Счётчик Гейгера

20.11.15.

Лоуи Виктор Пьер Раймон, 7-й герцог Брольи (1892-1987)

Луи Раймон – французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике за 1929 год.

Раймон является автором работ по фундаментальным проблемам квантовой теории. Ему принадлежит гипотеза о волновых свойствах материальных частиц (волны де Бройля или волны материи), положившая начало развитию волновой механики.

Он развивал релятивистскую теорию частиц с произвольным спином, в частности фотонов (нейтринная теория света), занимался вопросами радиофизики, классической и квантовой теориями поля, термодинамики и других разделов физики.

Первые работы Луи де Бройля (начало 1920-х годов) были выполнены в лаборатории его старшего брата Мориса и касались особенностей фотоэлектрического эффекта и свойств рентгеновских лучей и содержалось описание этого явления с помощью теории Бора, применялись квантовые принципы к интерпретации спектров фотоэлектронов, давалась систематическая классификация рентгеновских спектров. Исследования рентгеновских спектров имели важное значение для выяснения структуры внутренних электронных оболочек атомов (оптические спектры определяются внешними оболочками). Так, результаты экспериментов, проведённых вместе с Александром Довийе, позволили выявить недостатки существовавших схем распределения электронов в атомах; эти трудности были устранены в работе Эдмунда Стонера. Другим результатом было выяснение недостаточности формулы Зоммерфельда для определения положения линий в рентгеновских спектрах; это расхождение было ликвидировано после открытия спина электрона. В 1925 и 1926 года ленинградский профессор Орест Хвольсон выдвигал кандидатуру братьев де Бройль на Нобелевскую премию за работы по физике рентгеновских лучей.

Его мысли были направлены на нерешённые проблемы теоретической физики, тесно связанные с философией науки. Этому способствовали посещение курсов по «специальной математике», чтение трудов Анри Пуанкаре и изучение материалов первого Сольвеевского конгресса (1911), одним из секретарей которого работал его брат. В результате чтения записей дискуссий, происходивших на этой конференции, как писал спустя много лет сам Луи де Бройль, он «решил посвятить все свои силы выяснению истинной природы введённых за десять лет до этого в теоретическую физику Максом Планком таинственных квантов, глубокий смысл которых ещё мало кто понимал». Полностью обратившись к изучению физики, в 1913 году он окончил университет, получив степень лиценциата наук.

Эрвин Шрёдингер (1887-1961)

Эрвин Шрёдингер – лауреат Нобелевской премии (1933). Шрёдингеру принадлежит ряд фундаментальных результатов в области квантовой теории, которые легли в основу волновой механики: он сформулировал волновые уравнения (стационарное и зависящее от времени – уравнения Шрёдингера), показал тождественность развитого им формализма и матричной механики, разработал волново-механическую теорию возмущений, получил решения ряда конкретных задач. Шрёдингер предложил оригинальную трактовку физического смысла волновой функции.

Рассмотрим свободно движущуюся частицу, имеющую импульс p и энергию E. Согласно де Бройлю ей сопоставляется плоская волна. Волновая функция частицы выглядит как:

E=p²/2m Ψ =Ae^{-(i/h)(Et-px)}

В квантовой механике показатель экспоненты берут со знаком минус. Поскольку физический смысл имеет только E, то это оказывается несущественным. Из данного вида волновой функции можно получить соотношения:

Ψ / t = (-i/h) E Ψ ²Ψ / x² = (-i/h) p² Ψ

Откуда, используя связь между энергией и импульсом частицы, получим уравнение:

Ih( Ψ / t) = (-h²/2m)( ²Ψ / x²)

Уравнение Шредингера:

Ih( Ψ / t) = (-h²/2m) Δ Ψ + U Ψ, где Δ – оператор Лапласа.

Арнольд Вильгельм Зоммерфельд (1868-1951)

Арнольд Зоммерфельд – немецкий физик-теоретик и математик.

