Почему траектории частиц представляют собой дуги окружностей (3 видео)

Комплекс задач некоторых разделов ядерной физики

Разделы: Физика

Качественные задачи

1.Посредством каких химических элементов можно осуществить цепную реакцию?

2. Что можно сказать о сравнительной величине массы ядра и суммы масс его нуклонов?

3. Каким образом из ядра радиоактивного вещества может выбрасываться электрон (бетта-радиоактивный процесс), когда в состав ядра входят только протоны и нейтроны?

4. Как изменяется атомный вес и номер элемента при выбрасывании из ядра:

5. На сколько уменьшается масса ядра, когда из него вылетает гамма-квант?

6. Как изменяются массовое число и номер элемента при выбрасывании из ядра позитрона?

7. Какие существуют экспериментальные методы изучения частиц и радиоактивных излучений?

8. Что лежит в основе обнаружения и исследования свойств радиоактивных изучений?

9. В чём различие принципов действия камеры Вильсона и пузырьковой камеры? Каковы преимущества пузырьковых камер перед камерой Вильсона?

10. Какими явлениями сопровождается радиоактивный распад ядра? Охарактеризуйте ионизирующие излучения, возникающие при радиоактивном распаде ядер.

11. Какова физическая природа альфа-, бетта-, и гамма- излучений? Дайте схему альфа-распада, бетта-распада. Сформулируйте для них правило смещения.

12. Почему радиоактивные препараты хранят в толстостенных свинцовых контейнерах?

13. Где больше длина пробега альфа-частицы: у поверхности Земли или в верхних слоях атмосферы?

14. Почему треки частиц, наблюдаемые в камере Вильсона, быстро исчезают?

15. Под действием какой силы альфа- и бетта- излучения отклоняются в магнитном поле?

16. Чем гамма-излучение отличается от рентгеновского?

17. Когда ионизирующая способность альфа-частиц меньше, чем у гамма-излучения?

18.Чем обусловлена потеря энергии альфа-частицей при её движении в воздухе?

19. Изменяется ли химическая природа элемента при испускании гамма-лучей его ядрами?

20. Какое из трёх альфа-, бетта-, и гамма- излучений не отклоняется в магнитном и электрическом полями?

Жизнь беззащитна
И любовь-нежна
И Разум Землю
Облагает данью
И точная Ответственность
Должна
Сопутствовать
Великому познанью. (М Дудин)

Надпись на атомном реакторе. 1985г.

1. Природа не «запрограммировала» в живых организмах радиоактивный цезий — 137. Однако у людей и животных он присутствует и продолжает накапливаться. Почему?

2. Каким фактором вызывается поражающее воздействие радиоактивных веществ на живые организмы?

3. В Киеве средняя плотность загрязнения радиоактивными элементами составляет менее 1 кюри на кв. км, в то же время в г. Плавске Тульской области после аварии на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС) — до 15 кюри на 1 кв. км (как в Народичах). Как это можно объяснить?

4. Вынос радиоактивных веществ за пределы 30-километровой зоны происходит в основном путём водного переноса. В Киевское водохранилище выносится около 344 кюри стронция. Пойма р. Припять (с. Красное) вследствие высокого загрязнения даёт до 40% выноса радиации. Считается, что наибольшую опасность представляет захороненный «рыжий лес» возле Яновского водозабора. Какая именно опасность грозит и как её предупредить?

5. На землях, загрязнённых радионуклидами, особенно строго следят за тем, чтобы весенняя обработка почвы производилась по возможности ранней весной, пока земля ещё влажная, или же после дождя и полива. Чем это обусловлено?

6. Летом 1986 г. в районе ЧАЭС предпринимались меры по предупреждению осадков: из самолётов рассыпались специальные вещества. для чего?

7. Во время чернобыльской аварии возник особый, не встречающийся ранее тип загрязнения. В результате горения графита образовались оксиды и карбиды радиоактивных металлов. Они плохо смываются водой с поверхности растений и почвы. растения всасывать их не могут. Какова дальнейшая судьба этих соединений?

