Методи реєстрації іонізуючого випромінювання

Іонізувальне (радіоактивне) випромінювання — це потоки частинок або фотонів, які мають достатню енергію, щоб виривати електрони з атомів і молекул середовища, через яке вони проходять. Унаслідок цього утворюються йони — електрично заряджені атоми або молекули. Саме здатність випромінювання йонізувати речовину лежить в основі майже всіх методів його реєстрації.

Які бувають види іонізувального випромінювання

• α-частинки — ядра Гелію (два протони + два нейтрони), заряд +2e, мають велику йонізаційну здатність, але малу проникну здатність.

• β-частинки — електрони (β⁻) або позитрони (β⁺), заряд ±e; йонізують слабше за α, але проникають глибше.

• γ-кванти — фотони високої енергії, не мають заряду; йонізують непрямо — вибиваючи електрони з атомів (фотоефект, Комптон-ефект) або народжуючи пари електрон–позитрон.

• Потоки протонів, нейтронів, важких йонів тощо — кожен має свої йонізаційні властивості.

Як реєструють нейтральні частинки

Нейтрони та γ-кванти не мають електричного заряду, тому вони безпосередньо не йонізують середовище. Їх виявляють за вторинними зарядженими частинками, які вони створюють у речовині. Наприклад, γ-квант може вибити електрон (фотоелектрон), а нейтрон — виштовхнути протон з ядра водню. Уже ці вторинні частинки йонізують середовище, і їх реєструють.

Лічильники та трекові детектори

Усі прилади реєстрації поділяють на дві великі групи:

• Лічильники — фіксують сам факт прольоту частинки та підраховують їхню кількість. Вони не показують траєкторію. Приклади: лічильник Гейгера, сцинтиляційний лічильник.

• Трекові детектори — візуалізують траєкторію (трек) частинки, даючи змогу визначити її заряд, імпульс, енергію, масу. Приклади: камера Вільсона, бульбашкова камера, фотоемульсія.

Що таке трек частинки

Трек — це слід, який залишає заряджена частинка, пролітаючи крізь речовину. Він складається з йонів, утворених на шляху частинки. За довжиною й товщиною треку можна багато дізнатися про частинку:

Отже, саме здатність іонізувального випромінювання створювати йони в середовищі дає змогу побачити невидимі частинки — зробити їхні треки видимими або перетворити проліт на електричний сигнал.

Лічильник Гейгера (Гейгера–Мюллера)

Лічильник Гейгера — один із найпоширеніших приладів для реєстрації іонізувального випромінювання. Перший варіант лічильника створив Ганс Гейгер 1908 року (разом з Ернестом Резерфордом), а 1928 року Гейгер і Вальтер Мюллер удосконалили його — так з'явився лічильник Гейгера–Мюллера. Прилад являє собою герметичну газонаповнену трубку, всередині якої розташовані два електроди: тонка металева нитка (анод) і металевий циліндр (катод). Між електродами підтримують високу напругу (кілька сотень вольт), яка сама по собі не викликає розряду.

Коли заряджена частинка (наприклад, β-частинка) пролітає крізь трубку, вона йонізує атоми газу, створюючи пари «електрон — позитивний йон». Електрони, притягуючись до анода, прискорюються в сильному електричному полі. На своєму шляху вони зіштовхуються з нейтральними атомами газу й іонізують їх — виникає лавина електронів. Це явище називають ударною іонізацією. Лавина створює короткий електричний імпульс, який реєструє електронна схема. Кожен імпульс відповідає одній зареєстрованій частинці.

Важливо: Лічильник Гейгера фіксує кількість частинок, але не розрізняє їхніх видів (α, β, γ) і не визначає енергію. Він також не показує траєкторію частинки — це лічильник, а не трековий детектор.

Сцинтиляційний лічильник

Сцинтиляційний лічильник ґрунтується на здатності деяких речовин (сцинтиляторів) випускати спалахи світла під дією іонізувального випромінювання. Сцинтилятором може бути кристал (наприклад, NaI(Tl)), рідина або пластик. Коли частинка потрапляє в сцинтилятор, вона збуджує його атоми, і ті, повертаючись у нормальний стан, випромінюють фотони видимого або ультрафіолетового світла.

