Почему альфа частицы оставляют в камере вильсона хорошо видимые треки в виде полосок тумана

По следам горячих частиц. Камера Вильсона

Хомяки приветствуют вас друзья!

Сегодняшний пост будет посвящен конденсационной Камере Вильсона с помощью которой можно увидеть радиацию в виде треков заряженных частиц. Зрелище завораживающее! В ходе посмотрим, как создать такое устройство, как его правильно запускать и узнаем при каких условиях частицы открывают полный потенциал для стороннего наблюдателя — типа нас с вами.

Для сборки камеры Вильсона нам необходимо достать два мощных источника питания на 5 и 12 вольт. В моем случае это серверные блоки питания от майнинговых ферм. На этикетке указан заявленный ток в 114 Ампер. Это явно в избытке, так как реальные параметры потребления тока установкой составили 23 Ампера по линии 12 вольт и 9 Ампер по линии 5 вольт. В идеале тут подойдет компьютерный блок питания на 500 Вт.

Следующие основные элементы: это охладитель на модулях Пельтье, высоковольтный преобразователь напряжения на много киловольт, и стеклянная смотровая камера через которую нам предстоит наблюдать треки ионизирующего излучения.

Охладитель можно назвать несущей частью этого карточного домика. В его основе лежат термоэлектрические элементы Пельтье, в которых возникает разность температур на его сторонах при протекании электрического тока.

Для работы установки нам нужно 8 таких элементов. Четыре из них марки ТЕС1-12710 с заявленной максимальной потребляемой мощностью 154 Вт каждый, и столько же элементов марки ТЕС1-12706 с потребляемой мощностью 60 Вт. Они будут работать в режиме бутерброда. Из практики такая сборка дает на минус 15 градусов ниже температуру, нежели один элемент отдельно.

Для достижения наибольших отрицательных температур систему необходимо снабдить качественным водяным охлаждением. Реализуется это с помощью алюминиевых радиаторов предназначенных специально для этих целей, несколькими метрами ПВХ шланга диаметром 12 мм, и бесщеточным погружным насосом, который способен перекачивать 240 литров воды в час. Питается он от постоянного напряжения 12 Вольт, потребляя при этом 3.6 Вт.

Сейчас наша задача соединить все элементы вместе. Для этого найдена металлическая основа на которой будут лежать радиаторы и собран металлический каркас, который стягивает всё в кучу. Для этих целей отлично подошли алюминиевые уголки и швеллера купленные в ближайшем строительном магазине.

Термопаста в данном случае применяется серая с надписью на банке HY-510. Наносить ее необходимо равномерным однородным слоем во избежание возможных микропузырей. Для этого можно воспользоваться пластиковой карточкой.

Термоэлектрические преобразователи размещаем в следующем порядке. Снизу более мощные марки TEC1-12710, а сверху элементы ТЕС1-12706. Они в 2 раза слабей по мощности и к тому же будут питаться от 5 Вольт вместо 12. Это нужно для того, чтобы нижний элемент успевал эффективно отводить тепло от верхнего.

Таким образом добиваемся наибольшего КПД от данной сборки. Вот такая пирамида из железа и керамики в итоге должна получится. Важно чтобы все поверхности элементов Пельтье были вровень, китайцы бывают халтурят с толщиной алюминиевых водяных охладителей, что может привести к ненужным ступенькам в итоге. Запомни — они недопустимы!

Для увеличения площади поверхности на которую будет устанавливаться смотровая камера, вырезаем квадрат из стеклотекстолита толщиной 1 мм, он кладется прямо на выступающие из модулей провода. Никаких дополнительных опор не предусмотрено.

Верхнюю термопасту наносим как можно ровней, это важно так как сейчас на всю получившиеся поверхность будем клеить черную самоклеющиеся пленку типа «Oracal», несмотря на то что она достаточно плотная, все неровности на ней отчетливо будут видны.

Вот такой ландшафт у меня получился со второй попытки. В любом случае при охлаждении пленка натягивается и поверхность будет выглядеть ровней.

Если следовать данному гайду по сборке, то в результате на поверхности охладителя мы получим температуру в минус 45 градусов, этого будет более чем достаточно для хорошей работы камеры Вильсона. К примеру при минус 30 градусов она не работает вообще, а спирт плохо конденсируется при такой температуре. Неоднократно проверял.

