Эволюция оптики и ядерной физики

Как уже упоминалась, А. Беккерель при определении радиоактивности солей урана использовал фотографический способ регистрации излучений. Впоследствии на базе использования фотоэмульсий была создана техника авторадиографии. Сначала использовалась тонкослойная авторадиография для контроля за распределением радиоактивного вещества по поверхности образца. В 1925 разработан метод толстослойных ядерных фотоэмульсий (трековая авторадиография, Л.В. Мысовский), который сначала был применён для определения энергии альфа-частиц, а потом - для исследования космических лучей (М. Блау, 1936). Этим же методом получена фотография следа протона и расщепления ядра азота альфа-частицами, т.е. осуществлено первое наблюдение ядер отдачи (П. Блэкетт, 1925). В 1946 Созданы ядерные фотоэмульсии высокой чувствительности (С. Пауэлл). В 1948 изобретена нейтронная радиография (Х. Кальман). Первый радиометр - прибор для измерения плотности ионизирующих излучений сконструировал У. Крукс. Он же в 1904 открыл эффект сцинтилляций и сконструировал сцинтарископ.

Успех М. Кюри в обнаружении радиоактивности соединений урана и тория связан с оригинальным методом регистрации излучений, основанном на эффекте не задолго до этого открытом П. Кюри и его братом.

Зная, что Беккерель обнаружил, что испускаемое ураном излучение повышает электропроводность воздуха вблизи радиоактивных препаратов, М. Кюри использовала для измерения электропроводности воздуха (и, следовательно, радиоактивности препарата) балансир братьев Кюри, работающий на пьезоэлектрическом кварце. Братья Кюри открыли пьезоэлектричество - появление под действием приложенной извне силы на поверхности некоторых кристаллов электрических зарядов. Ими был открыт и обратный эффект: те же кристаллы под действием электрического поля испытывают сжатие. На основе этих открытий они и создали пьезоэлектрический прибор - эффективный детектор ионизирующего излучения. В основном же учёные того времени следили за радиоактивностью с помощью электроскопов и электрометров - приборов для обнаружения и измерения электрического заряда, основанных на эффекте ионизации воздуха ионизирующем излучением. Со временем, развитие этой техники привело к созданию ионизационных камер (сначала - токовой, потом - импульсной). Ионизационная камера - прибор для регистрации и спектрометрии частиц, представляет собой электрический конденсатор, заполненный газом. Её действие основано на измерении электрического заряда, возникающего при ионизации газа отдельной частицей либо потоком частиц за определённый промежуток времени.

Резерфорд изучал взаимодействие альфа-частиц с веществом с помощью сцинтиллирующего экрана на базе сульфида цинка. В сцинтилляторах (люминофорах) под действием ионизирующего излучения возникают световые вспышки - сцинтилляции. На базе этого явления был разработан сцинтилляционный детектор, предназначенный для регистрации и спектрометрии частиц.

Счётчик представляет собой газонаполненный диод обычно цилиндрический) с тонкой нитью в качестве анода. Действие основано на возникновении в газе в результате его ионизации (при пролёте частицы) электрического разряда (коронного).

Электрический сигнал с детектора усилен за счёт вторичной ионизации газового объёма счётчика и не зависит от энергии, оставленной частицей в этом объёме. Со временем счётчик Гейгера-Мюллера был модифицирован в пропорциональный счётчик спектроскопического типа, который оказался особенно эффективным при регистрации мягкого гамма и рентгеновского излучения.

Дальнейшее развитие систем детектирования ионизирующего излучения привело к разработке метода совпадений (В. Боте, 1924). Метод совпадений является одним из вариантов метода сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют по совпадению отметок на шкалах или сигналах. В 1929 этот метод был применён для исследования космических лучей (опыты В. Боте - В. Кольхерстера). Было обнаружено, что первичное космическое излучение состоит из заряженных частиц очень высокой проникающей способности. В 1925, исследуя вместе с Г. Гейгером эффект Комптона (рассеяние жёстких гамма-лучей на электронах), Боте впервые экспериментально доказал справедливость сохранения энергии и импульса для каждого элементарного акта рассеяния. В 1939 в технику измерений внедрён сцинтилляционный счётчик (X. Кальман). В 1945 изобретен кристаллический (полупроводниковый) счетчик (Г. Ван Хеерден) на котором базируется современная электронная счётная аппаратура. В 1946 создан нейтронный спектрометр. В том же году Б.М. Понтекорво) предложил метод детектирования нейтрино путём использования реакции 37C + н > 37Ar + e-. В 1947 излучение Вавилова - Черенкова впервые использовано для регистрации быстрых частиц. В радиометрию вошли черенковские счетчики (И. Геттинг).