8. Директор национального центра исследований в области атомной энергетики М. Танака (Япония) отметил, что в результате взрыва атомной бомбы над Хиросимой суммарные выбросы радиоактивных веществ составляли 0,74 кг, в результате аварии на ЧАЭС — 63 кг. Во сколько раз Чернобыль опередил Хиросиму? Почему загрязнение радионуклидами при ядерном взрыве в Хиросиме отличается от чернобыльского?

9. Во время запуска мощной ракеты — носителя целостность озонового слоя нарушается. При выведении на орбиту орбитальной станции с помощью ракеты — носителя «Сатурн 5» в ионосфере Земли образовалось «окно» диаметром 1800 км, которое затянулось через полтора часа. Запуск за короткий период 125 ракет — носителей приведёт к ликвидации озонового слоя. Какие последствия для живых организмов могут иметь «озоновые окна»? Есть ли альтернатива космическим кораблям? Какая?

10.Отработанные элементы космических ракет, остатки спутников после аварий иногда не полностью сгорают в атмосфере, падают на Землю со значительной разрушительной силой. В какой степени застрахованы атомные станции от встречи с такими объектами?

11. Почему к критическим группам населения, которые проживают на территориях, загрязнённых радионуклидами, относят детей младших возрастных групп, операторов сельхозмашин (трактористы, комбайнёры) и работников лесного хозяйства?

12. Почему загрязнение молока является одним из показателей, характеризующих радиоэкологическое состояние местности?

13. Почему среди рыб хищные виды наиболее загрязнённые?

14. Что такое «острый период облучения?»

15. Почему сразу после аварии, подобной чернобыльской, необходимо в качестве профилактики употреблять соединения йода?

16. Летом 1986г. в парках и скверах Киева было пробурено большое количество скважин. С какой целью? Были ли они использованы?

17. С какой целью на радиоактивно загрязнённых территориях производились известкование почв и внесение повышенных доз калийных удобрений?

18. Какая древесина должна быть чище — предназначенная на дрова или для строительства — и почему?

19. Почва загрязнена радиоактивным цезием — 137. Какие удобрения могут снизить его поглощение культурными растениями?

20. Почва загрязнена радиоактивным стронцием. В растениях щавеля, ревеня накапливается кальций, образующий с щавельной кислотой нерастворимые соли. В растениях картофеля накапливаются ионы калия. В растениях свёклы накапливается натрий. В каких из названных растений будет повышенное содержание стронция на радиоактивной почве?

21. Почему стронций, радий, иттрий, цирконий интенсивно включаются в костную ткань, а рубидий и цезий в мышечную?

22. Почему в районе ТЭС повышен радиоактивный фон?

Практические задания

Карточка №1

На фотографии видны треки ядер лёгких элементов (последние 22 см их пробега). Поле индукцией В = 2,17 Тл направлено перпендикулярно плоскости фотографии. Начальные скорости всех ядер одинаковы и перпендикулярны линиям поля.

1) Определите направление вектора индукции магнитного поля по треку IV. Почему траектории представляют собой дуги окружностей?

2) Почему трек в конце каждой частицы толще в конце пробега, чем в его начале?

3) Измерьте радиус кривизны трека I в начале пробега.

4) Частица I — протон. Определите его скорость в начале пробега и силу Лоренца, действующую на него.

1) Определите направление движения частицы III. Какова причина различия в кривизне траекторий различных ядер? Почему кривизна траекторий изменяется от начала к концу?

2) Объясните причины различия в толщине треков различных ядер.

3) Измерьте радиус кривизны траектории частицы I (протон) в конце пробега.

4) Определите по треку I скорость и кинетическую энергию протона в конце пробега.

На фотографии видны треки частиц, движущихся в магнитном поле индукцией В = 2,2 Тл. Вектор индукции магнитного поля перпендикулярен плоскости фотографии. Нижний трек принадлежит протону, имеющему начальную кинетическую энергию Е = 1,6 МэВ.

1) Определите направление движения частиц. Объясните, почему трек протона к концу пробега толще?

2) По величине кинетической энергии протона вычислите её отношение к энергии покоя.

