Vídeotutorial 2: Lente dispersante - Física en experimentos y experimentos.

Conferencia: Lentes convergentes y divergentes. Lente delgada. Distancia focal y potencia óptica de una lente delgada.

Lente. tipos de lentes

Como saben, todos los fenómenos y procesos físicos se utilizan en el diseño de maquinaria y otros equipos. La refracción de la luz no es una excepción. este fenómeno se ha utilizado en la fabricación de cámaras fotográficas, binoculares y el ojo humano también es una especie de dispositivo óptico, capaz de cambiar el curso de los rayos. Para ello se utiliza una lente.

Lente- Este cuerpo transparente, que está delimitado en ambos lados por esferas.

EN curso escolar Los físicos consideran que las lentes están hechas de vidrio. Sin embargo, también se pueden utilizar otros materiales.

Existen varios tipos principales de lentes que realizan funciones específicas.

lente biconvexa

Si las lentes están formadas por dos hemisferios convexos, se denominan biconvexas. Veamos cómo se comportan los rayos al pasar a través de una lente de este tipo.

en la foto A 0D- este es el eje óptico principal. Este es el rayo que pasa por el centro de la lente. La lente es simétrica con respecto a este eje. Todos los demás rayos que pasan por el centro se denominan ejes secundarios; no se observa simetría relativa.

Considere un rayo incidente AB, que se refracta debido a la transición a otro medio. Después de que el rayo refractado toca la segunda pared de la esfera, se refracta nuevamente hasta que cruza el eje óptico principal.

De esto podemos concluir que si un determinado rayo era paralelo al eje óptico principal, luego de pasar a través de la lente cruzará el eje óptico principal.

Todos los rayos que se encuentran cerca del eje se cruzan en un punto, creando un haz. Los rayos que están lejos del eje se cruzan en un lugar más cercano a la lente.

El fenómeno en el que los rayos convergen en un punto se llama enfoque, y el punto de enfoque es enfocar.

Enfocar ( longitud focal) se indica en la figura con la letra F.

Una lente en la que los rayos se recogen en un punto detrás de ella se llama lente convergente. Eso es biconvexo la lente es coleccionando.

Cualquier lente tiene dos puntos focales: están delante y detrás de la lente.

lente bicóncava

Una lente formada por dos hemisferios cóncavos se llama bicóncavo.

Como puede verse en la figura, los rayos que inciden en dicha lente se refractan y en la salida no cruzan el eje, sino que, por el contrario, tienden a alejarse de él.

De esto podemos concluir que dicha lente se dispersa y, por lo tanto, se llama dispersivo.

Si los rayos dispersos continúan frente a la lente, convergerán en un punto, lo que se llama enfoque imaginario.

Las lentes convergentes y divergentes también pueden adoptar otras formas, como se muestra en las figuras.

1 - biconvexo;

2 - plano-convexo;

3 - cóncavo-convexo;

4 - bicóncavo;

5 - plano-cóncavo;

6 - convexo-cóncavo.

Dependiendo del grosor de la lente, puede refractar los rayos con mayor o menor intensidad. Para determinar con qué fuerza se refracta una lente, se utiliza una cantidad llamada potencia óptica.

D es la potencia óptica de la lente (o sistema de lentes);

F es la distancia focal de la lente (o sistema de lentes).

[D] = 1 dioptría. La unidad de potencia de la lente es dioptría (m -1).

Lente delgada

Al estudiar lentes, utilizaremos el concepto de lente delgada.

Entonces, veamos un dibujo que muestra una lente delgada. Así, una lente delgada es aquella cuyo espesor es bastante pequeño. Sin embargo, para leyes fisicas La incertidumbre es inaceptable, por lo que utilizar el término “suficiente” es arriesgado. Se cree que una lente puede considerarse delgada cuando su espesor es menor que los radios de dos superficies esféricas.

Los instrumentos utilizados para detectar la radiación nuclear se denominan detectores de radiación nuclear. Los más utilizados son los detectores que detectan la radiación nuclear mediante la ionización y excitación de los átomos de la materia que producen. El contador de descarga de gas fue inventado por el físico alemán G. Geiger y luego mejorado junto con W. Muller. Por lo tanto, los contadores de descarga de gas suelen denominarse contadores Geiger-Muller. Un tubo cilíndrico sirve como cuerpo del medidor; a lo largo de su eje se estira un fino hilo de metal. La rosca y el cuerpo del tubo están separados por un aislante. El volumen de trabajo del medidor se llena con una mezcla de gases, por ejemplo argón con una mezcla de vapores. alcohol metílico, a una presión de aproximadamente 0,1 atm.

Para registrar partículas ionizantes, se aplica un alto voltaje entre el cuerpo del contador y el filamento. voltaje constante, el hilo es el ánodo. Una partícula cargada rápidamente volando a través del volumen de trabajo del mostrador.

produce la ionización de los átomos del gas de llenado a lo largo de su recorrido. Bajo la influencia de un campo eléctrico. electrones libres moverse hacia el ánodo, iones positivos avanzar hacia el cátodo. La intensidad del campo eléctrico cerca del ánodo NNH del contador es tan alta que los electrones libres, cuando se acercan a él en el camino entre dos colisiones con átomos neutros, adquieren energía suficiente para su ionización. En el contador se produce una descarga de corona que se detiene al cabo de un breve periodo de tiempo.

Se envía un pulso de voltaje desde una resistencia conectada en serie con el contador a la entrada del dispositivo de registro. Diagrama esquemático En la Figura 314 se muestra el encendido de un contador de descarga de gas para registrar la radiación nuclear. A partir de las lecturas del dispositivo de conteo electrónico se determina el número de partículas cargadas rápidamente registradas por el contador.

Contadores de centelleo.

El diseño del dispositivo más simple diseñado para registrar partículas alfa, el espintariscopio, se muestra en la Figura 302. Las partes principales del espintariscopio son la pantalla 3, recubierta con una capa de sulfuro de zinc, y una lupa de enfoque corto 4. Fármaco alfa radiactivo colocado en el extremo de la varilla 1 aproximadamente frente al centro de la pantalla. Cuando una partícula alfa choca contra los cristales de sulfuro de zinc, se produce un destello de luz que se puede detectar al observarlo a través de una lupa.

Proceso de conversión energía cinética Una partícula cargada rápidamente en la energía de un destello de luz se llama centelleo. El centelleo es un tipo de fenómeno de luminiscencia. En los contadores de centelleo modernos, los destellos de luz se registran mediante fotocélulas, que convierten la energía del destello de luz en el cristal en energía de pulso. corriente eléctrica. Los impulsos de corriente en la salida de la fotocélula se amplifican y luego se registran.

Cámara Wilson.

Uno de los instrumentos más notables de la física nuclear experimental es la cámara de niebla. Apariencia La cámara de demostración escolar de Wilson se muestra en la Figura 315. En forma cilíndrica

Un recipiente con tapa de vidrio plana contiene aire que contiene vapor de alcohol saturado. El volumen de trabajo de la cámara está conectado a través de un tubo a una pera de goma. Dentro de la cámara, se monta un fármaco radiactivo sobre una varilla delgada. Para activar la cámara, primero se aprieta suavemente la bombilla y luego se suelta bruscamente. Con una rápida expansión adiabática, el aire y el vapor de la cámara se enfrían y el vapor entra en un estado de sobresaturación. Si en este momento una partícula alfa abandona la preparación, se forma una columna de iones a lo largo de su movimiento en el gas. El vapor sobresaturado se condensa en gotas de líquido, y la formación de gotas se produce principalmente en iones, que sirven como centros de condensación del vapor. Una columna de gotas condensadas en iones a lo largo de la trayectoria de una partícula se llama trayectoria de partículas.

Para realizar mediciones precisas caracteristicas fisicas Para detectar partículas, la cámara de niebla se coloca en un campo magnético constante. Las trayectorias de las partículas que se mueven en un campo magnético resultan ser curvas. El radio de curvatura de la pista depende de la velocidad de la partícula, su masa y carga. Con inducción conocida campo magnético estas características de las partículas se pueden determinar a partir de los radios de curvatura medidos de las pistas de partículas.