В анализе излучений особо эффективными оказались магнитные спектрометры. По отклонению в магнитном поле в 1900 радиоактивное излучение было разделено на три компонента: альфа-, бета- и гамма-лучи. С их помощью в 1910 было проведено первое определение энергии бета-частиц по их отклонению в магнитном поле (О.Байер, О.Хан). В 1912 создан спектрометр с магнитной фокусировкой (Дж. Даныш).

В измерении массы атомов и заряженных частиц существенную роль сыграли масс-спектрометры.

Принцип действия масс-спектрографа предложен Дж. Томсоном (1907). Он же предложил «метод парабол» для определения относительных масс частиц ионных пучков (1911). На базе точных измерений масс П. Ланжевен ввёл понятие дефекта массы (1913), сыгравшего существенную роль при энергетических расчётах ядерных реакций. Первый масс-спектрометр построен А. Демпстером (1918). В 1919 Ф. Астон сконструировал масс-спектрограф с достаточно высокой разрешающей способностью. В 1927 он получил экспериментальное доказательство, что масса ядра не равна сумме масс входящих в ядро частиц, а меньше этой величины на несколько десятых процента.

В 1912 изобретен прибор для наблюдения следов заряженных частиц (камера Ч. Вильсона). Это был первый трековый детектор заряженных частиц. Действие основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В 1923 камера Вильсона была помещена в сильное магнитное поле, что позволило наблюдать искривления.

Развитие техники эксперимента по исследованию ионизирующих излучений привело к открытию новых эффектов, существенно продвинувших исследование структуры вещества. В качестве примера можно упомянуть 1958 открытие явления ядерного гамма-резонанса без отдачи (эффект Р. Мессбауэра, 1958). К другим примерам относится электронный микроскоп, туннельный микроскоп, метод нейтронографии и др.

Идею электронного микроскопа предложил Г. Буш в 1922. Годом изобретения электронного микроскопа считается 1929. В 1936 изобретен автоэлектронного микроскопа (Э. Мюллер), а в 1937 электронный растровый микроскоп (М.Арденне). В 1970 состоялось долгожданное наблюдение отдельных атомов при помощи сканирующего электронного микроскопа.

Нобелевские премии по физике за создание методов и приборов регистрации частиц.

1907 г. -- А. Майкельсон: За прецизионные оптические приборы и за спектроскопические и метрологические исследования, выполненные с их помощью.1927 г. -- Ч. Вильсон: За открытие метода, делающего видимыми траектории заряженных частиц, с помощью конденсации пара.

1948 г. -- П. Блэккетт: За создание метода камеры Вильсона и открытия, сделанные с его помощью в области ядерной физики и космических лучей.

1950 г. -- С. Пауэлл: За создание фотографического метода и открытия, связанные с мезонами, сделанные с помощью этого метода.

1954 г. -- В. Боте: За метод совпадений и сделанные с его помощью открытия.

1960 г. -- Д. Глезер: За изобретение пузырьковой камеры.

1992 г. -- Г. Чарпак: За открытие и создание детекторов частиц, в частности, многопроволочной пропорциональной камеры.

Основная литература

оптика ядерный физика спектроскоп

1. К.Н. Мухин. Введение в ядерную физику. Атомиздат, М. 1965

2. А.Н. Мурин. Физические основы радиохимии. М.: Высшая школа, 1971.

3. М. Кюри Радиоактивность, Изд-во физ.-мат. Литературы, М. 1960.

4. К. Вандекастеле. Активационный анализ с использованием заряженных частиц. М.: Изд. “Мир”, 1991.

5. Э. Ферми "Ядерная физика", пер. с англ., Москва, изд. "Иностранная литература", 1951 г.

6. В.Е. Левин "Ядерная физика", Москва, Атомиздат, 1985 г.

7. А.С. Герасимов, Т.С. Зарицкая, А.П. Рудик "Справочник по образованию нуклидов в ядерных реакторах", Москва, Энергоатомиздат, 1989 г.

8. В.Д. Сидоренко, В.М. Колобашкин, П.М. Рубцов, П.А. Ружанский "Радиационные характеристики облученного ядерного топлива", справочник, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г.

9. Г. Боуэн, Д. Гиббонс Радиоактивационный анализ, Атомиздат, Москва, 1968

Размещено на Allbest.ru