Иондаушы сәулелерді тіркеу әдістері - Физика, 11 сынып, 59 - сабақ

Сабақтың мақсаты:

1. Білімділік мақсаты: Оқушы білімін, іскерлігін, дағды деңгейін бақылау, бағалау. Радиоактивтік ыдырау заңымен  таныстырып солар туралы түсінік қалыптастыру.
2. Дамытушылық мақсаты: Оқушылардың білім деңгейін және білім мазмұнының тұрақтылығы мен оны игерудегі іскерлік пен дағдыны бақылау.
3. Тәрбиелік мақсаты: Адамгершілікке, ұқыптылыққа, алғырлыққа, отансүйгіштікке, табиғатты аялауға, сыйластық пен әдептілікке баулу.

Сабақтың түрі: жаңа білімді қалыптастыру, жалпылау
Сабақтың әдіс-тәсілдері:  Әңгіме, лекция, дискуссия, кітаппен жұмыс.
Сабақтың көрнекіліктері: плакаттар, суреттер, 

Сабақтың барысы:

І.ДКҰйымдастыру кезеңі:
Сәлемдесу; Оқушыларды түгендеу;Оқушылардың назарын сабаққа аудару.
ІІ. ДК. Үй тапсырмасын тексеру, қайталау.
А)теориялық білімдерін тексеру. Ә)практикалық тапсырмаларын тексеру. Б)есептерін тексеру. 
ІІІ.ДК Білімді жан-жақты тексеру./ ІV. ДК. Жаңа материалды қабылдауға әзірлік, мақсат қою.   
Бүгінгі негізгі мақсатымыз оқулық бойынша радиоактивтік ыдырау заңымен танысамыз. 

1. Атом ядроларының радиоактивті ыдырау қандай заңдылыққа бағынады?
2. Ыдырау тұрақтысының мағынасын қалай түсінесіңдер?
3. Радиоактивті ыдырау заңының мәнісі неде?
4. Радиоактивті изотоптың активтігі дегеніміз не?
5. Туынды ядро тұрақты. Уақыттың өтуіне қарай осы элементте қандай өзгерістер болады?

V. ДК.Жаңа материалды меңгерту: Вильсон камерасы
Санағыштар бөлшектің өздерінен өткенін тіркеп отыруға және оның кейбір өзгеріс сипаттарын анықтауға ғана мүмкіндік береді. Ал 1912 ж. жасап шығарылған Вильсон камерасында зарядталған шапшаң бөлшек ізін қалдырады, оны тікелей бақылауға және фотосуретін түсіріп алуға болады. Бұл аспапты шын мәнінде микродүниеге, яғни элементар бөлшектер дүниесіне және олардан құралған жүйелерге шығатын "терезе" деп атауға болады.Вильсон камерасының жұмысы аса қаныққан будың иондарда су тамшыларын түзіп конденсациялануына негізделген. Ол иондар зарядталған бөлшектің өз траекториясы бойымен қозғалысы кезінде пайда болады.

1-сурет

Вильсон камерасы - судың немесе спирттің қанығуға жақын буымен толтырылған герметикалық жабық ыдыс (1-сурет). Поршеннің астындағы қысым азайған кезде, поршень кенет төмен түсіп, камерадағы газ адиабатты ұлғаяды. Осының салдарынан су салқындайды да, аса қанығу дәрежесіне жетеді. Бұл - будың орнықсыз күйі: бу оңай конденсацияланады. Камераның жұмыстық кеңістігінде ұшып өткен бөлшек түзетін иондар конденсация орталығы болып кетеді. Егер бөлшек камераға ұлғаюдың алдында ғана немесе одан соң енсе, онда оның жолында су тамшылары ұшып өткен бөлшектің көрінетін ізін - тректі түзеді (2-сурет). Одан соң камера бастапқы күйіне қайта келтіріледі, ал электр өрісі иондардан арылтады. Камералардың өлшемдеріне байланысты жұмыстық тәртіптің қайта орнау уақыты бірнеше секундтан ондаған минутқа дейін созылады. Вильсон камерасындағы тректер беретін информацияның толықтығы санағыштың беруі мүмкін информациядан анағұрлым көп болады. Тректің ұзындығына қарап бөлшектің энергиясы, ал трек ұзындығының бір бірлігіне келетін тамшылар саны бойынша оның жылдамдығының шамасы бағаланады.

