Практическая работа №12

Изучение взаимодействия частиц и ядерных реакций по фотографиям треков

Цель работы: получить представление о экспериментальных ме­тодах исследования ядерных реакций и свойств элементарных частиц по виду их треков.

Оборудование: Фотография № 1 треков продуктов деления ядра атома урана, полученную с помощью фотоэмульсии, фотография №2 треков, образованных в камере Вильсона потоком α-частиц, фотография №3 треков элементарных частиц, пролетавших в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле.

Дополнительные принадлежности для работы: линейка, циркуль, транспортир, лист кальки.
Работа имеет важное значение, так как в ходе ее выполнения учащиеся знакомятся с приемами обработки и анализа экспери­ментальных данных, применяемыми при исследованиях объектов микромира с использованием современных методов регистрации элементарных частиц.

Для осознанного выполнения работы при подготовке к ней сле­дует обратить внимание учеников на то, как и какую информацию о элементарной частице можно получить по виду ее трека. Треком частицы называют след оставленный ею в среде, где она двигалась. Появление трека является следствием взаимодействия частицы с ча­стицами среды, оказавшимися на пути ее движения. Трек может представлять собою совокупность микроскопических капель жид­кости, возникших в перенасыщенном паре или совокупность пу­зырьков пара, возникших в перегретой жидкости. Для получения таких треков используют соответственно камеры Вильсона и пу­зырьковые камеры. Треки также могут образовываться продуктами химических реакций, произошедших в веществе в результате про­лета через него частицы. Вещества специально созданные для полу­чения подобных треков называют фотоэмульсиями.

По виду треков можно судить о величине электрического заря­да, величине и направлении скорости, длине свободного пробега, энергии частицы.

Трек образуется ионами атомов той среды, через которую дви­жется частица. Ионизация происходит под действием электричес­кого поля заряда частицы. Чем больше заряд частицы, тем сильнее ее электрическое поле и, следовательно, больше ионов образуется по ходу ее движения. Кроме того, чем меньше скорость частицы, тем с большим числом атомов в данном элементе объема среды она успеет взаимодействовать, а значит концентрация образованных ионов зависит и от скорости пролета частицы. Ионы появившиеся в камере Вильсона становятся центрами конденсации пара, в пу­зырьковой камере вызывают появление мельчайших пузырьков пара, в фотоэмульсии вступают в химическую реакцию, приводя­щую к изменению цвета эмульсии в месте нахождения иона. Сле­довательно, толщина трека зависит от концентрации ионов и определяется величиной заряда частицы и ее скоростью. Толщина трека тем больше, чем больше заряд и меньше скорость.

При движении частицы в среде ее энергия постепенно убывает в основном из-за взаимодействия с атомами среды. Следовательно, длина трека определяется запасом энергии частицы. При прочих равных условиях трек тем длиннее, чем большей энергией обладала частица в начальный момент своего движения.

Дополнительную информацию о свойствах частицы можно по­лучить с помощью магнитного поля. Известно, что при движении частицы в магнитном поле со стороны поля на нее действует сила Лоренца, которая зависит от величины ее заряда q, скорости v, ин­дукции магнитного поля В и угла между направлениями скорости и магнитного поля α:

F=qvBsinα (1).

Эта сила сообщает частице центростремительное ускорение а=v²/R. На основании второго закона Ньютона можно утверж­дать, что qvB=m v²/R (2),

m – масса частицы, R- радиус ее траектории.

Направление действия силы Лоренца определяется правилом ле­вой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре сомкнутых пальца указывали на­правление движения положительно заряженной частицы, то ото­гнутый на 90° в плоскости ладони большой палец укажет направление силы Лоренца.

Зная радиус трека, величину и направление магнитного поля и ско­рости можно указать знак заряда частицы, величину отношения ее за­ряда к массе. Сравнивая треки известной и неизвестной частиц по отношению заряда к массе, известному для одной частицы и радиусам треков находят отношение заряда к массе неизвестной частицы и ус­танавливают ее природу. Связь отношений зарядов к массе с радиуса­ми частиц можно получить, воспользовавшись формулой (2). Записав ее для одной и другой частицы, получим: q₁/m₁=v_1/BR₁ q₂/m₂=v_2/BR_2. Если скорости частиц одинаковы, то

q₁/m₁= q₂R₁/m₂R₂. (3)

Радиус кривизны трека можно определить по длине хорды. Связь между хордой окружности и радиусом можно получить, если через центр хорды провести радиус. Еще два радиуса проводят к концам хорды.

Радиус, проходящий через центр хорды, образует с ней прямой угол. В образо­вавшихся прямоугольных треугольниках имеет место равенство:

R² = (L/2)²+(R-H)², L- длина хорды, H – длина отрезка радиуса между окружностью и хордой. Раскрыть скобки и выразить из полученного выражения радиус кривизны трека.

Анализируя изменение радиуса кривизны трека, можно узнать в каком направлении она двигалась и как менялась ее скорость. Ра­диус кривизны трека больше на его начальном участке. По мере уменьшения скорости радиус тоже уменьшается.
Порядок выполнения работы

Задание 1

Исследование свойства оскол­ков деления ядра атома урана.

Для выполнения первого задания используют планшет с фото­графией № 1 треков продуктов деления ядра атома урана, получен­ную с помощью фотоэмульсии.