Нанесем на поверхность каплю воды и посмотри что с ней произойдет. Самый интересный момент в этом наблюдении происходит в самом конце, когда кристаллизация капли достигает вершины. Она вытягивается в некий острый конус. При увеличении это хорошо видно. Довольно любопытный эффект.

В принципе сборка готова и на ее поверхности можно наблюдать треки заряженных частиц вызванные полураспадом различных радиоактивных элементов. Как два пальца скажете вы! Но вот тут то и открываются самые интересные моменты в этом всем повествовании…

Кратко пройдемся по местам, на которых можно поскользнутся и упасть.

Элементы Пельтье. Они не так просты как кажутся с первого взгляда. Это в основном относится к верхним модулям TEC1-12706 в данном бутерброде. Так они работают вне своего рабочего режима по напряжению (5 Вольт вместо 12 Вольт), их итоговая температура будет значительно отличатся друг от друга. Отмечу что все элементы с одной партии, с одного завода и с одного конвейера.

Вот простой показательный пример. Пирометр показывает на самом слабом элементе минус 9.5 градусов, а на самом сильном почти 23 градуса. Разница в 13 градусов. Были мысли что этот эффект связан с системой охлаждения, так как в начале вода проходит через первую сборку теплообменника, а потом попадает во вторую. Но нет, замена шлангов местами ни к чему хорошему не привели.

И как теперь быть?! Да никак. Одеваемся и выдвигаемся за новыми белыми квадратами. Повезло, что магазин под боком. В итоге пришлось отбирать четыре элемента из восьми для достижения почти одинаковых температур на поверхностях. Разница вышла в пару градусов.

Смотровая камера. Её назначение многозадачное: предотвратить теплообмен охладителя с окружающей средой, не допустить попадания внешних воздушных потоков, создать замкнутое пространство для циркуляции паров спирта и обеспечить беспрепятственный зрительный контакт с испытуемым образцом внутри камеры.

Найти такой пластиковый контейнер оказалось не просто. Требование к нему — это хорошая прозрачность. Несмотря на всю аккуратность и старания во избежание возможных царапин, подвох пришел оттуда, откуда его меньше всего ждали. Полиэтиленовый одноразовый пакет в котором находился контейнер, царапал поверхность как наждачка при каждом касании пальцами. Естественно это никуда не годится, так как восстановить поверхность уже нереально.

Плюс такой коробки — это красивый вид, минус — съемка возможна только в дневное время при правильном освещении. Во время работы все следы пальцев, царапин, неравномерности стенок пластика и прочий перечень минусов дадут о себе знать. Наблюдение за распадами сверху, вообще не представляется возможным из-за катаракты крышки пищевого контейнера.

Выход — заказать подобие стеклянного аквариума нужного размера. Подручными средствами убираем все дефекты, чистим, моем, полируем и в итоге получаем довольно приличную камеру. Внешние размеры стенок которой 10 на 10 см и высотой 12 см.

На одной из сторон куба можно наблюдать сантиметровый технологический вырез в верхней части, он заранее предусмотрен для установки подсветки. Реализована она на семи сверхъярких белых светодиодах диаметром 3 мм, которые вставлены в пластиковую основу. Смоделирована она в SolidWorks и распечатана на 3D принтере.

Козырек изначально не предусматривался, но он необходим для того, чтобы прямой свет не попадал в объектив видеокамеры. Пересвеченный кадр на фоне наблюдаемых распадов с большой вероятностью будет несмотрибельным.

Дальше алмазной коронкой нужно высверлить в стекле два отверстия по бокам в верхней части камеры. Делается это с помощью дрели, высоких оборотах и добавлением воды. Стекло может нагреться в месте трения и треснуть. Сейчас нам это меньше всего нужно.

С внутренней стороны на местах отверстий клеем пористую губку. Она представляет собой отрезок твердой абразивной стороны кухонной мочалки для мытья посуды. Фасон на любой вкус и цвет. В дальнейшем она будет пропитываться спиртом и служить источником тех самых паров, которые будут конденсироваться на дне камеры. Через отверстия удобно дозаправлять камеру спиртом во время работы.

