Измерение индукции магнитного поля методом

ISSN 0202-3205

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

____________________________________________________________

Кафедра «Физика-2»

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

 

 

По дисциплине «Физика»

Работы 48, 66, 67

 

М о с к в а - 1999

 

ISSN 0202-3205

 

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

_____________________________________________________________

Кафедра «Физика-2»

 

У тв е р ж д е н о

редакционно-издательским

советом университета

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

 

 

по дисциплине «Физика»

для студентов всех специальностей

 

Работы 48, 66, 67

 

 

Под редакцией профессора С. М. КОКИНА

М о с к в а - 1999

 

 

УДК 535

K59

 

 

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Физика». Работы 48, 66, 67 / Кокин С.М., Мухин С.В Под ред. проф. С.М.Кокина. - М.: МИИТ, 1999. - 14 с.

 

 

Методические указания содержат описания лабораторных работ по общему курсу физики, предназначенных для студентов первого и второго курсов всех специальностей.

Составители: преподаватели кафедры «Физика-2»:

Работа 48 - п р о ф. К о к и н С. М.,

Работы 66, 67 - с т. п р е п о д. М у х и н С. В., п р о ф. К о к и н С.М.

Работа 48 в МИИТе впервые поставлена п р о ф. Т и м о ш - к и н ы м Е. Н., работы 66, 67 - д о ц. Н а р о в с к о й Н. П,

© Московский государственный

университет путей сообщения

(МИИТ), 1999

Работа № 48

 

ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА

 

Цель работы: подтверждение боровской теории дискретных атомных уровней энергии.

Приборы и принадлежности: тиратрон с трансформатором, звуковой генератор, электронный осциллограф.

 

Введение

 

В истории создания современной теории строения атома важное значение имели опыты по рассеянию альфа-частиц тонкими металлическими фольгами, на основе которых Резерфордом была предложена планетарная модель атома. Однако классическая теория этой модели оказалась не в состоянии объяснить установленные к тому времени закономерности из­лучения атомов. Выход из создавшегося затруднения был най­ден Бором, отказавшимся от применения к атому законов классической электродинамики. Опираясь на идею о квантах, высказанную Планком при объяснении закономерностей теп­лового излучения, Бор развил квантовую теорию строения атома, которая применима к атому водорода и к так называе­мой водородоподобной системе, состоящей из ядра с зарядом Ze и одного электрона, вращающегося вокруг ядра. Такую систему называют также изоэлектронной водороду. Примера­ми подобных систем являются ионы Не⁺, Li⁺⁺ и др.

В основе теории Бора лежат следующие постулаты.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): существуют некоторые стационарные состояния атома, нахо­дясь в которых он не излучает энергии. В этих состояниях атомные системы обладают энергиями, образующими дискрет­ный ряд: E₁, E₂,..., Е_n. Такие состояния характеризуются устой­чивостью; всякое изменение энергии в результате поглощения или испускания электромагнитного излучения (а также в результа­те соударения) может происходить только при скачкообразном перехо­де системы из одного состояния в другое.

Второй постулат Бора (правило квантования орбит) утверждает, что в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие условию

L_n = m u r = nh/(2p), где n =1; 2; 3;... (1)

Здесь m – масса, а u - скорость электрона, r - ра­диус его орбиты, h= 6,62×10^-34 Дж×с - постоянная Планка*.

Третий постулат Бора (правило частот) устанавливает, что при переходе атома из одного стационарного состояния в дру­гое испускается или поглощается один фотон. Излучение про­исходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией (при переходе электрона с орбиты, удаленной от ядра, на более близкую к ядру орбиту). Напротив, поглощение фотона сопровождается переходом ато­ма в состояние с большей энергией. Этому соответствует пере­ход электрона на более удаленную от ядра орбиту. Изменение энергии атома, связанное с излучением или поглощением фо­тона, пропорционально частоте n. Если DE - изменение энер­гии атома в результате этих процессов, то

DE = hn. (2)

Правило частот Бора может быть записано иначе. Если Е_n и Е_m- энергия атома в двух стационарных состояниях с номерами n и m, то

 

Е_n - Е_m = hn_mn. (3)

 

При Е_m < Е_n происходит излучение фотона, при Е_m > Е_n - его поглощение.

