зачем камеру вильсона помещают в магнитное поле
Зачем камеру вильсона помещают в магнитное поле
Цель работы: изучение принципа работы камеры Вильсона и законов движения заряженных частиц в однородном магнитном поле.
Камера Вильсона была изобретена шотландским физиком Ч. Вильсоном в 1910–1912 гг. и являлась одним из первых приборов для регистрации заряженных частиц. В основе действия камеры лежит свойство конденсации капелек воды на ионах, образовавшихся вдоль трека (следа) частицы. Появление камеры Вильсона не только позволило увидеть треки частиц, но и сделало возможным «распознавание» этих частиц (заряд, энергия), а также дало много нового материала, который послужил основанием для некоторых важных открытий.
Принцип работы камеры Вильсона довольно прост. Известно, что если парциальное давление водяного пара превышает его давление насыщения при данной температуре, то может образоваться туман и выпасть роса. Показатель перенасыщения S – это отношение парциального давления к давлению насыщения при данной температуре. Для самопроизвольной конденсации пара в чистом воздухе нужны большие показатели перенасыщения (S
10), но если в воздухе присутствуют посторонние частицы, способные служить центрами конденсации, то образование микрокапелек может начаться и при меньших значениях S.
Частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают достаточной энергией для ионизации большого числа молекул газа, составляющего среду. Образующиеся при пролете частицы ионы эффективно притягивают молекулы воды вследствие несимметричности распределения заряда в этих молекулах. Таким образом, частица, высвободившаяся при радиоактивном распаде, пролетая перенасыщенную среду, должна оставлять за собой след из капелек воды. Его можно увидеть и заснять на фотопластинку в камере Вильсона.
В 1923 г. советский физик П.Л. Капица поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле, которое искривляло траекторию движения частиц. По величине искривления траектории можно определять заряды и энергии частиц.
Рассмотрим движение частицы в поперечном однородном магнитном поле. Если частица влетает в магнитное поле перпендикулярно его силовым линиям, то на нее действует сила Лоренца 
, т.к. угол между скоростью и направлением индукции поля в этом случае равен 90 градусов. Эта сила перпендикулярна скорости частицы и поэтому не совершает работы и не изменяет кинетической энергии частицы. По этой причине величина скорости частицы в магнитном поле постоянна. Поскольку направление движения частицы изменяется, то частица все же имеет ускорение, которое является центростремительным, при этом частица движется по окружности, плоскость которой перпендикулярна силовым линиям магнитного поля. 2-й закон Ньютона запишется в виде:
, (1)
где R – радиус окружности. Отсюда следует, что радиус 
, т.е. он пропорционален скорости частицы. Время одного оборота частицы по окружности равно 
, т.е. оно не зависит от скорости частицы.
Из формулы (1) можно получить выражение для удельного заряда частицы, т.е. для отношения заряда частицы к ее массе:
. (2)
Из формулы (2) видно, что для определения этой величины необходимо измерить скорость частицы и радиус окружности, по которой она движется в магнитном поле, а также знать величину индукции магнитного поля.
Поскольку поле наблюдения является кругом, то наблюдатель видит лишь часть траектории частицы, которая зависит от соотношения радиуса траектории частицы и радиуса поля наблюдения. Имеются три различных случая, которые представлены на рис. 1: радиус траектории может быть меньше, больше или равен радиусу самой камеры Вильсона.
Зачем камеру вильсона помещают в магнитное поле
© 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.
Внешний вид первой камеры Вильсона
Действие камеры Вильсона основано на явлении конденсации перенасыщенного пара, т. е. на образовании мелких капелек жидкости на каких-либо центрах конденсации, например на ионах, образующихся вдоль заряженной частицы.
Схема устройства камеры Вильсона
Камера Вильсона представляет собой геометрически стеклянный закрытый сосуд (на рисунке камера показана в разрезе) со стеклянной крышкой, внутри которого может перемещаться поршень. На дне камеры находится чёрная ткань, увлажнённая смесью воды с этиловым спиртом, благодаря чему воздух в цилиндре очень близок к насыщению. При резком опускании поршня, вызванным уменьшением под ним давления, пар в камере адиабатно расширяется, его внутренняя энергия уменьшается. В результате чего пар охлаждается и становится перенасыщенным. Находясь в крайне неустойчивом состоянии, пары жидкости будут легко конденсироваться на таких центрах конденсации, как ионы, образующиеся в камере при пролёте в ней элементарной частицы. Если изучаемые частицы проникают в камеру через тонкое окошко (иногда источник частиц помещают внутри камеры) сразу после расширения пара, то на их пути появляются капельки воды (их размер порядка 
), которые и образуют видимый след пролетавших частиц – треки. Стоит также отметить, что при расширении пара центрами конденсации могут служить частички пыли, что вызвало бы появление тумана. Однако в камере Вильсона этого не происходит, так как воздух в ней предварительно отчищают.
