Эксперимент

Анализ и изучение треков заряженных частиц. 11-й класс

А.И.СЁМКЕ,
школа № 11, г. Ейск, Краснодарский кр.

Анализ и изучение треков заряженных частиц

Лабораторная работа. 11-й класс

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.

Ответы

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 E_p = 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.]