Меню

Измерьте радиус кривизны трека протона



Измерьте радиус кривизны трека протона

© Куцева Н. В. │ Сайт «Элементарные частицы» разработан в рамках ВКР магистра
по направлению подготовки 44.04.01 «Педагогическое образование» профиля «Физическое образование».
ВГПУ – 2018 г.

Определение радиуса кривизны трека элементарной частицы

Прежде чем определить радиус кривизны трека необходимо наложить на фотографию листок прозрачной бумаги и перевести на него след частицы. Затем начертить две хорды, как показано на рисунке а), и восстановить к ним в их серединах перпендикуляры. На пересечении восстановленных перпендикуляров будет лежать центр окружности. Её радиус (см. рис. б)) необходимо измерите линейкой и по указанному масштабу вычислить истинный радиус кривизны трека.

Пример измерения радиуса кривизны трека

а) восстановление перпендикуляров к хордам

б) определение радиуса кривизны

Например, радиус кривизны на фотографии 3,2 см , а отрезок 0,4 см на вашем чертеже соответствует истинной длине в 1 см .

0,4 см-1 см

3,2 см-х

х=3,2∙ 1 0,4 =8 см=8 ∙ 10 — 2 м .

Значит, радиус кривизны трека частицы равен 8∙ 10 — 2 м .

Источник

Измерьте радиус кривизны трека протона

© Куцева Н. В. │ Сайт «Элементарные частицы» разработан в рамках ВКР магистра
по направлению подготовки 44.04.01 «Педагогическое образование» профиля «Физическое образование».
ВГПУ – 2018 г.

Изучение треков заряженных частиц

Задания уровня А

I . На рисунке изображены траектории движения двух частиц в однородном магнитном поле. Обе частицы имеют одинаковые заряды и движутся с одинаковыми скоростями. Определите знак заряда частиц и объясните причину несовпадения их траекторий.

II . На рисунке изображены траектории движения двух частиц, полученные в камере Вильсона, помещённой в однородное магнитном поле. Определите знак заряда обеих частиц. Масса какой частицы больше и почему?

III . На фотографии представлен трек электрона движущегося в жидководородной пузырьковой камере, находившейся в магнитном поле. Объясните, почему трек имеет форму спирали? В каком направлении двигался электрон?

IV . На фотографии представлены треки двух частиц движущихся в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. Какой процесс изображён на этой фотографии? Объясните, почему данные частицы движутся в противоположные стороны?

V . На рисунке показаны два трека заряженных частиц полученных в камере Вильсона, помещенной в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости рисунка. Известно, что трек I принадлежит протону, а также то, что частицы влетели в камеру Вильсона в плоскости рисунка с одинаковыми скоростями. Определите, какой из частиц (протону, электрону или α-частице) принадлежит трек II и почему?

VI . Определите, какова скорость электрона, влетающего в камеру Вильсона, если радиус его трека равен 4 см , а индукция магнитного поля 8,5 м Тл ?

VII . На фотографии представлены треки ядер первичных космических лучей, полученные в ядерной фотоэмульсии. Объясните, почему их треки имеют разную толщину? Какой трек принадлежит ядру атома водорода, кислорода, гелия, кремния, железа?

Задания уровня B

I . На фотографии запечатлён трек электрона, движущегося в магнитном поле с индукцией B =1 Тл . Скорость электрона близка к скорости света (при расчётах её значение следует округлить до 3∙ 10 8 м с ). Вектор индукции магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости фотографии. Движение электрона начинается в точке а , полный путь, пройденный им, равен 1030 см .

1 . Объясните, поче-му траектория движения электрона имеет форму окружности? Как и поче-му изменяется радиус кривизны трека от начала к концу движения час-тицы?

2. Измерьте радиус кривизны трека в его начале, вычислите массу электрона и отношение её к массе покоя. Чем объ-яснить значительное уве-личение массы?

3. По массе элек-трона определите вели-чину его полной энергии.

4. Рассмотрите трек другого электрона, обоз-наченный цифрами 2. Каковы причины разницы в кривизне треков первого и второго электрона?

Дополнительное задание. К концу движения (верхняя часть треков) энергия электрона уменьшается до 12,4 МэВ . Укажите причины уменьшения энергии. Вычислите массу электрона, соответствующую последнему значению энергии.

II. На рисунке показаны смонтированные фотографии треков ядер лёгких элементов (последние 22 см их пробега), сделанных в камере Вильсона. Ядра двигались в магнитном поле с индукцией B =2,17 Тл , направленном перпендикулярно фотографиям. Начальные скорости всех ядер одинаковы и перпендикулярны линиям поля. Известно, что трек І принадлежит протону.