Освещая треки сбоку сильной лампой, их можно сфотографировать через прозрачную крышку камеры. Но следы частиц в камере существуют недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капли испаряются.
Для получения новых следов, необходимо восстановить чувствительность камеры: удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать воздух поршнем, выждать, пока воздух нагревшийся в камере при сжатии, охладиться, и произвести новое расширение. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Время восстановления рабочего режима зависит от размера камеры и может быть от нескольких секунд до десятков минут.
Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счётчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека – её скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше её энергия. А чем больше капелек воды образуется на единицу длины трека, тем меньше её скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины.
Фотографии треков заряженных частиц в камере Вильсона
Для просмотра фотографий кликните по их миниатюрным изображениям
Если камеру Вильсона поместить в магнитное поле, то сила, действующая со стороны этого поля (сила Лоренца) на заряженную частицу, будет искривлять траекторию частицы, не изменяя модуля её скорости. Впервые такие треки (а именно треки α-частиц ) наблюдал наш советский академик П. Л. Капица в 1923 году. В 1924 году искревление треков электронов и других лёгких частиц наблюдал и другой наш советский академик Д. В. Скобелицын.
По направлению изгиба можно судить о знаке заряда частицы. Причём чем больше заряд частицы, тем и чем меньше её масса, тем трек имеет большую кривизну. По заряду частицы и кривизне её трека можно найти массу частицы. Измерив радиус траектории, можно определить скорость и энергию частицы, если известны её масса и заряд.
За изобретение первой визуальной камеры регистрации элементарных частиц в 1927 году Ч. Вильсону была присуждена Нобелевская премия.
Камера Вильсона сыграла важную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она была практически единственным визуальным прибором регистрации и исследования ядерных и космических излучений:
● В 1930 году советскими физиками Л. В. Мысовским и Р. А. Эйхельбергером по проведению опытов с рубидием и камерой Вильсона было зарегистрировано испускание β-частиц. Позже была открыта естественная радиоактивность изотопа 
.
● В 1947 году английским физиком С. Пауэллом также при исследовании космического излучения были зарегистрированы пионы (π-мезоны) и т. д.
В последние годы камера Вильсона уступила своё место пузырьковой и искровой камерам.
Камера Вильсона. Движение частиц
Прогулка по туманным горам Шотландии в 1911 году вдохновила ученого на создание прибора, способного отслеживать движение крошечных частиц. Те закручивающиеся полоски, которые увидел ученый в туманной камере, оказались следами гостей из субатомного мира.
В 1911 году английский физик Чарльз Вильсон взбирался на Бен-Невис, самую высокую точку Шотландии, и ему посчастливилось увидеть «брокенский призрак» — оптическое явление, когда тень наблюдателя превращается в огромную фигуру, окруженную радужным гало, на поверхности облаков или тумана. Это зрелище навело Вильсона на мысль о том, что содержащийся в облаках водяной пар может конденсироваться вокруг песчинок и других пылевых частиц.
Наблюдение ионов
Возвратившись в лабораторию, Вильсон решил воспроизвести облако в экспериментальной установке и наполнил ее объем парами воды при контролируемой температуре и давлении. Ученый подобрал параметры, при которых из капелек формировалась облачная среда — примерно как это происходит в природе, и в ходе опытов обнаружил, что ионы (заряженные атомы, потерявшие электроны или захватившие «лишние») являются неплохими центрами конденсации. Более того, когда через перенасыщенный водяной пар пролетали субатомные частицы — например, альфа-частицы, — они на своем пути выбивали электроны из атомов, оставляя ионный след. (Этот след был виден по туману конденсации.)
Таким образом, конденсационная камера Вильсона могла служить детектором частиц. Разумеется, такая находка не осталась без усовершенствований, и вскоре другие физики стали добавлять свои идеи. Так, пары воды заменяли парами спирта, эфира или диоксидом углерода. Также в установку добавили магнитное поле, чтобы отклонять заряженные частицы и рассчитывать их характеристики. Направление отклонения зависит от заряда частиц, тогда как угол отклонения позволяет рассчитывать массу. На протяжении четырех десятилетий конденсационная камера Вильсона (так ее иногда называют) давала ученым возможность воочию наблюдать субатомный мир и находить в нем все новые частицы.
Камера Вильсона
Из Википедии — свободной энциклопедии
Камера Вильсона — детектор треков быстрых заряженных частиц, в котором используется способность ионов выполнять роль зародышей водяных капель в переохлажденном перенасыщенном паре.
Для создания переохлаждённого пара используется быстрое адиабатическое расширение, сопровождающееся резким понижением температуры.
Быстрая заряженная частица, двигаясь сквозь облако перенасыщенного пара, ионизирует его. Процесс конденсации пара происходит быстрее в местах образования ионов. Как следствие, там, где пролетела заряженная частица, образуется след из капелек воды, который можно сфотографировать. Именно из-за такого вида треков камера получила свое английское название — облачная камера (англ. cloud chamber ).
Камеры Вильсона обычно помещают в магнитное поле, в котором траектории заряженных частиц искривляются. Определение радиуса кривизны траектории позволяет определить отношение удельного электрического заряда частицы, а, следовательно, идентифицировать её.
Камера Вильсона
Ка́мера Ви́льсона (она же туманная камера) — один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц.
Изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном между 1910 и 1912 гг. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного пара: при появлении в среде перенасыщенного пара каких-либо центров конденсации (в частности, ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно).
Камера Вильсона представляет собой ёмкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части, заполненная насыщенными парами воды, спирта или эфира. Пары тщательно очищены от пыли, чтобы до пролёта частиц у молекул воды не было центров конденсации. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся перенасыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.
Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений и исследования космических лучей:
В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам.
См. также
Примечания
Смотреть что такое «Камера Вильсона» в других словарях:
КАМЕРА ВИЛЬСОНА — (туманная камера), прибор, служащий для идентификации заряженных частиц. Камера была изобретена в 1880 х гг. английским физиком Чарльзом Вильсоном с целью изучения атомной радиации и усовершенствовалась на протяжении нескольких десятилетий.… … Научно-технический энциклопедический словарь
камера Вильсона — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN Wilson chambercloud chamber … Справочник технического переводчика
камера Вильсона — Vilsono kamera statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. expansion chamber; Wilson chamber; Wilson cloud chamber vok. Nebelkammer, f; Wilson Kammer, f rus. камера Вильсона, f; конденсационная камера, f pranc. chambre de Wilson, f … Fizikos terminų žodynas
камера вильсона — Трековый детектор с пересыщенным паром, образуемым при быстром расширении рабочего объема прибора … Политехнический терминологический толковый словарь
камера Вильсона с магнитным полем — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN magnetic cloud chamber … Справочник технического переводчика
камера Вильсона высокого давления — didžiaslėgė Vilsono kamera statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. high pressure cloud chamber vok. Hochdrucknebelkammer, f rus. камера Вильсона высокого давления, f pranc. chambre de Wilson à haute pression, f … Fizikos terminų žodynas
диффузионная камера Вильсона — difuzinė Vilsono kamera statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. diffusion chamber; diffusion cloud chamber vok. Diffusionsnebelkammer, f; kontinuierliche Nebelkammer, f rus. диффузионная камера Вильсона, f pranc. chambre de Wilson à diffusion … Fizikos terminų žodynas
ВИЛЬСОНА КАМЕРА — прибор для наблюдения следов (треков) заряж. ч ц. Основан на конденсации пересыщенного пара на ионах, образующихся вдоль траектории заряж. ч цы. Ч цы могут либо испускаться источником, помещённым внутри камеры, либо попадать в неё извне. Треки… … Физическая энциклопедия
Камера — (позднелат. camera комната, келья) какая либо закрывающаяся комната либо замкнутое пространство либо устройство, важной частью которого является замкнутая полость: Камера кессон, изолированный от окружающего водоема герметичными… … Википедия
Вильсона камера — Камера Вильсона один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном между 1910 и 1912 гг. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного… … Википедия