Как работают счетчик Гейгера и камера Вильсона?
Полярное сияние у нас дома
Планетарная модель атома, не меняясь в своей основе, стала усложняться, дополняться, обрастать новыми важными деталями и подробностями.
Физикам, в частности, удалось доказать, что на одной орбите не могут существовать даже два электрона в совершенно одинаковых энергетических состояниях (знаменитый принцип Паули).
Близкие орбиты электронов образуют электронные оболочки. Природа, как оказалось, удивительно разнообразно расселила электроны на вращающихся оболочках — этажах каждого атома.
Стала, наконец, понятна глубокая физическая основа периодического закона Менделеева.
Энергичные электроны, испускаемые Электронной «пушкой» внутри вакуумной камеры, могут разогреть и испарить любое тугоплавкое вещество, даже вольфрам.
Свойства химического элемента прежде всего зависят от заряда ядра атома и количества электронов на самых верхних орбитах. Ведь, вступая в химические реакции или объединяясь в молекулы, атомы отдают или принимают электроны верхних орбит, стремясь иметь до конца заполненную внешнюю электронную оболочку.
И физики «раскрыли» химикам глаза на строение электронных оболочек элементов. Выяснилось, например, что даже в самой активной химической реакции водороду позволяется отдать или принять только один электрон, а углероду — четыре.
Совершенно справедливо Дмитрий Иванович Менделеев поместил водород в первую группу своей периодической таблицы, углерод — в четвертую…
Развитие техники єксперимента
Продолжала совершенствоваться и техника физического эксперимента. Был изобретен счетчик Гейгера и создана камера Вильсона для регистрации и наблюдения пролета быстрых заряженных частиц, таких, как альфа-частицы или электроны.
В счетчик Гейгера— кварцевую трубочку, заполненную газом, обычно аргоном,— впаяны два металлических электрода, катод и анод, на которые подается высокое электрическое напряжение от внешнего источника электроэнергии, например от батареи электрохимических аккумуляторов. Попадающая в счетчик заряженная частица вызывает ионизацию газа — «отрывает» внешние электроны от атомов, оставляя на своем пути цепочку электронов и ионов — остатки атомов, которые после ухода части отрицательно заряженных электронов оказались положительно заряженными. Катод и анод на какую-то долю секунды замыкаются через возникшую в газе проводящую цепочку из ионов и электронов — и во внешней электрической цепи возникает всплеск тока, по которому исследователи с уверенностью судят о попадании частицы в счетчик.
Все три полярных сияния — розовое, запечатленное рукой художницы, зеленое, зарисованное космонавтом Ю. В. Романенко с борта орбитальной станции «Салют-6», и голубое, заснятое фотографом, — рождены электронами, влетающими в атмосферу из радиационных поясов Земли и заставляющими ее светиться.
Но как увидеть частицу или хотя бы ее след в веществе? Это позволяет сделать камера Вильсона, созданная ее автором, может быть, после длительных наблюдений за лондонскими туманами…
Внутри камеры — газ, перегретые пары воды или спирт, вот-вот готовые превратиться в жидкость. Быстрая заряженная частица, пролетая через камеру Вильсона, оставляет на своем пути след из мельчайших капелек жидкости, которые можно сфотографировать через прозрачные стенки камеры.
В камере можно «столкнуть» две, три частицы и увидеть, что из этого получится; в ней легко зафиксировать искривленный путь альфа-частицы, прошедшей слишком близко от ядра какого- либо из атомов металлической фольги.
Скоростная фотография следов частиц в камере Вильсона заменила собой утомительное ожидание у светящегося экрана и телеграфной ленты.
Следы частиц можно увидеть и в толстых слоях особых фотопленок и даже… в обычных стеклах. Если облученные стекла опустить на время в раствор кислоты, то в местах попадания частиц образуются красивые звездные узоры. По рисунку узора специалисты легко узнают почерк многих известных частиц.Некоторые стекла к тому же быстро заряжаются при бомбардировке частицами и долго хранят накопленный заряд.
Однажды мой молодой друг физик Володя Цетлин, возвращаясь из Дубны, подмосковного центра ядерных исследований зашел к нам домой и устроил в темной передней маленький физический опыт, который, конечно, больше всего понравился моей дочери. К стеклам, побывавшим внутри ускорителя заряженных частиц, он приложил тонкий металлический стержень. Заряд, накопившийся в стеклах, мгновенно стекся к стержню, и в месте его прикосновения к стеклу возникла яркая вспышка. Стеклянная пластинка на несколько секунд озарилась изнутри переливчатым светом, похожим на сполохи полярного сияния… И я вспомнил при этом слова Мари Склодовской-Кюри: «Ученый… это ребенок лицом к лицу с явлениями природы, действующими на него как волшебная сказка».
Источник: Марк Колтун “Мир физики“.
