Номер 3, страница 288 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Глава 4. Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер. Параграф 59. Экспериментальные методы исследования частиц. Ответь на вопросы - номер 3, страница 288.

Условие.

3. По рисунку 206 расскажите об устройстве и принципе действия камеры Вильсона.

Решение.

Решение 2.

Устройство камеры Вильсона

Камера Вильсона — это один из первых приборов для регистрации траекторий (треков) заряженных элементарных частиц. Её конструкция включает следующие основные элементы:

• Герметичная камера: обычно представляет собой стеклянный цилиндр, закрытый сверху прозрачной стеклянной крышкой для наблюдения и фотографирования. Дно камеры часто делают черным для лучшей контрастности треков.
• Поршень или диафрагма: подвижный элемент, расположенный в нижней части камеры. Резкое движение поршня вниз приводит к быстрому (адиабатному) расширению газа внутри камеры.
• Рабочее вещество: внутренний объем камеры заполнен смесью инертного газа (например, аргона) и паров летучей жидкости (чаще всего воды или этилового спирта). Перед началом работы пар должен быть насыщенным.
• Источник света: сбоку от камеры располагается мощная лампа. Ее вспышка освещает образовавшиеся треки, делая их видимыми.
• Фото- или видеокамера: устанавливается над верхней крышкой для фиксации изображения треков.
• Электрическое поле: между верхней и нижней частями камеры часто создают электрическое поле, которое используется для очистки рабочего объема от ионов после регистрации события, подготавливая камеру к новому циклу.

Ответ: Камера Вильсона состоит из герметичного сосуда с прозрачной крышкой, наполненного смесью газа и насыщенного пара жидкости. В камере имеется поршень для быстрого изменения объема, источник света для подсветки треков и фотокамера для их регистрации.

Принцип действия камеры Вильсона

Принцип действия камеры основан на физическом явлении конденсации перенасыщенного пара на ионах, которые выступают в роли центров конденсации. Работа камеры происходит циклически и включает следующие шаги:

1. Создание перенасыщенного пара. В исходном состоянии пар в камере насыщен. С помощью поршня объем камеры резко увеличивают. В соответствии с законами термодинамики, при адиабатном расширении газ и пар внутри камеры охлаждаются. В результате охлаждения насыщенный пар становится перенасыщенным — это неустойчивое состояние, при котором пар готов сконденсироваться, но для этого нужны "зародыши" или центры конденсации.
2. Ионизация. Когда быстрая заряженная частица (например, альфа-частица, протон, электрон) пролетает через камеру, она на своем пути сталкивается с молекулами газа и ионизирует их, оставляя за собой "хвост" из положительно и отрицательно заряженных ионов.
3. Формирование трека. Ионы, созданные частицей, немедленно становятся центрами, на которых перенасыщенный пар начинает конденсироваться. На каждом ионе образуется микроскопическая капелька жидкости (тумана). Совокупность этих капелек формирует видимый след — трек, который в точности повторяет траекторию движения частицы.
4. Регистрация. В момент образования трека вспыхивает лампа, освещая его, и камера фиксирует изображение. По виду трека можно судить о частице:
   • Треки тяжелых частиц (альфа-частиц, протонов) — короткие, прямые и жирные из-за высокой плотности ионизации.
   • Треки легких частиц (электронов) — тонкие, длинные и часто извилистые.
   Если поместить камеру в магнитное поле, треки заряженных частиц искривляются, что позволяет определить знак их заряда и оценить импульс.
5. Возврат в исходное состояние. После фотографирования трека включается электрическое поле, которое "очищает" объем от ионов. Затем поршень возвращается в исходное положение, камера нагревается, капельки тумана испаряются, и прибор готов к регистрации следующего события.

Ответ: Принцип действия основан на конденсации перенасыщенного пара на ионах. Перенасыщенный пар создается путем резкого адиабатного расширения. Заряженная частица, пролетая сквозь камеру, создает на своем пути ионы. Эти ионы служат центрами конденсации, в результате чего вдоль траектории частицы образуется видимый след из капелек тумана (трек).