Номер 4, страница 289 - 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 4, страница 289.

Условие.

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

Решение.

Решение 2.

Камера Вильсона, помещенная в однородное магнитное поле, позволяет по виду треков (видимых следов из капелек сконденсировавшегося пара) определять ряд фундаментальных характеристик пролетающих через нее заряженных частиц.

• Знак заряда частицы. На движущуюся заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца, которая перпендикулярна вектору скорости. Эта сила заставляет частицу двигаться по дуге окружности. Направление изгиба трека зависит от знака заряда. Используя правило левой руки (для положительных зарядов) или зная направление вектора магнитной индукции $B$ и скорости частицы $v$, можно определить, является ли заряд частицы положительным или отрицательным. Частицы с противоположными знаками заряда отклоняются в противоположные стороны. Нейтральные частицы не отклоняются и оставляют прямой трек.

• Импульс частицы. Радиус кривизны трека $R$ напрямую связан с импульсом частицы $p$. Сила Лоренца $F_Л = |q|vB$ выступает в роли центростремительной силы $F_{цс} = \frac{mv^2}{R}$, где $m$ — масса, $v$ — скорость, а $q$ — заряд частицы. Приравнивая эти силы и учитывая, что релятивистский импульс $p = mv$, получаем формулу:

  $|q|vB = \frac{mv^2}{R}$

  $p = mv = |q|BR$

  Таким образом, измерив радиус кривизны трека $R$ и зная величину магнитной индукции $B$ и заряд частицы $q$ (который обычно кратен элементарному заряду), можно вычислить её импульс. Частицы с большим импульсом отклоняются слабее, оставляя треки с большим радиусом кривизны.

• Энергия и скорость частицы (косвенно). По мере движения в среде камеры частица теряет энергию на ионизацию атомов, её скорость и, соответственно, импульс уменьшаются. Это приводит к тому, что радиус кривизны ее траектории также уменьшается, и трек приобретает форму закручивающейся спирали. Анализируя изменение радиуса трека по его длине, можно оценить потери энергии частицы.
• Идентификация частицы (косвенно). Толщина трека (плотность капель) зависит от ионизирующей способности частицы, которая, в свою очередь, связана с ее зарядом и скоростью. Тяжелые, медленные частицы (например, альфа-частицы) создают короткие и толстые треки. Легкие, быстрые частицы (например, электроны) оставляют тонкие и длинные треки. Сопоставляя толщину трека с его кривизной (импульсом), можно делать выводы о массе частицы и, таким образом, идентифицировать ее.

Ответ: С помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, можно определить знак заряда частицы, ее импульс, а также косвенно оценить ее энергию, скорость и идентифицировать ее по характеру трека.

5. Основное и самое важное преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона заключается в значительно большей плотности рабочего вещества.

В камере Вильсона рабочим веществом является перенасыщенный пар (газообразное состояние), а в пузырьковой камере — перегретая жидкость (например, жидкий водород, пропан). Плотность жидкости на несколько порядков (в сотни и тысячи раз) превышает плотность пара. Это ключевое различие приводит к следующим важным преимуществам:

• Повышенная вероятность взаимодействия. Из-за высокой плотности среды частицы, пролетающие через пузырьковую камеру, с гораздо большей вероятностью будут взаимодействовать (сталкиваться) с ядрами атомов рабочего вещества. Это позволяет эффективно регистрировать редкие события и изучать взаимодействия частиц высоких энергий, которые в камере Вильсона с ее разреженной средой чаще всего пролетали бы насквозь без каких-либо примечательных событий.
• Более эффективное торможение частиц. В плотной жидкости частицы гораздо быстрее теряют свою энергию и останавливаются. Это означает, что в пузырьковой камере можно наблюдать полный путь частицы и все вторичные частицы, рожденные в результате взаимодействия, даже если первичная частица обладала очень высокой энергией. Треки таких частиц полностью умещаются в рабочем объеме камеры.
• Высокая точность измерений. Треки в пузырьковой камере, состоящие из мелких пузырьков, как правило, получаются более тонкими и четкими по сравнению с расплывчатыми треками из капель в камере Вильсона. Это позволяет с большей точностью измерять радиусы кривизны траекторий и, следовательно, точнее определять импульсы частиц.
• Меньшее время восстановления. Пузырьковые камеры обычно имеют меньшее "мертвое время" и могут быть готовы к регистрации следующего события быстрее, чем камеры Вильсона, что важно при работе с ускорителями частиц, генерирующими частые импульсы.

Ответ: Главное преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона состоит в более высокой плотности рабочего вещества (жидкость вместо газа). Это приводит к увеличению вероятности регистрации взаимодействий частиц, позволяет эффективнее тормозить частицы высоких энергий и повышает точность измерений их характеристик.