Казалось бы, мы выполнили основную работу и теперь можно запускать установку, наблюдая за распадами радиоактивных источников. Да, ноооо… Нет!

Для качественного наблюдения за треками нужно выполнить один важный пункт. А именно подать высокое напряжения и зарядить положительным потенциалом внутренний объем камеры. Для этого делается квадратная рамка внутри и выводится наружу контакт через заранее проделанные отверстия. Рамка сделана из тонкого медного провода взятого из жил витой пары.

Вот простой пример влияния высокого напряжения на работу камеры. Она вышла на режим и работает довольно продолжительное время, но внутри не видно никаких распадов. Подаем высокое напряжение, а внутри что то пыхает и через пару секунд довольно отчетливо виден природный радиационный фон. Куча мелких частиц попадает в конденсационное облако и оставляет свой след. Этот эффект похож на самолет который пролетел высоко в небе. Самолет мы не видим, а облако пара за ним может тянутся на много километров показывая траекторию полета.

В качестве источника высокого напряжения во время проведения экспериментов можно использовать промышленные блоки БВ9-1.5, но вряд ли вы его найдете в свободной продаже.
В паспорте к устройству имеется электрическая принципиальная схема, она построена на базе простого двухтактного генератора с обратной связью. Попробуем повторить что-то подобное в более современном исполнении.

На просторах всемирной паутины давно гуляют схемы распространенных ZVS генераторов, они проверены временем и не требую никакой особой настройки. Схему такого устройства и Gerber файлы платы можете скачать тут. Для сборки тут нужен всего десяток деталей которые легко помещаются в одной руке. Самыми дорогими среди них являются силовые транзисторы, в данном случае это IRFP250 или IRFP260, тут все зависит от входного напряжения с которым вы собираетесь работать. Конденсаторы взял марки MKPH 0.33 микрофарада, их используют в индукционных плитах.

Пару часов работы в программе EasyEDA и на выходе получаем компактное устройство с размещением всех элементов. Так как не все умеют травить печатные платы их производство за символическую сумму можно заказать в Китае.

Для сборки, схема не нужна, так как на маске указано где и как размещаются все компоненты. Перед установкой транзисторов на радиатор их желательно смазать термопастой, но как покажет дальнейшая практика, нагрева при работе совсем не будет. В результате всех манипуляция у нас получился мощный, компактный, двухтактный ZVS генератор. Второе название Push-pull. С его помощью можно вытягивать длинные горячие дуги из строчных трансформаторов отечественных телевизоров.

Прежде чем перейти к следующей части, нужно намотать трансформатор. Маркировка ТВС-110. Снимаем первичную катушку и вместо нее мотаем толстым проводом 2 обмотки по 5 витков с отводом от середины. При правильной сборке высоковольтного генератора его работа будет выглядеть так. При зажигании дуги ток потребления будет порядка 2 Ампер при напряжении питания 12 вольт. По мере увеличения дуги ток потребления будет расти вплоть до 10 Ампер. Дуга при этом будет толстая и белая. Трогать ее пальцами не нужно! Подключив на выход строчника умножитель ун9/27, можно получать высокие напряжения вплоть до многих десятков киловольт. Выходное напряжение тут напрямую зависит от входного. Работа генератора начинается от напряжения 8 вольт и выше.

Для ленивых. Чтобы не строить огород можно использовать строчник типа ТДКС от более современных телевизоров. Там внутри уже имеется умножитель напряжения. Недостаток — выходной ток, у ТДКС он очень мал.

Теперь рассмотрим ситуацию что вы все собрали, но дуга при этом вышла тонкая, синяя и в общем никакая. Это признак неправильно намотанной первичной обмотки. Важно соблюдать направление намотки в одну сторону. Если намотать неправильно, то такой режим работы даже на холостом ходу приведет к чрезмерному потреблению тока. Дроссель по питанию, транзисторы и феррит будут нагреваться до немыслимых температур, больше сотни градусов. Из дорожек платы с большой вероятностью пойдет дым, а изоляция провода первичной обмотки превратится в сыр от перегрева. С этим разобрались.

После сборки схемы на выходе умножителя у нас имеется высокое напряжение. Его необходимо подать на рамку из медного провода в верхней части камеры Вильсона.