1. Определите направление век-тора индукции магнитного поля. Объ-ясните, почему траектория частиц пред-ставляет собой дуги окружностей. Какова причина различия в кривизне траекторий разных ядер? Почему кри-визна каждой траектории изменяется от начала к концу пробега частицы?

2. Объясните причины различия в толщине треков разных ядер. Почему трек каждой частицы толще в конце пробега, чем в начале его?

3. Измерьте радиусы кривизны трека частицы I примерно вначале и в конце пробега и определите, на сколько изменилась энергия частицы за время пробега, если известно, что частица I идентифицирована как протон.

4. Измерьте радиус кривизны трека частицы III в начале ее пробега. Зная, что начальная скорость этой частицы равна начальной скорости протона (нижний трек), вычислите для

частицы III отношение заряда к массе. По полученному числу определите, ядром какого элемента является эта частица.

Дополнительное задание. Остальные треки принадлежат ядрам дейтерия и трития. Какому именно ядру принадлежит трек II и трек IV?

III. На фотографии видны треки частиц, движущихся в магнитном поле, с индукцией B =2,2 Тл . Вектор индукции магнитного поля перпендикулярен фотографии. Нижний трек принадлежит протону, имеющему начальную энергию E =1,6 МэВ.

1. Определите направление движения частиц и направление силовых линий магнитного поля. Объясните, почему трек протона к концу пробега становится толще.

2. По величине энергии протона вычислите отношение его полной массы к массе покоя и покажите, что изменением массы следует пренебречь(что протон не является релятивистским).

3. Зная, что верхний трек принадлежит частице, имеющую одинаковую с протоном начальную скорость, определите отношение заряда к массе для этой частицы. Какой частице принадлежит этот трек? Почему он толще трека протона?

Дополнительное задание. Вычислите начальную энергию частицы, оставивший след.

IV. На снимке видны треки частиц, полученных от распада ядер. Такие группы следов по их виду называют «звездами» распада. Распады ядер газа, заполняющего камеру Вильсона, вызваны в данном случае действием на них быстрых нейтронов, поток которых движется снизу вверх. Камера помещена в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости фотографии. Индукция поля B — 1,3 Тл . «Звезда» распада в точке а позволяет видеть полный пробег одного протона с начальной энергией 1,8 МэВ (протон двигался влево-вверх). Кроме того, «звезда» содержит еще один протон и две α-частицы.

1. Определите направление силовых линий магнитного поля.

2. Укажите причины, по которым толщина и кривизна тре-ка протона увеличиваются к концу его пробега.

3. Измерьте радиус кри-визны трека протона к концу его движения и вычислите его энер-гию в этом месте, а также величину изменения энергии по сравнению с начальной.

4. Определите, ядро какого элемента распадалось в точке а, если известно, что здесь произошла реакция с захватом одного нейтрона (т.е. нейтрон проник в ядро), а при распаде, кроме двух протонов и двух α-частиц, образовались ещ ё нейтроны.

Дополнительное задание. Какие частицы составляют « звезду » распада в точке б? В точке с?

Источник

Тема: Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»

Тема: Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям»

I уровень. Теоретические сведения

При помощи камеры Вильсона наблюдают и фотографируют треки (следы) движущихся заряженных частиц. Трек частицы представляет собой цепочку из микроскопических капелек воды или спирта, образовавшихся в результате конденсации пересыщенных паров этих жидкостей на ионах. Ионы же образуются в результате взаимодействия заряженной частицы с атомами и молекулами паров и газов, находящихся в камере.

При взаимодействии частицы с электроном атома электрон получает импульс, прямо пропорциональный заряду частицы и обратно пропорциональный скорости частицы. При некоторой достаточно большой величине импульса электрон отрывается от атома и последний превращается в ион. На каждой единице пути частицы образуется тем больше ионов (а, следовательно, и капелек жидкости), чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость. Отсюда следуют выводы, которые необходимо знать, чтобы уметь «прочесть» фотографию треков частиц:

§ При прочих равных условиях трек толще у той частицы, которая обладает большим зарядом. Например, при одинаковых скоростях трек -частицы толще, чем трек протона.

§ Если частицы имеют одинаковые заряды, то трек толще у той частицы, которая движется медленнее. Отсюда очевидно, что к концу движения трек частицы толще, чем в начале, т. к. скорость частицы уменьшается вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды.