Зоммерфельд получил ряд важных результатов в рамках «старой квантовой теории», предшествовавшей появлению современной квантовой механики: обобщил теорию Бора на случай эллиптических орбит с учётом релятивистских поправок и объяснил тонкую структуру спектров водородного атома, построил квантовую теорию нормального эффекта Зеемана, установил ряд спектроскопических закономерностей, ввёл главное, азимутальное, магнитное и внутреннее квантовые числа и соответствующие правила отбора. Кроме того, Зоммерфельд развил полуклассическую теорию металлов, занимался проблемами классической электродинамики (дифракция и распространение электромагнитных волн) электронной теории, специальной теории относительности, гидродинамики и инженерной физики.

Δ Ψ + (2m_e/h²)(E + Ze²/r)Ψ = 0

Собственные функции уравнения, представленные в сферической системе координат, содержат три целочисленных параметра: главное число n, орбитальное число l и магнитное число m.

Главное число n определяет энергетический уровень электрона в атоме и может принимать любые положительные целочисленные значения.

Орбитальное число l определяет орбитальный момент импульса электрона.

Магнитное число m определяет ориентацию орбитального момента в пространстве. Согласно законам квантовой механики, величина проекции момента на некоторое направление z принимает дискретные значения.

Ирен Жолио-Кюри (1897-1956)

Ирен Жолио-Кюри – французский физик, лауреат Нобелевской премии по химии, совместно с Фредериком Жолио (1935 г.), старшая дочь Марии Склодовской-Кюри и Пьера Кюри, жена Фредерика Жолио-Кюри.

Самое значительное из проведённых ею исследований началось несколькими годами позже, после того как в 1926 году она вышла замуж за своего коллегу, ассистента Института радия Фредерика Жолио. В 1930 году немецкий физик Вальтер Боте обнаружил, что некоторые лёгкие элементы (среди них бериллий и бор) испускают мощную радиацию при бомбардировке альфа-частицами.

Заинтересовавшись проблемами, которые возникли в результате этого открытия, супруги Жолио-Кюри (как они себя называли) приготовили особенно мощный источник полония для получения альфа частиц и применили сконструированную Жолио чувствительную конденсационную камеру с тем, чтобы фиксировать проникающую радиацию, которая возникала таким образом.

Они обнаружили, что когда между бериллием или бором и детектором помещается пластинка водородосодержащего вещества, то наблюдаемый уровень радиации увеличивается почти вдвое. Супруги Жолио-Кюри объяснили возникновение этого эффекта тем, что проникающая радиация выбивает отдельные атомы водорода, придавая им огромную скорость. Несмотря на то, что ни Ирен, ни Фредерик не поняли сути этого процесса, проведённые ими тщательные измерения продолжили путь для открытия в 1932 году Джеймсом Чедвиком нейтрона – электрически нейтральной составной части большинства атомных ядер.

Продолжая исследования, супруги Жолио-Кюри пришли к своему самому значительному открытию. Подвергая бомбардировке альфа-частицами бор и алюминий, они изучали выход позитронов (положительно заряженных частиц, которые во всех остальных отношениях напоминают отрицательно заряженные электроны), впервые открытых в 1932 году американским физиком Карлом Д. Андерсеном. Закрыв отверстие детектора тонким слоем алюминиевой фольги, они облучили образцы алюминия и бора альфа-частицами. К их удивлению, выход позитронов продолжался в течение нескольких минут после того, как был удалён полониевый источник альфа-частиц. Позднее Жолио-Кюри пришли к убеждению, что часть алюминия и бора в подвергнутых анализу образцах превратилась в новые химические элементы. Более того, эти новые элементы были радиоактивными: поглощая 2 протона и 2 нейтрона альфа-частиц, алюминий превратился в радиоактивный фосфор, а бор – в радиоактивный изотоп азота. В течение непродолжительного времени Жолио-Кюри получили много новых радиоактивных элементов.

Чарльз Томсон Риз Вильсон (1869-1959)

В 1927 году Вильсон был награждён Нобелевской премией по физике «за метод визуального обнаружения траекторий электрически заряженных частиц с помощью конденсации пара».

