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.
Видео:Заряд рассеиваемой частицы и форма траекторииСкачать
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.
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 