На что оно влияет?! Так как источник ионизирующего излучения в камере действует непрерывно, в скором времени внутри образуется много ионов в процессе радиоактивного распада источника, а перенасыщенный пар спирта конденсируется на них создавая туман, который мешает визуальному наблюдению за распадами. Положительный заряд высоковольтного генератора притягивает лишние ионы, улучшая картину наблюдаемого процесса.

У нас все готово к запуску. В процессе работы элементы Пельтье будут сильно нагреваться и их нужно качественно охлаждать. С этим нам поможет холодная вода. Примерно 5 литров охлаждаем в холодильнике, а все остальное замораживается в бутылках в морозильнике.
Тут мне отлично пригодились бутылки из под пива, двойная польза так сказать)

Погружной насос размещаем с одной стороны этого ледяного бассейна, а с другой будет шланг через который выходит отобравшая тепло у системы вода. Она пройдя весь путь через ледяные бутылки вернется обратно к насосу и процесс повторится, пока в бутылках не растает весь лед.

Время заправить систему благородной жидкостью. В камере использован этиловый спирт из аптеки. Использовать изопропанол многие не рекомендуют, так как его пары вступают в реакцию с различными пластиками, что в результате может привести к разным непредвиденным ситуациям в процессе работы. Сам не проверял.

Итак, настал тот самый момент, ради которого мы все здесь собрались. Включаем установку. Зажигается подсветка и насос начинает перекачивать воду по системе охлаждения. Камера выходит на режим в течении 40 секунд при условии что температура воды будет порядка пяти градусов.

Из-за большого потока ионизирующего излучения спирт не успевает конденсироваться на треках, что приводит к непонятному слою тумана в центральной части источника. Высоковольтное напряжение генератора избавиться от этого эффекта не помогает. На верхах видим одинокие следы самых сильных частиц, которые смогли пролететь дальше всех. Если в камере альфа источник, то уменьшить его поток можно с помощью фольги и проделанного в ней отверстии. Так картина выглядит намного красивей.

Самое удивительное в этом всем процессе, это наблюдение за распадами обычного природного фона. Их оказывается так много, что и представить трудно. Десятки различных событий ежесекундно регистрируется в камере.

Тонкие кривые треки — это следы электронов (бета излучение). Толстые жирные треки — это альфа частицы (ядра гелия). Что касается гамма-излучения, говорят что камера не способна его зарегистрировать.

Только хотел это проверить, как произошло что-то странное. Один элемент Пельтье перестал работать. Нижний 12 Вольтовый модуль в бутерброде просто взял вышел из строя на ровном месте. Пришлось разбирать установку, разбираться в чем проблема и ехать в магазин за новым элементом.

Сейчас нам нужно достать радиоактивные источники. Желательно такие, чтобы вас потом в места не столь отдаленные не заперли. В этом нам поможет Алиэкспрес.

Это ионизационная камера для дымоизвещателя, в нем содержится америций — 241. Альфа источник. Чувствительный слюдяной датчик Радиаскан 701 со снятой крышкой фильтра, показывает примерно 7.7 Миллирентген условно.

При достижении температуры ниже 35-40 градусов, спирт становится достаточно пересыщенным чтобы в нем можно было наблюдать треки заряженных частиц. В центральной части сейчас ничего не видно, пресыщенность пара в этом месте пропадает из-за большой интенсивностью источника ионизирующего излучения. Вся картина напоминает перо павлина, которое дает более 30.000 тысяч распадов на сантиметр квадратный в минуту. На сколько больше на знаю, так как Радиаскан 701 при таком измерении уходит в зашкал.

Физика возникновения треков связана с тем, что ионизирующая частица на своем пути оставляет след ионов, связанных с столкновением альфа частицы или электронов с молекулами того газа что находится в камере. Образовавшиеся ионы в итоге выполняют роль центров конденсации пересыщенного спирта. Весь процесс трекообразования наблюдается примерно на уровне 3 миллиметров над уровнем охлаждающей поверхности. Все просто.

