Описанные выше фундаментальные результаты были получены между 1895 и 1910 г. при помощи самых простых физических средств и изощренной техники химического анализа. Дальнейшие исследования в области ядерной физики требовали разработки более совершенных методов регистрации излучений.
Пролетая в газе или жидкости, быстрая заряженная частица, как и рентгеновский фотон, создает ионизацию. Поэтому такие частицы могут быть обнаружены при помощи ионизационных камер и различных счетчиков, например при помощи счетчика Гейгера — Мюллера. Лучшие конструкции счетчиков Гейгера — Мюллера позволяют регистрировать до 107 разрядов в 1 с.
Если частица настолько энергична, что выходит из счетчика о достаточной энергией, то она может заставить сработать и второй счетчик. Это дает возможность, усложнив радиотехническую часть приемного аппарата, регистрировать только частицы, прошедшие через два или несколько счетчиков; по расположению счетчиков можно судить о направлении движения ионизирующей частицы.
Люминесцентные счетчики используют свечение, вызываемое быстрыми частицами при попадании на некоторые вещества, что было применено уже в первых опытах Резерфорда.
Рис 15.1
Современные люминесцентные счетчики (рис. 15.1) имеют люминесцирующий кристалл 1; свет, вызванный поглощенной частицей, попадает на чувствительный фотокатод 2; фотоэлектроны направляются к вспомогательным электродам, имеющим более высокий потенциал, и вызывают там вторичную эмиссию электронов. Схема включения такова, что электроны вторичной эмиссии летят с каждого электрода на следующий, пока не будут захвачены анодом 3. Импульс, получившийся при этом на резисторе R, подается в регистрирующее радиотехническое устройство. Так как вспомогательные электроды имеют электронный выход, превышающий единицу (т. е. на каждый пришедший электрон рождается от 3 до 10 электронов), то получается усиление сигнала в тысячи раз, что позволяет регистрировать и не слишком энергичные частицы. Интенсивность выходного сигнала оказывается линейно связанной с энергией первичной частицы; быстрота счета очень велика (до 106 частиц в 1 с).
Разновидностью люминесцентных счетчиков является черенковский счетчик. В нем используется эффект Черенкова— создание остронаправленного излучения заряженной частицей, движущейся в среде со скоростью, превышающей скорость света. Так как угол раствора светового конуса
где с/n — скорость света в среде, v — скорость частицы, то счетчик позволяет отделить одни частицы от других. Так, если в опыте получаются частицы со скоростями v1 и v2, то, выбрав вещество, в котором скорость света удовлетворяет неравенству:
ν1<c/n<ν2,
мы сможем регистрировать только более быстрые частицы. Кроме того, черенковский счетчик позволяет определить направление приходящих частиц.
В полупроводниковых счетчиках дополнительная ионизация, созданная заряженной частицей, вызывает импульс тока, доступный регистрации после соответствующего усиления. Так как используемый слой полупроводника тонок, то быстрые частицы проходят через него, сохранив часть энергии. Но для медленных частиц, имеющих низкую энергию, полупроводниковые счетчики весьма удобны.
Кроме счетчиков, существуют приемники, регистрирующие траекторию частицы, что позволяет получить дополнительные сведения о свойствах последней.
Камера Вильсона, изобретенная в 1912 г., представляет собой сосуд, заполняемый переохлажденным паром. Если туда попадает ионизирующая частица, то на ионах начинается конденсация пара.
Рис. 15.2
Рис 15.3
Объяснить это можно так. У поверхности микроскопических капель, случайно образующихся в переохлажденном паре, давление насыщенного пара повышено, что препятствует дальнейшей конденсации. Поэтому такие случайные капли появляются и исчезают по закону случая. Но когда капля заряжена, то электростатические силы уменьшают дополнительное давление и вероятность конденсации возрастает.
