Pilvi kammio

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 22. elokuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 17 muokkausta .

Wilson-kammio ( kondensaatiokammio , sumukammio ) on nopeasti varautuneiden hiukkasten jälkien ilmaisin , joka käyttää ionien kykyä toimia vesipisaroiden ytimina alijäähdytetyssä ylikyllästetyssä höyryssä .

Alijäähdytetyn höyryn luomiseksi käytetään nopeaa adiabaattista laajenemista, johon liittyy jyrkkä lämpötilan lasku.

Nopeasti varautunut hiukkanen, joka liikkuu ylikylläisen höyryn pilven läpi, ionisoi sen. Höyryn kondensaatioprosessi tapahtuu nopeammin paikoissa, joissa ioneja muodostuu. Seurauksena on, että sinne, missä varautunut hiukkanen on lentänyt, muodostuu jälkiä vesipisaroista, jotka voidaan kuvata. Tämän tyyppisten raitojen ansiosta kamera sai englanninkielisen nimensä - cloud chamber . 

Pilvikammiot sijoitetaan yleensä magneettikenttään, jossa varautuneiden hiukkasten liikeradat ovat kaarevia. Radan kaarevuussäteen määrittäminen mahdollistaa hiukkasen ominaissähkövarauksen määrittämisen ja siten sen tunnistamisen.

Skotlantilainen fyysikko Charles Wilson keksi kameran vuonna 1912 . Kameran keksimisestä Wilson sai fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1927 . Vuonna 1948 Patrick Blackett sai Nobelin pilvikammion parantamisesta ja sen avulla tehdystä tutkimuksesta .

Historia

Jo 1800-luvun viimeisellä neljänneksellä Coulierin, Kisslingin ja Aitkenin teokset osoittivat, että pölyllä on tärkeä rooli sumun muodostumisessa . Yrittäessään luoda tämän luonnonilmiön uudelleen laboratoriossa tutkijat havaitsivat, että sumu ei muodostu puhdistetussa ilmassa [1] . Havaittiin myös, että pisaroita muodostuu juuri pölyhiukkasten ympärille ja niiden mitat ovat kooltaan luokkaa. Tämä oli ratkaisu lordi Kelvinin havaitsemaan ongelmaan, jonka mukaan vesipisaran kasvaessa sen täytyy käydä läpi vaihe, jossa sen mitat ovat verrattavissa molekyylien kokoon, mutta sen kokoinen pisara haihtuu niin nopeasti. että se katoaa.

Vuonna 1897 Wilson osoitti, että jopa pölyttömässä ilmassa sumu muodostuu laajeneessaan yli 1,37 kertaa. Tässä tapauksessa, kun se laajenee 1,25 - 1,37 kertaa, muodostuu vain yksittäisiä pisaroita. Vuonna 1899 hän havaitsi myös, että jos röntgenputkeen laitetaan tietty määrä uraania , alkaa sumu muodostua jopa 1,25:n laajeneessa [1] . Joseph Thomson osoitti, että näissä tapauksissa ioneista tulee kondensaatiokeskuksia .

Wilson havaitsi myös, että vesi kondensoituu todennäköisemmin negatiivisesti varautuneisiin ioneihin. Thomas Lebe tutki muiden aineiden höyryjä ja havaitsi, että kaikilla hänen testaamillaan aineilla (etikkahappo, kloroformi, etyylialkoholi, klooribentseeni ja muut) on päinvastainen taipumus - positiiviset ionit aiheuttavat kondensaatiota nopeammin kuin negatiiviset [1] .

Ensimmäinen Wilsonin vuonna 1912 kehittämä varattujen hiukkasten ilmaisin näytti lasisylinteriltä, ​​jonka halkaisija oli 16,5 cm ja korkeus 3,5 cm. Kammion sisällä oli säiliö, jossa oli veteen upotettu puurengas. Renkaan pinnasta haihtumisen vuoksi kammio kyllästyi höyryllä. Kammio yhdistettiin venttiilillä varustetulla putkella pulloon, josta ilma poistettiin. Kun venttiiliä käännettiin, paine laski, ilma jäähtyi ja höyry kyllästyi , minkä vuoksi varautuneista hiukkasista jäi taakseen sumuliuskoja [2] . Samalla sytytettiin kamera ja valot.

Kameran suurin haittapuoli oli sen pitkä valmistelu työhön. Tämän puutteen voittamiseksi Takeo Shimizu [3] loi vuonna 1921 kamerasta vaihtoehtoisen version, joka oli varustettu männällä. Se liikkui jatkuvasti, puristaen ja laajentaen ilmaa niin, että valokuva voitiin ottaa muutaman sekunnin välein. Shimizu-malli ei kuitenkaan aina pystynyt tarjoamaan hyvää kuvanlaatua, koska siinä oleva ilma laajeni liian hitaasti [1] .

Vuonna 1927 Pjotr ​​Kapitsa ja Dmitri Skobeltsin ehdottivat kameran sijoittamista vahvaan magneettikenttään . Tämä teki helpoksi erottaa kuvissa positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiden hiukkasten jäljet ​​sekä määrittää niiden massa-varaussuhteen [4] .

Vuonna 1927 pyrkiessään yhdistämään kunkin mallin parhaat puolet Patrick Blackett muokkasi Shimizu-kammiota lisäämällä siihen jousen, mikä tarjosi jyrkän laajennuksen. Vuonna 1929 hänen paranneltu kameramallinsa otti yli 1 200 kuvaa päivässä, joista jokaisessa näkyi kymmeniä alfahiukkasten jälkiä. Blackett otti ensimmäisen kerran valokuvia alfahiukkasten aiheuttamasta typen ytimien halkeamisesta.

Vuonna 1930 L. V. Mysovsky ja R. A. Eichelberger suorittivat kokeita rubidiumilla , ja β-hiukkasten päästöt rekisteröitiin pilvikammiossa . Myöhemmin löydettiin 87Rb-isotoopin luonnollinen radioaktiivisuus [ 5 ] . Vuonna 1932  KD Anderson löysi positronin kosmisista säteistä.

Vuonna 1933 Wilson ehdotti erilaista kammiorakennetta, jossa käytettiin kumikalvoa männän sijaan [1] .

Samana vuonna Blackett ja Giuseppe Occhialini kehittivät kammiosta version, joka laajeni vain, kun kaksi laskuria ammuttiin, yksi sen yläpuolella ja toinen sen alapuolella. Tämä muutos mahdollisti merkittävästi kameran tehokkuuden lisäämisen siinä tapauksessa, että sen on vangittava harvinaisia ​​tapahtumia, kuten kosmisia säteitä . Blackett ja Occhialini osoittavat, että 80 % tällä tavalla saaduista valokuvista sisälsi jälkiä kosmisista säteistä [1] .

Vuonna 1934 L. V. Mysovsky ja M. S. Eigenson suorittivat kokeita, joissa pilvikammion avulla todistettiin neutronien väitetty läsnäolo kosmisten säteiden koostumuksessa [5] . (Huomaa: vapaiden neutronien elinikä (noin 17 minuuttia) ei salli niiden olla osa kosmisia säteitä; niitä voi muodostua vain ydinreaktioissa, joihin liittyy kosmisia säteitä.)

Vuonna 1952 Donald Glaser keksi kuplakammion , minkä jälkeen pilvikammion merkitys väheni. Kuplakammio mahdollisti tapahtumien tallentamisen tarkemmin ja useammin, ja siitä tuli siksi uuden tutkimuksen pääväline.

Rakennus

Tyypillisesti pilvikammio koostuu sylinteristä, joka sisältää höyryllä kyllästettyä ilmaa, ja männästä, joka voi liikkua tässä sylinterissä. Kun mäntä lasketaan alas, ilma jäähtyy jyrkästi ja kammio soveltuu työhön. Toisessa, nykyaikaisemmassa versiossa käytettiin kumikalvoa männän sijaan [1] . Tässä tapauksessa kammiossa on rei'itetty pohja, jonka alla on kalvo, johon pumpataan paineen alaisena ilmaa. Sitten työn aloittamiseksi sinun tarvitsee vain vapauttaa ilmaa kalvosta ilmakehään tai erityiseen säiliöön. Tällaiset kammiot ovat halvempia, helpompia käyttää ja lämpenevät vähemmän käytön aikana.