Ці спалахи світла вловлює фотопомножувач — прилад, що перетворює слабкі світлові сигнали на електричні й багаторазово підсилює їх. Сцинтиляційний лічильник дуже чутливий і швидкодійний: він може реєструвати частинки з частотою до 10⁸ за секунду. Крім того, за яскравістю спалаху можна оцінити енергію частинки.

Фотоемульсія

Фотоемульсія — це товстошарова фотопластинка або плівка, вкрита шаром емульсії, що містить мікрокристали броміду срібла (AgBr). Коли заряджена частинка пролітає крізь емульсію, вона йонізує атоми, і в мікрокристалах AgBr утворюються центри прихованого зображення. Після хімічного проявлення ці кристали перетворюються на чорні зерна металевого срібла, і на пластинці видно трек частинки як ланцюжок зерен.

Метод фотоемульсії дає змогу накопичувати треки багатьох частинок одночасно й вивчати їх під мікроскопом. Він широко застосовувався у фізиці космічних променів і в експериментах на прискорювачах.

Камера Вільсона

Камеру Вільсона винайшов 1912 року Чарлз Вільсон. Це перший трековий детектор, який дав змогу візуалізувати траєкторії заряджених частинок. У камері створюють перенасичену пару — пару, чий тиск перевищує тиск насиченої пари за даної температури. Такий стан нестійкий: пара готова сконденсуватися, але їй потрібні центри конденсації.

Коли заряджена частинка пролітає крізь камеру, вона йонізує атоми газу вздовж свого шляху. Утворені йони стають центрами конденсації — на них осідають крапельки рідини з перенасиченої пари. Так уздовж траєкторії частинки з'являється видимий білий слід — трек. Його можна сфотографувати та вивчити.

Бульбашкова камера

Бульбашкову камеру винайшов 1952 року Дональд Глейзер. Вона працює на протилежному принципі: замість перенасиченої пари використовують перегріту рідину. Рідину нагрівають до температури вищої за точку кипіння за даного тиску, але не дають їй закипіти. Такий стан теж нестійкий.

Пролітаючи крізь камеру, заряджена частинка йонізує молекули рідини. На утворених йонах виникають бульбашки пари — рідина локально закипає. Трек виглядає як ланцюжок бульбашок. Оскільки рідина значно щільніша за газ, бульбашкова камера ефективніша для реєстрації частинок високих енергій, які в газі пролетіли б непомітно.

Порівняння камери Вільсона та бульбашкової камери

Визначення знака заряду за треком у магнітному полі

Якщо камеру Вільсона або бульбашкову камеру помістити в магнітне поле, трек зарядженої частинки викривлюється. Напрям викривлення визначають за правилом лівої руки: якщо розташувати ліву руку так, щоб вектор магнітної індукції входив у долоню, а чотири пальці показували напрям руху позитивно зарядженої частинки, то відігнутий великий палець укаже напрям сили Лоренца, тобто напрям відхилення. Для негативно зарядженої частинки відхилення буде протилежним.

За радіусом кривизни треку можна визначити імпульс частинки: що більший радіус, то більший імпульс. Крім того, за товщиною треку оцінюють густину йонізації: товстий трек залишають α-частинки (великий заряд, сильна йонізація), а тонкий — β-частинки (малий заряд, слабка йонізація).

Приклад 1. На якому явищі ґрунтується дія камери Вільсона?

Завдання: Виберіть одну правильну відповідь.

На якому фізичному явищі ґрунтується робота камери Вільсона?

• А) пароутворення в перегрітій рідині

• Б) конденсація перенасиченої пари на йонах

• В) ударна іонізація газу

• Г) спалахи люмінофору під дією випромінювання

Розв'язання:

Камера Вільсона — це трековий детектор, у якому використовують перенасичену пару. Заряджена частинка, пролітаючи крізь камеру, йонізує молекули газу, і на утворених йонах пара конденсується в крапельки рідини. Саме тому вздовж траєкторії частинки стає видимий білий слід — трек.