3) Определите центростремительное ускорение протона в начальный момент.

4) Почему кривизна траектории изменяется от начала к концу пробега?

1) Определите направление силовых линий магнитного поля. Почему кривизна траекторий различна?

2) По величине энергии протона определите его скорость в начале траектории.

3) Зная, что верхний трек принадлежит частице, имеющей одинаковую с протоном начальную скорость, определите отношение заряда к массе этой частицы.

4) Какой частице принадлежит этот трек? Почему он толще трека протона?

На снимке видны треки частиц, полученных при распаде ядер. Такие группы следов из-за их вида называют звёздами распада. Распады ядер газа, наполняющего камеру Вильсона, вызваны в данном случае действием быстрых нейтронов, движущихся снизу вверх. Камера помещена в магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости фотографии. Индукция поля В = 1,3 Тл. Звезда распада в точке а позволяет видеть полный пробег одного протона начальной кинетической энергией 1,8 МэВ (протон двигался влево вверх). Кроме того, звезда содержит ещё один протон и две альфа-частицы.

1) Определите направление силовых линий магнитного поля.

2) Укажите причины, по которым толщина трека увеличивается к концу пробега.

3) Измерьте радиус кривизны трека протона к концу его движения и вычислите его энергию в этом месте.

4) Определите, ядро какого элемента распалось в точке а, если известно, что здесь произошла реакция с захватом одного нейтрона, а при распаде, кроме двух протонов и двух альфа-частиц, образовались ещё три нейтрона.

1) Определите направление движения частицы.

2) Укажите причины, по которым кривизна трека увеличивается к концу пробега.

3) Определите начальную скорость протона и величину изменения его кинетической энергии в конце пути по сравнению с начальной.

4) Определите, ядро какого элемента распалось в точке а, если известно, что здесь произошла реакция с захватом одного нейтрона, а при распаде образовались два протона, две альфа-частицы и три нейтрона.

На фотографии слева отображён косой удар двух шариков одинаковой массы. Один из шаров покоился до удара. Фотографирование проводилось при прерывистом освещении (тридцать вспышек в одну секунду). Масса каждого шара равна 173 г.

Измерив расстояния, пройденные шарами в промежутки времени между вспышками, вычислите скорость первого шара до взаимодействия, а также скорости первого и второго шаров после взаимодействия. При измерениях учтите, что на снимке все предметы изображены в уменьшенном масштабе. Линейка слева отградуирована в сантиметрах.

Измерьте величину угла между векторами скоростей шаров после удара. Проверьте расчётом закон сохранения импульса для данного удара. Проверьте закон сохранения импульса графически.

Фотография столкновения двух протонов (так называемое рассеяние протонов на протонах) сделана непосредственно в фотоэмульсии (фото справа). Первый протон двигался снизу, как указано стрелкой.

Измерьте угол между треками частиц после взаимодействия. Сравните толщину треков.

Ответьте на вопросы:

а) Если первая, движущаяся снизу, частица определена как протон, то на каком основании можно утверждать, что и вторая частица является протоном?

б) Какие ещё особенности треков подтверждают это?

в) Какой способ идентификации частиц основан на явлении, зафиксированном на фотографии?

Определите по приведённым трекам неизвестную частицу, на которую налетела указанная частица.

Содержание

Определите направление вектора индукции магнитного поля. Объясните, почему траектории частиц представляют собой дуги окружностей. Какова причина различия в кривизне траекторий разных ядер? Почему кри¬визна каждой траектории изменяется от начала к концу пробега частицы?
Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц».
«Снятие эмоционального напряжения у детей и подростков с помощью арт-практик и психологических упражнений»
🔍 Видео

Видео:Определение центра дуги окружности, построение окружности по 3 точкамСкачать

Определите направление вектора индукции магнитного поля. Объясните, почему траектории частиц представляют собой дуги окружностей. Какова причина различия в кривизне траекторий разных ядер? Почему кри¬визна каждой траектории изменяется от начала к концу пробега частицы?

1. Объясните причины различия в толщине треков разных ядер. Почему трек каждой частицы толще в конце пробега, чем в начале его?