Постулаты Бора резко противоречат требованиям клас­сической электродинамики. Так, например, по первому посту­лату атомы не излучают энергию, несмотря на то, что входя­щие в атомы электроны совершают ускоренное движение (при обращении по замкнутым орбитам электроны должны испы­тывать центростремительное ускорение); частоты фотонов n, испускаемых атомами согласно третьему постулату, не имеют ничего общего с частотами обращения электро­нов вокруг ядер, а второй постулат вообще невозможно интерпретиро­вать в рамках классической физики.

Постулаты Бора нашли непосредственное подтверждение в опытах Франка и Герца по изучению столкновений электро­нов, ускоряемых электрическим полем, с атомами инертных газов и паров металлов. Эти эле-

* Можно показать, что целое число n, входящее в формулу (1), равно числу длин волн де Бройля для электрона, укладывающихся на длине кру­говой орбиты. В самом деле, учитывая соотношение деБройля pl_Б =h, где p = m u, а l_Б - дебройлевская длина волны электрона, найдем отно­шение длины окружности к l_Б :

менты использовались пото­му, что их атомы не проявляют склонности к захватыванию электронов и образованию отрицательных ионов.

В опытах Франка и Герца было обнаружено, что электроны могут ис­пытывать с атомами столкновения двух типов:

1) упругие столкновения, при которых электрон отскаки­вает от атома без потери энергии и лишь меняет направление движения;

2) неупругие столкновения, при которых электрон отдает большую часть своей кинетической энергии (или даже всю энергию) атому, и следовательно, резко уменьшает свою ско­рость; при этом атом переходит в возбужденное состояние.

Упругие столкновения имеют место, когда кинетиче­ская энергия электронов меньше разности энергий основного Е₁ (n = 1) и первого возбужденного (n = 2) состояния Е₁ атома: в этом слу­чае электроны практически не передают атомам энергии. Если же кинетическая энергия электронов становится равной Е₂ – Е₁, то электроны испытывают неупругие столкновения, в результате которых атом переходит в первое возбужденное состояние.

Из этого состояния атом через некоторое, очень короткое время (около 10^-7с), переходит в основное состояние, испус­кая фотон с энергией рn_I = Е₂ - Е₁, совпадающей с энергией eU_I , которой обладал электрон перед неупругим столкновени­ем с атомом. В соответствии с этим потенциал U_I называет­ся первым критическим потенциалом возбуждения, или резо­нансным потенциалом, а частота n_I - резонансной частотой.

Если электронам сообщить достаточно большую энергию, то при неупругих столкновениях они могут перевести атом во второе (n = 2), третье (n = 3) и более высокие возбужденные состояния с энергиями, соответствующими более высоким энергетическим уровням атома. При этом будут выполняться соотношения: Е₃ - Е₁ = еU_II = hn_II; Е₄ - Е₁ = еU_III = hn_III и т. д. Соответст­венно потенциал U_II называется вторым потенциалом возбуж­дения, U_III - третьим потенциалом возбуждения и т. д.

Таким образом, атом либо вообще не воспринимает энер­гию (испытывая упругое соударение с электроном), либо воспринимает ее, но в количестве, равном разности энергий двух ста­ционарных состояний.

Опыты Франка и Герца послужили непосредственным обос­нованием постулатов Бора о дискретности стационарных со­стояний атомов. Они позволили установить для ряда атомов значения энергии, необходимые для перевода атома из одного устойчивого состояния в другое. Полученные из этих опытов длины волн излучения некоторых газов, приводи­мые в табл. 1, с большой степенью точности совпадают с данными спектроскопических измерений.

 

Таблица 1

Элемент Гелий Неон Аргон Ксенон Криптон

 

Длина волны, 62,5 74,3 104,8 147,0 123,6

нм 60,3 58,5 91,3 109,8 87,8

58,5 88,9

 

 

Метод измерения и описание аппаратуры

 

Определение второго, третьего и следующих потенциалов возбуждения представляет значительную экспериментальную труднолсть и требует применения специальной аппаратуры. Первый же, резонансный потенциал можно определить с помощью простого устройства, представляющего собой трёхэлектродную лампу, заполненную парами металла или инертным газом. Для доказательства существования неупругих соударений и определения значения потенциала, при котором они наблюдаются, удобно использовать метод задерживающего поля. Электрическая схема соответствующей установки представлена на рис.1. Электроны, испускаемые накалённым катодом К, ускоряются электрическим полем между сеткой С и катодом и направляются к аноду, который в данном случае является собирающим электродом СЭ, то есть коллектором. Между сеткой и коллектором создаётся слабое тормозящее поле. Поэтому только те электроны, которые обладают кинетической энергией, достаточной для преодоления тормозящего поля, достигнут коллектора и создадут ток, регистрируемый гальванометром Г. Если постепенно увеличивать ускоряющий потенциал с помощью потенциометра П и одновременно измерять ток с помощью гальванометра, то в результате получается некоторая вольт-амперная характеристика, изображенная на рис.2.