Відповідь: Б.

Чому інші варіанти неправильні:

• А — пароутворення в перегрітій рідині відбувається в бульбашковій камері, а не в камері Вільсона.

• В — ударна іонізація газу лежить в основі роботи лічильника Гейгера.

• Г — спалахи люмінофору — принцип дії сцинтиляційного лічильника.

Приклад 2. Завдання на відповідність: прилади та явища

Завдання: Установіть відповідність між приладом реєстрації іонізувального випромінювання (1–3) і фізичним явищем, на якому ґрунтується його дія (А–Д).

Прилади:

• 1 — лічильник Гейгера

• 2 — бульбашкова камера

• 3 — сцинтиляційний лічильник

Явища:

• А — конденсація перенасиченої пари на йонах

• Б — ударна іонізація газу в електричному полі

• В — фотохімічна реакція в мікрокристалах AgBr

• Г — спалахи світла в люмінофорі під дією випромінювання

• Д — пароутворення (кипіння) перегрітої рідини на йонах

Розв'язання:

Лічильник Гейгера працює завдяки ударній іонізації: частинка йонізує газ, електрони прискорюються й викликають лавину. Отже, 1 → Б.

Бульбашкова камера використовує перегріту рідину, яка закипає на йонах, утворюючи бульбашки. Отже, 2 → Д.

Сцинтиляційний лічильник реєструє спалахи світла в люмінофорі. Отже, 3 → Г.

Відповідь: 1 — Б, 2 — Д, 3 — Г.

Явища А (конденсація пари — для камери Вільсона) і В (фотохімічна реакція — для фотоемульсії) є зайвими в цьому завданні.

Приклад 3. Який прилад дає змогу побачити трек частинки й визначити знак її заряду?

Завдання: Виберіть одну правильну відповідь.

За допомогою якого з наведених приладів можна побачити трек частинки й визначити знак її заряду в магнітному полі?

• А) лічильник Гейгера

• Б) камера Вільсона

• В) електроскоп

• Г) амперметр

Розв'язання:

Трек частинки (видимий слід) можна отримати лише в трекових детекторах — камері Вільсона або бульбашковій камері. Якщо таку камеру помістити в магнітне поле, трек викривлюється, і за напрямом викривлення (правило лівої руки) визначають знак заряду частинки.

Лічильник Гейгера не показує траєкторії — він лише рахує частинки. Електроскоп виявляє наявність заряду, але не реєструє окремих частинок. Амперметр вимірює силу струму й не пов'язаний із реєстрацією випромінювання.

Відповідь: Б.

Приклад 4. Два треки в магнітному полі викривлені в різні боки

Завдання: Виберіть одну правильну відповідь.

У бульбашковій камері, розташованій в однорідному магнітному полі, спостерігають два треки від двох різних частинок. Треки викривлені в протилежні боки. Про що це свідчить?

• А) частинки мають різні маси

• Б) частинки мають заряди протилежних знаків

• В) частинки рухаються з різними швидкостями

• Г) частинки мають різну йонізаційну здатність

Розв'язання:

Сила Лоренца, що діє на заряджену частинку в магнітному полі, залежить від знака заряду: для позитивних частинок вона напрямлена в один бік, для негативних — у протилежний. Тому якщо два треки викривлені в різні боки, це означає, що заряди частинок мають протилежні знаки (наприклад, один трек від β⁻, інший від β⁺). Маса, швидкість та йонізаційна здатність не впливають на напрям викривлення — лише на радіус кривизни та товщину треку.

Відповідь: Б.

• Плутати принципи дії камери Вільсона й бульбашкової камери. Запам'ятай: камера Вільсона працює на конденсації перенасиченої пари на йонах (утворюються крапельки рідини), а бульбашкова камера — на пароутворенні (кипінні) перегрітої рідини на йонах (утворюються бульбашки пари). Ключові слова: «перенасичена пара ↔ крапельки» та «перегріта рідина ↔ бульбашки».

