Задание 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: а) в каком направлении двигался электрон; б) что мото послужить причиной того, что трек электрона на рисунке 218, в гораздо длиннее треков а-частиц на рисунке 218, б.

Решение:

Данное задание требует анализа фотографии трека электрона в пузырьковой камере в магнитном поле (рис. 218, в). Без самого изображения, анализ будет основан на общих физических принципах.

• Объяснение формы спирали:

  Движение заряженной частицы (в данном случае электрона) в магнитном поле, которое не перпендикулярно ее начальной скорости, приводит к образованию винтовой (спиральной) траектории. Скорость частицы можно разложить на две составляющие: одна параллельна магнитному полю, другая — перпендикулярна ему. Компонента скорости, параллельная полю, остается постоянной (так как сила Лоренца не имеет продольной составляющей), а компонента, перпендикулярная полю, вызывает движение по окружности. Комбинация этих двух движений и создает спиральную траекторию.

• а) Направление движения электрона:

  Определение направления движения электрона возможно с помощью правила левой руки. Зная направление магнитного поля и наблюдая форму спирали (направление закручивания), можно определить направление движения электрона. Если магнитное поле направлено, например, перпендикулярно плоскости рисунка (от нас или к нам), а трек закручивается в определенном направлении, это соответствует движению электрона в этом направлении.

• б) Причина большей длины трека электрона по сравнению с а-частицами:

  Существует несколько причин, по которым трек электрона может быть значительно длиннее трека а-частиц:

  • Масса: Электроны имеют гораздо меньшую массу по сравнению с а-частицами (которые являются ядрами гелия, состоящими из двух протонов и двух нейтронов). При одинаковой начальной энергии, более легкая частица будет иметь большую скорость.
  • Энергия: Электроны и а-частицы могут иметь разные начальные энергии, что напрямую влияет на длину их треков. Если электрон имел значительно большую начальную энергию, его трек будет длиннее.
  • Ионизирующая способность: А-частицы обладают высокой ионизирующей способностью и быстро теряют энергию, оставляя более короткие треки. Электроны, обладая меньшей массой и, как следствие, иной траекторией взаимодействия со средой, могут ионизировать менее интенсивно и проходить большее расстояние до полной остановки.
  • Тип детектора: Хотя оба устройства (камера Вильсона и пузырьковая камера) фиксируют треки заряженных частиц, они работают на разных принципах и могут иметь разную чувствительность или разрешение, что косвенно влияет на наблюдаемую длину трека.

  Примечание: Для точного ответа необходимо видеть изображения рис. 218, б) и в), а также знать характеристики магнитного поля и начальные энергии частиц.