Что такое трек в физике
Перейти к содержимому

Что такое трек в физике

  • автор:

Трек (в физике)

Трек в физике, след, оставляемый в среде движущейся заряженной частицей.

Читайте также

Глава 13. Бонус-трек-I

Глава 13. Бонус-трек-I Креативный Валико Начкебия был настоящий полковник. Безо всяких там кавычек. Медалей у него набралось столько, что пиджак, который он надевал на 9 Мая, уже напоминал кольчугу. Жил он на окраине, в собственном двухэтажном доме и как настоящий старый

Глава 10. Бонус-трек-2. «…и зеленый попугай» или вояж по святым местам

Глава 10. Бонус-трек-2. «…и зеленый попугай» или вояж по святым местам Моему другу Зурабу Надарейшвили Лето, чудовищная жара и вяло тлеющие где-то на подступах к Москве торфяники могли выкурить из столицы кого угодно, а потому просьбу Зуры о том, чтобы свозить его

Трек (спорт. сооружение)

Трек (спорт. сооружение) Трек (англ. track — след, путь), спортивное сооружение для тренировок и соревнований по вело- и мотоспорту. Представляет собой дорожку замкнутой формы с твёрдым покрытием (бетон, дерево, асфальт), состоящую из двух прямых отрезков, соединённых

Спектр (в физике)

Спектр (в физике) Спектр (от лат. spectrum — представление, образ) в физике, совокупность различных значений, которые может принимать данная физическая величина. С. могут быть непрерывными и дискретными (прерывными). Наиболее часто понятие С. применяется к колебательным

Трек Трек III (1982)

Трек Трек III (1982) сторона АГимнКлейРецепт успехаНеоспоримая польза размышленийсторона ВСолдатикиКак поверить?Навсегда Трековская концепция представляла собой синтез агрессивной идеологии и минималистской музыки с жесткой подачей в духе Гэри Ньюмана и Black Sabbath. От

Что такое трек в физике

Трек – видимый след, оставляемый заряженной частицей (или атомным ядром) в веществе детектора частиц и воспроизводящий траекторию её движения.
Заряженная частица, двигаясь в нейтральной среде детектора (газ, жидкость, твердое тело), вызывает за счет электромагнитных сил ионизацию (а также возбуждение и поляризацию) атомов среды. При этом вдоль пути движения частицы появляются свободные заряды (электроны и ионы). В определенных условиях дорожку свободных электронов и ионов, созданную пролетающей заряженной частицей, можно сделать видимой. Это осуществляется в так называемых трековых детекторах. Способ формирования трека частицы зависит от типа трекового детектора. Так в проявленных ядерных фотографических эмульсиях трек формируется из мельчайших зерён металлического серебра, группирующихся вдоль траектории частицы, где располагаются ионизованные атомы эмульсии, являющиеся центрами образования фотографического изображения. В камере Вильсона трек образуют мельчайшие капельки жидкости, а в пузырьковой камере – мельчайшие пузырьки пара, центрами образования которых также являются ионы, созданные пролетающей частицей. В искровой камере треком является последовательность локальных искровых электрических пробоев, возникающих в местах, где частица вызвала появление свободных зарядов. Толщина трека в ядерной фотоэмульсии – тысячные доли миллиметра, в остальных трековых детекторах – десятые доли миллиметра.


Рис. Распад → 1 H + 1 H + 2 H + π — на лету (фотоэмульсия).

Что такое трек в физике

© 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.

Общие сведения, необходимые для анализа фотографий с треками элементарных частиц

Трековые детекторы позволяют увидеть следы движения заряженных частиц (треки). Ими могут быть цепочки из капелек жидкости, если это камера Bильсона; пузырьки в жидкости, если это пузырьковая камера; электрические пробои в местах, где прошла частица, если это искровая камера и т. д. Все они основаны на ионизации вещества, в которое попадает заряженная частица. Ионы же образуются в результате выбивания заряженной частицей электронов из атомов вещества детектора на пути своего движения. Рассмотрим данный процесс.

