Номер 5, страница 338 - гдз по физике 9 класс учебник Грачев, Погожев

Глава 9. Физика атома и атомного ядра. Параграф 58. Регистрация ядерных излучений - номер 5, страница 338.

Условие.

5. Зачем трековые детекторы помещают в магнитное поле?

Решение.

Решение

Трековые детекторы, используемые в физике элементарных частиц (например, в ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер), помещают в сильное и однородное магнитное поле для определения ключевых характеристик заряженных частиц, пролетающих через них.

Основной принцип заключается в действии силы Лоренца на движущуюся заряженную частицу. Когда частица с зарядом $\text{q}$ движется со скоростью $\vec{v}$ в магнитном поле с индукцией $\vec{B}$, на нее действует сила $\vec{F}_L$, перпендикулярная как вектору скорости, так и вектору магнитной индукции:

$ \vec{F}_L = q(\vec{v} \times \vec{B}) $

Эта сила заставляет траекторию (трек) заряженной частицы изгибаться. Нейтральные частицы, такие как фотоны или нейтроны, не имеют заряда ($q=0$), поэтому они не взаимодействуют с магнитным полем и их траектории остаются прямолинейными (если они вообще регистрируются трековым детектором).

Анализ изогнутого трека заряженной частицы позволяет определить две важнейшие ее характеристики:

1. Знак электрического заряда. Направление изгиба трека зависит от знака заряда частицы. Например, если магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости детектора, положительно заряженные частицы будут отклоняться в одну сторону (например, по часовой стрелке), а отрицательно заряженные — в противоположную (против часовой стрелки). Это позволяет отличать частицы от их античастиц, например, электрон от позитрона.

2. Импульс частицы. Сила Лоренца выступает в роли центростремительной силы, заставляя частицу двигаться по дуге окружности. Радиус кривизны траектории $\text{R}$ напрямую связан с импульсом частицы $\text{p}$ (его составляющей, перпендикулярной вектору $\vec{B}$). Связь выражается формулой:

$ p = |q|BR $

Зная величину заряда частицы $\text{q}$ (которая обычно является кратной элементарному заряду) и индукцию магнитного поля $\text{B}$, можно, измерив радиус кривизны трека $\text{R}$, вычислить импульс частицы. Частицы с большим импульсом отклоняются слабее (их треки более прямые, с большим радиусом кривизны), а частицы с меньшим импульсом — сильнее (треки более "закрученные").

Таким образом, магнитное поле является незаменимым инструментом в экспериментальной физике частиц, позволяющим "увидеть" заряд и измерить импульс продуктов реакции, что необходимо для реконструкции событий столкновений и открытия новых явлений.

Ответ: Трековые детекторы помещают в магнитное поле для того, чтобы по искривлению траекторий (треков) движущихся заряженных частиц определять знак их электрического заряда (по направлению изгиба) и их импульс (по радиусу кривизны).