Лабораторна робота № 11

1. Тема

Дослідження треків заряджених частинок за готовими фотографіями

2. Мета і завдання

1. Набути елементарних навичок по дослідженню фотографій треків заряджених частинок, отриманих у камері Вільсона.

2. Навчитися ідентифікувати заряджену частинку.

3. Інформаційне забезпечення

1. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з фізики (с. 29).

2. Л. С. Жданов, Г. Л. Жданов. Фізика (§§ 38.1  38.7).

4. Технічне забезпечення

1. Фотографія треків; косинець; олівець.

Не починати виконувати роботу, якщо в інструкції що-небудь залишилось незрозумілим. З приладами поводитися дуже обережно, запобігати їх падінню.

5. Теоретичні відомості

Одним із основних методів дослідження елементарних частинок є метод масспектроскопії. Цей метод полягає в тому, що на будь-яку заряджену частику, що рухається у магнітному полі, діє сила з боку цього поля, яка називається силою Лоренца.

Магнітне поле може бути штучно створеним в обмеженому просторі з визначеними напруженістю і напрямком. Якщо елементарна частинка влітає в цей простір, то вона під дією сили Лоренца починає рухатися по викривленій траєкторії. За виглядом траєкторії можна визначити заряд цієї частинки, її масу, імпульс, енергію тощо.

Однак треба усвідомлювати, що ми не можемо побачити ні самі частинки, ні їхній рух навіть у найпотужніший мікроскоп. На допомогу приходить така фізична властивість елементарних частинок, як здатність іонізувати молекули й атоми речовини на своєму шляху. Цю властивість у фізиці використовують для реєстрації траєкторій руху або, так званих, треків заряджених частинок (рис. 11.1).

Існує багато приладів, які різними способами реєструють іонізуючий шлях частинок, найпростішим з яких являється камера Вільсона. Принцип дії цієї камери полягає в тому, що в об’ємі камери шляхом різкого розширення повітря утворюється перенасичена пара. В однорідному магнітному полі з відомою напруженістю камера розташовується перпендикулярно до ліній індукції поля. Заряджена частинка, рухаючись крізь камеру, залишає після себе вздовж всієї траєкторії іонізовану речовину. Іони речовини являються центрами конденсації для перенасиченої пари, яка на них і конденсується. Туман цієї пари вздовж траєкторії руху елементарної частинки ми і спостерігаємо. Це можна зафіксувати, наприклад, на фотоплівку, а потім вивчати отримані треки. На цьому методі і засновано виконання лабораторної роботи.

Ідентифікація невідомої частинки здійснюється шляхом порівняння її питомого заряду з питомим зарядом відомої частинки – протона. Це можна зробити, виміривши і порівнявши радіуси треків частинок на їх початкових ділянках, враховуючи, що їх початкові швидкості  однакові.

На заряджену частинку, що рухається в магнітному полі, діє сила Лоренца: (1),

де q  заряд частинки;   швидкість руху частинки; B  індукція магнітного поля.

Оскільки частинка рухається перпендикулярно до поля, кут  між вектором швидкості і вектором магнітної індукції дорівнює /2, отже, sin = 1. Таким чином, сила Лоренца для частинки є доцентровою і дає можливість записати: (2), де m  маса частинки; а_n  доцентрове прискорення; R  радіус кривизни її траєкторії.

П орівнявши праві частини рівнянь (1) і (2), можна знайти питомий заряд частинки: , звідки: . (3).

За таблицею визначають і саму частинку.

Радіус R траєкторії частинки визначається простою геометричною побудовою. На початку траєкторії частинки креслять дві хорди, що лежать близько одна до одної, як показано на рисунку 15.1. Далі проводять перпендикуляри до середин цих хорд. В точці О перетину перпендикулярів знаходиться центр кола, по якому в даний момент рухалася частинка. Залишається лінійкою якомога точніше виміряти радіус траєкторії даної елементарної частинки.