Základy programu Editor rovnic

Prepis

1 7 HISTORICKÝ VÝVOJ DETEKTOROV (príloha) H.Becquerel francúzsky fyzik FOTOGRAFICKÁ EMULZIA Najstarší spôsob registrácie častíc je pomocou fotografických emulzií, ktoré používal už Henri Becquerel koncom 19-teho storočia. Emulzie obsahujú zlúčeniny striebra v drobných kryštálikoch. Pri prelete častice cez fotoemulziu nastáva ionizácia, pri ktorej sa tieto zlúčeniny striebra rozrušujú. S rastom ionizácie rastie aj počet uvoľnených atómov striebra, ktoré po vyvolaní (podobne ako sa vyvolá klasický fotografický film) vytvárajú čierne zrná na snímku. Takto je stupeň sčernania mierou ionizácie. Obr.1 Fotografická emulzia plní zároveň aj funkciu terčíka. Na obrázku je zaznamenaná zrážka jadra kyslíka s jadrom emulzie. Všeobecne platí, že čím má častica väčší náboj a čím sa pohybuje pomalšie, tým väčšiu ionizáciu spôsobí. A naopak, čím je jej náboj menší a pohyb rýchlejší, tým je ionizácia menšia. Informáciu o druhu častice možno získať aj z doletu, t.j. dĺžky dráhy, ktorú častica prejde, kým, sa v prostredí zastaví. C. T. R. Wilson škótsky fyzik HMLOVÁ KOMORA Prvú hmlovú komoru zostrojil Charles T. R. Wilson v roku Princíp registrácie spočíva v tom, že nabitá častica prelieta nasýtenými vodnými parami. Vo Wilsonovej hmlovej komore je para udržovaná v presýtenom stave, to znamená pri takých teplotách a tlakoch, že stačí sebamenší zásah zvonku a para začne kondenzovať. Tým zásahom môže byť aj prelet nabitej častice, ktorá na svojej dráhe ionizuje atómy a molekuly. Vzniknuté ióny sa stávajú centrami, na ktorých para kondenzuje na kvapôčky hmly. Hmla je na rozdiel od pary viditeľná, takže sa tým zviditeľní dráha častice. Stačí len v okamihu kondenzácie jav osvetliť a vyfotografovať. Dráha častice je takýmto spôsobom zaznamenaná. 1

2 Pretože para nie je príliš hustá, tento prístroj nebol vhodný na pozorovanie interakcií častíc v prípadoch, kedy materiál detektora plní funkciu terčíka. Jednoducho v terčíku nie je dosť látky. Vhodnejšie sú potom fotografické emulzie a bublinové komory. D. Glaser 1926 americký fyzik BUBLINOVÁ KOMORA V polovici minulého storočia sa rýchlo rozšírilo používanie bublinovej komory, ktorú vyvinul Donald Glaser v roku Od hmlovej komory sa líši predovšetkým tým, že namiesto nasýtenej pary používa prehriatu kvapalinu. Bublinová komora je uzavretá nádoba dlhá niekedy aj niekoľko metrov, naplnená kvapalinou (napr. propánom, freónom alebo často vodíkom, ktorý má bod varu okolo -253 o C). Komora je vybavená pohyblivým piestom, ktorý umožňuje meniť tlak nad hladinou. Najprv sa stlačí piest dole a teplota sa udržuje na úrovni tesne pod bodom varu. Na komoru necháme dopadať častice, ktoré v kvapaline zanechávajú stopy v podobe ionizovaných molekúl. Teraz posunieme piest nahor, čím sa tlak prudko zníži asi na pätinu. Kvapalina sa dostane do prehriateho stavu a začne vrieť, ale najprv len v mieste preletu častice. Pozdĺž jej dráhy sa objavia prvé bublinky, ktoré sa nechajú trochu narásť. Tento jav zaznamenáme vyfotografovaním. Aby sa kvapalina nedostala do búrlivého varu, rýchlo stlačíme piest zasa dolu. Týmto zvýšením tlaku para v komore následne skvapalnie a bublinová komora je pripravená na ďalší snímok. Väčšina bublinových komôr je obklopená aj magnetom, ktorý vytvára silné, homogénne magnetické pole pokrývajúce celý objem komory. Dráhy nabitých častíc, pohybujúcich sa v takomto poli, sú potom zakrivené na jednu alebo druhú stranu podľa znamienka náboja častice. Veľkosť zakrivenia závisí od hybnosti častice, pričom dráha rýchlej častice sa stáča oveľa menej ako dráha pomalej častice. Z nameraného polomeru krivosti sa potom dá vypočítať hybnosť častice. Obr.2 Schematické znázornenie bublinovej komory. Z bublinových komôr boli získané milióny fotografií procesov, ktoré v nich 2