 

 

СЭ

К С Г

+ -

V

E₁

- + E₂ Рис.1

I

 

I₂

 

I_I

 

 

I¢

0 U_I U¢ U₂ U₃ U

 

Рис.2

 

Начальный участок этой характеристики имеет вид, обычный для вольт-амперных характеристик термоэлектронных прибо­ров. Но при потенциале U_I ток внезапно резко падает, а затем вновь начинает возрастать до потенциала U₂, при котором вновь обнаруживается резкое падение тока и новое его воз­растание до потенциала U₃. Например, в случае, если опыт проводится в парах ртути, то U_I = 4,1 В; U₂ = 9,0 В и U₃ =13,9 В. Таким образом, вся кривая представляет собой ряд острых максимумов, отстоящих друг от друга на расстоянии 4,9 В.

Истолкование максимумов на вольт-амперной характери­стике не представляет затруднений. До тех пор, пока энергия электрона не достигает eU_I, он испытывает с атомами газа упругие соударения, и ток возрастает с увеличением потен­циала по обычному закону. При потенциале U_I удар стано­вится неупругим, электрон отдает при соударении атому всю энергию. Эти электроны не попадут на коллектор, и ток резко упадет.

Если энергия электронов заметно превосходит eU_I, то та­кие электроны, потеряв часть своей энергии при неупругом столкновении, сохраняют достаточный избыток энергии и по­тому, несмотря на наличие положительно заряженной сетки, достигают коллектора, а значит, при увеличении U ток начинает возрастать. Если уско­ряющий потенциал достаточно велик, так что U >> U_I, то на оставшемся пути электрон может испытать еще одно или два (в зависимости от величины U) неупругих соударения, в результате которых атом также переходит в первое возбуж­денное состояние. В этом

 

7 и заключается причина периодического повторения максимумов. Величина энергии eU₁характеризует атомы элемента, заполняющего лампу. Мень­шую энергию атомы воспринять не могут, так как при такой энергии бомбардирующих их электронов удар происходит вполне упруго; энергию же eU₁ они воспринимают полностью. Но это и означает в согласии с первым постулатом Бора, что атом рассматриваемого элемента может обладать не любыми значениями энергии, а только избранными. Для сравнения на рис.2 пунктиром изображена вольт-амперная характери­стика вакуумной электронной лампы.

Для проведения опыта Франка и Герца с использованием постоянного ускоряющего напряжения необходимо применять специально изготовленные трехэлектродные лампы. Если же применять переменное ускоряющее напряжение, то можно использовать стандартные газонаполненные приборы, например, тиратроны, а вместо гальванометра применять в цепи коллек­тора осциллограф. Электрическая схема используемой в дан­ной работе установки имеет вид, изображенный на рис.3. Источником переменного напряжения, приложенного между сеткой С и катодом К тиратрона Т, служит звуковой генератор. Накал катода осуществляется от понижающего трансформа­тора.

 

 

На вход

осциллографа

R

СЭ

Т

С

К

На вход звукового

генератора

 

На трансформатор

6,3 В

Рис.3

 

Установка работает следующим образом. Переменное на­пряжение, приложенное между сеткой и катодом, периодиче­ски меняет энергию элек-

 

8 тронов. При этом первый полупериод лампа заперта, так как на катоде оказывается положитель­ный потенциал. Во второй полупериод через лампу идет элект­ронный ток. Тормозящее поле создает за счет падения на­пряжения на сопротивлении R (присоединенном к аноду, яв­ляющемуся собирающим электродом СЭ) в результате про­хождения через него электронного тока.