На данной фотографии пред­ставлена картина треков, оставлен­ных в фотоэмульсии осколками ядра атома урана. Распад произошел в точке, помеченной буквой «g». Де­ление произошло в результате захва­та ядром атома изотопа урана (²³⁵U₉₂) теплового нейтрона. Кроме образовавшихся осколков ядер, одним из которых является ядро атома ксенона (¹⁴⁰Xе₅₄), образовались два нейтрона: Левый осколок при движении от места рождения столкнулся с ядром атома фото­эмульсии.

Ученикам предлагается внимательно рассмотреть особенности треков осколков, найти на фотографии место, где произошел рас­пад ядра и ответить на следующие вопросы:

1. На сколько частей распалось ядро атома урана?

2. Можно ли утверждать, что образовавшиеся осколки сразу после рождения двигались в противоположные стороны?

3. Можно ли считать, что заряды и скорости осколков пример­но одинаковы?

4. Можно ли утверждать, что в момент, предшествующий рас­паду, атом урана покоился?

5. Какой путь пролетел левый осколок до столкновения с яд­ром атома фотоэмульсии?

6. Можно ли считать столкновение осколка с ядром атома фо­тоэмульсии центральным ударом? (Центральным называют столкновение, при котором скорости сталкивающихся тел направле­ны вдоль прямой, соединяющей их центры масс).

7. Используя закон сохранения электрического заряда и таб­лицу Менделеева, установите, какой химический элемент, кро­ме ксенона, появился в результате деления ядра урана?

Задание 2

Изучить особенности взаимодействия заряженных частиц друг с другом.

Второе задание выполняется с помощью планшета с фотографи­ей №2 треков, образованных в камере Вильсона потоком α—частиц.

Фотография треков сделана в целях изучения рассеивания а-частиц на ядрах атомов газа в ка­мере Вильсона. Перед опытом каме­ра была заполнена парами хлора и спирта. Поток частиц направлялся снизу верх. Одна из частиц в ре­зультате взаимодействия с ядром атома хлора была отклонена на зна­чительный угол относительно на­чального направления движения. На фотографии хорошо виден трек α-частицы до и после рассеивания, а также короткий и относительно более широкий трек самого ядра. Ученики рассматривают фотографию, находят на ней место, где зафиксировано рассеивание α-частицы и отвечают на следу­ющие вопросы:

1. На какой, примерно, угол была отклонена α-частица?

2. Какую часть своего пути α -частице удалось пройти до вза­имодействия с ядром хлора?

3. Какое количество α -частиц образовало треки? Какое их количество было отклонено ядрами атомов газа? Какова, ориен­тировочно, вероятность рассеивания частиц в условиях опыта? Как ее повысить?

4. Можно ли считать, что α -частицы имели примерно оди­наковую энергию?

5. Какая особенность трека позволяет считать, что рассеива­ние произошло практически без потери энергии?

6. При описании столкновения тел в физике применяют тер­мины «Упругий удар» и «Неупругий удар». К какому типу стол­кновений относится зафиксированное рассеивание α -частицы на ядре хлора?

7. Была ли направлена скорость частицы до рассеивания точ­но на центр ядра?

8. Каким физическим законом определяется взаимное распо­ложение треков α -частицы и ядра отдачи?

9. Сравнивая толщину треков ядра хлора и α -частицы мож­но ли утверждать, что ионизирующая способность заряженной частицы зависит от величины ее заряда?

10. Можно ли утверждать, что в момент съемки в камере Вильсона существовало магнитное поле?

Задание 3

Исследовать свойства эле­ментарных частиц во виду трека

При выполнении третьего задания используют планшет с фото­графиями №3. На нем смонтированы три фотографии треков заря­женных частиц в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле.

Камера находилась в однородном магнитном поле с величиной магнит­ной индукции В == 2,2 Тл. Первый трек оставлен α -частицей, второй яд­ром изотопа водорода — дейтерия (²Н₁), третий — неизвестной части­цей. Начальная скорость всех частиц была направлена снизу вверх. По виду треков необходимо установить знак заряда этой частицы, отношение ее заряда к массе, оценить величину ее скорости и энергии в начале и в конце пути.

Задание рекомендуется вьполнять в следующей последовательности.

1. По виду трека α -частицы указывают, как было направле­но магнитное поле в камере Вильсона.

2. По виду трека неизвестной частицы с учетом направления ее скорости и направления магнитного поля определяют знак ее заряда.

3. Копируют на кальку треки частиц.

4. Измеряют радиусы первой половины треков α-частицы и не­известной частицы. При измерении величины радиуса учитывают масштаб снимка, указанный на рисунке.

5. Зная структуру α-частицы вычисляют отношение ее заряда к массе.

6. Используя формулу (3), вычисляют отношение заряда к мас­се неизвестной частицы.

7. Устанавливают, какая из известных ученикам элементарных частиц имеет аналогичные характеристики.

8. Вычисляют скорость и энергию этой частицы в начале ее дви­жения в камере.

9. Измеряют радиус трека частицы в конце ее пути.

10. Вычисляют ее скорость на этом отрезке и указывают, как она изменилась за время движения частицы в камере.

11. Обращают внимание на изменение толщины трека и делают вывод о связи ионизирующей способности частицы со скорос­тью ее движения.