Анализ и изучение треков заряженных частиц
Работа 1. Цель работы: познакомить учащихся с устройством и принципом действия камеры Вильсона, сформировать элементарные навыки и умения анализировать фотографии треков заряженных частиц.
Оборудование: фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона.
Учащимся сообщают основные сведения о методах наблюдения и регистрации заряженных частиц. Самостоятельно школьники изучают устройство и принцип действия камеры Вильсона. Треки заряженных частиц в камере Вильсона представляют собой цепочки микроскопических капелек жидкости (воды или спирта), образовавшиеся вследствие конденсации пересыщенного пара этой жидкости на ионах. Длина трека зависит от начальной энергии заряженной частицы и плотности окружающей среды. Толщина трека зависит от заряда и скорости частицы: она тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше её скорость. При движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривлённым. По изменению радиуса кривизны трека можно определить направление движения заряженной частицы и изменение её скорости.
Работа 2. Цель работы: познакомить учащихся с устройством и принципом действия пузырьковой камеры, сформировать элементарные навыки и умения анализировать фотографии треков заряженных частиц.
Оборудование: фотографии треков заряженных частиц, полученных в пузырьковой камере.
Самостоятельно школьники изучают устройство и принцип действия пузырьковой камеры.
Работа 3. Цель работы: познакомить учащихся с методом толстослойных фотоэмульсий, сформировать элементарные навыки и умения анализировать фотографии треков заряженных частиц.
Оборудование: фотографии треков заряженных частиц, полученных в фотоэмульсии.
Самостоятельно школьники знакомятся с методом толстослойных фотоэмульсий.
Работа 4. Цель работы: получить экспериментальные навыки в чтении фотографий движения заряженных частиц, сфотографированных в камере Вильсона.
Приборы и материалы: фотографии треков, прозрачная бумага (калька) или копировальная бумага, угольник, циркуль или лекало, карандаш.
Трек заряженной частицы в камере Вильсона представляет собой цепочку из микроскопических капелек воды или спирта, образовавшихся вследствие конденсации пересыщенных паров этих жидкостей на ионах. Ионы образуются в результате взаимодействия заряженной частицы с атомами и молекулами паров и газов, находящихся в камере.
На фотографии видны треки частиц, движущихся в магнитном поле индукцией В = 2,2 Тл. Вектор индукции магнитного поля перпендикулярен плоскости фотографии. Нижний трек принадлежит протону, имеющему начальную энергию 1,6 МэВ.
Порядок выполнения работы № 4
1. С помощью кальки или копировальной бумаги перечертите треки частиц и масштаб фотографии.
2. Определите направление движения частиц и направление силовых линий магнитного поля. Объясните, почему трек протона к концу пробега становится толще.
3. По величине энергии протона вычислите отношение его полной массы к массе покоя и покажите, что изменением массы следует пренебречь.
4. Зная, что верхний трек принадлежит частице, имеющей одинаковую с протоном начальную скорость, определите отношение заряда к массе для этой частицы. Какой частице принадлежит этот трек? Почему он толще трека протона?
5. Вычислите начальную энергию частицы, оставившей верхний след.
Работа 1. 1. Cверху вниз. 2. Камера Вильсона находится в магнитном поле. 3. Перпендикулярно фотографии сверху вниз. 4. Уменьшалась скорость 
-частиц.
Работа 2. 1. Потому что он двигался в магнитном поле с убывающей скоростью. 2. От внешнего витка спирали к её центру. 3. Перпендикулярно фотографии сверху вниз.
Работа 3. 1. Не одинаковы заряды ядер. 2. Левый трек принадлежит ядру атома магния, средний – ядру калия, правый – ядру железа. 3. Толщина трека тем больше, чем больше заряд ядра атома. 4. Треки частиц в фотоэмульсии короче и толще и имеют неровные края.
Работа 4. [2. Частицы движутся снизу вверх. Силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости рисунка на читателя. 3. Энергия протона Ep = 939,8 МэВ. Отношение 
= 939,8/938,2 = 1,002. 4. Начальная скорость протона Из уравнения движения заряженных частиц в магнитном поле: q /m = 
/(BR). Дальнейшее вычисление требует точного знания масштаба рисунка, так же, как и при решении п. 5. – Ред.]
По изменению радиуса кривизны трека можно определить направление движения частицы и изменение ее скорости: в начале движения скорость больше там, где больше радиус кривизны трека.
Треки заряженных частиц в камере Вильсона представляют собой цепочки микроскопических капелек жидкости (воды или спирта), образовавшиеся вследствие конденсации пересыщенного пара этой жидкости на ионах, расположенных вдоль траектории заряженной частицы; в пузырьковой камере — цепочки микроскопических пузырьков пара перегретой жидкости, образовавшихся на ионах; в фотоэмульсии — цепочки зерен металлического серебра, образовавшихся на ионах. Треки показывают траекторию движения заряженных частиц.
Длина трека зависит от начальной энергии заряженной частицы и плотности окружающей среды: она тем больше, чем больше энергия частицы и чем меньше плотность среды.
Толщина трека зависит от заряда и скорости частицы: она тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость.
При движении заряженной частицы в магнитном поле трек ее получается искривленным. Радиус кривизны зависит от массы, заряда, скорости частицы и модуля индукции магнитного поля: он тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше ее заряд и модуль индукции магнитного поля.
По изменению радиуса кривизны трека можно определить направление движения частицы и изменение ее скорости: в начале движения скорость больше там, где больше радиус кривизны трека.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:
1. Проанализируйте первую фотографию, на которой изображены треки α-частиц в камере Вильсона и ответьте на вопросы:
1) В каком направлении двигались α-частицы?
2) Почему длина треков α-частиц примерно одинакова?
3) Почему толщина треков α-частиц к концу пробега немного увеличивается?