Ториевые электроды для сварки WT-20 с двухпроцентным содержания радиоактивного оксида тория — 232. Он альфа-радиоактивен с периодом полураспада всего лишь 14,05 млрд лет. Треки возникающие при распаде тория длинные и красивые и в редких случаях частица может пролететь через всю камеру. Едем дальше…

Оксид тория как и в случае урановых пуговиц добавляют при производстве стекла. Китайцы на алиэкспресс торгуют так называемыми скалярными медальонами, которые якобы наделяю вас какой-то положительной энергией. Медальон тоже светится в ультрафиолете и максимум на что способен это ионизировать ваши клетки в организме, вызывая их преждевременную гибель. Распады радиоактивного тория на мой взгляд самые красивые для визуального наблюдения.

Десерт программы. Рентгеновская установка на советском кенотроне 2Ц2С. Год выпуска 1965. Если подать на него достаточно высокое напряжение, эта радиолампа может служить источником рентгеновского излучения. При этом внутри ее стеклянного баллона можно наблюдать красивое голубое свечение вызванное влиянием высокого напряжения. При сильных уровнях рентгена стеклянный баллон начинает светиться зеленым светом вызванным тормозным излучением. Явление красивое, но рекомендую наблюдать его только на экранах ваших мониторов.

Медленно поднимаем анодное напряжение на лампе и в какой то момент все дно камеры покрывается мелкими точками, вызванными низкоэнергетическим рентгеном. Чем выше энергия частицы, тем меньше ее ионизирующая способность. В какой то момент энергия излучения вырастает и взаимодействие пропадает. Видны только фоновые треки, при этом уровни на 40 сантиметрах от кенотрона достигают 5 Миллирентген.

Из практики. На грани пробоя высоким напряжением такая трубка дает больше одного Рентгена на расстоянии 30 сантиметров. Вот такие интересные опыты у нас получились. Всё это и многое другое вы можете видеть на нашей странице инстаграмме. Там всегда выходят свежие новости.

Для справки. Съемка данного выпуска заняла почти 3 месяца. Стоимость данной камеры Вильсона со всеми непредвиденными расходами обошлась примерно в 150 баксов. Сюда также включены блоки питания и токоизмерительные клещи, которыми мы измеряли ток. Зная все нюансы и тонкости в этом ремесле, вы без труда сможете собрать такую установку дома и с интересом наблюдать за явлениями которые обычно не видны невооруженному глазу. Теперь вы знаете как выглядит радиация и с чем ее едят.

Как гласит Японская мудрость:
Быстро — это медленно, но без перерывов.

Источник

Почему альфа частицы оставляют в камере вильсона хорошо видимые треки в виде полосок тумана

© 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.

Внешний вид первой камеры Вильсона

Действие камеры Вильсона основано на явлении конденсации перенасыщенного пара, т. е. на образовании мелких капелек жидкости на каких-либо центрах конденсации, например на ионах, образующихся вдоль заряженной частицы.

Схема устройства камеры Вильсона

Камера Вильсона представляет собой геометрически стеклянный закрытый сосуд (на рисунке камера показана в разрезе) со стеклянной крышкой, внутри которого может перемещаться поршень. На дне камеры находится чёрная ткань, увлажнённая смесью воды с этиловым спиртом, благодаря чему воздух в цилиндре очень близок к насыщению. При резком опускании поршня, вызванным уменьшением под ним давления, пар в камере адиабатно расширяется, его внутренняя энергия уменьшается. В результате чего пар охлаждается и становится перенасыщенным. Находясь в крайне неустойчивом состоянии, пары жидкости будут легко конденсироваться на таких центрах конденсации, как ионы, образующиеся в камере при пролёте в ней элементарной частицы. Если изучаемые частицы проникают в камеру через тонкое окошко (иногда источник частиц помещают внутри камеры) сразу после расширения пара, то на их пути появляются капельки воды (их размер порядка ), которые и образуют видимый след пролетавших частиц – треки. Стоит также отметить, что при расширении пара центрами конденсации могут служить частички пыли, что вызвало бы появление тумана. Однако в камере Вильсона этого не происходит, так как воздух в ней предварительно отчищают.

Освещая треки сбоку сильной лампой, их можно сфотографировать через прозрачную крышку камеры. Но следы частиц в камере существуют недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капли испаряются.