Las primeras fotografías de las trayectorias de partículas alfa en un campo magnético fueron obtenidas por el físico soviético P. L. Kapitsa en 1923.

Método de uso de una cámara de niebla en un campo magnético constante para estudiar los espectros de radiación beta y gamma e investigación. partículas elementales Fue desarrollado por primera vez por el físico académico soviético Dmitry Vladimirovich Skobeltsin.

Cámara de burbujas.

El principio de funcionamiento de la cámara de burbujas es el siguiente. La cámara contiene líquido a una temperatura cercana al punto de ebullición. Las partículas cargadas rápidamente penetran en su volumen de trabajo a través de una delgada ventana en la pared de la cámara y en el camino ionizan y excitan los átomos líquidos. En el momento en que las partículas penetran en el volumen de trabajo de la cámara, la presión en su interior disminuye drásticamente y el líquido pasa a un estado sobrecalentado. Los iones que aparecen a lo largo del camino de la partícula tienen un exceso de energía cinética. Esta energía provoca un aumento de la temperatura del líquido en un volumen microscópico cerca de cada ion, su ebullición y la formación de burbujas de vapor. Una cadena de burbujas de vapor que surgen a lo largo del camino de una partícula cargada rápidamente a través de un líquido forma un rastro de esta partícula.

En una cámara de burbujas, la densidad de cualquier líquido es significativamente mayor que la densidad del gas en una cámara de niebla, por lo que puede usarse para estudiar de manera más efectiva las interacciones de partículas cargadas rápidamente con núcleos atómicos. Para llenar las cámaras de burbujas se utilizan hidrógeno líquido, propano, xenón y algunos otros líquidos.

Método de fotoemulsión.

El método fotográfico es históricamente el primer método experimental para registrar la radiación nuclear, ya que Becquerel descubrió el fenómeno de la radiactividad con este método.

La capacidad de las partículas cargadas rápidamente para crear una imagen latente en una emulsión fotográfica se utiliza ampliamente en física nuclear y actualmente. Las fotoemulsiones nucleares se utilizan con especial éxito en la investigación en el campo de la física de partículas y rayos cósmicos. Una partícula cargada rápidamente, cuando se mueve en una capa de emulsión fotográfica, crea centros de una imagen latente a lo largo de la trayectoria del movimiento. Después del revelado, aparece una imagen de los rastros de la partícula primaria y de todas las partículas cargadas que surgen como resultado en la emulsión. interacciones nucleares partícula primaria.

Las partículas elementales se pueden observar gracias a las huellas que dejan al atravesar la materia. La naturaleza de las huellas nos permite juzgar el signo de la carga de la partícula, su energía y su momento. Las partículas cargadas provocan la ionización de las moléculas a su paso. Las partículas neutras no dejan rastros en su camino, pero pueden revelarse en el momento de desintegrarse en partículas cargadas o en el momento de colisionar con cualquier núcleo. Por tanto, las partículas neutras también se detectan mediante la ionización provocada por partículas generadas o cargadas.

Contador Geiger de descarga de gas. Un contador Geiger es un dispositivo para contar partículas automáticamente. El contador consta de un tubo de vidrio recubierto por dentro con una capa metálica (cátodo) y un fino hilo metálico que discurre a lo largo del eje del tubo (ánodo).

El tubo normalmente se llena gas inerte(argón). El funcionamiento del dispositivo se basa en la ionización por impacto. Una partícula cargada que vuela a través de un gas choca con átomos, lo que da como resultado la formación de iones y electrones positivos del gas. El campo eléctrico entre el cátodo y el ánodo acelera los electrones a energías en las que comienza la ionización por impacto. Se produce una avalancha de iones y electrones y la corriente que pasa por el contador aumenta bruscamente. En este caso, se forma un impulso de tensión en la resistencia de carga R, que se suministra al dispositivo contador.