2-сурет

Бөлшектің трегі неғұрлым ұзын болса, оның энергиясы соғұрлым көп болады. Ал тректің ұзындық бірлігіне су тамшылары неғұрлым көбірек түзілсе, оның жылдамдығы соғұрлым аз болады. Заряды үлкен бөлшек жуанырақ трек қалдырады. Вильсон камерасын біртекті магнит өрісіне орналастыруды орыс физиктері П.Л. Капица мен Д.В. Скобельцин ұсынған. Магнит өрісі қозғалушы зарядталған бөлшекке белгілі бір күшпен (Лоренц күшімен) әсер етеді. Бұл күш бөлшектің жылдамдығының модулін өзгертпесең, оның траекториясын қисайтып жібереді. Бөлшек заряды неғұрлым үлкен болса және неғұрлым оның массасы кіші болса, тректің қисықтығы соғұрлым көп болады. Тректің қисықтығына қарап бөлшек зарядының оның массасына қатынасын анықтауға болады. Егер осы шамалардың бірі белгілі болса, онда екіншісін есептеп шығаруға болады. Мысалы, бөлшектің заряды және оның трегінің қисықтығы бойынша массасын анықтауға болады.
Көпіршікті камера
 1952 ж. американдық ғалым Д.Глейзер бөлшектердің тректерін байқау үшін аса қыздырылған сұйықты пайдалануды ұсынған. Мұндай сұйықтардағы зарядталған бөлшектердің шапшаң қозғалысынан пайда болатын иондарда, көрінетін тректерді беретін, будың көпіршіктері пайда болады. Осы сияқты камералар көпіршікті деп аталған. Бастапқы күйде камерадағы сұйық, оның температурасы атмосфералық қысымдағы қайнау температурасынан жоғары болғанына қарамастан, оны қайнап кетуден сақтайтын жоғары қысымда тұрады. Қысымды кенет төмендеткенде сұйық зат аса қыздырылған күйге келеді де, біраз уақыт орнықсыз күйге түседі. Дәл осы уақытта ұшып өтетін зарядталған бөлшектер арқасында бу көпіршіктерінен тұратын тректер пайда болады (1-сурет). Сұйық ретінде негізінен сұйық сутегі мен пропан пайдаланылады.

3-сурет

Көпіршікті камераның жұмыстық циклі ұзақ емес - 0,1 секундқа жуық.
Көпіршікті камераның жұмыстық затының тығыздығы Вильсон камерасымен салыстырғанда артық болады. Осының салдарынан бөлшектердің жүріп өтетін жолы айтарлықтай қысқа болады да, тіпті энергиясы көп бөлшектердің өзі де камераның ішінде малтығып қалады. Бұл - бөлшектердің тізбектелген түрленулер сериясын және олардың туғызатын реакциясын байқауға мүмкіндік береді. Вильсон камерасы мен көпіршікті камерадағы тректер -   бөлшектердің өзгеріс сипаты мен қасиеттері жайлы информацияның басты көздерінің бірі. Элементар бөлшектердің іздерін бақылау кез келген жанды тебірентіп, оған микродүниемен жақын жанасқандай дағдыдан тыс сезім туғызады. Қалың қабатты фотоэмульсия әдісі. Вильсон камерасы және көпіршікті камералармен қатар бөлшектерді тіркеп отыру үшін қалың қабатты фотоэмульсия қолданылады. Зарядталған шапшаң бөлшектердің фотопластинканың эмульсияның иондауы әсерінің арқасында француз физигі А. Беккерель 1896 ж. радиоактивтікті ашты. Фотоэмульсия әдісін орыс физиктері Л.В. Мысовский, А.П. Жданов және т. б. одан әрі дамытты. Фотоэмульсияда көптеген мөлшердегі бромды күмістің микроскопиялық кристалдары бар. Зарядталған шапшаң бөлшек кристалды тесіп өтіп, бромның жеке атомдарынан электрондарды жұлып әкетеді. Осындай кристалдардың тізбекшесі жасырын кескін туғызады. Өңдегеннен кейін бұл кристалдардағы металл күміс қайта қалпына келеді де, күміс дәннің тізбекшесі бөлшектердің трегін түзеді (2-сурет). Тректің ұзындығы мен жуандығына қарап, бөлшектің 

2-сурет

энергиясы мен массасын бағалауға болады. Фотоэмульсияның тығыздығы үлкен болғандықтан, тіректер өте қысқа (радиоактивті элементтерден шыққан -бөлшектер үшін 10 см шамалас), бірақ фотосуретін түсіру кезінде оларды үлкейтуге болады.Фотоэмульсияның артықшылығы - оның әсерді үздіксіз қосындылап отыратындығында. Бұл сирек құбылыстарды тіркеуге мүмкіндік береді. Тежегіштік қабілетінің жоғарылығы арқасында байқалатын бөлшектер мен ядролар арасындағы тамаша реакциялар санының артатындығы - фотоэмульсияның тағы бір артықшылығы.Біз элементар бөлшектерді тіркейтін аспаптардың бәрін бірдей әңгімелеген жоқпыз. Сирек кездесетін және өте аз өмір сүретін бөлшектерді анықтауға арналған аспаптар тым күрделі. Оны құруға жүздеген адам қатысады.