2. Измерьте радиусы кривизны трека частицы I примерно в начале и в конце пробега и определите, на сколько изменилась энергия частицы за время пробега, если известно, что частица I идентифицирована как протон.

3. Измерьте радиус кривизны трека частицы III в начале ее пробега. Зная, что на¬чальная скорость этой частицы равна начальной скорости протона (нижний трек), вычислите для частицы III удельный заряд. По полученному значению идентифицируйте частицу.

4. Остальные треки принадлежат ядрам дейтерия и трития. Какому именно ядру принадлежат трек II и трек IV?

Видео:Кривизна траекторииСкачать

Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц».

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.

Видео:Заряд рассеиваемой частицы и форма траекторииСкачать

«Снятие эмоционального напряжения
у детей и подростков с помощью арт-практик
и психологических упражнений»

Сертификат и скидка на обучение каждому участнику

бюджетное профессиональное образовательное учреждение Вологодской области «Череповецкий металлургический колледж имени академика И.П. Бардина»

Для всех специальностей

Изучение треков заряженных частиц

Методические рекомендации и лабораторная работа по дисциплине «Физика» для студентов I курса

Разработчик Изотова Е.А.,

Изучение треков заряженных частиц. Методические рекомендации и лабораторная работа по дисциплине «Физика» для студентов I курса. /Разработчик Изотова Е.А./ — Череповец: БПОУ ВО «ЧМК» Череповецкий металлургический колледж, 2017. — 10 с.

на заседании цикловой комиссии

«Математические и естественнонаучные дисциплины»

« » 2017 г., протокол №

Теоретические сведения и методические рекомендации по выполнению лабораторной работы ………………………………………………………..

Ход выполнения лабораторной работы ……………………………………

Рекомендации по оформлению отчета по лабораторной работе ……….

Изучение треков заряженных частиц

Цель работы

Получить элементарные навыки в чтении фотографий движения заряженных частиц, сфотографированных в камере Вильсона.

лабораторное оборудование: фотографии треков заряженных частиц, прозрачная бумага, линейка;

методические рекомендации по выполнению лабораторной работы, учебник, калькулятор.

Теоретические сведения и методические рекомендации по выполнению лабораторной работы

В начале ХХ века были разработаны методы исследования явлений атомной физики и созданы приборы, позволившие не только выяснить основные вопросы строения атомов, но и наблюдать превращения химических элементов. В 1911 г. английский ученый Ч. Вильсон построил прибор, с помощью которого можно видеть и фотографировать траектории заряженных частиц. Этот прибор можно назвать «окном» в микромир, т.е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем. Камера Вильсона представляет собой геометрически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта близкими к насыщению.

При резком отпускании поршня вызванном уменьшением давления; под поршнем, пар в камере адиабатически расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение и пар становится перенасыщенным. Это неустойчивое состояние пара и пар легко конденсируется. Центрами конденсации становятся ионы, которые образуют в рабочем пространстве пролетавшая частица. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или сразу после него, то на ее пути возникают капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы — трек .

Треки дают богатую информацию о частице:

трек толще у той частицы, которая имеет больший заряд;

треки показывают траекторию движения заряженной частицы.

если частицы имеют одинаковые заряды, то трек толще у той, которая имеет меньшую скорость. Отсюда очевидно, что к концу движения трек частицы толще, чем в начале, так как скорость частицы уменьшается вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды;

пробег частицы зависит от ее энергии и плотности среды.

треки заряженных частиц в камере Вильсона представляют собой цепочки микроскопических капелек жидкости (воды или спирта), образовавшиеся вследствие конденсации пересыщенного пара этой жидкости на ионах, расположенных вдоль траектории заряженной частицы; в пузырьковой камере – цепочки микроскопических пузырьков пара перегретой жидкости, образовавшихся на ионах; в фотоэмульсии – цепочки зерен металлического серебра, образовавшиеся на ионах.

длина трека зависит от начальной энергии заряженной частицы и плотности окружающей среды: она тем больше, чем больше энергия частицы и чем меньше плотность среды.

толщина трека зависит от заряда и скорости частицы: она тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость.