 

U

 

 

0 t

 

-½U¢½

 

 

I

0 t

-½I¢½

 

-½I_I½

 

Рис.4

 

На вертикально отклоняющие пластины осциллографа по­дается напряжение, снятое с сопротивления R, которое про­порционально электронному току. На горизонтально отклоня­ющие пластины осциллографа подано напряжение горизонтальной развертки (рис.4а). При синхронности напряжения развертки и сеточного напряжения (а следовательно, и напря­жения, снимаемого с сопротивления R), на экране наблюда­ются неподвижные осциллограммы, на которых отклонение электронного луча пропорционально электронному току в лам­пе. Однако, отклонение луча происходит вниз, и поэтому кар­тина, наблюдаемая на экране осциллографа (рис.4б) ока­зывается «перевернутой» по отношению к вольт-амперной ха­рактеристике, изображенной на рис.2: минимумам этой ха­рактеристики соответствуют максимумы на экране и наоборот, максимумам - минимумы.

Картина, наблюдаемая при этом на экране осциллографа, поясняется рисунком 5. По мере повышения напряжения на сетке импульсы тока через сетку увеличиваются по ампли­туде (рис.5а) до тех пор, пока напряжение U_С не

 

станет равным такому U_I, при котором начнутся неупругие столк­новения электронов с атомами газа, заполняющего тиратрон (рис.5б). При дальнейшем увеличении U_С на осциллограмме тока появ­ляется первый максимум (рис.5в), который растет по мере приближе­ния U_СкU¢, то есть к напряжению, соответствующему первому минимуму вольт-амперной характеристики лампы (см. рис.2). Если напряжение U_С продолжать увеличивать, то амплитуда импуль­сов тока вновь начнёт расти вплоть до напряжения U_С2 = U₂ (рис.5в), при котором электроны на пути от катода к аноду станут испытывать уже не одно, а два упругих столкнове­ния. При ещё больших значениях U_С то на экране можно на­блюдать появление второго максимума осциллограммы (что соответствует второму минимуму на рис.2).

 

a) б) в) г)

при U_С < U₁ U_С = U₁ U_С = U¢ U_С = U₂

 

 

 

Рис.5

 

При достижении резонансного потенциала в лампе наблю­дается резонансное свечение, связанное с переходом атомов инертного газа с первого возбужденного уровня на основной. Резонансный потенциал удобно определять по разности напря­жений, соответствующих появлению первого и второго макси­мумов. Зная резонансный потенциал, можно определить раз­ность энергий двух стационарных состояний с n = 2 и n = 1.

 

Е₂ – Е₁ = hn_I = e(U_С2 - U_С1) º e(U₂ - U_I) (4)

 

и излучаемую длину волны

l_I = , (5)

где е - заряд электрона, с - скорость света в вакууме. Проводя измерения, следует помнить, что амплитудное значение напряжения на сетке U_С = U_Г, где U_Г- пока­зания вольтметра звукового генератора.

 

Порядок выполнения работы

1. Соберите электрическую цепь в соответствии со схемой, изображенной на рис. 3.

2. Включите трансформатор накала.

3. Включите звуковой генератор и подайте напряжение на сетку. Частота подаваемого сигнала: 200 ¸ 300 Гц.

4. Включите осциллограф в сеть и получите изображение светящейся полосы на экране.

5. Подбирая частоту развертки, усиление и фокусировку электронного луча, добейтесь неподвижного, четкого и яркого изображения на экране осциллограммы с одним минимумом (рис.5а — пунктирная линия, рис.5б — сплошная линия).

6. Плавно увеличивая ускоряющее напряжение с помощью регулятора выхода звукового генератора, получите осциллог­рамму с двумя минимумами (рис.5в). Уменьшите ускоря­ющий потенциал до тех пор, пока максимумы и минимумы не исчезнут. Этим заканчивается предварительная настройка схемы.

 

ВНИМАНИЕ: из-за конструктивных особенностей уста­новки картина, наблюдаемая на экране осциллографа, не яв­ляется симметричной.

7. Установите частоту сигнала с генератора равной 200 Гц и, увеличивая ускоряющее напряжение, одновременно наблю­дайте за показаниями вольтметра на панели звукового гене­ратора. Запишите показания вольтметра U = U₁ при ко­тором начинается спад вольт-амперной характеристики лампы (рис.5б—сплошная линия максимальной амплитуды), зарисуйте полученную осциллограмму.