Камера Вильсона представляет собой цилиндр с прозрачными торцами. Внутрь цилиндра введён источник ионизированных частиц. Для удаления ионов газа, которые образуются в результате столкновений с ионизирующими частицами, стеклянные окна покрыты изнутри токопроводящей плёнкой, на которую подаётся высокое напряжение от высоковольтного источника. Действие камеры основано на конденсации пересыщенных паров этилового спирта на ионах, которые образуются при столкновении молекул газа с ионизирующими частицами. Для создания пересыщенных паров спирта внутри камеры поступаем так: набираем немного спирта в грушу и ополаскиваем её изнутри. Затем спирт сливаем, а грушу при помощи резиновой трубки соединяем с камерой Вильсона. Камеру помещаем на кодоскоп и проецируем на экран. Несколько раз медленно сжимаем и отпускаем грушу, создавая в камере состояние пересыщенных паров спирта. Затем сильно сжимаем грущу и после некоторой задержки резко отпускаем. На экране видны треки частиц в виде туманных следов конденсированных молекул спирта.

Счётчик Гейгера

Ганс Гейгер (1882-1945)

В газоразрядном счётчике имеются катод в виде цилиндра и анод в виде тонкой проволоки по оси цилиндра. Пространство между катодом и анодом заполняется специальной смесью газов. Между катодом и анодом прикладывается напряжение.

Ганс Вильгельм Гейгер – немецкий физик, первым создавший детектор альфа-частиц и других ионизирующих излучений. Изобрёл в 1908 году счётчик Гейгера.

Гейгер вскоре стал работать в Манчестерском университете. Там он стал одним из ценнейших коллег Резерфорда. Он построил первый счётчик заряженных частиц, разновидность которого в дальнейшем применялась в экспериментах по определению строения атома.

Переехав в Немецкий национальный научно-технологический институт (Берлин), он продолжил изучение атомной структуры. В 1925 году, приняв приглашение быть преподавателем в университете Киля, совместно с Вальтером Мюллером модернизирует счётчик частиц. Увеличена чувствительность счётчика, стало возможным обнаружение бета-частиц и ионизирующих электромагнитных фотонов. В университете в Тюбингене впервые наблюдал за потоком космических лучей; продолжал заниматься искусственной радиоактивностью, ядерным распадом.

Лиза Мейтнер (1878-1968)

Лиза Мейтнер – австрийский физик и радиохимик. Проводила исследования в области ядерной физики, ядерной химии и радиохимии.

В 1901 году поступила в Венский университет, где начала изучать физику под руководством Людвига Больцмана и Франца Экснера. В 1905 году она первой среди женщин в университете получила степень PhD в области физики. После этого Мейтнер отправилась в Институт кайзера Вильгельма в Берлин, чтобы начать изучение химии под руководством Макса Планка и работать вместе с Отто Ганом. Используя свои знания по физике и знания Гана по химии, они проработали вместе 30 лет.

После 1938 года Лиза Мейтнер продолжила работу в институте Манне Сигбана в Стокгольме, но, вероятно из-за предвзятого отношения к женщинам-учёным у Сигбана, работала она, не получая никакой поддержки.

В ноябре Ган и Мейтнер тайно встретились в Копенгагене для тог, чтобы обсудить новую серию экспериментов, для этой цели они также обменивались письмами. В лаборатории Гана в Берлине были проведены эксперименты по доказательству расщепления ядра. Из сохранившейся переписки следует, что Ган никогда бы не поверил в расщепление ядра, если бы Мейтнер не убедила его в этом. Ей первой удалось расщепить атомное ядро на части: ядра урана распадались на ядра бария и криптона, при этом выделялось несколько нейтронов и большое количество энергии. В декабре 1938 года Нильс Бор в своём письме отмечал, что в процессах бомбардировки атомов урана энергии выделяется больше, чем предполагается теорией нераспадающейся оболочки. Многие утверждают, что Лиза Мейтнер первой провела расчёты с учётом того, что оболочки могут распадаться.