Процесс регистрации частиц в камере заключается в следующем. В камере создается насыщенный пар. Быстрое увеличение объема камеру приводит к охлаждению пара и его перенасыщению. Если в этот момент в камеру попадает частица, создающая ионизацию, то возникает конденсация на цепочке ионов — туманный след частицы. След обрывается, когда энергия частицы становится малой, и она перестает ионизировать газ, имеющийся в камере. Этот след фотографируется, и камера возвращается в исходное состояние.
Громадным преимуществом камеры Вильсона является возможность определить заряд и энергию частицы. Если камера находится в магнитном поле, линии индукции которого перпендикулярны вектору скорости частицы, то след искривляется. По направлению искривления и радиусу кривизны можно судить о знаке заряда и импульсе частицы. А по характеру ионизации и длине следа можно оценить энергию частицы. Таким образом, определяется и масса частицы, и ее скорость.
На рисунке 15.2 представлена фотография следов, оставляемых альфа-частицами, покидающими распадающиеся радиоактивные ядра. Для этих следов характерна значительная толщина (т. е. интенсивная ионизация газа) и прямолинейность (так как масса альфа-частицы в 7000 раз превосходит массу электронов, с которыми она взаимодействует).
Следы частиц в камере, помещенной в магнитное поле с вектором индукции, направленным из-за чертежа, показаны на рисунке 15.3. Частицы влетают сверху. Применяя правило левой руки, убеждаемся в положительности заряда частицы. Кривизна следа позволяет судить об импульсе частицы. Современные камеры управляемы: расширение происходит только по сигналу счетчика, предварительно зарегистрировавшего прохождение частицы, после счетчика она попадает в камеру. По ряду технических причин объем-камеры невелик, и это мешает регистрации частиц высоких энергий — их следы не умещаются в объеме камеры.
Недостатком камеры является также медленность ее работы: за минуту можно провести всего 3—4 цикла.
Для частиц, обладающих высокими энергиями (сотни мегаэлектронвольт и больше), применяются пузырьковые камеры. В такой камере под высоким давлением находится перегретая жидкость. Случайные пузырьки пара, образующиеся в ней, расти не могут. Но при резком сбросе давления, если в этот Момент в жидкость попадает заряженная частица, вдоль ее следа произойдет парообразование, и цепочка пузырьков пара может быть сфотографирована. Видимо, в образовании пузырьков играют роль и электрические силы, и дополнительный нагрев жидкости быстрой частицей. Так как плотность жидкости много больше плотности пара, то расход энергии на ионизацию (на единицу длины пути частицы) в жидкости гораздо больше. Поэтому в жидкости удается, тормозить и весьма энергичные частицы.
Фотографическая регистрация частиц очень высокой энергии производится при помощи пластинок с толстым слоем фотоэмульсии (сотни микрометров вместо обычных 10 мкм). После проявления пластинки в эмульсии появляются черные следы — металлическое серебро, выделившееся вдоль следа. По длине и плотности следа можно судить об энергии и массе частицы. Частица тормозится в эмульсии примерно в тысячу раз сильнее, чем в газе, что позволяет регистрировать очень быстрые частицы. Так как оставленный частицей след может длительно храниться (до проявления), то пластинки можно поместить в труднодоступном месте на длительное время, причем они все время готовы к работе.
Сравнительно новым прибором является искровая камера. Основу ее составляют тонкие металлические параллельные пластины, образующие систему плоских конденсаторов. Пластины соединены вместе (через одну) и подключены к источнику высоковольтных импульсов. Если непосредственно перед подачей импульса через камеру прошла ионизирующая частица, то импульс создаст разряд вдоль ее траектории (где проводимость газа, заполняющего камеру, повышена). Искры фотографируют; таким образом, получается след, похожий на следы в камере Вильсона.
Незаряженная частица, проходя через регистраторы, обычно не создает там ионизации. Но, взаимодействуя непосредственно с ядром одного из атомов вещества, заполняющего камеру, она может отдать ему столь значительную энергию, что ядро, покинув электронную оболочку, само создаст ионизацию и оставит след, позволяющий судить о происшедшем столкновении. Именно так был открыт (в 1932 г.) нейтрон, предсказанный Резерфордом еще в 1920 г.