Что объединяет популярный сериал 2019 года "Чернобыль", серию игр S.T.A.L.K.E.R. и одиноко бредущих путников из множества романов посвящённых выживанию в условиях наступившего военного апокалипсиса? На протяжении всех событий на заднем плане играет слабый щелкающий звук, который усиливается и набирает частоту по мере того, как главные герои приближаются к особо опасным участкам. Что издает эти зловещие щелчки? Счетчики Гейгера — приборы, используемые для обнаружения и измерения ионизирующего излучения. В приведенных в начале примерах — радиоактивного ядерного мусора.
Эти тикающие машины часто появляются в научной фантастике (если верить IMDB, то существует 182 фильма, в которых используются счетчики Гейгера), но они вполне реальны. Счетчики Гейгера предупреждают нас о наличии радиоактивности, которая генерирует альфа- или бета-частицы, или гамма-лучи. Некоторые встречающиеся в природе элементы, такие как уран и торий, радиоактивны. Созданные человеком технологии, такие как ядерные бомбы или атомные электростанции, также могут опасно повышать естественный уровень радиоактивности, как показала чернобыльская трагедия. Но как именно работают счетчики Гейгера и почему они издают этот знаменитый щелкающий звук?
Краткая история
В начале 20 века ученые в Соединенном Королевстве разработали счетчик Гейгера, в ходе экспериментов, которые продемонстрировали, что атомное ядро представляет собой зону с высокой плотностью, которая существует в центре атома. Раньше ученые думали, что в атоме есть твердый материал.
Ганс Гейгер, главный изобретатель устройства, был лаборантом Манчестерского университета, где и занимался изучением атомов. Гейгер обнаружил, что при распаде урана два его изотопа, имеющие такое же количество протонов, как и у элемента, но разное количество нейтронов, испускают альфа-частицы с двумя разными энергиями. Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Бета-частица — это электрон или позитрон, который движется с высокой энергией и высокой скоростью. Обе эти частицы испускаются элементами, которые подвергаются радиоактивному распаду.
Итак, Гейгер разработал прибор для измерения альфа-излучения, направляя альфа-частицы через золотую фольгу на экран. Исследователи установили микроскоп, который можно было вращать вокруг фольги, чтобы они могли подсчитывать вспышки, возникающие при прохождении частиц через фольгу. Было трудно наблюдать за вспышками в темной лаборатории и точно считать — они могли наблюдать только до минуты каждый, прежде чем им нужно было дать глазам отдохнуть.
В ходе эксперимента некоторые альфа-частицы отскакивали назад, а это означало, что они столкнулись с чем-то плотным — ядрами внутри атомов золота. Это опровергло более раннюю модель строения атома.
Чтобы устранить необходимость в визуальном наблюдении, Гейгер изобрел счетчик в форме трубки с центральным высоковольтным вольфрамовым проводом. Шестнадцать лет спустя он, вместе со своим аспирантом Вальтером Мюллером, улучшил чувствительность, точность и долговечность прибора. По этой причине устройство иногда называют счетчиком Гейгера-Мюллера.
Как работает счетчик Гейгера, и почему он трещит?
Счетчики Гейгера работают посредством ионизации, процесса, в котором атомы или молекулы приобретают или теряют электроны и становятся электрически заряженными. В устройстве электрическая цепь, содержащая трансформатор и конденсаторы, питает центральную вольфрамовую проволоку высоким напряжением. Трансформатор повышает напряжение, в то время как конденсаторы поддерживают уровень напряжения.
Проволока окружена трубкой с инертным газом, таким как аргон или ксенон, с окном. Когда радиоактивные частицы проходят через окно, они ионизируют газ внутри. Электроны в газе отделяются от своих ядер. Электроны притягиваются к положительному проводу. По пути они сталкиваются с большим количеством молекул газа и ионизируют их. Это приводит к тому, что многие электроны движутся к проводу.
Ионизированный газ проводит электричество, заставляя импульс тока проходить от провода к внешней оболочке трубки. Этот импульс заставляет счетчик Гейгера издавать щелкающий звук. Звук имеет частоту, соответствующую количеству ионов, созданных за минуту. Сигнал также может заставить стрелку двигаться по шкале или генерировать число при считывании информации.
После прохождения импульса за пределы трубки ионы и электроны быстро поглощаются газом, и детектор сбрасывается. Этот процесс называется закалкой. Этого можно добиться с помощью гасящего газа, который поглощает положительные ионы, или с помощью электронного управления, которое регулирует напряжение в трубке.
На самом деле, некое подобие счетчика Гейгера есть в каждом доме. Любой детектор дыма — это, по сути, счетчик Гейгера. Он обнаруживает альфа-частицы, которые исходят от радиоактивного источника в детекторе дыма, и когда дым мешает этим частицам попасть в детектор, сигнал пропадает и звучит сигнал тревоги.
Можно собрать счетчик Гейгера своими руками?
Если коротко — нет. Несмотря на простой принцип работы, само устройство достаточно сложное и требует калибровки, которую невозможно выполнить в домашних условиях. В интернете можно найти инструкции по сборке чего-то, что будет щелкать и что-то измерять. Но что именно оно будет делать, и с какой точностью — неизвестно. Готовые наборы, которые можно найти в интернете, дадут чуть лучший результат, но опять же — без калибровки, это не более чем игрушка.
А что на счет приложений для смартфонов? Если честно, то поиск воды при помощи лозы даст плюс-минус такой же результат, как измерение радиации при помощи приложения и камеры смартфона.