Лабораторная работа по теме: «Изучение треков заряженных частиц по фотографиям»

Лабораторная работа №12

Тема: «Изучение треков заряженных частиц по фотографиям»

Цель: изучить треки заряженных частиц по готовым фотографиям.

Необходимо знать: методы наблюдения и регистрации заряженных частиц, правило определения направления линий магнитной индукции.

Необходимо уметь: читать готовые фотографии, выполнять построения, производить измерения и вычисления.

Оборудование: фотографии треков заряженных частиц в камере Вильсона, калька, треугольник, карандаш.

Теоретические сведения

При помощи камеры Вильсона наблюдают и фотографируют треки (следы) движущихся заряженных частиц. В ней используется способность частиц больших энергий ионизировать атомы газа. Камера Вильсона представляет собой цилиндрический сосуд с поршнем. Верхняя часть цилиндра сделана из про­зрачного материала, в камеру вводится небольшое ко­личество воды или спирта, для чего снизу сосуд по­крыт слоем влажного бархата или сукна. Внутри ка­меры образуется смесь пересыщенных паров и воздуха.

Трек частицы в камере Вильсона представляет собой цепочку из микроскопических капелек воды или спирта, образовавшихся в результате конденсации пересыщенных паров этих жидкостей  на ионах. Ионы же образуются в результате взаимодействия заряженной частицы с атомами и молекулами паров и газов, находящихся в камере.

Пусть частица с зарядом q движется со скоростью v на расстоянии r от электрона атома. Вследствие кулоновского взаимодействия с этой частице электрон получает некоторый импульс в направлении, перпендикулярном к линии движения частицы. Взаимодействие электрона и частицы наиболее эффективно во время прохождения ее по отрезку траектории, ближайшему к электрону и сравнимому с расстоянием r, например, равному . Тогда – время, за которое частица проходит отрезок траектории , т.е. , а F – средняя сила взаимодействия частицы и электрона за это время. Сила F по закону Кулона прямо пропорциональна зарядам частицы q и электрона e и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Следовательно, сила взаимодействия частицы с электроном примерно равна qe/4 (примерно, так как в расчетах не учитывается влияние ядра атома, других электронов и атомов среды). Получаем

Импульс, полученный электроном, находится в прямой зависимости от заряда, проходящего около него частицы и в обратной зависимости от ее скорости. При некоторой достаточно большой величине импульса электрон отрывается от атома и последний превращается в ион. На каждой единице пути частицы образуется тем больше ионов( а, следовательно, и капелек жидкости), чем больше заряд частицы и меньше ее скорость. Отсюда следуют выводы, которые необходимо знать, чтобы уметь «прочесть» фотографию треков частиц:

1. Длина трека тем больше, чем больше энергия частицы и чем меньше плотность среды.

2. Толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость.

3. При движении заряженной частицы в магнитном поле трек ее получается искривленным, причем радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше ее заряд и модуль индукции магнитного поля.

4. Частица двигалась от конца трека с большим радиусом к концу трека с меньшим радиусом кривизны (радиус кривизны по мере движения уменьшается, так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы)

5. Если частицы имеют одинаковые заряды, то трек толще у той частицы, которая имела меньшую скорость. К концу движения трек частицы толще, чем в начале, так как скорость уменьшается вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды.

Ход работы

На фотографии представлены треки заряженных частиц в камере Вильсона, находящиеся в магнитном поле. Линии индукции магнитного поля перпендикулярны плоскости фотографии. Начальные скорости всех частиц одинаковы и перпендикулярны краю фотографии.

1. Определите направление вектора магнитной индукции магнитного поля.

2. Объясните, почему участки траектории частиц представляют собой дуги окружности.

3. Объясните, почему на разных участках одной и той же траектории радиусы дуг различны.

4. Уточните, в чем различие между треками на фотографии. Какова причина этого различия?

5. Наложите на фотографию листок кальки и осторожно переведите на нее трек 1 и правый край фотографии.

6. Определите радиус кривизны трека на начальном участке. Для этого начертите хорду начального участка и восстановите в ее середину перпендикуляр. Найдите центр дуги окружности и измерьте ее радиус.

7. Проделайте те же операции для трека 2.

8. Пользуясь формулой

Сравните удельные заряды обеих частиц.

– удельный заряд.

Сделайте вывод по проделанной работе.

Контрольные вопросы:

1. Какой частице может принадлежать трек 2?

2. Почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движения – частиц?

3. Как влияет магнитное поле на движение заряженной частицы?

Литература:

1. Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений начального и среднего профессионального образования. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. – 448с.

2. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика: Учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений. – М.: 2009. – 304с.