Масс-спектрометрами называют устройства, с помощью которых можно измерять массы заряженных частиц, например, ядер различных атомов. Масс-спектрометры используются для разделения изотопов , то есть ядер атомов с одинаковым зарядом, но с разными массовыми числами (см. §6.5), например, и
В масс-спектрометрах заряженные частицы движутся в камере, в которой создан высокий вакуум, в однородном магнитном поле. Частицы влетают в камеру, предварительно пролетев через селектор скоростей . Траектории частиц представляют собой дуги окружностей радиусов
Компьютерная модель позволяет изменять индукцию магнитного поля и скорость частиц . Опыт по разделению изотопов может быть выполнен для изотопов углерода, неона и урана, а также для изотопов неизвестного вещества.
Четыре частицы, имеющие одинаковые заряды, влетели с одинаковыми скоростями из точки в магнитное поле. Каков знак заряда и какая частица имеет наибольшую массу?
Две частицы, имеющие одинаковые заряды, влетели с одинаковыми скоростями из точки в магнитное поле. Каков знак заряда и какая частица имеет наибольшую массу?
Два ядра атома кислорода влетают в однородное магнитное поле. Как соотносятся скорости движения ядер?
Ядро атома азота движется со скоростью в вакууме в однородном магнитном поле с индукцией по окружности радиуса . Каким будет радиус окружности, если скорость атома азота уменьшилась вдвое, в индукция магнитного поля возросла в 2 раза?
Альфа-частица движется со скоростью в вакууме в однородном магнитном поле с индукцией по окружности радиуса . Каким будет радиус окружности, если скорость α-частицы возрастет в два раза, а индукция магнитного поля возрастет в 4 раза?
Альфа-частица влетает в однородное магнитное поле с индукцией со скоростью перпендикулярно линиям индукции. Определить радиус окружности, по которой движется частица. Масса α-частицы .
Электрон влетает в однородное магнитное поле со скоростью перпендикулярно силовым линиям индукции магнитного поля. Определить модуль магнитной индукции, если электрон движется по окружности радиуса 0,1 см.
Скорость ядер атомов неона Ne 20 и Ne 22 υ = 5000 км/с. Определить радиусы окружностей, по которым будут двигаться ядра атомов неона в магнитном поле с индукцией . Провести компьютерный эксперимент и проверить свой ответ.
Скорость ядер атомов урана U 235 и U 238 υ = 5000 км/с. Определить радиусы окружностей, по которым будут двигаться ядра атомов урана в магнитном поле с индукцией . Провести компьютерный эксперимент и проверить свой ответ.
Скорость ядер атомов урана U 235 и U 238 υ = 5000 км/с. Как изменятся радиусы окружностей, по которым будут двигаться ядра атомов урана, если индукция магнитного поля увеличится от в 2 раза, и чему численно они станут равны? Провести компьютерный эксперимент и проверить свой ответ.
Индукция магнитного поля , ядра атомов углерода С 12 и С 14 движутся с одинаковыми скоростями по окружностям, радиусы которых равны соответственно , . Определить скорость ядер атомов углерода С 12 и С 14 . Провести компьютерный эксперимент и проверить свой ответ.
Индукция магнитного поля , ядра атомов углерода С 12 и С 14 движутся с одинаковыми скоростями по окружностям, радиусы которых равны соответственно , . Определить скорость ядер атомов углерода С 12 и С 14 . Провести компьютерный эксперимент и проверить свой ответ.
Индукция магнитного поля , ядра атомов углерода С 12 и С 14 движутся с одинаковыми скоростями по окружностям, радиусы которых равны соответственно , . Как изменятся радиусы окружностей, по которым движутся ядра атомов углерода, если индукция магнитного поля увеличится в 2 раза, а скорость ядер уменьшится в 2 раза? Провести компьютерный эксперимент и проверить свой ответ.
Лабораторная работа «Изучение треков заряженных частиц».
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.
Рисунок 2-Определение радиуса кривизны трека
Измерьте радиус кривизны река частицы III вначале ее пробега. Вычислите для частицы III отношение заряда к ее массе по формуле 6:
По полученному отношению определите, какая частица оставила след.
Результаты вычислений и измерений занесите в таблицу.
Таблица 1- Результаты измерений и вычислений
Радиус кривизны трека 1 частицы в начале пробега
Радиус кривизны 1частицы в конце пробега
модуль магнитной индукции
Изменение энергии 1 частицы
Отношение заряда 3 частицы к ее массе
Радиус кривизны трека 3 частицы в начале пробега
Видео:Заряд 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?
и 
