В период активности на Солнце наблюдаются вспышки, в результате которых образуются потоки очень быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и др.). Потоки заряженных частиц, несущихся с огромной скоростью, приводят к быстрому изменению магнитного поля Земли, то есть приводят к появлению магнитных бурь на нашей планете.
Захваченные магнитным полем Земли электроны движутся вдоль его магнитных линий и наиболее близко к поверхности Земли проникают в области магнитных полюсов Земли (рис. а). В результате столкновений электронов с молекулами воздуха возникает электромагнитное излучение – полярное сияние. Цвет полярного сияния определяется химическим составом атмосферы. На высотах от 300 до 500 км, где воздух разрежен, преобладает кислород. Цвет сияния здесь может быть зелёным или красноватым. Ниже уже преобладает азот, дающий сияния ярко-красного и фиолетового цветов.
Рис. а
Рис. б
Протонные сияния, в отличие от электронных, не характеризуются чёткой структурой: они размыты, имеют вид бесформенных светящихся пятен. Это объясняется тем, что протон оказывается менее «привязан» к линиям магнитного поля. Действительно, во время своего движения протон может захватить свободный электрон и тем самым превратиться в свободный атом водорода. В результате такого превращения возникает нейтральная частица (атом водорода), не взаимодействующая с магнитным полем. Атом водорода по прямой удаляется в сторону от «своей» магнитной линии до тех пор, пока новое столкновение не приведёт к потере электрона, после чего оставшийся протон начинает закручиваться вокруг новой магнитной линии (рис. б). Этапы захвата и потери электрона могут происходить многократно. Наиболее яркой для протонных сияний оказывается спектральная линия водорода, соответствующая красному цвету.
Задание №1
Магнитные бури на Земле представляют собой
1) вспышки радиоактивности
2) потоки заряженных частиц
3) быстрые и непрерывные изменения облачности
4) быстрые и непрерывные изменения магнитного поля планеты
Задание №2
Протон и электрон влетают с одинаковыми скоростями в магнитное поле Земли перпендикулярно магнитным линиям. У какой из частиц радиус окружности будет больше? Ответ поясните.
Занятие №3
Ускорители элементарных частиц
Текст 6. Коллайдер
Для получения заряженных частиц высоких энергий используются ускорители заряженных частиц. В основе работы ускорителя лежит взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Ускорение создается электрическим полем, способным изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Постоянное магнитное поле изменяет направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории).
По назначению ускорители классифицируются на коллайдеры, источники нейтронов, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители и др. Колла́йдер – ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Благодаря коллайдерам учёным удаётся сообщить частицам высокую кинетическую энергию, а после их столкновений –наблюдать образование других частиц.
Самым крупным кольцевым ускорителем в мире является Большой адро́нныйколла́йдер (БАК), построенный в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований, на границе Швейцарии и Франции. В создании БАК принимали участие ученые всего мира, в том числе и из России. Большим коллайдер назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет почти 27 км; адронным –из-за того, что он ускоряет адроны (к адронам относятся, например, протоны). Коллайдер размещён в тоннеле на глубине от 50 до 175 метров. Два пучка частиц могут двигаться в противоположном направлении на огромной скорости (коллайдер разгонит протоны до скорости 0,999999998 от скорости света). Однако в ряде мест их маршруты пересекутся, что позволит им сталкиваться, создавая при каждом соударении тысячи новых частиц. Последствия столкновения частиц и станут главным предметом изучения. Ученые надеются, что БАК позволит узнать, как происходило зарождение Вселенной.
Задание №1
В ускорителе заряженных частиц
1) и электрическое, и магнитное поле изменяет направление движения заряженной частицы
2) электрическое поле изменяет направление движения заряженной частицы
3) постоянное магнитное поле ускоряет заряженные частицы
4) электрическое поле ускоряет заряженные частицы
Задание №2
Какое(-ие) из утверждений является(-ются) правильным(-и)?
А. По виду Большой адронныйколлайдер относится к кольцевым ускорителям.
Б. В Большом адронномколлайдере протоны разгоняются до скоростей, больших скорости света.
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Задание №3
Какой будет траектория движения заряженной частицы, влетающей в магнитное поле со скоростью, направленной перпендикулярно вектору индукции магнитного поля? Ответ поясните.
Текст 7. Циклотрон
Для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий применяются специальные устройства – ускорители заряженных частиц. В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт траекторию, по которой движутся частицы.
Ускорители заряженных частиц можно классифицировать по разным признакам. По типу ускоряемых частиц различают электронные ускорители, протонные ускорители и ускорители ионов. По характеру траекторий частиц различают линейные ускорители, в которых пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки и траектории частиц близки к прямой линии, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям или спиралям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз.
На рисунке 1 представлена схема работы циклотрона – циклического ускорителя протонов (или ионов). Частицы из ионного источника 1 непрерывно поступают в вакуумную камеру и ускоряются электрическим полем, создаваемым электродами 3. Магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости рисунка, заставляет заряженную частицу отклоняться от прямолинейного движения.
Каждый раз, проходя зазор между электродами, заряженная частица получает новую порцию энергии и дополнительно ускоряется. Траекторией движения ускоряющейся частицы в постоянном магнитном поле получается раскручивающаяся спираль.
Рис. 1. Схема движения частиц в циклотроне; магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа. 1 – ионный источник; 2 – орбита ускоряемой частицы (спираль); 3 – ускоряющие электроды; 4 – выводное устройство (отклоняющие пластины); 5 – источник ускоряющего поля.
Циклотрон – первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в 1931 году. До сих пор циклотроны широко применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий.
Задание №1
На рисунке 1 в тексте представлена траектория движения (раскручивающаяся спираль) для положительно заряженного иона. Магнитное поле циклотрона направлено
1) перпендикулярно плоскости чертежа от нас +B ⃗
2) перпендикулярно плоскости чертежа к нам ∙B⃗
3) слева направо →B⃗
4) справа налево ←B⃗
Задание №2
В циклотроне заряженная частица, влетающая в магнитное поле, движется не по окружности, а по спирали. Это объясняется тем, что
1) магнитное поле по мере движения частицы ослабевает
2) магнитное поле по мере движения частицы усиливается
3) кинетическая энергия частицы по мере её движения увеличивается
4) потенциальная энергия частицы по мере её движения увеличивается
Задание №3
В циклотроне
1) электрическое и магнитное поля увеличивают энергию заряженной частицы
2) электрическое и магнитное поля служат для изменения направления движения заряженной частицы
3) электрическое поле служит для изменения направления движения заряженной частицы, а магнитное поле служит для увеличения её энергии
4) электрическое поле служит для увеличения энергии заряженной частицы, а магнитное поле служит для изменения направления её движения
Тест 8. Масс-спектрограф
Масс-спектрограф — это прибор для разделения ионов по величине отношения их заряда к массе. В самой простой модификации схема прибора представлена на рисунке.
Исследуемый образец специальными методами (испарением, электронным ударом) переводится в газообразное состояние, затем образовавшийся газ ионизируется в источнике 1. Затем ионы ускоряются электрическим полем и формируются в узкий пучок в ускоряющем устройстве 2, после чего через узкую входную щель попадают в камеру 3, в которой создано однородное магнитное поле. Магнитное поле изменяет траекторию движения частиц. Под действием силы Лоренца ионы начинают двигаться по дуге окружности и попадают на экран 4, где регистрируется место их попадания. Методы регистрации могут быть различными: фотографические, электронные и т. д. Радиус траектории определяется по формуле:
,
где U — электрическое напряжение ускоряющего электрического поля; B — индукция магнитного поля; m и q — соответственно масса и заряд частицы.
Так как радиус траектории зависит от массы и заряда иона, то разные ионы попадают на экран на различном расстоянии от источника, что и позволяет их разделять и анализировать состав образца.
В настоящее время разработаны многочисленные типы масс-спектрометров, принципы работы которых отличаются от рассмотренного выше. Изготавливаются, например, динамические масс-спектрометры, в которых массы исследуемых ионов определяются по времени пролёта от источника до регистрирующего устройства.
Задание №1. В масс-спектрографе
1) электрическое и магнитное поля служат для ускорения заряженной частицы
2) электрическое и магнитное поля служат для изменения направления движения заряженной частицы
3) электрическое поле служит для ускорения заряженной частицы, а магнитное поле служит для изменения направления её движения
4) электрическое поле служит для изменения направления движения заряженной частицы, а магнитное поле служит для её ускорения
Задание 2. При увеличении магнитной индукции в 2 раза радиус окружности, по которой движется заданная заряженная частица,
1) увеличится в 
раза
2) увеличится в 2 раза
3) уменьшится в раза
4) уменьшится в 2 раза
Задание № 3. В магнитное поле спектрографа влетели с одинаковой скоростью две заряженные частицы. Какая из частиц (1 или 2) имеет положительный заряд? Ответ поясните.
Занятие №4
Как работает прибор?
Дата: 2019-12-09, просмотров: 357.