Взаимодействие положительно
заряженной частицы
с электроном атома

Пусть некоторая частица с зарядом Ze движется от электрона атома на некотором расстоянии r c некоторой скоростью ϑ . Вследствие кулоновского взаимодействия электрона с этой частицей, он будет получать некоторый импульс ∆ p = F ∆ t в направлении, перпендикулярном к линии движения частицы. Взаимодействие частицы с электроном будет наиболее эффективно во время прохождения частицы по отрезку траектории, ближайшему к электрону и сравнимому с расстоянием r , например, равному 2 r . Тогда время, за которое частица проходит отрезок траектории 2 r будет равно ∆ t = 2 r / ϑ . Среднюю силу взаимодействия частицы и электрона за это время можно определить по закону Кулона (без учёта влияния ядра атома, других и атомов среды):

F ≈ Zee 4 π ε 0 r 2 .

Тогда импульс, полученный электроном можно определить, как .

Из формулы видно, что он находится в прямой зависимости от заряда проходящей около него частицы и в обратной зависимости от её 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 её скорость. Отсюда следуют выводы, которые необходимо знать, чтобы уметь «прочесть» фотографию треков частицы:

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

2. При одинаковых зарядах двух частиц, толще трек будет у той частицы, которая имеет меньшую скорость. Отсюда очевидно, что треки частиц к концу своего движения должны быть толще, так как их скорости уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды.

3. Согласно исследованиям излучений на разных расстояниях от радиоактивных препаратов ионизи­рующие и другие действия γ-излучения резко обрываются на некотором характерном для каждого ра­диоактивного вещества расстоянии, которое получило название пробег элементарной частицы. Очевидно, пробег зависит от энергии частицы и плотности среды. Например, в воздухе при температуре 15℃ и нормальном давлении пробег α — частицы, имеющей начальную энергию 4,8 МэВ , равен 3,3 см , а пробег α — частицы с начальной энергией 8,8 МэВ-8,5 см . В твердом же теле, например в фотоэмульсии, пробег α — частиц с такой же энергией равен нескольким десяткам микрометра.

Помещение трековой камеры в магнитное поле вызывает действие на заряженную частицу силы Лоренца, благодаря чему можно определить заряд частицы, её массу, импульс, энергию.

Рассмотрим случай, когда скорость частицы перпендикулярна линиям магнитного поля B . Тогда заряженная частица будет двигаться по окружности. Второй закон Ньютона для неё будет выглядеть следующим образом:

F Л = ma или Ze ϑB = m ϑ 2 r ,

где m – масса частицы, a – ускорение частицы, r – радиус кривизны трека. Откуда r = mϑ ZeB .

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

m ϑ 2 2 = ( BrZe ) 2 2 m .

Анализ полученных формул вызволяет сделать следующие выводы, которые необходимы для изучения фотографий треков частиц, сделанных при помещении трековых камер в однородное магнитное поле:

1. Радиус кривизны трека частицы зависит от её массы, скорости и заряда. Чем больше заряд частицы, и чем меньше её масса и скорость, тем радиус кривизны будет меньше (т е. отклонение частицы от прямолинейного движения больше). 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 будет иметь окружность с меньшим радиусом, чем радиус трека протона. Также быстрый электрон будет отклоняться меньше, чем медленный. При близких массах элементарных частиц, отклонение большее отклонение будет испытывать та частица, заряд которой больше.

2. С потерей энергии и уменьшением скорости элементарной частицы к концу пробега её отклонение от прямолинейного движения будет увеличиваться (уменьшаться радиус кривизны трека). Таким образом, по изменению радиуса кривизны трека можно определить направление движения частицы — начало её движения там, где кривизна трека меньше.

Измерение радиуса кривизны трека и определение некоторых других её величин, позволяет частицы вычислить отношение её заряда к массе ( Ze m ), тем самым идентифицировать частицу, т.е. установить её идентичность (отождествление, подобие) известной частице. Обычно идентификацию частиц производят путём сравнения её удельного заряда с удельным зарядом протона .

