Почему траектории частиц представляют собой окружности (4 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.

Видео:Урок 276. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном полеСкачать

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19

Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям.

Цель работы:изучить треки заряженных частиц по готовым фотографиям.

Теория: При помощи камеры Вильсона наблюдают и фотографируют треки (следы) движущихся заряженных частиц. Трек частицы представляет собой цепочку из микроскопических капелек воды или спирта, образовавшихся вследствие 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.

Рисунок 1.

Пусть частица с зарядом Ze движется со скоростью V на расстоянии r от электрона атома (рис. 1). Вследствие кулоновского взаимодействия с этой частицей электрон получает некоторый импульс в направлении, перпендикулярном к линии движения частицы. Взаимодействие частицы и электрона наиболее эффективно во время прохождения ее по отрезку траектории, ближайшему к электрону и сравнимому с расстоянием r, например равному 2r. Тогда в формуле , где — время за которое частица проходит отрезок траектории 2r,т.е. ,a F — средняя сила взаимодействия частицы и электрона за это время.

Сила F по закону Кулона прямо пропорциональна зарядам частицы (Ze) и электрона (e) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Следовательно, сила взаимодействия частицы с электроном примерно равна:

(примерно, так как в наших расчетах не учитывалось влияние ядра атома других электронов и атомов среды):

Итак, импульс, полученный электроном, находится в прямой зависимости от заряда проходящей около него частицы и в обратной зависимости от ее скорости.

При некотором достаточно большом импульсе 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 частицы:

1. При прочих одинаковых условиях трек толще у той частицы, которая имеет больший заряд. Например, при одинаковых скоростях трек — частицы толще, чем трек протона и электрона.

2. Если частицы имеют одинаковые заряды, то трек толще у той, которая имеет меньшую скорость, движется медленнее, отсюда очевидно, что к концу движения трек частицы толще, чем вначале, так как скорость частицы уменьшается вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды.

3. Исследуя излучение на разных расстояниях от радиоактивного препарата, обнаружили, что ионизирующие и другие действия — излучения резко обрываются на некотором характерном для каждого радиоактивного вещества расстоянии. Это расстояние называют пробегом частицы. Очевидно, пробег зависит от энергии частицы и плотности среды. Например, в воздухе при температуре 15 0 С и нормальном давлении пробег — частицы, имеющей начальную энергию 4,8 МэВ, равен 3,3 см, а пробег — частицы с начальной энергией 8,8 МэВ — 8,5см. В твердом же теле. например в фотоэмульсии, пробег — частиц с такой энергией равен нескольким десяткам микрометра.

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 линиям поля):

, где Ze — заряд частицы, — скорость и В — индукция магнитного поля. Правило левой руки позволяет показать, что сила Лоренца направлена всегда перпендикулярно скорости частицы и, следовательно, является центростремительной силой:

, где т — масса частицы, r — радиус кривизны ее трека. Отсюда (1).

Если частица имеет скорость, много меньшую скорости света (т.е. частица не релятивистская), то соотношение между кинетической энергией и радиусом ее кривизны имеет вид: (2)

Из полученных формул можно сделать выводы, которые также необходимо использовать для анализа фотографий треков частиц.

1. 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. Например, в одном и том же магнитном поле при одинаковых начальных скоростях отклонение электрона будет больше отклонения протона, а на фотографии будет видно, что трек электрона — окружность с меньшим радиусом, чем радиус трека протона. Быстрый электрон отклонится меньше, чем медленный. Атом гелия, у которого недостает электрона (ион Не + ), отклонится слабее — частицы, так как при одинаковых массах заряд — частицы больше заряда однократно ионизированного атома гелия. Из соотношения между энергией частицы и радиусом кривизны ее трека видно, что отклонение от прямолинейного движения больше в том случае, когда энергия частицы меньше.

2. Так как скорость частицы к концу пробега уменьшается, то уменьшается и радиус кривизны трека(увеличивается отклонение от прямолинейного движения). По изменению радиуса кривизны можно определить направление движения частицы — начало ее движения там, где кривизна трека меньше.