Для получения новых следов, необходимо восстановить чувствительность камеры: удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать воздух поршнем, выждать, пока воздух нагревшийся в камере при сжатии, охладиться, и произвести новое расширение. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Время восстановления рабочего режима зависит от размера камеры и может быть от нескольких секунд до десятков минут.

Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счётчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека – её скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше её энергия. А чем больше капелек воды образуется на единицу длины трека, тем меньше её скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины.

Фотографии треков заряженных частиц в камере Вильсона
Для просмотра фотографий кликните по их миниатюрным изображениям

Если камеру Вильсона поместить в магнитное поле, то сила, действующая со стороны этого поля (сила Лоренца) на заряженную частицу, будет искривлять траекторию частицы, не изменяя модуля её скорости. Впервые такие треки (а именно треки α-частиц ) наблюдал наш советский академик П. Л. Капица в 1923 году. В 1924 году искревление треков электронов и других лёгких частиц наблюдал и другой наш советский академик Д. В. Скобелицын.

По направлению изгиба можно судить о знаке заряда частицы. Причём чем больше заряд частицы, тем и чем меньше её масса, тем трек имеет большую кривизну. По заряду частицы и кривизне её трека можно найти массу частицы. Измерив радиус траектории, можно определить скорость и энергию частицы, если известны её масса и заряд.

За изобретение первой визуальной камеры регистрации элементарных частиц в 1927 году Ч. Вильсону была присуждена Нобелевская премия.

Камера Вильсона сыграла важную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она была практически единственным визуальным прибором регистрации и исследования ядерных и космических излучений:

● В 1930 году советскими физиками Л. В. Мысовским и Р. А. Эйхельбергером по проведению опытов с рубидием и камерой Вильсона было зарегистрировано испускание β-частиц. Позже была открыта естественная радиоактивность изотопа .

● В 1947 году английским физиком С. Пауэллом также при исследовании космического излучения были зарегистрированы пионы (π-мезоны) и т. д.

В последние годы камера Вильсона уступила своё место пузырьковой и искровой камерам.

Источник

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

Треки частиц в камере Вильсона Треки протонов

Работа проводится с готовой фотографией треков двух заряженных частиц (один принадлежит протону, другой частице, которую надо идентифицировать). Идентификация неизвестной частицы осуществляется путем сравнения ее удельного заряда q/m с удельным зарядом протона. Отношение удельных зарядов обратно пропорционально отношению радиусов треков:

Для измерения радиуса кривизны трека вычерчивают две хорды и восстанавливают к ним перпендикуляры из центров хорд. Центр окружности лежит на пересечении этих перпендикуляров.

Ход работы:

1. Рассмотрите принцип действия камеры Вильсона на рисунке.

2. Ознакомьтесь с фотографией треков двух заряженных частиц. (Трек I принадлежит протону,трек II– частице, которую надо идентифицировать).

3. Измерить радиусы кривизны треков,на их начальных участках (см. рис. 1).

4. Определите знак электрического заряда неизвестной частицы на фотографии.

5. Сравните удельные заряды неизвестной частицы и протона.

6. Все полученные результаты занесите в таблицу

R1, м

R2, м

7. Идентифицировать частицу по результатам измерений.

Материал для справок: Удельный заряд электрона:

Удельный заряд протона:

Удельный заряд альфа-частицы:

8.На фотографии (рис.2) запечатлены треки частиц, полученных при распаде атомных ядер (так называемые “звёзды” распада), в камере Вильсона. Распады ядер вызваны действием нейтронов с энергией 90 МэВ, двигавшихся в направлении, указанном стрелкой. На снимке видны три “звезды” распада и полный пробег одного протона с начальной кинетической энергией 1,8 МэВ. Камера помещена в однородное магнитное поле с индукцией 1,3 Тл, направленное перпендикулярно фотографии.

Задание 1. А)Рассмотрите трек и определите направление движения протона.

Б)Вычислите по известной энергии протона радиус окружности на начальном этапе его движения.

В)Измерьте одним из способов радиус окружности на начальном этапе движения протона. Сделайте вывод о правомерности его использования.

Г)Почему кривизна трека протона меняется к концу движения? Подтвердите предположение расчётом.

Задание 2. А)Определите направление силовых линий магнитного поля. Почему протон в однородном магнитном поле движется по дуге окружности, а следы других частиц искривлены?