Увеличивайте ускоряющий потенциал до тех пор, пока амплитуда осциллограммы тока через лампу на экране осциллографа вновь не достигнет максимального значения (рис.5в—сплошная линия), после чего запишите по­казания вольтметра U = U₂ и зарисуйте полученную ос­цилло-грамму. Измерения повторите три раза, данные занесите в табл. 2.

8. Измерения, описанные в п. 7, повторите при частоте сиг­нала с генератора, равной 250 Гц (три раза) и при частоте 300 Гц (три раза). Данные занесите в табл. 2.

9. Исходя из полученных данных, определите по формуле (2) разность значений энергии атомов инертного газа в пер­вом возбужденном и основном стационарном состояниях.

 

Таблица 2

 

№ U_Г1 , В U_С1, В U_Г2 , В U_С2, В U_С2 - U_С1, Е₂ – Е₁ , l_I, нм l_IСР, нм;

В Дж элемент

200 Гц

3

250 Гц

300 Гц

 

10. Пользуясь полученными значениями Е₂ – Е₁, вычислите длину волны излучения по формулам (4) - (5) и ее среднее значение l_IСР.

11. Сверив полученный результат со значениями, приведен­ными в табл. 1, определите каким газом наполнен тиратрон. Данные занесите в табл. 2.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Дайте формулировку постулатов Бора.

2. Изложите сущность опытов Франка и Герца.

3. Каким образом получают неподвижное изображение осциллограмм с максимумами на экране осциллографа?

4. Как, зная энергию перехода атома с основного уровня на возбуж­денный, определить частоту поглощаемого кванта?

5. Рассчитайте, исходя из теории Бора, радиусы электронных орбит водородоподобного атома.

6. Покажите, что целое число n, входящее в формулу второго посту­лата Бора, равно числу длин волн де Бройля, укладывающихся на длине круговой орбиты.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Савельев И. В. Курс общей физики, т. 3, М„ «Наука», 1987, с. 55.

2. Illпольский Э. В. Атомная физика, т. 1, М., «Наука», 1974, с. 294.

3. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики, т. 3, М., «Выс­шая школа», 1979, с. 281.

 

Работа № 66

 

РЕЛЯТИВИСТКИЕ ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ МИКРОЧАСТИЦ

 

Цель работы. Знакомство с законами движения микрочастиц, определение их масс и времени жизни.

Приборы и принадлежности: фотографии с треками элементарных частиц, транспортир, линейка, график зависимости импульса частиц от длины свободного пробега (вывешен в лаборатории).

ВНИМАНИЕ! Для выполнения работы необходимо принести с собой чистый лист кальки.

 

 

Введение

 

Классическая механика Ньютона описывает движение макроскопических тел со скоростями много меньшими, чем скорость света в вакууме. Движение тел со скоростями, близкими к этой скорости, подчиняется законам релятивисткой механики, являющейся частью созданной Эйнштейном специальной теории относительности. Таким образом, для описания движения быстрых микрочастиц, в частности элементарных частиц, имеющих с большую энергию, необходимо использовать релятивистскую, а не классическую механику.

Особенностью многих элементарных частиц является то, что они нестабильны и превращаются в другие, имея при этом чрезвычайное малое время жизни. Однако, основные законы сохранения (закон сохранения электрического заряда, закон сохранения импульса и закон сохранения энергии, записанный в релятивисткой форме) выполняются и при взаимных превращениях частиц. Именно поэтому использование этих законов является чрезвычайно мощным средством анализа процессов, происходящих в микромире; настоящая работа является тому подтверждением.

В данной лабораторной работе изучаются частицы, называемые K –мезоном и L –гипероном, которые возникают при столкновении других частиц, p–мезонов, с ядрами некоторых атомов, а затем превращаются снова в p–мезоны и протоны. О некоторых свойствах их можно судить по фотографиям тех следов (треков), которые эти частицы оставляют в пузырьковой камере*.

* В данной лабораторной работе движение микрочастиц изучается по снимкам, полученным на 200–литровой, помещенной в магнитное поле, пузырьковой камере Московского инженерно-физического института.

Пузырьковая камера представляет собой прибор для регистрации

заряженных микрочастиц. Рабочий объем камеры заполнен жидкостью, находящейся в неустойчивом, перегретом состоянии. Быстро летящая заряженная частица ионизирует на своем пути молекулы жидкости, заполняющей камеру. Ионы становятся центрами интенсивного парообразования, и вдоль траектории заряженной частицы появляются пузырьки пара. Образованные этими пузырьками треки фотографируют и исследуют.