4) Почему некоторые α-частицы оставляют треки только в конце своего пробега?
2. Проанализируйте вторую фотографию, на которой изображены треки α-частиц в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле и ответьте на вопросы:
1) В какую сторону двигалась α — частица?
2) Почему треки α-частиц искривлены?
3) Как был направлен вектор магнитной индукции?
4) Почему изменяются радиус кривизны и толщина треков α-частиц к концу их пробега?
3. Проанализируйте третью фотографию, на которой изображен трек электрона в жидководородной пузырьковой камере, помещенной в магнитное поле и ответьте на вопросы:
Лабораторная работа «Наблюдение треков частиц в камере Вильсона»
Цель: Анализ треков элементарных частиц в камере Вильсона.
Приборы и материалы: Виртуальная пузырьковая камера или камера Вильсона, треки частиц, магнитное поле с направлением вектора магнитной индукции, линейка, циркуль.
Длина трека зависит от начальной энергии заряженной частицы и плотности окружающей среды. Толщина трека зависит от заряда и скорости частицы: она тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше её скорость. При движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривлённым.
При движении частицы в магнитном поле со стороны поля на нее действует сила Лоренца, которая зависит от величины ее заряда q, скорости v, индукции магнитного поля В и угла между направлениями скорости и магнитного поля б:
Эта сила сообщает частице центростремительное ускорение а=v 2 /R. На основании второго закона Ньютона можно утверждать, что
m — масса частицы, R- радиус ее траектории.
Тогда скорость частицы можно найти по формуле
Направление действия силы Лоренца определяется правилом левой руки.
Сравнивая треки известной и неизвестной частиц по отношению заряда к массе, известному для одной частицы и радиусам треков находят отношение заряда к массе неизвестной частицы и устанавливают ее природу.
Если скорости частиц одинаковы, то
Задание 1. На пяти из восьми представленных вам фотографий изображены треки частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите на каких. Ответ обоснуйте.
Задание 2. Анализируя трек 4, ответьте на вопросы:
- а) В какую сторону двигались -частицы?
- б) Почему треки -частиц искривлены?
- в) Как был направлен вектор магнитной индукции?
- г) Почему изменяются радиус кривизны и толщина треков -частиц к концу пробега?
Задание 3. Анализируя треки 5 и 6, ответьте на вопросы:
- а) Почему трек имеет форму спирали?
- б) В каком направлении двигался электрон на треке 5? Ответ обоснуйте.
- в) В каком направлении двигался электрон на треке 6? Ответ обоснуйте.
- г) Что могло послужить причиной того, что треки электронов (трек 5 и 6) гораздо длиннее треков б-частиц (трек 4)?
Задание 4. Анализируя трек 8, ответьте на вопрос:
а) В каком направлении двигался протон на треке 8? Ответ обоснуйте.
1) Измерьте радиус R1 частицы 1 (трек 9). Для этого на треке проведите две хорды АB и CD и к их серединам восстановите перпендикуляры.
Пересечение этих перпендикуляров будет центром кривизны трека на рассматриваемом участке. Расстояние от центра кривизны до трека является радиусом кривизны. Результаты измерений занесите в таблицу.
- 2) Измерьте радиус R2 -частицы 2 (трек 9) аналогично радиусу R1. Результаты измерений занесите в таблицу.
- 3) По формуле q1/m1= q2R1/m2R2 найдите отношение заряда данной частицы к ее массе. Результаты занесите в таблицу.
- 4) Определите частицу 1 по найденному отношению заряда и массы.
5) По формуле v= найдите скорость частицы 2, если индукция магнитного поля В=2,2 Тл (трек 9). Результаты занесите в таблицу
Лабораторная работа 9. Тема: «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям».
1. Проанализируйте первую фотографию, на которой изображены треки альфа-частиц в камере Вильсона и ответьте на вопросы:
-В каком направлении двигались альфа-частицы?
-Почему длина треков альфа-частиц к концу пробега немного увеличивается?
-Почему длина треков альфа-частиц примерно одинакова?
-Почему некоторые альфа-частицы оставляют треки только в конце своего пробега?
2. Проанализируйте вторую фотографию, на которой изображены треки альфа-частиц в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле и ответьте на вопросы:
-В какую сторону двигалась альфа-частица?
-Почему треки альфа-частиц искривлены?
-Как был направлен вектор магнитной индукции?
-Почему изменяются радиус кривизны и толщина треков альфа-частиц к концу их пробега?
3. Проанализируйте третью фотографию, на которой изображён трек электрона в жидководородной пузырьковой камере, помещённой в магнитное поле, и ответьте на вопросы:
-Почему трек электрона имеет форму спирали?
-В каком направлении двигался электрон?
-Как был направлен вектор магнитной индукции?
-Сделайте вывод: чем отличаются треки частиц, полученные в фотоэмульсии, от треков частиц в камере Вильсона и пузырьковой камере?
4. По фотографии, сделанной в камере Вильсона, помещённой в магнитное полно изучают ядерную реакцию взаимодействия альфа-частицы с атомом азота, впервые осуществлённую в 1919 г. Э. Резерфордом.
He+N->X+p.
В результате реакции образуется протон р и частица х. Массовое число А и зарядовое число z этой частицы можно найти из законов сохранения электрического и барионного заряда.
1) Проанализируйте фотографию, на которой запечатлён захват альфа-частицы ядром атома азота. В результате взаимодействия образовались две частицы, одна из которых________.
2) Определите неизвестный элемент.
3) На основе законов сохранения электрического заряда и числа нуклонов определите численные значения индексов А и Z.
4) Определите ядро неизвестного элемента образовавшегося в результате захвата альфа-частицы ядром атома.
5) Запишите окончательное уравнение ядерной реакции.
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.