12. Распространенным прибором для регистрации заряженных частиц является газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера. Газоразрядный счетчик представляет собой металлический цилиндр, по оси которого натянута тонкая проволока, изолированная от цилиндра. Цилиндр заполняется специальной смесью газов (например, аргон + пары спирта), давление которых 1000–1500 мм рт. ст. Счетчик включается в цепь: цилиндр соединяется с отрицательным полюсом источника тока, а нить с положительным; на них подается напряжение порядка 1000 В. Попадание в счетчик быстрой заряженной частицы вызывает ионизацию газа. При этом образуется свободный электрон. Он движется к положительно заряженной нити, и в области сильного поля вблизи нити ионизирует атомы газа. Продукты ионизации — электроны — ускоряются полем и в свою очередь ионизируют газ, образуя новые свободные электроны, которые участвуют в дальнейшей ионизации атомов газа. Число ионизированных атомов лавинообразно возрастает — в газе счетчика вспыхивает электрический разряд. При этом по цепи счетчика проходит кратковременный импульс электрического тока. Отрицательно заряженные электроны собираются вблизи нити, а более массивные положительно заряженные ионы медленно движутся к стенкам цилиндра. Электроны уменьшают положительный заряд нити, а положительные ионы — отрицательный заряд цилиндра; соответственно, электрическое поле внутри цилиндра ослабевает. Через промежуток времени порядка микросекунды поле ослабляется настолько, что электроны не будут иметь скорости, необходимой для ионизации. Ионизация прекращается, и разряд обрывается. За счет притока зарядов из источника тока счетчик снова будет готов к работе через 100–2000 мкс после вспышки. Таким образом, в счетчике возникают кратковременные разряды, которые могут быть подсчитаны специальным устройством. По их числу можно оценить число частиц, попадающих в счетчик. При помощи счетчика Гейгера-Мюллера можно регистрировать еще и гамма-кванты, которые, попадая в стенки счетчика, выбивают из них заряженные частицы. Какие это могут быть частицы? Опишите, какие процессы Далее происходит п и попада ии в счетчик быстрой заряженной часцы?

Решение:

Счетчик Гейгера-Мюллера регистрирует заряженные частицы (альфа-, бета-частицы) и фотоны (гамма-кванты). Рассмотрим, что происходит при попадании в счетчик разных видов излучения.

1. Регистрация гамма-квантов:

Гамма-кванты сами по себе не ионизуют газ напрямую. Однако, попадая в материал стенок счетчика (цилиндра), они могут вызывать:

• Фотоэффект: Гамма-квант выбивает электрон из атома стенки. Этот электрон (заряженная частица) затем попадает в газ внутри счетчика и ионизирует его.
• Комптоновское рассеяние: Гамма-квант сталкивается с электроном в стенке, передавая ему часть своей энергии и выбивая его. Выбитый электрон ионизирует газ.
• Образование электрон-позитронных пар: При высоких энергиях гамма-квант может превратиться в пару электрон-позитрон вблизи ядра атома стенки. Эти заряженные частицы ионизируют газ.

Таким образом, гамма-кванты, попадая в стенки счетчика, выбивают из них заряженные частицы (преимущественно электроны, реже позитроны). Эти вторичные заряженные частицы затем вызывают ионизацию газа внутри счетчика.

2. Процессы при попадании быстрой заряженной частицы (например, альфа- или бета-частицы) в счетчик:

Когда быстрая заряженная частица (например, бета-частица — электрон, или альфа-частица — ядро гелия) попадает в газ счетчика, она:

1. Ионизирует атомы газа: Пролетая через газ, частица отрывает электроны от молекул газа. Возникают ионы (положительно заряженные) и свободные электроны (отрицательно заряженные).
2. Вызывает лавину: Свободные электроны, двигаясь к положительно заряженной нити, ускоряются в сильном электрическом поле. По пути они сталкиваются с другими атомами газа, выбивая из них новые электроны. Этот процесс называется ударной ионизацией и приводит к лавинообразному нарастанию числа электронов.
3. Приводит к разряду: Когда число электронов и ионов становится очень большим, происходит электрический разряд — вспышка, которая регистрируется как импульс тока в цепи счетчика.
4. Ослабление поля: Положительные ионы, двигаясь медленно к стенкам цилиндра, также вносят свой вклад, но их движение относительно медленное. Электроны, притягиваясь к нити, уменьшают ее положительный заряд, а ионы, достигая цилиндра, уменьшают его отрицательный заряд. Это приводит к ослаблению электрического поля внутри счетчика, и лавина прекращается.

Далее, после прекращения разряда, приток зарядов от источника тока восстанавливает напряжение, и счетчик готов к регистрации следующей частицы.

Ответ: Гамма-кванты выбивают из стенок счетчика электроны (в результате фотоэффекта, комптоновского рассеяния или образования электрон-позитронных пар). Эти электроны, попадая в газ, вызывают его ионизацию и последующую лавину, регистрируемую счетчиком.