Б)Укажите причины, по которым толщина и кривизна трека частиц увеличиваются к концу пробега.

В)Измерьте одним из способов радиусы кривизны трека протона на начальном и конечном этапах движения и вычислите его импульс в начале и конце пути. Каково изменение импульса протона? Подтверждает ли полученный результат ваше предположение? Г)Как по трекам частиц, образующим звезду распада, можно идентифицировать ядро распада? Какие законы следует применять?

Д)Какое ядро распалось в точке в под действием нейтронов, если из центра звезды исходят следы четырёх α– частиц? Почему треки 1 и 2 имеют разную длину и толщину?

Рис. 2

Контрольные вопросы

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

Что можно сказать о длине треков -частиц, их толщине, направлении? Почему к концу пробега в камере Вильсона трек частицы становится толще?

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

3. Как влияет магнитное поле на движение заряженной частицы?

4. Укажите причину, по которой радиус кривизны трека частицы уменьшается к концу ее пробега. Как зависит кривизна траектории заряженной частицы в магнитном поле от: а) ее заряда; б) скорости движения; в) индукции магнитного поля?

Дата добавления: 2015-05-06 ; Просмотров: 17062 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям» (11 класс)

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Обращаем Ваше внимание, что c 1 сентября 2022 года вступают в силу новые федеральные государственные стандарты (ФГОС) начального общего образования (НОО) №286 и основного общего образования (ООО) №287. Теперь требования к преподаванию каждого предмета сформулированы предельно четко: прописано, каких конкретных результатов должны достичь ученики. Упор делается на практические навыки и их применение в жизни.

Мы подготовили 2 курса по обновлённым ФГОС, которые помогут Вам разобраться во всех тонкостях и успешно применять их в работе. Только до 30 июня Вы можете пройти дистанционное обучение со скидкой 40% и получить удостоверение.

Столичный центр образовательных технологий г. Москва

Получите квалификацию учитель математики за 2 месяца

от 3 170 руб. 1900 руб.

Количество часов 300 ч. / 600 ч.

Успеть записаться со скидкой

Форма обучения дистанционная

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?

В. Пузырьковая камера;

Г. Толстослойная фотоэмульсия;

Д. Экран, покрытый сернистым цинком.

Б. …капелек жидкости;

В. … удельный заряд частицы;

Г. … энергию и массу частицы.

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

Что можно определить по треку частицы?

Что можно определить по треку частицы?

Треки дают богатую информацию о частице:

Что можно определить по толщине трека?

По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (порядка 10-3см для α-частиц, испускаемых радиоактивными элементами), но при фотографировании их можно увеличить.

Можно ли в камере Вильсона наблюдать трек?

Можно ли в камере Вильсона наблюдать трек заряженной частицы со временем жизни 10 − 21 с? Ответ: можно, если энергия частицы большая нет

Почему трек имеет форму спирали?

Трек имеет форму спирали, потому что электрон взаимодействует с частицами жидкости (жидкого гелия). При этом электрон теряет свою кинетическую энергий (ну для формирования трека — образование пузырьков — нужна же энергия!). То есть, уменьшается скорость движения электрона.

Как образуется трек в камере Вильсона?

В камере Вильсона (см. рис. 1) треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10-3-10-4 см) и фотографирования при хорошем освещении.

Что фотографируют в камере Вильсона?

Камера Вильсона — один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Представляет собой невысокий стеклянный цилиндр с крышкой, с поршнем внизу. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно больше 1 минуты.

Как устроен и работает камера Вильсона?

Камера Вильсона представляет собой ёмкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части, заполненную насыщенными парами воды, спирта или эфира. Пары тщательно очищены от пыли, чтобы до пролёта частиц у молекул воды не было центров конденсации. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.

Почему к концу пробега в камере Вильсона трек становится толще?

Ионы же образуются в результате взаимодействия заряженной частицы с атомами и молекулами паров и газов, находящихся в камере. Отсюда очевидно, что к концу движения трек частицы толще, чем в начале, т. к. скорость частицы уменьшается вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды.

Почему треки ядер атомов имеют разную толщину?

Длина трека зависит от начальной энергии заряженной частицы и плотности окружающей среды. Толщина трека зависит от заряда и скорости частицы: она тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше её скорость. При движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривлённым.

Как зависит радиус кривизны трека от массы?

Радиус кривизны трека зависит от массы, скорости и заряда частицы. Радиус тем меньше (т е. отклонение частицы от прямолинейного движения больше), чем меньше масса и скорость частицы и чем больше ее заряд.

В каком направлении движутся альфа частицы?

Задание 2. а) α-частицы двигались слева направо, б) Одинаковая длина треков α-частиц говорит о том, что они имели одинаковую энергию. в) Толщина трека увеличивается за счет того, что уменьшалась скорость из-за столкновений с частицами среды.

Как движутся альфа частицы?

Излучаемые альфа-частицы движутся практически прямолинейно со скоростью примерно 20 ООО км/с. Длина пробега альфа-частиц в воздухе обычно менее 10 см. Так, например, альфа-частицы с энергией 4 МэВ обладают длиной пробега в воздухе примерно в 2,5 см.

Как изменится радиус кривизны трека по мере движения частицы в магнитном поле?

Как зависит толщина трека от заряда частиц?

Толщина трека зависит от заряда и скорости частицы: она тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше её скорость. При движении заряженной частицы в магнитном поле трек её получается искривлённым. По изменению радиуса кривизны трека можно определить направление движения заряженной частицы и изменение её скорости.

Что определяют по кривизне трека?

3. Радиус кривизны трека частицы зависит от ее заряда, скорости и массы; он тем меньше, чем меньше масса и скорость и чем больше ее заряд. 4. Направление движения можно определить и по изменению радиуса кривизны – в конце движения он уменьшается, так как уменьшается и скорость частицы.

Какой частице может принадлежать Трек 2?

Трек I на фотографии принадлежит протону, трек II — частице, которую надо идентифицировать. Начальные скорости обеих частиц одинаковы и перпендикулярны краю фотографии.

Как можно регистрировать заряженные частицы?

Регистрация заряженных частиц основана на явлении ионизации или возбуждении атомов, которое они вызывают в веществе детектора. На этом основана работа таких детекторов как камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера, фотоэмульсии, газовые сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.

Какой метод регистрации частиц?

Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующие действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра.

Какие приборы используют для регистрации элементарных частиц в ядерной физике?

Какие методы существуют для регистрации заряженных элементарных частиц?

Рассмотрим некоторые из них, которые наиболее широко используются.

Какие вы знаете методы наблюдения и регистрации элементарных частиц?

В каком приборе для регистрации частиц происходит процесс кипения перегретой жидкости?

Пузырько́вая ка́мера — это устройство или прибор для регистрации следов (или треков) быстрых заряженных ионизирующих частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы.

Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать не заряженные частицы?

Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы? Нет. Камера Вильсона предназначена для следов (треков) заряженных частиц. Ее принцип — следы заряженных частиц становятся центрами конденсации перенасыщенного пара.

Какое явление возникает при прохождении частицы через пузырьковую камеру?

Пузырьковая камера — Заряженная частица образует на своем пути цепочку ионов, что приводит к закипанию жидкости. — Вдоль траектории частицы появляются пузырьки пара (трек).

На каком процессе основан принцип действия счетчика Гейгера?

Принцип работы счетчиков Гейгера основан на эффекте ударной ионизации газовой среды под действием радиоактивных частиц или квантов электромагнитных колебаний в межэлектродном пространстве при высоком ускоряющем напряжении.

Что происходит при попадании элементарные частицы в пузырьковую камеру?

При движении заряженной частицы в такой жидкости вдоль её траектории образуется ряд пузырьков пара. После фотографирования трека давление поднимается, пузырьки исчезают, камера готова к регистрации следующей ионизирующей частицы.

В чем отличия камеры Вильсона от пузырьковой камеры?

Пузырьковая камера позволяет сфотографировать трек (след от частицы), а в камере Вильсона это сделать труднее. Пузырьковая же камера содержит перегретую жидкость (жидкость при температуре выше температуры кипения), и пузырьки как бы конденсируются на месте трека частицы.

Как работает сцинтилляционный счетчик?

Принцип действия сцинтилляционного счётчика состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны.

Источник