Matalaenergiahiukkasten osalta kammion ilmanpainetta alennetaan alle ilmakehän paineen, kun taas korkeaenergisten hiukkasten kiinnittämiseksi ilmaa päinvastoin pumpataan kammioon kymmenien ilmakehän paineella. Kammio täytetään vesihöyryllä ja etyylialkoholilla ja kondensaatioytimet poistetaan ennenaikaisen kondensaation välttämiseksi, mikä johtaa ylikyllästyneeseen höyryyn , joka on valmis muodostamaan siihen jälkiä. Tällaista seosta käytetään, koska vesihöyry kondensoituu paremmin negatiivisiin ioneihin ja etanolihöyry positiivisiin ioneihin [2] .

Kammion aktiivisen toiminnan aika kestää sekunnin sadasosista useisiin sekunteihin siirtyen ilman laajenemisesta ja siihen asti, kunnes kammio täyttyy sumulla, minkä jälkeen kammio tyhjenee ja se voidaan käynnistää uudelleen. Täysi käyttöjakso on yleensä noin minuutti [2] . Säteilylähde voidaan sijoittaa kammion sisälle tai sen ulkopuolelle. Tässä tapauksessa hiukkaset tulevat kammioon läpinäkyvän näytön kautta.

Käyttö

Pilvikammion merkitystä alkeishiukkasfysiikassa tuskin voi yliarvioida – se oli vuosikymmeniä ainoa tehokas tapa tarkkailla suoraan alkuainehiukkasten jälkiä. Sen avulla löydettiin positroni ja myoni , ja tutkittiin myös alfahiukkasten ydinreaktioita typpiatomien kanssa [6] . Kupla- ja kipinäkammion keksimisen jälkeen pilvikammion merkitys alkoi laskea, mutta kehittyneempiin ilmaisimiin verrattuna huomattavasti halvempien kustannusten vuoksi sitä käytetään edelleen joillakin teollisuudenaloilla.

Spesifinen ionisaatio

Spesifinen ionisaatio on ioniparien lukumäärä, jonka hiukkanen muodostaa lentäessään aineen läpi etäisyysyksikköä kohti. Tässä tapauksessa atomeista syrjäytyneillä elektroneilla voi olla riittävästi energiaa muiden atomien ionisoimiseksi. Tätä ilmiötä kutsutaan toissijaiseksi ionisaatioksi. Pilvikammiossa tällaiset elektronit näyttävät haaralta hiukkasen pääradalta tai yksinkertaisesti höyrymöykkyiltä (jos elektronien energia ei ole kovin korkea). Spesifinen ionisaatio voidaan laskea monin tavoin (esim. Geiger-laskuria käyttämällä), mutta pilvikammio on yksinkertaisin menetelmä primaarisen ja sekundaarisen ionisaation erottamiseen [1] .

Kilometrimäärä

Aineessa olevan hiukkasen polun pituus on tärkeä indikaattori, ja se on tunnettava säteilysuojauksen kannalta. Pilvikammiossa voit mitata sekä keskimääräisen ajon että ajojen jakautumisen [1] . Näiden tietojen avulla on mahdollista määrittää tarkasti sekä hiukkasen energia että tämän tyyppistä säteilyä estävän suojakerroksen paksuus.

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 WILSON CHAMBER JA SEN SOVELLUKSET FYSIIKASSA Arkistoitu 11. elokuuta 2017 Wayback Machinessa  (venäjäksi)
  2. ↑ 1 2 3 Pilvikammio Arkistoitu 27. tammikuuta 2021 Wayback Machinessa  (venäjäksi)
  3. ↑ Pilvikammio ja sen metamorfoosit Arkistoitu 1. toukokuuta 2021 Wayback Machinessa 
  4. ↑ Pilvikammio Arkistoitu 2. heinäkuuta 2013 Wayback Machinessa  (venäjäksi)
  5. ↑ 1 2 Meshcheryakov M. G. , Perfilov N. A. Lev Vladimirovich Mysovskin muistoksi (hänen 70-vuotissyntymäpäivän kunniaksi)  // UFN:n numero: UFN:n kokoelma. - M. , 1963. - Numero. marraskuuta .
  6. ↑ Ydinfysiikan perusteet. Nuclear Technology arkistoitu 1. toukokuuta 2021 Wayback Machinessa  (venäjäksi)

Kirjallisuus

Ulkoiset linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa