Номер 4, страница 325 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Обсудите, каким может быть соотношение рабочего и подготовительного промежутков времени работы камеры Вильсона.

Решение

Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара на ионах, которые образует пролетающая сквозь камеру заряженная частица. Это позволяет сделать видимым и сфотографировать трек (след) частицы. Работа камеры является циклической и состоит из двух основных фаз: рабочего и подготовительного промежутков времени.

Рабочий промежуток времени ($t_{раб}$). Это очень короткий интервал, в течение которого камера чувствительна к излучению. Он начинается в момент резкого адиабатического расширения пространства камеры. Вследствие расширения газ и находящийся в нём пар охлаждаются, и пар становится пересыщенным. Это состояние является рабочим: ионы, оставленные пролетевшей частицей, служат центрами конденсации, и вдоль траектории частицы образуется видимый след из капелек тумана. Однако состояние пересыщения крайне неустойчиво и существует очень недолго – как правило, сотые или десятые доли секунды ($t_{раб} \approx 0,01-0,1$ с). Затем чувствительность камеры пропадает из-за общей конденсации пара на стенках и в объёме.

Подготовительный промежуток времени ($t_{подг}$). После рабочего цикла камере требуется время, чтобы вернуться в исходное состояние. Этот подготовительный этап значительно длиннее рабочего и включает в себя:
• Обратное сжатие для испарения капель тумана.
• Очищение объёма камеры от оставшихся ионов с помощью электрического поля. Это необходимо, чтобы они не стали ложными центрами конденсации в следующем цикле.
• Выжидание для установления теплового равновесия и повторного насыщения пространства камеры паром. Этот процесс, ограниченный скоростью теплопередачи и диффузии, является наиболее длительным.
В сумме подготовительный период может занимать от десятков секунд до нескольких минут ($t_{подг} \gg t_{раб}$).

Таким образом, соотношение рабочего и подготовительного промежутков времени $\frac{t_{раб}}{t_{подг}}$ является очень малой величиной. Например, при рабочем времени $0,1$ с и времени подготовки $40$ с, соотношение составит: $$ \frac{t_{раб}}{t_{подг}} = \frac{0,1 \text{ с}}{40 \text{ с}} = \frac{1}{400} $$ Это подчеркивает, что камера Вильсона – прибор периодического действия, который "видит" частицы лишь в редкие и короткие моменты времени.

Ответ: Рабочий промежуток времени камеры Вильсона очень короток (составляет сотые или десятые доли секунды), а подготовительный промежуток времени, наоборот, весьма длителен (десятки секунд или даже минуты). Их соотношение $t_{раб}/t_{подг}$ — это малая величина, которая может составлять от $1/100$ до $1/1000$ и меньше. Это означает, что камера способна регистрировать частицы лишь в течение очень малой доли от всего времени своей работы.