С помощью трековых камер можно также изучать реакции распада атомных ядер, устанавливать первоначальное ядро по анализу треков продуктов его распада. Для этого необходимо использовать также законы сохранения: закон полного сохранения электрического заряда и закон сохранения массового числа.

Например, в реакции: 8 16 O + 0 1 n →4 2 4 He + 0 1 n оба закона сохранения выполняются:

До реакции После реакции
Полный заряд частиц
Массовое число частиц

Вычисление заряда ядра неизвестного распавшегося элемента позволяет его определить по таблице Д. И. Менделеева. Закон сохранения массового числа позволяет установить, является ли оно изотопом или нет. Так, например, в реакции Z A X + 1 1 p →4 2 4 He , вычисление полного заряда частиц и их массового числа после реакции говорит о том, что в ней участвовал изотоп лития ( 3 7 Li ).

Нейтральные частицы трека не оставляют, но их тоже можно определить по продуктам распада реакции. Для этого также необходимо использовать законы сохранения.

Трек. Что можно определить с помощью трека.

В 1912 г. Была изобретена камера Вильсона. Она дает большие возможности для изучения микромира, в том числе трека.

Трек – след, оставленный частицей.

С его помощью можно определить:

Энергию по его длинне (чем > l, тем > E)

Заряд по его толщине (чем > толщ., тем > q)

Массу и заряд по радиусу кривизны (чем > l, тем > m, >q)

Скорость по числу капелек на ед. длины (чем > N на ед. l, тем < V)

Открытие протона.

В 1913г. Выдвинул гипотезу о том, что одной из частиц, входящих в состав атомных ядер всех химических элементов, является ядро атома водорода (Н).

В 1919г. Р. Поставил опыт по исследованию взаимодействия — частиц с ядрами атомов газа.

В этом опыте — частица при попадании в ядро атома азота выбивала из него какую-т частицу. По предположению Р., этой частицей был атом водорода(протон, от слова protos — первый).

Однако след одной — частицы раздваивается, образуя «вилку».

Открытие нейтрона.

В 1920г. Резерфордом было высказано предположение о существовании нейтральной частицы с массой, приблизительной равной массе протона.

В начале 30-х гг. ХХ в. были обнаружены неизвестные ранее лучи. Они были названы бериллиевым излучением, т.к. возникали при бомбардировке частицами бериллия.

В 1932г. Джеймс Чедвик с помощью камеры Вильсона доказал, что бериллиевое излучение представляет собой поток электрически нейтральных частиц, масса которых приблизительно равна массе протона. Отсутствие заряда следовало из из того, что частицы не отклонялись на в эл., ни в маг. полях.

Протонно-нейтронная модель атома.

В 1932г. Советским физиком Иваненко и немецким физиком Гейзенбергом была предложена протонно-нейтронная модель строения ядер, подтвержденная экспериментально.

Протоны и нейтроны называются нуклонами (nucleus — ядро). Следовательно атомные ядра состоят из нуклонов.

Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А.

Число протонов в ядре называется зарядовым числом и обозначается буквой Z.

Z численно = заряду ядра, выраженному в элементарных электрических зарядах. Для каждого химического элемента Z = атомному (порядковому) номеру в таблице Менделеева.

Ядерные силы.

Возникал вопрос: почему ядра не распадаются на отдельные нуклоны под действием электростатического отталкивания между положительно заряженными протонами.

Расчеты показывают, что нуклоны не могут удерживаться вместе за счет сил притяжения гравитационной или магнитной природы, поскольку эти силы существенно меньше электростатических.

Ученные предположили, что между всеми нуклонами в ядрах действуют особые силы притяжения, которые превосходят электростатические (ядерные).

Ядерные силы являются короткодействующими: на расстоянии 10 -15 м они примерно в 100 больше сил электростатического взаимодействия, но уже на расстоянии 10 -14 м они оказываются ничтожно малыми.

Энергия связи. Дефект масс.

Минимальная энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра.

Наиболее простой путь нахождения этой энергии основан на применении закона о взаимосвязи массы и энергии, открытого Эйнштейном в 1905г.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *