31.03.2022 р.

Тема: Лабораторна робота №10. Дослідження треків заряджених частинок за фотографіями

 Короткі теоретичні відомості.

За допомогою камери Вільсона спостерігають і фотографують треки (сліди) рухомих заряджених частинок. Трек частинки являє собою ланцюжок з мікроскопічних крапельок води або спирту, що утворилися в результаті конденсації пересиченої пари цих рідин на іонах. Іони ж утворюються в

результаті взаємодії зарядженої частинки з атомами і молекулами парів і газів, що знаходяться в камері.

Щоб вміти «прочитати» фотографію треків частинок потрібно знати:

1. За інших однакових умов, трек товщий у тієї частинки, яка має більший заряд. Наприклад, при однакових швидкостях трек альфа-- частинки товщий, ніж трек протона і електрона..

2. Якщо частинки мають однакові заряди, то трек товщий у тієї, яка має меншу швидкість. Звідси очевидно, що під кінець руху трек частинки товщий, ніж на початку, оскільки швидкість частинки зменшується внаслідок втрати енергії на іонізацію атомів середовища. 

3. Пробіг частинки залежить від її енергії і від густини середовища. 

4. Траєкторії частинок є дугами кола тому, що сила Лоренца завжди спрямована перпендикулярно швидкості частинки і, отже, є доцентровою силою. Оскільки швидкість частинки зменшується, то кривизна треку буде безперервно зростати до кінця пробігу. Якщо камера Вільсона вміщена в однорідне магнітне поле, то на заряджені частинки в ній діє сила Лоренца, яка дорівнює:

F = qBν, (1)

де q – заряд частинки,

ν – швидкість, В – індукція магнітного поля. Правило лівої руки дає можливість показати, що сила Лоренца спрямована завжди перпендикулярно до швидкості частинки і, отже, є доцентровою силою:

mа = qBν, (2)

де m – маса частинки, r - радіус кривизни її треку,

а – доцентрове прискорення.

Звідси

q / m = ν / Br. (3)

Вимірявши радіус кривизни треку r і індукцію магнітного поля В, можна для частинки обчислити відношення її заряду до маси: q/m. Це відношення дає можливість визначити, що це за частинка, або, як кажуть, ідентифікувати частинку.

Радіус кривизни треку частинки визначають так: фотографію прикладають до вікна і переводять на аркуш паперу трек. Потім за допомогою циркуля визначають радіус треку на його початку (1-1,5 см). Робити це треба дуже уважно, бо трек частинки не є дугою кола, це спіраль.

Хід роботи

1. Розгляньте фотографії треків. Трек І належить протону, треки ІІ,ІІІ і IV - частинкам, які потрібно ідентифікувати. Вектор індукції магнітного поля перпендикулярний до площини фотографії і дорівнює 2,17 Тл. Початковішвидкості всіх частинок однакові і перпендикулярні до напрямку магнітного поля.

2. Накладіть на фотографію аркуш прозорого паперу і перенесіть на нього треки.

3. Для кожного треку проведіть дві хорди і в їх серединах поставте перпендикуляри. На перетині перпендикулярів лежать центри кіл.

4. Виміряйте радіуси кривизни треків частинок, перенесених на папір, на їх початкових ділянках. Поясніть, чому траєкторії частинок є дугами кіл. Яка причина різниці в кривизні траєкторій різних ядер? Пояснення  запишіть у зошит.

5. Виміряйте радіуси кривизни на початку і в кінці одного з треків. Поясніть чому кривизна траєкторії кожної частинки змінюється від початку до кінця пробігу частинки?

6. Поясніть причини відмінності в товщині треків різних ядер. Чому трек кожної частинки більш товстий в кінці пробігу, ніж на початку? Пояснення запишіть в зошит.

7. Порівняйте питомі заряди частинки ІІІ і протона І, знаючи, що початкові швидкості частинки і протона однакові. Відношення питомих зарядів частинок обернене до відношення радіусів їх траєкторій:  обчислити для невідомої частинки за формулою (3) відношення заряду до маси q /m. За одержаним числом визначити, ядром якого елемента є ця частинка (див.плакат).

8. Визначити відносну похибку, знаючи теоретичне значення q /m .

9. Ідентифікуйте частинку ІІІ за наслідками дослідження.

10. Інші треки належать ядрам дейтерія і тритія. З’ясуйте якому саме ядру належить трек ІІ і IV?

11. Зробіть висновок.