Номер 4, страница 261 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

4. Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле?

4. Камера Вильсона, помещенная в однородное магнитное поле, индукция которого $\vec{B}$ направлена перпендикулярно плоскости движения частиц, позволяет определить ряд важных характеристик заряженных частиц по их трекам (следам из капелек сконденсированного пара).

Основные характеристики, которые можно определить:

• Знак электрического заряда частицы. На движущуюся в магнитном поле заряженную частицу действует сила Лоренца, $F_Л = qvB$, которая всегда перпендикулярна вектору скорости частицы $\vec{v}$. Эта сила заставляет частицу двигаться по дуге окружности. Направление изгиба трека зависит от знака заряда частицы ($q$). Используя правило левой руки (для положительного заряда) или правило правой руки (для отрицательного), зная направление магнитного поля и направление движения частицы, можно однозначно определить знак её заряда. Например, если поле направлено от нас, то положительно заряженные частицы будут отклоняться влево, а отрицательно заряженные — вправо.

• Импульс частицы. Сила Лоренца является центростремительной силой, которая удерживает частицу на круговой траектории. Приравнивая силу Лоренца и центростремительную силу, получаем: $qvB = \frac{mv^2}{R}$, где $m$ — масса частицы, а $R$ — радиус кривизны её трека. Учитывая, что импульс частицы $p = mv$, можно выразить его через радиус кривизны: $p = qBR$. Таким образом, измерив по фотографии радиус кривизны трека $R$ и зная величину заряда частицы $q$ (которая обычно кратна элементарному заряду) и индукцию магнитного поля $B$, можно рассчитать импульс частицы. Чем больше импульс, тем больше радиус кривизны трека (т.е. тем меньше трек искривляется).

• Энергия частицы. По мере движения в камере частица теряет энергию на ионизацию атомов среды. Это приводит к уменьшению её скорости, а следовательно, и импульса. В результате радиус кривизны её трека уменьшается, и траектория выглядит как скручивающаяся спираль. По изменению кривизны трека можно судить о потере энергии и, следовательно, определить начальную энергию частицы. Кроме того, толщина трека также связана с энергией: медленные частицы производят более плотную ионизацию и оставляют более толстые следы.

• Удельный заряд частицы ($q/m$). Если возможно оценить скорость частицы (например, по плотности ионизации), то в сочетании с данными об импульсе можно определить и её массу, а следовательно, и удельный заряд, что помогает идентифицировать частицу.

Ответ: С помощью камеры Вильсона в магнитном поле можно определить знак электрического заряда частицы, её импульс, а также оценить её энергию и удельный заряд.

5. Пузырьковая камера, как и камера Вильсона, является трековым детектором, но имеет перед ней существенное преимущество, которое заключается в гораздо большей плотности рабочего вещества.

В камере Вильсона треки образуются в перенасыщенном паре (газе), тогда как в пузырьковой камере — в перегретой жидкости (например, в жидком водороде или пропане). Плотность жидкости на несколько порядков превышает плотность газа. Это основное различие приводит к следующим преимуществам:

• Высокая вероятность взаимодействия. Из-за высокой плотности рабочего вещества частицы, пролетающие через пузырьковую камеру, с гораздо большей вероятностью будут взаимодействовать с ядрами атомов этой жидкости. Это позволяет регистрировать редкие события и изучать продукты ядерных реакций, которые в камере Вильсона просто не произошли бы (частица пролетела бы насквозь).

• Эффективное торможение частиц. Высокая плотность среды обеспечивает большую тормозную способность. Высокоэнергетические частицы быстрее теряют свою энергию и с большей вероятностью останавливаются внутри рабочего объема камеры. Это позволяет измерить их полный пробег и более точно определить их начальную энергию.

• Изучение короткоживущих частиц. Продукты ядерных реакций часто являются нестабильными, короткоживущими частицами. В плотной среде они успевают пролететь лишь очень короткое расстояние перед распадом. Пузырьковая камера позволяет регистрировать треки таких частиц и их последующие распады, что крайне сложно сделать в разреженной среде камеры Вильсона.

Таким образом, пузырьковая камера является более эффективным инструментом для исследований в области физики высоких энергий, так как позволяет изучать взаимодействия частиц, а не только их траектории.

Ответ: Главное преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона заключается в использовании в качестве рабочего вещества перегретой жидкости, которая имеет гораздо большую плотность, чем пар в камере Вильсона. Это значительно увеличивает вероятность взаимодействия исследуемых частиц с веществом и позволяет эффективнее регистрировать и изучать продукты ядерных реакций.