замечена частица, имеющая ультравысокую энергию, сравнимую, например, с кинетической энергией летящего футбольного шара. Эта частицы, безусловно, берет начало во вселенной, то есть прилетела как часть космического излучения, однако ее точное происхождение до сих пор точно не известно. Частица “О боже мой” больше всего напоминала очень быстро летящий протон. Теоретически такую частицу можно наблюдать в камере Вильсона, тем не менее, пока было замечено лишь несколько таких частиц.
Это фото/схема/видео выпущено под лицензией Creative Commons CC-BY-SA 4.0
Стандартная модель физики элементарных частиц — это теория, описывающая три основные силы (взаимодействия) и основные (элементарные) частицы, из которых состоит вся материя.
Вся вселенная, согласно этой теории, состоит из шести видов так называемых лептонов и шести видов так называемых кварков. Все их отношения можно описать с помощью трех видов взаимодействий – сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. Хотя уже сейчас мы знаем, что эта теория, очевидно, не безупречна, например, она не включает в себя гравитационное взаимодействие, эта теория сейчас признана как до сих пор лучшая модель функционирования вселенной. Электрон, мюон и тауон имеют отрицательный элементарный заряд, таким образом, их можно наблюдать в туманной камере, где чаще всего мы наблюдаем именно электроны, а реже — также мюоны.
Элементарные частицы
La materia è costituita da quark e leptoni. I leptoni comprendono elettroni e le loro varianti “pesanti”, muoni e tauoni, con i neutrini corrispondenti (di elettroni, muoni e tauoni). Per ogni leptone c’è una antiparticella, la più comune delle quali è il positrone, antiparticella dell’elettrone. Gli adroni sono invece particelle composte dalle altre particelle, i quark. Esistono sei tipi quark, e ciascuno ha la sua antiparticella. Esempi di particelle composte da quark sono adroni, neutroni e protoni, che sono le componenti tipiche dei nuclei atomici. Dai quark sono composti anche i cosiddetti “mesoni”, ad esempio il pione e il kaone. Entrambi questi tipi di mesoni sono stati scoperti tramite le camere a nebbia.
Взаимодействие, описанное в стандартной модели физики элементарных частиц, обеспечивают интермедиальные частицы – электромагнитное взаимодействия фотон (свет, гамма-лучи), слабое взаимодействие бозоны W+, W– и Z0 (радиоактивность, а сильное взаимодействие передают глюоны. Особой частицей является бозон Хиггса, которая является частью так называемого поля Зиггса, благодаря которому частицы W+, W– и Z0 имеют ненулевой вес. Бозон Хиггса – последняя открытая частица стандартной модели, это произошло в 2012 году на детекторе CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) организации CERN.