• Вважати, що лічильник Гейгера показує траєкторію частинки. Лічильник Гейгера — це лічильник, а не трековий детектор. Він лише реєструє факт прольоту частинки й підраховує їхню кількість. Побачити трек (траєкторію) можна лише в камері Вільсона, бульбашковій камері або на фотоемульсії.

• Вважати, що γ-кванти залишають суцільні треки, як α-частинки. γ-кванти — це фотони, вони не мають заряду й безпосередньо не йонізують середовище. У камері Вільсона або бульбашковій камері γ-кванти суцільного треку не залишають. Вони можуть вибити електрон (наприклад, фотоефект), і вже цей електрон залишить трек — але це буде трек вторинної частинки, а не самого γ-кванта.

• Плутати знак заряду за напрямом відхилення, не використавши правило лівої руки. Запам'ятай: у магнітному полі сила Лоренца відхиляє позитивно заряджені частинки в один бік, а негативно заряджені — у протилежний. Напрям визначають за правилом лівої руки. Ніколи не роби висновок про знак заряду «на око» — завжди подумки застосовуй правило лівої руки.

• Вважати, що товстіший трек означає менший заряд частинки. Насправді навпаки: чим більший заряд частинки, тим сильніше вона взаємодіє з атомами середовища, тим більше йонів створює на одиниці довжини шляху, і тим товстішим є трек. Найтовстіші треки залишають α-частинки (заряд +2e), а найтонші — β-частинки (заряд ±e).

Програма НМТ з фізики (тема 5.3 «Атом та атомне ядро») називає методи реєстрації іонізувального випромінювання й вимагає вміти визначати характеристики частинок за їхніми треками, зокрема в магнітному полі.

Будови й принципу дії приладів реєстрації немає в довідкових матеріалах, які ви отримаєте на тестуванні. Це означає, що назви приладів, їхній зовнішній вигляд і фізичні явища, на яких вони ґрунтуються, треба знати напам'ять. Серед програмних вимог — уміння зіставляти прилад із явищем.

Форми завдань

• Якісне завдання з вибором однієї відповіді з чотирьох (номери 1–14 у тесті, 0 або 1 бал). Наприклад: «На якому явищі ґрунтується дія камери Вільсона?» або «Який прилад дає змогу побачити трек частинки?».

• Завдання на відповідність «логічні пари» (номери 15–16, до 3 балів). Наприклад: три прилади (1–3) потрібно зіставити з п'ятьма фізичними явищами (А–Д), два з яких зайві.

Стратегія виконання

У завданнях на відповідність прилад і явище зіставляй за ключовими словами:

Порада: Коли бачиш у завданні слово «трек» або «траєкторія», одразу думай про трекові детектори (камера Вільсона, бульбашкова камера, фотоемульсія). Слова «електричний імпульс (сигнал) у газонаповненій трубці» або «клацання» вказують на лічильник Гейгера; «імпульс частинки» за радіусом треку — на трекові детектори. «Спалах» — на сцинтиляційний лічильник.

• Лічильник Гейгера — принцип дії: ударна іонізація газу в трубці з електродами, виникнення електричного імпульсу; фіксує кількість частинок, але не розрізняє їхні види й не показує траєкторію.

• Камера Вільсона — трековий детектор; працює на конденсації перенасиченої пари на йонах, утворених частинкою; видно білий слід-трек.

• Бульбашкова камера — трековий детектор; працює на кипінні перегрітої рідини на йонах; трек — ланцюжок бульбашок.

• Фотоемульсія — метод реєстрації: частинка залишає прихований слід у шарі AgBr, який після проявлення видно як ланцюжок чорних зерен.

• Сцинтиляційний лічильник — частинка викликає спалах світла в люмінофорі (сцинтиляторі); фотопомножувач перетворює спалах на електричний сигнал.

• Знак заряду частинки визначають за напрямом відхилення треку в магнітному полі: позитивний заряд відхиляється в один бік, негативний — у протилежний (правило лівої руки). Радіус кривизни треку вказує на імпульс частинки: більший радіус — більший імпульс.