какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры вильсона помещенной в магнитное поле
Вопросы § 54
Физика А.В. Перышкин
1. По рисунку 159 расскажите об устройстве и принципе действия счётчика Гейгера.
Счетчик Гейгера состоит из стеклянной трубки, заполненной разряженным газом (аргоном) и запаянной с обоих концов, внутри которой находится металлический цилиндр (катод) и натянутой внутри цилиндра проволочки (анод). Катод и анод соединены через сопротивление с источником высокого напряжения (200-1000 В). Поэтому между анодом и катодом возникает сильное электрическое поле. При попадании ионизирующей частицы внутрь трубки образуется электронно-ионная лавина и в цепи возникает электрический ток, регистрируемый счетным устройством.
2. Для регистрации каких частиц применяется счётчик Гейгера?
Счетчик Гейгера применяется для регистрации электронов и 7-квантов.
3. По рисунку 160 расскажите об устройстве и принципе действия камеры Вильсона.
Камера Вильсона представляет собой невысокий стеклянный цилиндр с крышкой, поршнем внизу и насыщенным паром смеси спирта с водой. При движении поршня вниз пары становятся пересыщенными, т.е. способными к быстрой конденсации. При попадании какой-либо частицы, через специальное окошко, внутрь камеры они создают ионы, которые становятся ядрами конденсации и вдоль траектории движения частицы возникает след (трек) из сконденсированных капелек, которые можно сфотографировать. Если поместить камеру в магнитное поле, то траектории заряженных частиц будут искривлены.
4. Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле?
По направлению изгиба судят о заряде частицы, а по радиусу кривизны можно узнать величину заряда, массу и энергию частицы.
5. В чём преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона? Чем отличаются эти приборы?
В пузырьковой камере вместо пересыщенного пара используется перегретая выше точки кипения жидкость, что делает ее быстродейственнее.
Вопросы.
1. По рисунку 170 расскажите об устройстве и принципе действия счетчика Гейгера.
2. Для регистрации каких частиц применяется счетчик Гейгера?
Счетчик Гейгера применяется для регистрации электронов и ϒ- квантов.
3. По рисунку 171 расскажите об устройстве и принципе действия камеры Вильсона.
Камера Вильсона представляет собой невысокий стеклянный цилиндр с крышкой, поршнем внизу и, насыщенным паром смеси спирта с водой. При движении поршня вниз пары становятся пересыщенными, т.е. способными к быстрой конденсации. При попадании какой-либо частицы, через специальное окошко, внутрь камеры они создают ионы, которые становятся ядрами конденсации и вдоль траектории движения частицы возникает след (трек) из сконденсированных капелек, которые можно сфотографировать. Если поместить камеру в магнитное поле, то траектории заряженных частиц будут искривлены.
4. Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле?
По направлению изгиба судят о заряде частицы, а по радиусу кривизны можно узнать величину заряда, массу и энергию частицы.
5. В чем преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона? Чем отличаются эти приборы?
В пузырьковой камере вместо пересыщенного пара используется перегретая выше точки кипения жидкость, что делает её быстродейственнее.
Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры вильсона помещенной в магнитное поле
1. Каковы устройство и принцип действия счетчика Гейгера?
2. Для регистрации каких частиц применяется счетчик Гейгера?
Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов, но существуют модели, пригодные и для регистрации γ-квантов.
3. Как устроена и работает камеры Вильсона?
Камера Вильсона состоит из стеклянного цилиндра со стеклянной крышкой.
Внутри цилиндра может двигаться поршень.
На дне камеры находится чёрная ткань, увлажненная смесью воды с этиловым спиртом.
Воздух в камере насыщен парами этих жидкостей.
При быстром движении поршня вниз находящиеся в камере воздух и пары жидкостей расширяются, их внутренняя энергия уменьшается, температура понижается.
При понижении температуры в камере пары жидкостей становятся пересыщенными и могут они будут легко конденсироваться на любых образующихся в камере ядрах конденсации.
4. Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле?
Если камеру Вильсона поместить в магнитное поле, то, определив траекторию движения частицы, можно определить знак заряда частицы по направлению изгиба, ее массу, энергию и заряд по радиусу кривизны траектории.
5. В чем преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона? Чем отличаются эти приборы?
Пузырьковая камера обладает большим быстродействием в отличие от камеры Вильсона.
Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры вильсона помещенной в магнитное поле
Цель работы: изучение принципа работы камеры Вильсона и законов движения заряженных частиц в однородном магнитном поле.
Камера Вильсона была изобретена шотландским физиком Ч. Вильсоном в 1910–1912 гг. и являлась одним из первых приборов для регистрации заряженных частиц. В основе действия камеры лежит свойство конденсации капелек воды на ионах, образовавшихся вдоль трека (следа) частицы. Появление камеры Вильсона не только позволило увидеть треки частиц, но и сделало возможным «распознавание» этих частиц (заряд, энергия), а также дало много нового материала, который послужил основанием для некоторых важных открытий.
Принцип работы камеры Вильсона довольно прост. Известно, что если парциальное давление водяного пара превышает его давление насыщения при данной температуре, то может образоваться туман и выпасть роса. Показатель перенасыщения S – это отношение парциального давления к давлению насыщения при данной температуре. Для самопроизвольной конденсации пара в чистом воздухе нужны большие показатели перенасыщения (S
10), но если в воздухе присутствуют посторонние частицы, способные служить центрами конденсации, то образование микрокапелек может начаться и при меньших значениях S.
Частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают достаточной энергией для ионизации большого числа молекул газа, составляющего среду. Образующиеся при пролете частицы ионы эффективно притягивают молекулы воды вследствие несимметричности распределения заряда в этих молекулах. Таким образом, частица, высвободившаяся при радиоактивном распаде, пролетая перенасыщенную среду, должна оставлять за собой след из капелек воды. Его можно увидеть и заснять на фотопластинку в камере Вильсона.
В 1923 г. советский физик П.Л. Капица поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле, которое искривляло траекторию движения частиц. По величине искривления траектории можно определять заряды и энергии частиц.
Рассмотрим движение частицы в поперечном однородном магнитном поле. Если частица влетает в магнитное поле перпендикулярно его силовым линиям, то на нее действует сила Лоренца 
, т.к. угол между скоростью и направлением индукции поля в этом случае равен 90 градусов. Эта сила перпендикулярна скорости частицы и поэтому не совершает работы и не изменяет кинетической энергии частицы. По этой причине величина скорости частицы в магнитном поле постоянна. Поскольку направление движения частицы изменяется, то частица все же имеет ускорение, которое является центростремительным, при этом частица движется по окружности, плоскость которой перпендикулярна силовым линиям магнитного поля. 2-й закон Ньютона запишется в виде:
, (1)
где R – радиус окружности. Отсюда следует, что радиус 
, т.е. он пропорционален скорости частицы. Время одного оборота частицы по окружности равно 
, т.е. оно не зависит от скорости частицы.
Из формулы (1) можно получить выражение для удельного заряда частицы, т.е. для отношения заряда частицы к ее массе:
. (2)
Из формулы (2) видно, что для определения этой величины необходимо измерить скорость частицы и радиус окружности, по которой она движется в магнитном поле, а также знать величину индукции магнитного поля.
Поскольку поле наблюдения является кругом, то наблюдатель видит лишь часть траектории частицы, которая зависит от соотношения радиуса траектории частицы и радиуса поля наблюдения. Имеются три различных случая, которые представлены на рис. 1: радиус траектории может быть меньше, больше или равен радиусу самой камеры Вильсона.
Какие характеристики частиц можно определить с помощью камеры вильсона помещенной в магнитное поле
© 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.