Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям

Цель работы: установить тождество заряженной частицы по результатам сравнения ее трека с треком протона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле.

 

Оборудование: фотографии треков заряженных частиц, лист кальки, угольник, линейка, карандаш.

 

Теоретическое обоснование.

Трек – это видимый след пролетевшей заряженной частицы. Заряженные частицы наблюдают и регистрируют с помощью камеры Вильсона.Она представляет собой герметический закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению. При резком движении поршня, пар в камере адиабатически расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение и пар становится перенасыщенным. Если через камеру в это время пролетает заряженная частица, ионизирующая на своем пути молекулы воздуха, то на цепочке ионов происходит конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры получается отмеченной нитью тумана, т.е. становится видимой.

Вид траектории на фотографии часто позволяет судить о природе частицы и величине ее энергии.

Работа проводится с готовой фотографией треков двух заряженных частиц (один принадлежит протону, другой – частице, которую надо идентифицировать). Линии индукции магнитного поля перпендикулярны плоскости фотографии. Начальные скорости обеих частиц одинаковы и перпендикулярны краю фотографии.

Идентификация неизвестной частицы осуществляется путем сравнения ее удельного заряда g / m с удельным зарядом протона e / m, где

 

g – заряд неизвестной частицы, [ Кл],

m - масса этой частицы, [кг].

 

Под действием силы Лоренца заряженная частица движется по окружности радиусом R  и эта сила является центростремительной.

Согласно второму закону Ньютона   , или

  Откуда

Для протона аналогично .Отношение удельных зарядов обратно пропорционально отношению радиусов треков: q / m: e / m = R ₂ / R ₁.

Для измерения радиуса кривизны трека вычерчивают две хорды и восстанавливают к ним перпендикуляры из центров хорд (рис.2). Центр окружности лежит на пересечении этих перпендикуляров. Ее радиус измеряют линейкой.

 

Вопросы для самоконтроля по теории

1. Что такое трек?

2. Расскажите о методах регистрации элементарных частиц с помощью камеры Вильсона. Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы?

3. Какая частица самая легкая из заряженных частиц?

 

Практическая работа

1. Ознакомьтесь с фотографией треков двух заряженных частиц – ядер легких элементов (рис.1). Трек I принадлежит протону, трек II –

частице, которую надо идентифицировать.

 

2. Определите знак электрического заряда неизвестной частицы на фотографии (рис. 1).

3. Перенесите на кальку треки частиц с фотографией и измерьте радиус R₁ трека неизвестной частицы (рис. 2).

 

4. Аналогично измерьте радиус R₂ трека протона на фотографии.

5. Сравните удельные заряды неизвестной частицы и протона

 

 (q / m): (e / m) = R ₂ / R ₁

 

6. Все полученные результаты занесите в таблицу.

 

7. Идентифицируйте заряженную частицу.

8. Запишите вывод: что вы измеряли и какой получен результат.

 

Контрольные вопросы

1. Для какой цели в опыте Резерфорда применялся люминесцирующий экран? Прозрачный или непрозрачный экран был использован?

2. На чем основано действие счетчика Гейгера?

3. В чем различие камеры Вильсона и пузырьковой камеры? Какую из них следует использовать при изучении свойств частиц, обладающих большой энергией?

4. Почему летящий протон оставляет в камере Вильсона видимый след, а летящий нейтрон не оставляет?

5. Почему нейтроны называют тепловыми?

6. На что указывают «вилки», образующиеся на фотографии, полученных в камере Вильсона?