Номер 2, страница 326 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

2. Какие преимущества имеет пузырьковая камера по сравнению с камерой Вильсона?

Пузырьковая камера и камера Вильсона являются трековыми детекторами, предназначенными для визуализации траекторий (треков) заряженных частиц. Оба устройства работают на принципе создания метастабильного состояния вещества, которое переходит в устойчивое состояние вдоль траектории частицы, делая ее видимой. В камере Вильсона это пересыщенный пар, в котором на ионах, оставленных частицей, конденсируются капельки жидкости. В пузырьковой камере это перегретая жидкость, которая вскипает на ионах, образуя пузырьки пара.

Несмотря на схожий принцип действия, пузырьковая камера, изобретенная Дональдом Глазером в 1952 году, обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с камерой Вильсона.

Основные преимущества пузырьковой камеры обусловлены свойствами ее рабочего вещества — перегретой жидкости, — которое значительно плотнее рабочего вещества камеры Вильсона (пересыщенного пара).

• Большая плотность рабочего вещества. В качестве рабочего вещества в пузырьковых камерах используются сжиженные газы (например, жидкий водород, дейтерий, пропан), плотность которых в сотни и тысячи раз превышает плотность пересыщенного пара в камере Вильсона. Это приводит к следующим последствиям:
  • Вероятность взаимодействия пролетающей частицы с ядрами рабочего вещества значительно выше. Это позволяет регистрировать редкие процессы и изучать взаимодействие частиц, которые в камере Вильсона пролетели бы без взаимодействия.
  • Частицы быстрее теряют энергию и чаще останавливаются внутри камеры. Это дает возможность более точно определять их энергию по длине пробега.
  • Повышается эффективность регистрации нейтральных частиц (например, нейтронов или гамма-квантов) по продуктам их взаимодействия с веществом.
• Более высокое быстродействие. Время, необходимое для приведения камеры в рабочее состояние и последующего возврата в исходное (рабочий цикл), у пузырьковой камеры значительно меньше. Если для камеры Вильсона это время составляет порядка минуты (из-за необходимости очистки от ионов и медленного расширения), то пузырьковая камера может работать с частотой несколько циклов в секунду. Это позволяет синхронизировать ее работу с импульсными ускорителями частиц и регистрировать гораздо больше событий за то же время.
• Лучшее пространственное разрешение. Треки в пузырьковой камере состоят из очень маленьких пузырьков (диаметром в десятки микрометров), что делает их более тонкими и четкими по сравнению с расплывчатыми треками из капель в камере Вильсона. Это позволяет с высокой точностью измерять кривизну треков в магнитном поле и, следовательно, точнее определять импульсы частиц.
• Возможность использования водорода в качестве мишени. Использование жидкого водорода в качестве рабочего вещества является огромным преимуществом. Ядро водорода — это протон. Поэтому взаимодействия частиц происходят с простейшими мишенями — протонами, что значительно упрощает теоретическую интерпретацию результатов экспериментов по сравнению со взаимодействиями на сложных ядрах газов, используемых в камере Вильсона (например, аргон).

Ответ:

• Большая плотность рабочего вещества: увеличивает вероятность взаимодействия частиц, позволяет эффективнее регистрировать редкие события и нейтральные частицы, а также точнее измерять их энергию по длине пробега.
• Высокое быстродействие: короткий рабочий цикл позволяет синхронизировать работу с ускорителями и получать значительно большую статистику событий.
• Лучшее пространственное разрешение: более четкие треки позволяют точнее измерять импульсы частиц.
• Использование простой мишени: применение жидкого водорода (протонов) в качестве рабочего вещества упрощает теоретический анализ взаимодействий.