по треку частицы можно определить
Задание 2. Исследование свойств элементарных частиц по их трекам.
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:
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 = v2), 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».
По треку частицы можно определить
© Куцева Н. В. │ Сайт «Элементарные частицы» разработан в рамках ВКР магистра
по направлению подготовки 44.04.01 «Педагогическое образование» профиля «Физическое образование».
ВГПУ – 2018 г.
Общие сведения, необходимые для анализа фотографий с треками элементарных частиц
Трековые детекторы позволяют увидеть следы движения заряженных частиц (треки). Ими могут быть цепочки из капелек жидкости, если это камера Bильсона; пузырьки в жидкости, если это пузырьковая камера; электрические пробои в местах, где прошла частица, если это искровая камера и т. д. Все они основаны на ионизации вещества, в которое попадает заряженная частица. Ионы же образуются в результате выбивания заряженной частицей электронов из атомов вещества детектора на пути своего движения. Рассмотрим данный процесс.
Взаимодействие положительно
заряженной частицы
с электроном атома
Пусть некоторая частица с зарядом Ze 
движется от электрона атома на некотором расстоянии r 
c некоторой скоростью ϑ 
. Вследствие кулоновского взаимодействия электрона с этой частицей, он будет получать некоторый импульс ∆ p = F ∆ t 
в направлении, перпендикулярном к линии движения частицы. Взаимодействие частицы с электроном будет наиболее эффективно во время прохождения частицы по отрезку траектории, ближайшему к электрону и сравнимому с расстоянием r , например, равному 2 r 
. Тогда время, за которое частица проходит отрезок траектории 2 r будет равно ∆ t = 2 r / ϑ 
. Среднюю силу взаимодействия частицы и электрона за это время можно определить по закону Кулона (без учёта влияния ядра атома, других и атомов среды):
F ≈ Zee 4 π ε 0 r 2 
.
Тогда импульс, полученный электроном можно определить, как 
.
Из формулы видно, что он находится в прямой зависимости от заряда проходящей около него частицы и в обратной зависимости от её скорости.
При некотором достаточно большом импульсе 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 чем меньше её скорость. Отсюда следуют выводы, которые необходимо знать, чтобы уметь «прочесть» фотографию треков частицы:
2. При одинаковых зарядах двух частиц, толще трек будет у той частицы, которая имеет меньшую скорость. Отсюда очевидно, что треки частиц к концу своего движения должны быть толще, так как их скорости уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды.
Помещение трековой камеры в магнитное поле вызывает действие на заряженную частицу силы Лоренца, благодаря чему можно определить заряд частицы, её массу, импульс, энергию.
Рассмотрим случай, когда скорость частицы перпендикулярна линиям магнитного поля B 
. Тогда заряженная частица будет двигаться по окружности. Второй закон Ньютона для неё будет выглядеть следующим образом:
F Л = ma 
или Ze ϑB = m ϑ 2 r 
,
где m 
– масса частицы, a 
– ускорение частицы, r – радиус кривизны трека. Откуда r = mϑ ZeB 
.
Если частица имеет скорость, много меньшую скорости света (т.е. частица не релятивистская), то соотношение между кинетической энергией и радиусом её кривизны имеет вид:
m ϑ 2 2 = ( BrZe ) 2 2 m 
.
Анализ полученных формул вызволяет сделать следующие выводы, которые необходимы для изучения фотографий треков частиц, сделанных при помещении трековых камер в однородное магнитное поле:
1. Радиус кривизны трека частицы зависит от её массы, скорости и заряда. Чем больше заряд частицы, и чем меньше её масса и скорость, тем радиус кривизны будет меньше (т е. отклонение частицы от прямолинейного движения больше). Например, в одном и том же магнитном поле при одинаковых начальных скоростях отклонение электрона будет больше отклонения протона, а на фотографии будет видно, что трек электрона будет иметь окружность с меньшим радиусом, чем радиус трека протона. Также быстрый электрон будет отклоняться меньше, чем медленный. При близких массах элементарных частиц, отклонение большее отклонение будет испытывать та частица, заряд которой больше.
2. С потерей энергии и уменьшением скорости элементарной частицы к концу пробега её отклонение от прямолинейного движения будет увеличиваться (уменьшаться радиус кривизны трека). Таким образом, по изменению радиуса кривизны трека можно определить направление движения частицы — начало её движения там, где кривизна трека меньше.
С помощью трековых камер можно также изучать реакции распада атомных ядер, устанавливать первоначальное ядро по анализу треков продуктов его распада. Для этого необходимо использовать также законы сохранения: закон полного сохранения электрического заряда и закон сохранения массового числа.
Например, в реакции: 8 16 O + 0 1 n →4 2 4 He + 0 1 n 
оба закона сохранения выполняются:
| До реакции | После реакции | |
| Полный заряд частиц |  |  |
| Массовое число частиц |  |  |
Вычисление заряда ядра неизвестного распавшегося элемента позволяет его определить по таблице Д. И. Менделеева. Закон сохранения массового числа позволяет установить, является ли оно изотопом или нет. Так, например, в реакции Z A X + 1 1 p →4 2 4 He 
, вычисление полного заряда частиц и их массового числа после реакции говорит о том, что в ней участвовал изотоп лития ( 3 7 Li 
).
Нейтральные частицы трека не оставляют, но их тоже можно определить по продуктам распада реакции. Для этого также необходимо использовать законы сохранения.
Что можно определить по треку частицы?
Что можно определить по треку частицы?
