Номер 2, страница 337 - гдз по физике 9 класс учебник Грачев, Погожев

Глава 9. Физика атома и атомного ядра. Параграф 58. Регистрация ядерных излучений - номер 2, страница 337.

Условие.

2. Что представляет собой камера Вильсона?

Решение.

Камера Вильсона — это один из первых в истории трековых детекторов, прибор для регистрации и визуализации траекторий (треков) быстрых заряженных ионизирующих частиц. Она была изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном в 1911 году. Принцип её работы позволил сделать множество открытий в ядерной физике и физике элементарных частиц, например, с её помощью был открыт позитрон.

Устройство и принцип действия

Камера Вильсона представляет собой герметичный сосуд, обычно цилиндрической формы, со стеклянной крышкой для наблюдения. Внутри камеры находится газ (например, воздух или аргон) и пары легкоконденсирующейся жидкости, такой как вода или этиловый спирт. В нижней части камеры расположен поршень, позволяющий быстро изменять её объём.

Принцип действия основан на явлении конденсации пересыщенного пара на центрах ионизации. Работа камеры происходит в несколько этапов:

1. Создание пересыщенного состояния. С помощью поршня объём камеры резко увеличивается. В соответствии с законами термодинамики, такое быстрое (адиабатическое) расширение приводит к охлаждению газа и пара внутри камеры. В результате пар становится пересыщенным — его давление превышает давление насыщенного пара при данной низкой температуре. Это состояние является метастабильным: пар готов сконденсироваться, но для этого ему необходимы центры конденсации.

2. Пролёт заряженной частицы. В момент, когда пар находится в пересыщенном состоянии, через рабочий объём камеры пролетает быстрая заряженная частица (например, альфа-частица, протон, электрон). Двигаясь сквозь газ, эта частица отрывает электроны от атомов и молекул среды, создавая на своём пути цепочку положительно и отрицательно заряженных ионов.

3. Образование видимого трека. Ионы, оставленные частицей, служат идеальными центрами конденсации. Молекулы пересыщенного пара мгновенно собираются вокруг них, образуя крошечные капельки жидкости. Цепочка этих капелек формирует видимый туманный след — трек, который в точности повторяет траекторию движения частицы.

4. Регистрация. Получившийся трек подсвечивается источником света и фотографируется через прозрачную крышку камеры для дальнейшего анализа. После регистрации электрическое поле внутри камеры очищает пространство от ионов, а поршень возвращается в исходное положение, сжимая газ и подготавливая камеру к следующему циклу.

Анализ треков

По характеристикам полученного трека можно определить свойства зарегистрированной частицы:

• Тип частицы: Тяжёлые и сильно ионизирующие частицы, такие как альфа-частицы, оставляют короткие, прямые и жирные треки. Лёгкие частицы, например, электроны (бета-частицы), создают тонкие, извилистые треки, так как они легче отклоняются при столкновениях с атомами.

• Энергия: Длина трека (пробег частицы до остановки) напрямую связана с её начальной энергией. Чем больше энергия, тем длиннее трек.

• Заряд и импульс: Если поместить камеру Вильсона в магнитное поле, траектории заряженных частиц будут искривляться под действием силы Лоренца. По направлению изгиба трека можно определить знак заряда частицы, а по радиусу кривизны $\text{R}$ — её импульс $\text{p}$ по формуле $p = |q|BR$, где $\text{q}$ — заряд частицы, а $\text{B}$ — индукция магнитного поля.

Ответ: Камера Вильсона — это детектор элементарных частиц, который делает видимыми их траектории (треки). Её работа основана на конденсации пересыщенного пара (например, спирта) на ионах, которые пролетающая заряженная частица оставляет на своем пути. Вдоль траектории частицы образуется видимая линия из мелких капель тумана, которую можно сфотографировать и проанализировать, чтобы определить тип, энергию и другие характеристики частицы.