3 Dráhy častíc získané z bublinovej komory. prebehli. Ich analýza si vyžiadala nesmierne úsilie, pretože fotografie sa museli prezerať a všetky dráhy častíc merať. Väčšina práce bola prevedená manuálne, pretože je veľmi ťažké zautomatizovať proces rozpoznania dráhy. Na obrázku je vždy zachytených mnoho vecí, nezaujímavé udalosti, častice zväzku prechádzajúce komorou bez interakcie, mimovoľne vzniknuté bublinky, ktoré nemajú nič spoločné s dráhami častíc atď. Na fotografiách z bublinových komôr bolo objavených mnoho nových častíc a na začiatku sedemdesiatych rokov určité typy zrážok častíc hrali kľúčovú úlohu pri overení kalibračných teórií. IONIZAČNÁ KOMORA Ionizačná komora je v podstate uzatvorená nádoba naplnená nejakým plynom. Medzi kovovými elektródami je udržované elektrické napätie, ale prúd nepreteká, pretože plyn je izolant. Ak preletí medzi elektródami nabitá častica, plyn sa ionizuje, stáva sa vodivým a prúd začne pretekať. Komorou sa meria teda celkový náboj prenesený v dôsledku ionizácie. GEIGER-MÜLLEROV POČÍTAČ Podobným zariadením je Geiger-Müllerov počítač, v ktorom jedna elektróda má tvar valcovej trubice a druhá je tvorená drôtom umiestneným v jej osi. Pracuje však pri podstatne vyššom napätí a neregistruje celkový náboj, ale len prelet každej častice zvlášť. Geiger-Müllerov počítač. ISKROVÉ KOMORY Iskrové komory, ktoré vyvinul japonský fyzik Shuji Fukui, sú zložené z paralelných kovových dosiek, medzi ktorými je určitý plyn. Keď plynom prelieta nabitá častica, zanecháva za sebou stopu iónov a elektrónov. Ak pripojíme na dosky vhodne zvolené vysoké napätie, tak pozdĺž reťazca vzniknutých iónov prebehne iskra. Týmto spôsobom sa dráha častice zviditeľní ako rad iskier, čo si môžeme vyfotografovať. Materiál dosiek môže byť súčasne aj terčíkom a v tom prípade budeme študovať interakcie pri stretnutí častíc zväzku s atómovým jadrom materiálu dosky. 3

4 Obr.3 Schematické znázornenie iskrovej komory. Iskrové komory majú niekoľko výhod. Predovšetkým môžu byť s veľkou presnosťou spustené pulzným napätím. Môžeme tak získať fotografie len tých typov prípadov interakcií, ktoré nás v danom experimente zaujímajú. Keď sa navyše použijú veľmi hrubé kovové dosky s veľkou hustotou, terčíkové jadro bude mať veľkú hmotnosť, a práve to je potrebné pri štúdiu ťažko detekovateľných častíc, ako je napríklad neutríno. Plastikové scintilačné detektory. SCINTILAČNÉ DETEKTORY Prechádzajúce nabité častice môžu v určitých organických látkach vyvolať viditeľné záblesky svetla. Tie boli pôvodne objavené v naftalíne, v látke používanej na výrobu guličiek proti moliam. Dochádza k tomu tak, že v zložitých organických molekulách môžu byť elektróny vybudené do vyšších energetických stavov, ale atóm neopustia. Hovoríme, že molekuly sú excitované. Keď sa potom po určitom čase, charakteristickom pre danú molekulu, vracajú naspäť do pôvodného stavu, je uvoľnená energia vo forme svetelných kvánt - fotónov. Emitované svetlo môže byť pozorované ako veľmi krátke, modro sfarbené záblesky. Na tomto jave sú založené scintilačné detektory. Fotón alebo elektricky nabitá častica prechádzajúca príslušnou látkou vyvoláva malé záblesky svetla, ktoré boli v minulosti pozorované priamo očami, dnes sa už registrujú elektronicky pomocou fotonásobičov. 4

5 Obr.4 Schéma činnosti scintilačného detektora. Scintilátor, kryštál jodidu sodného (NaI), je znázornený žltou farbou. P. A. Čerenkov ruský fyzik Černkovovo žiarenie v jadrovom reaktore. chyba ČERENKOVOVE DETEKTORY Ďalšiu možnosť pozorovania častíc nám dáva Čerenkovovo žiarenie. To vzniká vtedy, ak sa častica pohybuje rýchlejšie ako svetlo. Tu si určite spomeniete na tvrdenie, že žiaden predmet nemôže dosiahnúť alebo prekročiť rýchlosť svetla. Ako sa môže pohybovať častica rýchlejšie ako svetlo? Je to vôbec možné? Pozor však, v predchádzajúcom tvrdení ešte niečo chýba - touto nedosiahnuteľnou rýchlosťou je rýchlosť svetla vo vákuu, vo vzduchoprázdne. V každom inom prostredí, či už je ním plyn, kvapalina alebo tuhá látka, sa svetlo šíri pomalšie než vo vákuu. Takže pri pohybe prostredím môže častica predstihnúť svetlo. Vzniká podobný jav ako pri šírení zvukovej vlny nadzvukového lietadla: vlnenie sa oneskoruje za svojím zdrojom. Prelietajúca častica za sebou zanecháva rozširujúci sa svetelný kužeľ. Žiarenie sa nazýva Čerenkovovo podľa ruského fyzika, ktorý ho objavil. Obvykle má namodralú farbu a môže byť celkom zreteľne pozorované pri pohľade do jadrového reaktora s ťažkou vodou. Uhol roztvorenia príslušného svetelného kužeľa závisí od toho, ako veľmi rýchlosť častice prevyšuje rýchlosť svetla. Tento uhol môžeme teda využiť práve k určeniu rýchlosti danej častice. Na popísanom princípe sú založené Čerenkovove detektory. 5