Изучение треков заряженных частиц по фотографиям
Цель работы: познакомиться с методами исследования свойств элементарных частиц по фотографиям их треков.
Оборудование: фотографии треков заряженных частиц, линейка, циркуль, транспортир, лист кальки.
Введение
Треком частицы называют след, оставленный ею в среде, где она двигалась.
По виду треков определяют электрический заряд, скорость и ее направление, длину свободного пробега, энергию частицы.
Трек образуется ионами атомов той среды, через которую движется частица. Его толщина зависит от концентрации ионов и определяется величиной заряда частицы и ее скоростью. Толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и меньше ее скорость.
При движении частицы в среде ее энергия постепенно убывает в основном из-за взаимодействия с атомами среды. Следовательно, длина трека определяется энергией частицы. При прочих равных условиях трек тем длиннее, чем большей энергией обладала частица в начальный момент своего движения.
При движении частицы в магнитном поле на нее со стороны поля действует сила Лоренца, которая зависит от величины ее заряда, скорости, индукции магнитного поля и угла между направлениями вектора скорости и вектора индукции магнитного поля:
FЛ = qvBsinα (1)
Эта сила сообщает частице центростремительное ускорение 
. По второму закону Ньютона
,
где m — масса частицы; R — радиус ее траектории.
Для случая, когда частица движется перпендикулярно полю, α = 90°, sin α = 1, и тогда
Зная радиус трека, модуль и направление индукции магнитного поля и скорости, определяют знак заряда частицы и вычисляют ее удельный заряд (отношение заряда к массе). Для этого сравнивают треки исследуемой частицы и той, для которой известен удельный заряд. Воспользовавшись формулой (2) и записав ее для одной и другой частицы, получим:
|
|
и 
Если скорости частиц одинаковы (v1 = v 2), то
(3)
Радиус трека определяют по длинам его хорды L и отрезка между окружностью и хордой Н:
(4)
Связь между хордой окружности и радиусом можно получить, если к центру хорды восставить перпендикуляр и продолжить его до пересечения с окружностью (рис.).
При выводе формулы (4) учитывалось, что радиус, проведенный через центр хорды, образует с ней прямой угол, и использовалась теорема Пифагора.
Изменение радиуса кривизны трека указывает, в каком направлении двигалась частица и как менялась ее скорость. Радиус кривизны трека больше на его начальном участке; по мере уменьшения скорости он уменьшается.
Ход работы
Задание 1. Исследование особенностей взаимодействия заряженных частиц по виду их треков.
На рисунке показана фотография треков, оставленных при рассеивании α-частиц на ядрах атомов газа. Треки α-частиц получены в камере Вильсона. Перед опытом камеру заполнили парами хлора. Поток частиц был направлен справа налево. Одна из частиц в результате взаимодействия с ядром атома хлора отклонилась на значительный угол относительно начального направления движения. На фотографии хорошо виден трек α-частицы до и после рассеивания, а также короткий и относительно более широкий трек самого ядра.
Рассмотрите фотографию, найдите на ней место, где зафиксировано рассеивание α-частицы, и ответьте на следующие вопросы.
|
|
1. На какой примерно угол была отклонена α-частица?
2. Какую часть пути α-частице удалось пройти до взаимодействия с ядром хлора?
3. Каким количеством α-частиц были образованы треки? Какое их количество было отклонено ядрами атомов газа? Какова (ориентировочно) вероятность рассеивания частиц в условиях опыта? Как ее повысить?
4. Можно ли считать, что α-частицы имели примерно одинаковую энергию?
5. Какая особенность трека позволяет считать, что рассеивание произошло практически без потери энергии?
6. При описании столкновения тел в физике применяют термины «упругий удар» и «неупругий удар». К какому типу столкновений относится зафиксированное рассеивание α-частицы на ядре хлора?
7. Была ли направлена скорость частицы до рассеивания точно на центр ядра?
8. Каким физическим законом определяется взаимная ориентация треков α-частицы и ядра отдачи?
9. Сравнивая толщину треков ядра хлора и α-частицы, можно ли утверждать, что ионизирующая способность заряженной частицы зависит от ее заряда?
10. Можно ли утверждать, что в момент съемки в камере Вильсона существовало магнитное поле?
Задание 2. Исследование свойств элементарных частиц по их трекам.
|
На рис. 49 показаны три смонтированные фотографии треков заряженных частиц, сделанные в камере Вильсона. Камера находилась в однородном магнитном поле с магнитной индукцией В= 2,2 Тл. Первый трек оставлен α-частицей, второй — ядром изотопа водорода дейтерия (
), третий — неизвестной частицей.
Начальная скорость всех частиц была направлена снизу вверх. По виду треков необходимо установить знак заряда неизвестной частицы и его отношение к массе частицы, а также оценить значения ее скорости и энергии в начале и конце пути.
|
|
1. По виду трека α-частицы укажите, как было направлено магнитное поле в камере Вильсона.
2. По виду трека неизвестной частицы с учетом направлений ее скорости и магнитного поля определите знак ее заряда.
3. Скопируйте на кальку треки частиц.
4. Измерьте радиусы первой половины треков α-частицы и неизвестной частицы. При измерении радиусов необходимо учесть масштаб снимка, указанный на рисунке.
5. Зная структуру α-частицы, вычислите отношение ее заряда к массе.
6. Вычислите по формуле (3) отношение заряда к массе неизвестной частицы.
7. Укажите, какая из известных вам элементарных частиц имеет аналогичные характеристики.
8. Вычислите скорость и энергию этой частицы в начале ее движения в камере.
9. Измерьте радиус трека частицы в конце ее пути.
10. Вычислите ее скорость на этом отрезке и укажите, как она изменилась за время движения частицы в камере.
11. Обратите внимание на изменение толщины трека и сделайте вывод о связи ионизирующей способности частицы со скоростью ее движения.
Дополнительные задания
1. Измерьте радиус трека ядра дейтерия (см. рис.).
2. По структуре ядра дейтерия определите его удельный заряд.
3. Оцените ширину трека дейтерия. Зная структуру его ядра, оцените размер этой частицы, сопоставьте его с шириной трека и сделайте вывод о том, можно ли отождествлять понятия «траектория движения частицы» и «трек частицы».