Треки дают богатую информацию о частице:
Что можно определить по толщине трека?
По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (порядка 10-3см для α-частиц, испускаемых радиоактивными элементами), но при фотографировании их можно увеличить.
Можно ли в камере Вильсона наблюдать трек?
Можно ли в камере Вильсона наблюдать трек заряженной частицы со временем жизни 10 − 21 с? Ответ: можно, если энергия частицы большая нет
Почему трек имеет форму спирали?
Трек имеет форму спирали, потому что электрон взаимодействует с частицами жидкости (жидкого гелия). При этом электрон теряет свою кинетическую энергий (ну для формирования трека — образование пузырьков — нужна же энергия!). То есть, уменьшается скорость движения электрона.
Как образуется трек в камере Вильсона?
В камере Вильсона (см. рис. 1) треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10-3-10-4 см) и фотографирования при хорошем освещении.
Что фотографируют в камере Вильсона?
Камера Вильсона — один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Представляет собой невысокий стеклянный цилиндр с крышкой, с поршнем внизу. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно больше 1 минуты.
Как устроен и работает камера Вильсона?
Камера Вильсона представляет собой ёмкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части, заполненную насыщенными парами воды, спирта или эфира. Пары тщательно очищены от пыли, чтобы до пролёта частиц у молекул воды не было центров конденсации. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.
Почему к концу пробега в камере Вильсона трек становится толще?
Ионы же образуются в результате взаимодействия заряженной частицы с атомами и молекулами паров и газов, находящихся в камере. Отсюда очевидно, что к концу движения трек частицы толще, чем в начале, т. к. скорость частицы уменьшается вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды.
Почему треки ядер атомов имеют разную толщину?
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.
Как зависит радиус кривизны трека от массы?
Радиус кривизны трека зависит от массы, скорости и заряда частицы. Радиус тем меньше (т е. отклонение частицы от прямолинейного движения больше), чем меньше масса и скорость частицы и чем больше ее заряд.
В каком направлении движутся альфа частицы?
Задание 2. а) α-частицы двигались слева направо, б) Одинаковая длина треков α-частиц говорит о том, что они имели одинаковую энергию. в) Толщина трека увеличивается за счет того, что уменьшалась скорость из-за столкновений с частицами среды.
Как движутся альфа частицы?
Излучаемые альфа-частицы движутся практически прямолинейно со скоростью примерно 20 ООО км/с. Длина пробега альфа-частиц в воздухе обычно менее 10 см. Так, например, альфа-частицы с энергией 4 МэВ обладают длиной пробега в воздухе примерно в 2,5 см.
Как изменится радиус кривизны трека по мере движения частицы в магнитном поле?
Как зависит толщина трека от заряда частиц?
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.
Что определяют по кривизне трека?
3. Радиус кривизны трека частицы зависит от ее заряда, скорости и массы; он тем меньше, чем меньше масса и скорость и чем больше ее заряд. 4. Направление движения можно определить и по изменению радиуса кривизны – в конце движения он уменьшается, так как уменьшается и скорость частицы.
Какой частице может принадлежать Трек 2?
Трек I на фотографии принадлежит протону, трек II — частице, которую надо идентифицировать. Начальные скорости обеих частиц одинаковы и перпендикулярны краю фотографии.
Как можно регистрировать заряженные частицы?
Регистрация заряженных частиц основана на явлении ионизации или возбуждении атомов, которое они вызывают в веществе детектора. На этом основана работа таких детекторов как камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.
Какой метод регистрации частиц?
Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующие действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра.
Какие приборы используют для регистрации элементарных частиц в ядерной физике?
Какие методы существуют для регистрации заряженных элементарных частиц?
Рассмотрим некоторые из них, которые наиболее широко используются.
Какие вы знаете методы наблюдения и регистрации элементарных частиц?
В каком приборе для регистрации частиц происходит процесс кипения перегретой жидкости?
Пузырько́вая ка́мера — это устройство или прибор для регистрации следов (или треков) быстрых заряженных ионизирующих частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы.
Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать не заряженные частицы?
Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы? Нет. Камера Вильсона предназначена для следов (треков) заряженных частиц. Ее принцип — следы заряженных частиц становятся центрами конденсации перенасыщенного пара.
Какое явление возникает при прохождении частицы через пузырьковую камеру?
Пузырьковая камера — Заряженная частица образует на своем пути цепочку ионов, что приводит к закипанию жидкости. — Вдоль траектории частицы появляются пузырьки пара (трек).
На каком процессе основан принцип действия счетчика Гейгера?
Принцип работы счетчиков Гейгера основан на эффекте ударной ионизации газовой среды под действием радиоактивных частиц или квантов электромагнитных колебаний в межэлектродном пространстве при высоком ускоряющем напряжении.
Что происходит при попадании элементарные частицы в пузырьковую камеру?
При движении заряженной частицы в такой жидкости вдоль её траектории образуется ряд пузырьков пара. После фотографирования трека давление поднимается, пузырьки исчезают, камера готова к регистрации следующей ионизирующей частицы.
В чем отличия камеры Вильсона от пузырьковой камеры?
Пузырьковая камера позволяет сфотографировать трек (след от частицы), а в камере Вильсона это сделать труднее. Пузырьковая же камера содержит перегретую жидкость (жидкость при температуре выше температуры кипения), и пузырьки как бы конденсируются на месте трека частицы.
Как работает сцинтилляционный счетчик?
Принцип действия сцинтилляционного счётчика состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны.