Experimentální metody pro studium částic: tabulka

V tomto článku pomůžeme připravit se na lekci ve fyzice (stupeň 9). Experimentální metody pro studium částic nejsou obyčejným tématem, ale velmi zajímavou a vzrušující exkurzí do světa molekulární jaderné vědy. K dosažení této úrovně pokroku dokázala civilizace docela nedávno a vědci stále argumentují, ale tyto znalosti skutečně záleží na lidstvu? Koneckonců, jestliže lidé mohou opakovat proces atomové exploze, která vedla k vzniku vesmíru, možná se zhroutí nejen naše planeta, ale celý vesmír.

Na jaké částice mluví a proč by měly být vyšetřovány?

Část odpovědí na tyto otázky je dána průběhem fyziky. Experimentální metody studia částic jsou způsob, jak zjistit, co je pro člověka nepřístupné, i když používáte nejmocnější mikroskopy. Ale o všechno v pořádku.

Elementární částice je kumulativní termín, čímž míníme částice, které již nelze rozdělit na menší části. Celkově objevili fyzici více než 350 elementárních částic. Nejvíce jsme zvyklí slyšet o protonech, neuronech, elektronách, fotonech, kvarcích. Jedná se o takzvané základní částice.

Charakteristika elementárních částic

Všechny nejmenší částice mají stejnou vlastnost: mohou být vzájemně přeměněny pod vlivem jejich vlastního dopadu. Některé mají silné elektromagnetické vlastnosti, jiné slabé gravitační. Ale všechny elementární částice jsou charakterizovány následujícími parametry:

• Hmotnost.
• Spin je správná momentová hybnost.
• Elektrická náplň.
• Čas života.
• Parita.
• Magnetický moment.
• Baryonový náboj.
• Leptonický náboj.

Stručná exkurze do teorie struktury hmoty

Každá látka se skládá z atomů, které mají zase jádro a elektrony. Elektrony, jako planety ve sluneční soustavě, se pohybují kolem jádra každý ve své vlastní ose. Vzdálenost mezi nimi je velmi rozsáhlá, v atomovém měřítku. Jádro se skládá z protónů a neuronů, spojení mezi nimi je tak silné, že je nemožné je oddělit jakýmkoli způsobem známým vědě. To je podstatou experimentálních metod pro studium částic (stručně).

Je těžké si to představit, ale jaderná komunikace převyšuje počet miliónů známých sil na Zemi. Víme elektromagnetická interakce, chemické, jaderné exploze. Ale to, co drží protóny a neurony dohromady, je něco jiného. Možná je to klíč k odhalení tajemství původu vesmíru. Proto je velmi důležité studovat experimentální metody studia částic.

Četné experimenty vedly vědce k myšlence, že neurony se skládají z ještě menších jednotek a nazývají je kvarky. To, co je uvnitř, ještě není známo. Ale kvarky jsou neoddělitelné jednotky. To znamená, že v žádném případě nelze vybrat. Pokud vědci použijí experimentální metodu studia částic, aby vyčistili jeden kvarku, pak bez ohledu na to, kolik pokusů učiní, jsou vždy přiděleny alespoň dva kvarky. To opět potvrzuje nedotknutelnou sílu jaderného potenciálu.

Jaké metody existují pro studium částic

Pojďme přímo k experimentálním metodám studia částic (tabulka 1).

Zdá se, že experimentální metody studia částic (tabulka 1) mají velmi odlišnou povahu interakce. Některé z teorií jsou již zastaralé a byly vylepšeny moderními technologiemi. Zvažme každou metodu podrobněji.

Experimentální metody pro studium částic. Geigerův pult

Toto zařízení bylo opravdovým průlomem na počátku 20. století. Ale pomáhá studovat pouze elektrony.

Jedná se o kovový válec s negativním nábojem. Tenká vodičová osa s kladným nábojem je napnutá podél jejího povrchu. Přístroj je připojen k síti s velmi vysokým napětím - asi 1000 V, díky kterému je uvnitř vytvořeno obrovské elektrické pole. Nyní by tento návrh měl být umístěn v uzavřené skleněné trubici, která bude obsahovat vzácný plyn.

Když jsou molekuly plynu ionizovány, vytváří se velké množství párů elektronů. Čím více napětí, tím více je parní pára, dokud nedosáhne vrcholu a nezůstane jediný volný ion. V tomto okamžiku měřiče registrují částice.

Wilsonova kamera

Jedná se o jeden z prvních experimentálních metod pro studium nabitých částic a byl vynalezen pět let po Geigerově pultě - v roce 1912.

Struktura je jednoduchá: skleněný válec, uvnitř - píst. Pod ložem černou látkou impregnované voda a alkohol, přičemž se vzduch v komoře je nasycený s nimi v párech.

Píst se začne spouštět a zvyšovat, což vytváří tlak, čímž se plyn ochladí. Musí kondenzovat, ale není to proto, že nedochází ke kondenzaci v středu komory (iontu nebo smítko prachu). Pak se baňka zvedne, aby se dostala částice - ion nebo prach. Částice se začnou pohybovat a tvoří se kondenzát podél její trajektorie, což je vidět. Cesta, která prochází částicí, se nazývá stopa.

Nevýhodou této metody je příliš malý rozsah částic. To vedlo k vzniku progresivnější teorie založené na zařízení s hustším prostředím.

Bublinková komora

Analogický princip působení Wilsonovy komory má následující experimentální metodu pro studium částic: Bublinová komora. Pouze místo nasyceného plynu je v skleněné žárovce tekutina.

Základem teorie je, že za vysokého tlaku kapalina nemůže začít vařit nad teplotu varu. Ale jakmile se objeví nabitá částice, po stopě jejího pohybu se tekutina začne vařit a přechází do stavu par. Kapičky tohoto procesu jsou fixovány fotoaparátem.

Metoda hrubých vrstev fotografických emulzí

Vraťme se ke stolu na téma "Experimentální metody výzkumu částic". V tom, společně s Wilsonovou oblačnou komorou a bublinovou metodou jsme považovali metodu pro zaznamenávání částic s fotografickou emulzí v tloušťce. Experiment byl poprvé proveden sovětskými fyziky L.V. Mysovski a A.P. Zhdanov v roce 1928.

Myšlenka je velmi jednoduchá. Na experimenty se používá deska pokrytá silnou vrstvou fotografických emulzí. Tato fotoemulze se skládá z krystalů bromidu stříbrného. Když nabitá částice prostupuje krystal, odděluje elektrony od atomu, který tvoří skrytý řetězec. To lze vidět zobrazením filmu. Výsledný obraz nám umožňuje vypočítat energii a hmotnost částice.

Ve skutečnosti je dráha velmi krátká a mikroskopicky malá. Ale metoda je dobrá, protože zobrazovaný obraz může být nekonečně mnohokrát zvětšen, a tím lépe jej studovat.

Scintilační metoda

Poprvé ji v roce 1911 držel Rutherford, ačkoli myšlenka se objevila o něco dříve a další vědec - U. Krupe. Navzdory skutečnosti, že rozdíl byl 8 let, během této doby bylo nutné zařízení zlepšit.

Základním principem je, že na obrazovce pokryté luminiscenční látkou se při průchodu nabité částice objeví záblesky světla. Atomy hmoty jsou vzrušeny, když jsou vystaveny částice se silnou energií. V okamžiku srážky se pozoruje záblesk, který se pozoruje v mikroskopu.

Tato metoda je velmi nepopulární mezi fyziky. Má několik nedostatků. Za prvé, přesnost získaných výsledků velmi závisí na zrakové ostrosti osoby. Pokud bliknete - můžete vynechat velmi důležitý bod.

Zadruhé, při dlouhotrvajícím pozorování se oči velmi rychle unavují, a proto je studium atomů nemožné.

Závěry

Existuje několik experimentálních metod pro studium nabitých částic. Vzhledem k tomu, že atomy látek jsou tak malé, že je těžké je vidět i v nejmocnějším mikroskopu, vědci musí provést různé experimenty, aby pochopili, co je uprostřed středu. V této fázi civilizace byla provedena velká cesta a byly studovány nejvíce nepřístupné prvky. Možná, že v nich leží tajemství vesmíru.