Номер 5, страница 226 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Элементы квантовой физики. Параграф 54. Радиоактивность - номер 5, страница 226.

Условие.

5. Опишите устройство и принцип действия камеры Вильсона. Какие характеристики частиц можно определить с её помощью?

Решение.

Устройство и принцип действия камеры Вильсона

Камера Вильсона — это один из первых в истории детекторов, позволяющий визуально наблюдать траектории (треки) заряженных частиц.

Устройство:

Камера представляет собой герметичную емкость, обычно цилиндрической формы, со стеклянной верхней крышкой для наблюдения. Внутри камера заполнена смесью газа (например, воздуха или аргона) и паров легкоконденсирующейся жидкости, такой как вода или этиловый спирт. Дно камеры представляет собой подвижный поршень или эластичную диафрагму, предназначенную для быстрого изменения объема. Для освещения образующихся треков используется мощный источник света, а для их фиксации — фотокамера. Часто устройство помещают в магнитное поле, создаваемое внешними катушками, и оснащают электрическим полем для очистки объема от ионов.

Принцип действия:

Работа камеры основана на конденсации перенасыщенного пара на ионах, которые образуются вдоль траектории движения быстрой заряженной частицы. Процесс происходит в несколько этапов:

1. Создание перенасыщенного пара. Исходно пар в камере является насыщенным. Путем резкого движения поршня вниз (адиабатное расширение) объем камеры увеличивается, что приводит к быстрому охлаждению газа и пара. В результате пар становится перенасыщенным — это неустойчивое состояние, при котором он готов сконденсироваться, но для этого нужны центры конденсации.

2. Ионизация. В этот момент в камеру влетает быстрая заряженная частица. Пролетая через газ, она отрывает электроны от атомов, создавая на своем пути цепочку из положительных ионов и свободных электронов.

3. Конденсация и образование трека. Ионы, оставленные частицей, служат идеальными центрами конденсации. Перенасыщенный пар мгновенно конденсируется на них, образуя видимую цепочку из мельчайших капелек тумана. Эта цепочка (трек) точно повторяет траекторию движения частицы.

4. Регистрация и сброс. Трек освещается и фотографируется. Затем включается электрическое поле, которое убирает все ионы из рабочего объема, а поршень возвращается в исходное положение. Камера готова к регистрации нового события.

Ответ: Камера Вильсона состоит из герметичного сосуда с поршнем, заполненного паром, который при резком расширении становится перенасыщенным. Принцип действия основан на конденсации этого пара на ионах, образованных пролетающей заряженной частицей, что делает ее траекторию видимой в виде туманного следа (трека).

Какие характеристики частиц можно определить с её помощью?

Анализ треков, оставленных частицами в камере Вильсона, позволяет определить их ключевые характеристики:

Знак заряда. Если поместить камеру в магнитное поле, то траектория заряженной частицы искривится под действием силы Лоренца. По направлению изгиба трека можно однозначно определить знак заряда частицы (положительный или отрицательный). Нейтральные частицы не отклоняются магнитным полем и не оставляют сплошного трека.

Энергия и скорость. О скорости частицы можно судить по толщине трека. Чем выше скорость частицы, тем меньше времени она взаимодействует с атомами среды и тем меньше ионов создает на единицу длины пути. Поэтому быстрые частицы оставляют тонкие, прерывистые треки, а медленные — толстые и сплошные. По длине пробега частицы до ее полной остановки в камере можно судить о ее начальной энергии.

Импульс. Измерив радиус кривизны траектории $\text{R}$ в магнитном поле с известной индукцией $\text{B}$, можно рассчитать импульс частицы $\text{p}$ по формуле: $p = |q|BR$, где $\text{q}$ — это модуль заряда частицы.

Взаимодействия. Камера Вильсона позволяет наглядно регистрировать различные события микромира: упругие и неупругие столкновения частиц (изломы и изменения толщины треков), ядерные реакции и распады частиц (появление "вилок" — нескольких треков, исходящих из одной точки).

Ответ: С помощью камеры Вильсона можно определить траекторию, знак заряда, энергию, скорость и импульс частицы, а также наблюдать процессы ее взаимодействия с веществом и распады.