Ядерная фотографическая эмульсия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ядерная фотографическая эмульсия - фотография, эмульсия, предназначенная для регистрации траекторий (треков, следов) частиц. Метод ядерной фотографической эмульсии основан на том, что заряж. частица, проходя через эмульсию, разрушает кристаллы галогенида серебра и делает их способными к проявлению.

Ядерная фотографическая эмульсия используется в качестве детектора частиц в ядерной физике, физике элементарных частиц, при исследовании космических лучей, в дозиметрии .Первым применением фотоэмульсии в ядерной физике можно считать исследования А. Беккереля (A. Becquerel), к-рый в 1895 обнаружил радиоактивность солей по вызываемому ими почернению фотоэмульсии. В 1910 С. Киношита (S. Kinoshita) показал, что зёрна галогенида серебра обычной фотоэмульсии становятся способными к проявлению, если через них прошла хотя бы одна a-частица, В 1927 Л. В. Мысовский с сотрудниками изготовил пластинки с толщиной эмульсионного слоя 50 мкм и наблюдал с их помощью рассеяние a-частиц на ядрах эмульсии. В 30-х гг. началось изготовление ядерной фотографической эмульсии со стандартными свойствами, с помощью к-рых можно было регистрировать следы медленных частиц (a-частиц, протонов). В 1937-38 М. Блау и Г. Вамбахер (М. Blau, H. Wambacher, Австрия), а также А. П. Жданов с сотрудниками наблюдали в ядерной фотографической эмульсии расщепления ядер, вызванные космич. излучением. В 1945-48 появились трофейные ядерные фотографические эмульсии, пригодные для регистрации слабо ионизующих однозарядных релятивистских частиц; метод ядерной фотографической эмульсии стал точным количеств. методом исследований.

Ядерная фотографическая эмульсия отличается от обычной фотоэмульсии (см. Фотография)двумя особенностями: отношение массы галогенида серебра к массе желатина в 8 раз больше; толщина слоя, как правило, в 10-100 раз больше, достигает иногда 1000-2000 мкм и более (стандартная толщина фирменных ядерных фотографических эмульсий 100-600 мкм). Зёрна галогенида серебра в эмульсии имеют сферич. или кубич. форму, их линейный размер зависит от сорта эмульсии и обычно составляет 0,08-0,30 мкм (рис. 1).

Рис. 1. Зёрна различных эмульсий (электронные микро фотографии, увеличение 20000): а-ядерная фотоэмульсия типа Ильфорд-5; б-обычная фотоэмульсия.

Процесс проявления экспонированной эмульсии играет роль сильного увеличения первоначального слабого эффекта (скрытого фотографич. изображения), подобно тому как лавинный разряд в Гейгера счётчике или бурное вскипание пузырьков в пузырьковой камере многократно увеличивают слабые эффекты, связанные с начальной ионизацией, производимой заряж. частицей. Как правило, частицы обладают большой энергией, благодаря чему они могут создавать центры чувствительности в лежащих на их пути зёрнах галогенида серебра. После фиксирования ядерной фотографической эмульсии вдоль следа частицы образуется цепочка чёрных зёрен - металлич. Ag на фоне прозрачного желатина. Зёрна расположены в следе тем плотнее, чем больше ионизующая способность частицы и чем выше чувствительность эмульсии. Следы частиц наблюдают с помощью микроскопа при увеличении 200-2000.

В ядерной физике эмульсии обычно используют в виде слоев, нанесённых на стеклянные пластины. При исследовании частиц высоких энергий (на ускорителях или в космич. излучении) эмульсионные слои укладывают в большие стопки в неск. сотен слоев (эмульсионные камеры). Объём камеры достигает десятков л; образуется практически сплошная фоточувствительная масса. После экспозиции отд. слои могут быть наклеены на стеклянные подложки и обработаны обычным образом. Положение слоев точно маркируется, благодаря чему траекторию частиц легко прослеживать по всей стопке, переходя от слоя к слою.

Свойства следа, оставленного в эмульсии заряж. частицей, зависят от её заряда е, скорости u и массы т. Так, остаточный пробег частицы (длина следа от его начала до точки остановки) при данных е и u пропорционален т; при достаточно большой скорости u частицы плотность зёрен (число проявленных зёрен на единицу длины следа) q

e²/u². Если плотность зёрен слишком велика, они слипаются в сплошной чёрный след. В этом случае, особенно если е велико, мерой заряда может быть число d-электро-нов, образующих на следе характерные ответвления. Их плотность также пропорциональна е²/u². Если е=1, а u~с, то след частицы в ядерной фотографической эмульсии имеет вид прерывистой линии из 20-25 чёрных точек на ~ 100 мкм пути.

В ядерной фотографической эмульсии можно измерять рассеяние частицы-ср. угловое отклонение на единицу пути: j~e/pu(p-импульс частицы). Ядерную фотографическую эмульсию можно поместить в сильное магн. поле и измерить импульс частицы и знак её заряда, что позволяет определить заряд, массу и скорость частицы. Достоинства метода ядерной фотографической эмульсии - высокое пространств. разрешение (можно различать явления, отделённые расстояниями меньше 1 мкм, что для релятивистской частицы соответствует временам пролёта ~10^-16 с) и возможность длительного накопления редких событий.

С 1945 по 1955 методом ядерной фотографической эмульсии были сделаны важные открытия: зарегистрированы пи-мезоны и последовательности распадов p

m + v, m

e + v+

, a также обнаружены ядерные взаимодействия p^-- и К^--мезонов. С помощью ядерной фотографической эмульсии удалось оценить время жизни p⁰-мезона (10^-16 с), был обнаружен распад К-мезона на 3 пиона, открыт S-гиперон и установлено существование гиперядер, открыт антилямбдагиперон (см. Гипероны). Методом ядерной фотографической эмульсии был исследован состав первичного космич. излучения, кроме протонов в нём были обнаружены ядра Не и более тяжёлых элементов, вплоть до Fe.

С 60-х гг. метод ядерной фотографической эмульсии вытесняется пузырьковыми и искровыми камерами и электронными трековыми детекторами частиц, к-рые дают большую точность измерений и возможность применения ЭВМ для обработки данных.

Однако ядерная фотографическая эмульсия обладает высоким (~1 мкм) пространств. разрешением, что позволяет использовать её в качестве мишени-детектора для исследования рождения и распадов короткоживущих частиц с временами жизни ~ 10^-12 -10^-13 с. В этом случае ядерная фотографическая эмульсия в сочетании с др. детекторами частиц образует так называемую гибридную установку. В такой установке вторичные частицы, образующиеся в мишени в результате взаимодействия, и частицы-продукты распада короткоживущих частиц-анализируются с помощью спектрометра или пузырьковой камеры. Траектории частиц, зарегистрированные соответствующим детектором, экстраполируются в эмульсионную мишень. Погрешность экстраполяции определяет область, в к-рой производится поиск события или следов вторичных частиц. Путём обратного прослеживания по этим идентифицированным следам осуществляется поиск первичного взаимодействия и распадов вторичных частиц. Т. о., опыт с мишенью-эмульсией соединяет высокую пространств. разрешающую способность эмульсии с возможностями электронных методов идентификации частиц. В гибридных экспериментах с ядерной фотографической эмульсией в качестве т. н. вершинного детектора были обнаружены и идентифицированы сотни распадов очарованных частиц, измерены времена их жизни и установлены каналы распадов (см. Комбинированные системы детекторов). На рис. 2 показано расположение 2 контейнеров с эмульсией внутри 15-футовой пузырьковой камеры (Национальная лаборатория США им. Э. Ферми).

Литература по яерной фотографической эмульсии

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.