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

Это отношение служит важнейшей характеристикой частицы и позволяет определить, что это за частица, или, как говорят, идентифицировать частицу, т.е. установить ее идентичность (отождествление, подобие) известной частице

Если в камере Вильсона произошла реакция распада ядра атома, то по трекам частиц — продуктов распада можно установить, какое ядро распалось. Для этого нужно вспомнить, что в ядерных реакциях выполняются законы сохранения полного электрического заряда и полного числа нуклонов. Например, в реакции: суммарный заряд частиц, вступающих в реакцию, равен 8(8+0) и заряд частиц—продуктов реакции также равен 8 (4* 2+0). Полное число нуклонов слева равно 17 (16+1) и справа также равно 17 (4 *4+1). Если не было известно, ядро какого элемента распалось, то можно вычислить его заряд с помощью простых арифметических расчетов, а затем по таблице Д.И. Менделеева узнать название элемента. Закон сохранения полного числа нуклонов позволит установить, какому изотопу этого элемента принадлежит ядро. Например, в реакции:

Z = 4 – 1 = 3 и А = 8 – 1 = 7, следовательно — есть изотоп лития.

Приборы и принадлежности:фотографии треков, прозрачная бумага, угольник, циркуль, карандаш.

Порядок проведения работы:

На фотографии (рис. 2) видны треки ядер легкихэлементов (последние 22 см их пробега). Ядра двигались в магнитном поле индукцией В = 2,17 Тл, направленной перпендикулярно фотографии. Начальные скорости всех ядер одинаковы и перпендикулярны линиям поля.

Рисунок 2.

1.Изучение треков заряженных частиц (теоретический материал).

1.1.Определите направление вектора индукции магнитного поля и сделайте пояснительный рисунок, учитывая то, что направление скорости движения частиц определяются по изменению радиуса кривизны трека заряженной частицы (начало ее движения там, где кривизна трека меньше).

1.2.Объясните, почему траектории частиц представляют собой окружности, используя теорию к лабораторной работе.

1.3.Какова причина различия в кривизне траекторий разных ядер и почему кривизна каждой траектории изменяется от начала к концу пробега частицы? Ответить на данные вопросы, используя теорию к лабораторной работе.

2.Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям (рис. 2.).

2.1.Наложите на фотографию лист прозрачной бумаги (можно использовать кальку) и осторожно переведите на нее трек 1 и правый край фотографии.

2.2. Измерьте радиус кривизны R трека частицы 1 примерно в начале и в конце пробега, для этого нужно сделать следующие построения:

а) из начала трека провести 2 различные хорды;

б) найти середину хорды 1, а затем 2 с помощью циркуля и угольника;

в) затем провести линии через середины отрезков хорд;

г) при пересечении этих линий, образуется точка, являющиеся центром данного участка кривизны трека;

д) соединить данную точку с началом трека 1, образованный отрезок будет являться радиусом кривизны в начале движения заряженной частицы (R ).

2.3.Измерьте радиус кривизны R трека частицы 1 в конце пробега, для этого нужно сделать построение аналогичные измерению радиуса кривизны R , учитывая масштаб на фотографии.

2.4.Вычислите изменение радиуса кривизны .

2.5.Вычислите на сколько изменилась энергия частицы за время пробега по формуле:

(2.1.), если известно, что частица I идентифицирована как протон ( )

2.6.Вычислите начальную скорость протона (частица I), используя предыдущие результаты, по формуле:

(2.2.)

2.7. Измерьте радиус кривизны трека частицы III в начале её пробега, используя порядок пунктов 2.1.а – 2.1.д.

2.8.Вычислите для частицы III отношение заряда к массе , зная, что начальная скорость этой частицы равна начальной скорости протона (частица I), по формуле:

(2.3.)

2.9. Определите, ядром какого элемента является частица трека III? Для этого необходимо:

а) вычислить отношение заряда протона к массе протона , зная, что .

б) значение, полученное по формуле 2.3. , поделить на отношение ;

в) полученное число будет являться порядковым номером элемента;

г) используя периодическую систему химических элементов, определить, ядром какого элемента является частица III.

3. Сделать вывод о проделанной работе.

4. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

Какому именно ядру – дейтерия или трития – принадлежат треки II и IV(используя для ответа фотографии треков заряженных частиц и соответственно им построения)?

Видео:Энергия рассеиваемой частицы и форма траекторииСкачать

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?