Элементар бөлшектерді тіркеуге арналған аспаптардың жұмыс істеу принциптері

Элементар бөлшектерді немесе қозғалыстағы атом ядроларын тіркеп отыратын кез келген құрылғы, шүріппесі басуға даяр тұрған, оқталған мылтық сияқты. Мылтықтың шүріппесін сәл ғана күшпен басып қалсақ болды, жұмсалған күшпен салыстыруға келмейтін эффект пайда болады - мылтық атылады.
Тіркегіш аспап – бұл орнықсыз күйде тұра алатын күрделі макроскопиялық жүйе. Ұшып өткен бөлшектің туғызған аз ғана ұйытқуынан, тез арада жүйенің жаңа, едәуір орнықты күйге өтуі басталады. Осы процесс бөлшекті тіркеуте мүмкіндік береді. Қазіргі кезде бөлшектерді тіркеудің алуан түрлі әдістері пайдаланылады.
Эксперименттің мақсаттары мен оны жүргізетін жағдайларына қарай, негізгі сипаттамалары жөнінен бір-бірінен айырмашылығы бар, әртүрлі тіркегіш құрылғылар қолданылады.

1сурет

Гейгердің газразрядты санағышы. Гейгер санағышы — бөлшектерді автоматты түрде санайтын аспаптардың ең бастыларының бірі.Санағыш (1-сурет) іші металмен қапталған (катод) шыны түтіктен және түтіктің осін бойлай тартылған жіңішке металл қылдан (анод) тұрады. Түтік газбен, әдетте аргонмен, толтырылады. Санағыштың жұмыс істеу принципі соқтығысу арқылы иондануға негізделген. Зарядталған бөлшек (электрон, a-бөлшек т. б.) газ ішінде ұшып келе жатып, атомның электронын жұлып алады, сөйтіп, оң иондар мен еркін электрондар туғызады. Иондардың тасқыны пайда болады да, анод пен катодтың арасындағы электр өрісі (оларға жоғары кернеу беріледі) электрондарды соқтығысқан кезде иондану туғыза алатындай энергияға дейін үдетеді. Санағыш арқылы өтетін тоқ кенет артады. Жүктеме R резисторда пайда болған кернеу импульсі тіркегіш құрылғыға беріледі.Санағыш өзіне түскен келесі бөлшекті тіркей алатын болуы үшін, тасқындық разрядты өшіру қажет. Бұл автоматты түрде орындалады. Ток импульсі пайда болған мезетте жүктеме R резистордағы кернеу көп төмендейтіндіктен, анод мен катод арасындағы кернеу кенет азайып, соның салдарынан разряд тоқталады.Гейгер санағышы негізінен электрондар мен -кванттарды (энергиясы көп фотондарды) тіркеу үшін қолданылады. Бірақ иондаушы қабілеті аз болғандықтан,  -кванттар тікелей тіркелмейді. Оларды аңғару үшін түтіктің ішкі қабырғасын g-кванттар электрондарды ұшырып шығара алатындай материалмен қаптайды.Санағыш оған түсетін электрондарды түгелдей дерлік тіркеп отырады; ал g-кванттарды алатын болсақ, оңда ол оның шамамен алғанда жүзден бірін ғана тіркеп отырады. Ауыр бөлшектерді (мысалы, -бөлшектерді) тіркеу қиын, өйткені санағышта бұл бөлшектер үшін мөлдір, айтарлықтай жұқа "көз" жасау өте қиын.Қазіргі кезде Гейгер санағышынан басқа принциптерде жұмыс істейтін санағыштар жасалған.
VІ. ДК. Оқытылып отырған   оқу материалын қабылдаудағы оқушы түсінігін тексеру.
§8.6   дайындық сұрақтарын талдау.

1. Қалың қабатты фотоэмульсия әдісі негізінде зарядталған бөлшектерді қалай тіркейді?
2. Вильсон камерасының маңыздылығы неде?
3. Гейгер-Мюллер санағышының жұмыс істеу принципін түсіндіріңдер?
4. Көпіршікті камераның Вильсон камерасынан артықшылығы бар ма?
5. Санағыш арқылы қандай бөлшектерді тіркейді?

VІІ. ДК. Оқытылып отырған оқу материалын бекіту немесе дағдыландыру жұмыстарын жүргізу.
Есептер   шығару. 
VIІI.ДК. Бағалау. Үй тапсырмасын беру: §8.6