Так как ионизируя молекулы, частица теряет свою энергию и останавливается, то по длине свободного пробега можно судить о её первоначальных энергии и импульсе. В данной лабораторной работе связь первоначального импульса с длиной l свободного пробега для некоторых частиц считается известной и задаётся в виде графика, который имеется в лаборатории. Общий вид этого графика приведён на рис.1.

 

 

р_ч протон

 

p - мезон

 

0 l

 

Рис.1

 

 

Если камеру поместить в магнитное поле, то траектория частицы искривится, так как на заряженную движущуюся частицу в магнитном поле действует сила, перпендикулярная скорости. По тому, в каком направлении искривится траектория, можно определить знак заряда частицы.

Для получения фотографий, изучаемых в настоящей работе, пузырьковая камера была облучена пучком p–мезонов (пионов). При столкновении их с ядрами вещества, заполняющего камеру, образовались К –мезоны. Они могут быть заряженными (К ⁺ - и К ^-- мезоны) или нейтральными (К ⁰-мезоны). Значок справа вверху у символа частицы указывает на знак заряда или его отсутствие. По величине заряда элементарной частицы равен заряду электрона, масса К -мезонов примерно в 1000 раз больше его массы (М» 1000m_e). Продолжительность жизни этих частиц невелика (t = 10^-8 ¸ 10^-10 с).

 

Гипероны являются более тяжелыми частицами. Изучаемый в лабораторной работе L ⁰-гиперон имеет массу примерно в 2200 раз большую массы электрона (М» 2200m_e) и короткое время жизни (t =10^-10 с).

Так как К - мезоны и L ⁰-гиперон живут недолго, то на фотографиях удаётся зафиксировать следы продуктов их распада, по которым можно изучать свойства самих распавшихся частиц. На предлагаемых для изучения при выполнении лабораторной работы фотографиях можно видеть следы одного из следующих превращений:

 

K ⁰ ® p⁺ + p^-,

L ⁰ ® p + p^-,

K ⁺ ® p⁺ + p⁺ + p^-.

 

Эти превращения схематически изображены на рис.2,а и рис.3,а. Протон обозначают символом p. Знак заряда у протона не ставят, так как он всегда положителен; p-мезоны обозначают символами p⁺ и p^-.

 

p (p⁺)

а) б)

p - мезон L ⁰(К ⁰) j₁ j₁

j₂ j₂

p^-

 

Рис.2

а) б)

p^- p⁺

К ⁺ j₃ j₁ j₃ j₁

j₂ j₂

j₂

p⁺

Рис.3

 

Как мы уже говорили, в превращениях элементарных частиц важную роль играют законы сохранения электрического заряда, импульса и энергии. Импульс распавшейся частицы в соответствии с законом сохранения импульса равен векторной сумме импульсов частиц–продуктов распада:

.

Так как импульс принято обозначать той же буквой, что и протон, то в случае импульса мы будем добавлять к ней индекс «ч». В частности, выражение для импульса частицы имеющей массу m и скорость , в релятивистском случае имеет вид:

’

где с = 3 × 10⁸ м/с – скорость света в вакууме.

По закону сохранения энергии полная энергия распавшейся частицы равна сумме полных энергий образовавшихся частиц: . При этом полную энергию частицы следует записывать в релятивистской форме:

 

.

 

Основываясь на законах сохранения и измеряя длину пробега продуктов распада, можно найти некоторые характеристики распавшихся частиц.

Рассмотрим распад нейтральный частицы (К ⁰, L ⁰) на две заряженные. На рис.2,а, изображающем треки частиц в пузырьковой камере, слева дан трек первичного p–мезона (первичный пучок падает слева направо). При столкновении с ядром жидкости, заполняющей пузырьковую камеру, он породил несколько частиц, разлетевшихся в разные стороны («звезда»). Среди них была и нейтральная, которая в пузырьковой камере не оставила следа. На рисунке ее траектория изображена пунктиром. Эта частица короткоживущая, она вскоре распалась на две заряженные частицы, которые оставили в камере след. По длине их пробега можно судить об их первоначальных кинетической э

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: