Номер 25.1, страница 114 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

Экспериментальное задание 25.1

Работаем в группе

Наблюдение треков альфа-частиц в камере Вильсона

Оборудование: камера для наблюдения следов альфа-частиц, пробирка со смесью этилового спирта и воды, резиновая груша.

Подготовьте к работе камеру Вильсона и проведите наблюдение следов альфа-частиц.

Вылетающие из атомных ядер при радиоактивном распаде альфа- и бета-частицы обладают кинетической энергией порядка миллиона электронвольт. При движении в газе они ионизируют нейтральные атомы вещества, создавая положительные и отрицательные ионы. Если в газе имеются пары в пересыщенном состоянии, то на этих ионах происходит конденсация капель жидкости. Цепочка капель жидкости вдоль траектории движения быстрой заряженной частицы образует видимый след, называемый треком частицы.

Для наблюдения треков быстрых заряженных частиц в работе применяется школьная камера Вильсона. Она состоит из пластмассового кольца с наклеенными на него с двух сторон двумя прозрачными пластинами из органического стекла. В пластмассовое кольцо вмонтирован также металлический стержень, на конце которого имеется альфа-радиоактивное вещество.

Рис. 25.8

В кольцо вмонтирован штуцер, который через резиновый шланг соединён с резиновой грушей (рис. 25.8). После медленного сжатия груши и быстрого её отпускания в результате быстрого расширения воздуха в камере охлаждается, пары воды и спирта становятся пересыщенными и происходит их конденсация на ионах.

1. Откройте пробирку со смесью спирта и воды. Вставьте в пробирку наконечник резиновой груши, проведите несколько сжатий и расширений, для того чтобы груша заполнилась насыщенными парами смеси.

2. Соедините резиновую грушу гибким шлангом с камерой Вильсона. Произведите несколько лёгких сжатий и расширений груши для заполнения рабочего объёма камеры насыщенными парами смеси.

3. Поместите камеру Вильсона на тёмную подставку. Если освещённость на месте проведения опыта мала, включите настольную лампу и осветите камеру сверху. Для очищения рабочего объёма от ионов, возникших ранее, нужно создать внутри камеры электрическое поле. Это поле создаётся электризацией верхней плексигласовой крышки при натирании её куском шерстяной ткани.

4. Для наблюдения следов альфа-частиц медленно сожмите грушу, а затем быстро отпустите её. Если степень сжатия окажется удачной, то на ионах, возникших вдоль траектории движения альфа-частиц, произойдёт конденсация пересыщенного пара. Капельки тумана образуют трек — видимый след движения альфа-частиц (рис. 25.9).

Если треки частиц в первом опыте не обнаружатся, то, изменяя степень сжатия, повторяйте операции сжатия и расширения воздуха до тех пор, пока не добьётесь успеха.

Рис. 25.9

Принцип действия камеры Вильсона

Камера Вильсона является одним из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Её работа основана на явлении конденсации пересыщенного пара на ионах.

1. Ионизация газа. Быстрая заряженная частица (например, альфа-частица), пролетая через газ, состоящий из нейтральных атомов или молекул, срывает с них электроны. Этот процесс называется ионизацией. В результате на пути частицы образуется цепочка положительно заряженных ионов и свободных электронов.

2. Создание пересыщенного пара. Для того чтобы сделать эту невидимую цепочку ионов видимой, в камере создаются специальные условия. Рабочее пространство камеры заполняется парами легкоконденсирующейся жидкости (например, смеси воды и спирта) до состояния насыщения. Затем объем камеры резко увеличивают. Этот процесс расширения происходит очень быстро, поэтому теплообмен с окружающей средой не успевает произойти, то есть процесс является адиабатным ($Q=0$). Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии газа равно работе, совершённой над газом, и количеству переданной теплоты: $\Delta U = A' + Q$. При адиабатном расширении газ сам совершает работу ($A > 0$), поэтому работа внешних сил отрицательна ($A' = -A$), и внутренняя энергия газа уменьшается: $\Delta U = -A$. Уменьшение внутренней энергии газа приводит к его сильному и резкому охлаждению. В результате этого охлаждения пар становится пересыщенным — его плотность превышает плотность насыщенного пара при данной низкой температуре. Такое состояние является неустойчивым.

3. Конденсация на ионах. В обычном состоянии для начала конденсации пару нужны «центры», которыми могут служить пылинки или неровности на стенках. В очищенной от пыли камере Вильсона такими центрами конденсации становятся ионы, оставленные пролетевшей частицей. Ионы притягивают к себе полярные молекулы пара (воды, спирта), и на них начинают расти мельчайшие капельки жидкости. В результате вдоль траектории движения частицы образуется видимый след из капелек тумана — трек.

Таким образом, камера Вильсона позволяет не просто обнаружить частицу, а визуализировать её траекторию.

Ответ: Принцип действия камеры Вильсона заключается в конденсации пересыщенного пара на ионах, которые образует быстрая заряженная частица, пролетая через газ. Резкое адиабатное расширение газа в камере вызывает его охлаждение и переход пара в пересыщенное состояние, что приводит к образованию видимого трека из капелек жидкости вдоль траектории частицы.

Объяснение порядка выполнения эксперимента

В описании эксперимента подробно изложены шаги, необходимые для успешного наблюдения треков. Каждый шаг имеет свое физическое обоснование.

1 и 2. Заполнение камеры насыщенными парами смеси спирта и воды.
Смесь этилового спирта и воды используется потому, что она легко испаряется и конденсируется. Спирт, в частности, позволяет достичь состояния пересыщения при более высоких температурах и меньшей степени расширения по сравнению с чистым водяным паром. Насыщение всего рабочего объема камеры парами является необходимым начальным условием для последующего создания пересыщенного состояния во всем объеме.

3. Подготовка к наблюдению.
Тёмная подставка и боковое освещение. Треки состоят из очень мелких капелек, которые хорошо видны только при ярком боковом освещении на темном фоне. Свет рассеивается на капельках (эффект Тиндаля), и они становятся видимыми как светящиеся линии.

Создание электрического поля. Внутри камеры всегда присутствует некоторое количество "фоновых" ионов, образованных, например, космическими лучами или естественной радиоактивностью. Чтобы эти ионы не создавали сплошной туман, мешающий наблюдению треков от источника, их необходимо удалить. Создаваемое электрическим полем (путем электризации крышки трением) поле заставляет ионы двигаться к верхней и нижней поверхностям камеры («электродам») и разряжаться на них. Это «очищает» рабочий объем камеры перед основным экспериментом.

4. Наблюдение треков.
Медленное сжатие и быстрое отпускание груши. Медленное сжатие груши увеличивает давление в камере. Этот процесс должен быть медленным (изотермическим), чтобы температура успела выровняться с окружающей средой. Быстрое отпускание груши (расширение) является ключевым моментом. Как уже было описано, это быстрое адиабатное расширение приводит к резкому охлаждению и созданию пересыщенного пара. Если степень расширения (которая зависит от степени начального сжатия) подобрана правильно, то пар конденсируется именно на ионах, оставленных альфа-частицами от радиоактивного источника. В результате видны четкие треки, как на рис. 25.9. Альфа-частицы, будучи тяжелыми и имея большой заряд, создают плотные, прямые и короткие треки.

Ответ: Каждый этап эксперимента направлен на создание оптимальных условий для наблюдения треков: сначала камера насыщается парами спирта и воды, затем очищается от фоновых ионов с помощью электрического поля. Правильная техника освещения делает треки видимыми. Ключевой момент — адиабатное расширение (быстрое отпускание груши после медленного сжатия), которое создает пересыщенный пар, конденсирующийся на ионах, оставленных альфа-частицами, и тем самым делающий их траектории видимыми.