§ Для каждой частицы существует некоторое характерное расстояние, когда ее ионизирующее действие обрывается. Это расстояние называют пробегом частицы. Очевидно, пробег частицы зависит от ее энергии и плотности среды.

Если камера Вильсона помещена в магнитное поле, то на движущиеся в ней заряженные частицы действует сила Лоренца, которая равна (для случая, когда скорость частицы перпендикулярна магнитным линиям): , где – заряд частицы; – скорость; – магнитная индукция.

Правило левой руки показывает, что сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости частицы и, следовательно, является центростремительной силой: , где – масса частицы; – радиус кривизны ее трека.

Отсюда получаем: .

Если (т. е. частица нерелятивистская), то ее кинетическая энергия равна: .

Из полученных формул можно сделать выводы, которые необходимо тоже использовать для анализа фотографий треков частиц:

§ Радиус кривизны трека зависит от массы, скорости и заряда частицы. Радиус тем меньше (т. е. кривизна трека больше), чем меньше масса и скорость частицы и чем больше ее заряд. Из соотношения между энергией частицы и кривизной ее трека видно, что отклонение от прямолинейного движения больше в том случае, когда энергия частицы меньше.

§ Так как скорость частицы к концу пробега уменьшается, то уменьшается и радиус кривизны трека. По изменению радиуса кривизны можно определить направление движения частицы: начало ее движения там, где кривизна трека меньше.

§ Измерив радиус кривизны трека и зная некоторые другие величины, можно вычислить для частицы отношение ее заряда к массе (удельный заряд): .

Это отношение является важнейшей характеристикой частицы и позволяет «идентифицировать» частицу, т. е. отождествить ее с известной частицей.

Треки частиц в камере Вильсона Треки протонов

II уровень. Вспомним основные положения теории

1. Почему -частицы оставляют в камере Вильсона хорошо видимые треки в виде полосок тумана?

2. Что можно сказать о длине треков -частиц, их толщине, направлении?

3. Как называется сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу? Как она направлена?

4. Как влияет магнитное поле на движение заряженной частицы?

5. Укажите причину, по которой радиус кривизны трека частицы уменьшается к концу ее пробега.

Для начала неплохо. Попытайтесь ответить на вопросы

1. Почему вдоль траектории движения -частицы возникает цепочка ионов?

2. Почему при движении частицы в камере Вильсона ее трек становится видимым?

3. Можно ли в камере Вильсона наблюдать треки -частиц? Чем они будут отличаться от треков -частиц?

4. Почему к концу пробега в камере Вильсона трек частицы становится толще?

5. Как зависит кривизна траектории заряженной частицы в магнитном поле от: а) ее заряда; б) скорости движения; в) индукции магнитного поля?

III уровень. Попробуйте выполнить задания

1. В каком из перечисленных ниже приборов для регистрации ядерных излучений прохождение быстрой заряженной частицы вызывает появление следа из капелек жидкости в газе?

А. Счетчик Гейгера;

Б. Камера Вильсона;

В. Пузырьковая камера;

Г. Толстослойная фотоэмульсия;

Д. Экран, покрытый сернистым цинком.

А. … пузырьков пара;

Б. …капелек жидкости;

В. … удельный заряд частицы;

Г. … энергию и массу частицы.

Установите соответствие.

1. Трек в камере Вильсона состоит из …

2. По длине и толщине трека можно определить …

3. По радиусу трека можно определить …

3. На рисунке изображен трек электрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. В каком направлении двигался электрон?

4. На рисунке показан трек протона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. В каком направлении летит частица?

5. На рисунке показаны треки двух частиц в камере Вильсона. Каков знак заряда частиц, если линии магнитной индукции перпендикулярны плоскости чертежа и направлены от читателя? Одинакова ли масса частиц?

IV уровень. Проверьте, все ли Вы усвоили

1. Для определения движения отрицательного мезона на его пути в камере Вильсона помещают свинцовые пластины, а камера находится в магнитном поле. Объясните, как при этом определяют направление движения частицы.

V уровень. Это сложная задача, однако, если Вы ее решите, то сделаете заметный шаг в познании физики, у Вас будут все основания относиться к себе с большим уважением, чем прежде

1. Когда бор захватывает быстро движущийся протон, то в камере Вильсона, где протекает этот процесс, образуются три почти одинаковых трека, расходящихся веером в разные стороны. Какие частицы образовали эти треки?

Источник

Читайте также:  Измерение износа шин чем