1. На двух из трех представленных вам фотографий (рис. 218) изображены треки частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите на каких. Ответ обоснуйте. a) Рис. 218 б) в) 2. Рассмотрите фотографию треков а-частиц, двигавшихся в камере Вильсона (рис. 218, а), и ответьте на вопросы. a) В каком направлении двигались а-частицы? б) Длина треков а-частиц примерно одинакова. О чём это говорит? в) Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует? 3. На рисунке 218, б дана фотография треков а-частиц в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии: a) почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движения а-частиц; б) в какую сторону двигались частицы. 4. На рисунке 218, в дана фотография трека электрона в пузырьковой камере, находившейся в магнитном поле. Объясните, почему трек имеет форму спирали. Определите по этой фотографии: a) в каком направлении двигался электрон; б) что могло послужить причиной того, что трек электрона на рисунке 218, в гораздо длиннее треков а-частиц на рисунке 218, б.

Задание 1. Треки частиц в магнитном поле

На двух из трех представленных фотографий (б и в) изображены треки частиц, движущихся в магнитном поле.

• Фотография б: Треки частиц изогнуты, что указывает на действие силы Лоренца, которая перпендикулярна скорости частицы и направлению магнитного поля, заставляя частицу двигаться по кривой траектории.
• Фотография в: Трек частицы имеет форму спирали, что также является следствием действия силы Лоренца в магнитном поле.
• Фотография а: Треки частиц расходятся веером и не имеют видимой кривизны, что говорит о движении без действия значительной силы, перпендикулярной скорости. Это может быть движение в отсутствие магнитного поля или вдоль него.

Задание 2. Треки а-частиц в камере Вильсона (рис. 218, а)

а) В каком направлении двигались а-частицы?

На фотографии а треки а-частиц сходятся к одной точке. Это означает, что а-частицы двигались из этой точки во всех направлениях, как лучи звезды. Следовательно, направление движения было от центра, где, вероятно, находился источник частиц.

б) Длина треков а-частиц примерно одинакова. О чём это говорит?

То, что длина треков а-частиц примерно одинакова, говорит о том, что они имели примерно одинаковую начальную энергию. В камере Вильсона трек частицы остается до тех пор, пока она не потеряет свою энергию в результате ионизации.

в) Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует?

Толщина трека а-частиц увеличивается по мере их движения от источника. Это означает, что по мере потери энергии частицей, она ионизирует окружающую среду сильнее. Чем больше ионизация, тем толще и заметнее трек. Это говорит о том, что а-частицы теряли свою энергию в процессе движения.

Задание 3. Треки а-частиц в магнитном поле (рис. 218, б)

а) Почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движения а-частиц?

Радиус кривизны трека а-частиц уменьшается по мере их движения. Это происходит потому, что сила Лоренца, искривляющая траекторию, прямо пропорциональна скорости частицы ($$F_л = qvB$$). По мере движения а-частицы теряют энергию на ионизацию, их скорость уменьшается, следовательно, уменьшается и сила Лоренца, что приводит к уменьшению радиуса кривизны траектории (при постоянной энергии частицы, радиус кривизны обратно пропорционален скорости).

Толщина трека увеличивается по мере движения. Это связано с тем, что по мере потери энергии и уменьшения скорости, а-частица сильнее взаимодействует с газом в камере, вызывая большее количество ионов и, соответственно, более толстый трек.

б) В какую сторону двигались частицы?

Чтобы определить направление движения частиц, нужно знать направление магнитного поля. Однако, если предположить, что магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка (например, от нас или к нам), то по направлению изгиба треков можно определить направление движения. Без дополнительной информации о направлении магнитного поля, точное направление движения частиц определить сложно. Но, учитывая, что они двигаются по дугам, они двигались в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

Задание 4. Трек электрона в пузырьковой камере (рис. 218, в)

а) В каком направлении двигался электрон?

Трек электрона представляет собой спираль, закручивающуюся к центру. Если предположить, что магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка, то направление движения электрона можно определить по правилу левой руки. По мере движения электрон теряет энергию, его скорость уменьшается, а радиус спирали уменьшается. Это означает, что электрон двигался от внешних витков к внутренним.

б) Что могло послужить причиной того, что трек электрона на рисунке 218, в гораздо длиннее треков а-частиц на рисунке 218, б.

Трек электрона значительно длиннее треков а-частиц по нескольким причинам:

• Масса: Электрон имеет гораздо меньшую массу, чем а-частица (которая является ядром гелия, состоящим из двух протонов и двух нейтронов). При одинаковой начальной энергии, более легкий электрон будет иметь гораздо большую скорость, чем более тяжелая а-частица.
• Взаимодействие с веществом: Электрон, имея меньший заряд (1 элементарный заряд по сравнению с 2 у а-частицы) и меньшую массу, может проходить большее расстояние, прежде чем потеряет свою энергию на ионизацию.
• Энергия: Возможно, что электрон обладал значительно большей начальной энергией, чем а-частицы, что позволило ему пройти больший путь.
• Тип камеры: Пузырьковая камера, в которой регистрировался трек электрона, может иметь другие условия (например, другая плотность вещества, температура) по сравнению с камерой Вильсона, что также влияет на длину трека.

Ответ: Треки частиц в магнитном поле показаны на рисунках б и в.