Номер 3, страница 75, часть 3 - гдз по физике 9 класс рабочая тетрадь Грачев, Погожев

Часть 3. Глава 9. Физика атома и атомного ядра. Параграф 59. Регистрация ядерных излучений - номер 3, страница 75.

Условие.

3. В каких известных вам приборах применяют магнитные поля для определения заряда и импульса регистрируемой частицы?

Решение.

Магнитные поля используются для определения заряда и импульса заряженных частиц в различных приборах, основанных на действии силы Лоренца. Когда заряженная частица с зарядом $q$ и скоростью $v$ движется в однородном магнитном поле с индукцией $B$ перпендикулярно линиям индукции, на нее действует сила Лоренца. Эта сила всегда перпендикулярна скорости частицы, поэтому она является центростремительной и заставляет частицу двигаться по окружности:

$F_Л = F_{цс}$

$|q|vB = \frac{mv^2}{R}$

где $m$ – масса частицы, а $R$ – радиус кривизны ее траектории.

Импульс частицы равен $p = mv$. Из формулы выше можно выразить связь между импульсом и радиусом траектории:

$p = mv = |q|BR$

Таким образом, измерив радиус кривизны траектории $R$ в известном магнитном поле $B$, можно определить импульс частицы $p$. Знак заряда ($+$ или $-$) определяется по направлению отклонения частицы (например, с помощью правила левой руки для положительного заряда).

На этом принципе основана работа следующих приборов:

1. Камера Вильсона и пузырьковая камера.
Эти детекторы позволяют визуализировать траектории (треки) пролетающих через них заряженных частиц. Камера Вильсона использует пересыщенный пар, в котором частица оставляет за собой след из сконденсированных капелек, а пузырьковая камера — перегретую жидкость, где частица создает цепочку пузырьков пара. Если поместить такую камеру в магнитное поле, треки заряженных частиц будут искривляться. Анализируя фотографию трека, можно измерить радиус его кривизны и по приведенной выше формуле рассчитать импульс частицы. Направление изгиба трека указывает на знак заряда.

2. Масс-спектрометр (или масс-спектрограф).
Этот прибор предназначен для разделения ионов по их отношению массы к заряду ($m/q$). В одной из его ключевых частей — магнитном анализаторе — пучок ионов попадает в однородное магнитное поле. В поле ионы отклоняются и движутся по дугам окружностей, радиусы которых зависят от их импульса и заряда. Так как ионы обычно ускоряются до одинаковой энергии, их импульс зависит от массы. В результате ионы с разным отношением $m/q$ попадают на разные участки детектора, что позволяет их разделить и измерить их массу. Таким образом, хотя основная цель — измерение массы, принцип действия основан на определении импульса через кривизну траектории в магнитном поле.

3. Современные трековые детекторы в экспериментах по физике высоких энергий.
В современных экспериментах на ускорителях частиц (например, на Большом адронном коллайдере) используются сложные детекторные установки. Их внутренние части, называемые трековыми системами (трекерами), как правило, находятся внутри сильного магнитного поля, создаваемого большим соленоидом. Трекеры состоят из множества слоев чувствительных элементов (например, кремниевых пиксельных или стриповых детекторов), которые с высокой точностью регистрируют координаты прохождения через них заряженной частицы. По этим точкам компьютерная программа восстанавливает траекторию (трек) частицы. Анализируя кривизну этого трека, физики с высокой точностью определяют импульс частицы. Направление кривизны, как и в других приборах, позволяет определить знак ее заряда.

Ответ: Магнитные поля для определения заряда и импульса частиц применяют в таких приборах, как камера Вильсона, пузырьковая камера, масс-спектрометр, а также в современных трековых детекторах, используемых в экспериментах по физике высоких энергий.