при движении частицы в магнитном поле трек ее получается искривленным.радиус кривизны трека зависит от массы, заряда, скорости частицы и модуля индукции магнитного поля: он тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше ее заряд и модуль индукции магнитного поля.

по изменению радиуса кривизны трека можно определить направление движения частицы и изменение ее скорости: начало ее движения и скорость больше там, где больше радиус кривизны трека.

треки частиц в фотоэмульсии короче и толще, чем треки в камере вильсона и пузырьковой камере, и имеют неровные края.

Если камера Вильсона помещена в магнитное поле, то на движущиеся в ней заряженные частицы действует сила Лоренца:

где F _Л — сила Лоренца, Н;

q — Заряд частицы, Кл;

V — Скорость частицы, м/с;

B — Индукция магнитного поля, Тл.

Правило левой руки позволяет показать, что F _Л  V , следовательно, является центростремительной силой:

где F _л — сила Лоренца, Н;

R — радиус кривизны трека, м.

Используя формулы 1 и 2 можно определить радиус кривизны трека частицы:

Если частица имеет скорость много меньше скорости света, то кинетическая энергия определяется по формуле 4:

где Е — кинетическая энергия частицы, Дж.

Из полученных формул можно сделать выводы, которые можно использовать для анализа фотографий треков частиц:

радиус кривизны трека зависит от массы, скорости, заряда частицы. Радиус тем меньше, чем меньше масса и скорость частицы и чем больше ее заряд, отклонения 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 движение частицы, начало ее движения там, где кривизна трека меньше;

измерив, радиус кривизны трека и зная другие величины, можно вычислить для частицы отношение ее заряда к массе: .

Так для протона:

эти отношения служат важнейшей характеристикой частицы, и позволяют идентифицировать частицу, т.е. установить идентичность известной частицы;

если в камере Вильсона произошла реакция распада ядра атома, то по трекам -продуктов распада — можно установить какое ядро распалось.

Направление вектора магнитной индукции определяют, пользуясь правилом левой руки: 1) четыре вытянутых пальца расположить по направлению движения положительной частицы; 2) отогнутый на 90 0 большой палец — в направлении радиуса кривизны трека и силы Лоренца; 3) линии магнитной индукции вектора В будут входить в ладонь левой руки.

4.1 По фотографии заряженных частиц ( рисунок 1) определить радиусы треков I в начале и в конце его и III в начале трека.

4.2 Ответить на систему вопросов к трекам частиц по рисунку 1.

Ход выполнения лабораторной работы

5.1 На фотографии рисунк а 1 видны траектории ядер легких элементов (последнии 22 см пробега). Ядра двигались в магнитном поле с индукцией В=2,17 Тл, направленням перпендикулярно фотографи и . Начальные скорости всех ядер одинаковы и перепендикулярны линиям магнитного поля.

Рисунок 1- Фотография треков заряженных частиц в камере Вильсона .

5.2 Определите направление вектора индукции B магнитного поля .

5.3 Объясните почему траектории частиц представляют собой дуги окружностей?

5.4 Какова причина различия в кривизне траекторий разных ядер?

5.5 Почему кривизна каждой траектории изменятся от начал а к концу пробега частицы?

5.6 Объясните причины различия в толщине треков разных ядер. Почему трек каждой частицы толще в конце пробега, чем в начале его?

5.7 Измерьте радиусы кривизны трека частицы I примерно в начале и в конце пробега.

5.8 Определите на сколько изменилась энергия частицы за время пробега по формуле 5. Известно, что частица I идентифицирована, как протон:

где Е — изменение энергии, Дж;

В – магнитная индукция, Кл;

q – заряд протона, Кл;

m – масса протона, кг;

r , r -радиусы кривизны трека, м.

Радиусы кривизны определяют следующим образом. Наложите на фотографию листок прозрачной бумаги и переведите на нее треки I , III . Начертите, как показано на рисунке 2, две хорды и восстановите к этим хордам серединные перпендикуляры. На пересечении серединных перпендикуляров лежит центр окружности, ее радиус измерьте линейкой.