El contador Geiger se utiliza principalmente para registrar electrones y fotones. El registro de partículas pesadas (por ejemplo, partículas) es difícil, ya que es difícil hacer una "ventana" suficientemente delgada en el contador que sea transparente para estas partículas.

cámara wilson. En una cámara de niebla, creada en 1912, una partícula cargada deja un rastro que puede observarse directamente o fotografiarse. La acción de la cámara se basa en la condensación de vapor sobresaturado sobre iones para formar gotas de agua. Estos iones son creados a lo largo de su trayectoria por una partícula cargada en movimiento. Por la longitud de la huella (pista) dejada por una partícula, se puede determinar la energía de la partícula, y por el número de gotas por unidad de longitud de la pista, se puede estimar su velocidad. Partículas con carga grande dejar una huella de mayor espesor.

Cámara de burbujas. En 1952 El científico estadounidense D. Glaser propuso utilizar líquido sobrecalentado para detectar huellas de partículas. Una partícula ionizante que vuela a través de la cámara provoca una ebullición violenta del líquido, como resultado de lo cual el rastro de la partícula se indica mediante una cadena de burbujas de vapor: se forma una pista.

Cámara de emulsión. Los físicos soviéticos L.V. Mysovsky y A.P. Zhdanov fue el primero en utilizar placas fotográficas para registrar micropartículas. Las partículas cargadas tienen el mismo efecto sobre la emulsión fotográfica que los fotones. Por lo tanto, después de revelar la placa en la emulsión, se forma un rastro visible (huella) de la partícula voladora. La desventaja del método de la placa fotográfica fue el pequeño espesor de la capa de emulsión, por lo que sólo se obtuvieron pistas de partículas paralelas al plano de la capa.

En las cámaras de emulsión se exponen a la irradiación paquetes gruesos compuestos de capas individuales de emulsión fotográfica. Este método se denominó método de fotoemulsión en capa gruesa.

Métodos para detectar partículas cargadas.

I. Familiarízate con el material teórico.

Se han desarrollado numerosos métodos para registrar partículas elementales y radiación para estudiar los fenómenos nucleares. Veamos algunos de ellos que son más utilizados.

1) Contador Geiger de descarga de gas

Un contador Geiger es uno de los dispositivos más importantes para el recuento automático de partículas. El contador consta de un tubo de vidrio recubierto por dentro con una capa metálica (cátodo) y un fino hilo metálico que discurre a lo largo del eje del tubo (ánodo).

El tubo se llena de gas, normalmente argón. El contador funciona según la ionización de impacto. Una partícula cargada (electrón, partícula Υ, etc.), que vuela a través de un gas, elimina electrones de los átomos y crea iones positivos y electrones libres. El campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo (que se les suministra alto voltaje) acelera los electrones a energías en las que comienza la ionización por impacto. Se produce una avalancha de iones y la corriente que pasa por el contador aumenta considerablemente. En este caso, se genera un pulso de voltaje a través de la resistencia de carga R, que se alimenta al dispositivo de registro. Para que el contador registre la siguiente partícula que lo golpee, es necesario extinguir la descarga de la avalancha. Esto sucede automáticamente.

Arroz. 1

Un contador Geiger se utiliza principalmente para registrar electrones y cuantos Y (fotones de alta energía). Sin embargo, los cuantos Y no se registran directamente debido a su baja capacidad de ionización. Para detectarlos, la pared interior del tubo se recubre con un material del que los cuantos Y eliminan electrones.

El contador registra casi todos los electrones que entran en él; En cuanto a los cuantos Y, registra aproximadamente sólo un cuanto Y entre cien. El registro de partículas pesadas (por ejemplo, partículas J) es difícil, ya que es difícil hacer una "ventana" suficientemente delgada en el contador que sea transparente para estas partículas.

2) Cámara de niebla

La acción de una cámara de niebla se basa en la condensación de vapor sobresaturado sobre iones para formar gotas de agua. Estos iones son creados a lo largo de su trayectoria por una partícula cargada en movimiento.

El dispositivo es un cilindro con un pistón 1 (Fig.2), cubierto con una tapa de vidrio plana 2. El volumen de trabajo de la cámara se llena con gas, que contiene vapor saturado. Cuando el pistón se mueve rápidamente hacia abajo, el gas en el volumen se expande adiabáticamente y se enfría, mientras se sobresatura. Cuando una partícula vuela a través de este espacio, creando iones a lo largo de su camino, se forman gotas de vapor condensado sobre estos iones. En la cámara aparece un rastro de la trayectoria de la partícula (track) en forma de una franja de niebla (Fig. 3), que se puede observar y fotografiar. La pista existe durante décimas de segundo. Al devolver el pistón a su posición original y eliminar los iones con un campo eléctrico, se puede volver a realizar la expansión adiabática. De este modo, se pueden realizar experimentos con la cámara repetidamente.

Arroz. 3

Si la cámara se coloca entre los polos de un electroimán, las capacidades de la cámara para estudiar las propiedades de las partículas se amplían significativamente. En este caso, la fuerza de Lorentz actúa sobre la partícula en movimiento, lo que permite determinar el valor de la carga de la partícula y su impulso a partir de la curvatura de la trayectoria. La figura 4 muestra opción posible descifrar fotografías de pistas de electrones y positrones. El vector de inducción B del campo magnético se dirige perpendicular al plano del dibujo detrás del dibujo. El positrón se desvía hacia la izquierda y el electrón hacia la derecha.

3) Cámara de burbujas

Se diferencia de una cámara de niebla en que los vapores sobresaturados en el volumen de trabajo de la cámara son reemplazados por líquido sobrecalentado, es decir. un líquido que está bajo una presión menor que su presión de vapor saturado.

Al volar a través de dicho líquido, una partícula provoca la aparición de burbujas de vapor, formando así una pista (Fig. 5).

En el estado inicial, el pistón comprime el líquido. Con una fuerte disminución de la presión, el punto de ebullición del líquido es más bajo que la temperatura ambiente.

El líquido se vuelve inestable (sobrecalentado). Esto asegura la aparición de burbujas a lo largo del camino de la partícula. Como mezcla de trabajo se utilizan hidrógeno, xenón, propano y algunas otras sustancias.

La ventaja de la cámara de burbujas sobre la cámara Wilson se debe a mayor densidad sustancia de trabajo. Como resultado, los caminos de las partículas resultan ser bastante cortos e incluso partículas de energías altas quedan atrapadas en la cámara. Esto permite observar una serie de transformaciones sucesivas de una partícula y las reacciones que provoca.

II. Usando material teórico y recursos de Internet, complete la tabla.

Anota tus respuestas en una doble hoja de papel, colocándola en posición horizontal.

III. Escriba respuestas completas a las preguntas.

1. La figura muestra la trayectoria de una partícula en una cámara de niebla colocada en un campo magnético dirigido como se muestra en la figura.

• Determina el signo de la carga de la partícula, escribe qué regla usaste.

• ¿Por qué se desvía la partícula?

2. Se crea un campo magnético en la cámara de niebla y en la cámara de burbujas. ¿Por qué se hace esto?

En este artículo te ayudaremos a prepararte para una lección de física (noveno grado). La investigación de partículas no es un tema cualquiera, sino una excursión muy interesante y apasionante al mundo de la ciencia nuclear molecular. La civilización pudo alcanzar tal nivel de progreso recientemente, y los científicos todavía discuten si la humanidad necesita ese conocimiento. Después de todo, si la gente puede repetir el proceso explosión atómica, que condujo al surgimiento del Universo, entonces quizás no solo nuestro planeta, sino también todo el Cosmos colapsará.

¿De qué partículas estamos hablando y por qué estudiarlas?

Un curso de física proporciona respuestas parciales a estas preguntas. Los métodos experimentales para estudiar partículas son una forma de ver lo que es inaccesible para los humanos incluso utilizando los microscopios más potentes. Pero primero lo primero.

Una partícula elemental es un término colectivo que se refiere a partículas que ya no se pueden dividir en pedazos más pequeños. En total, los físicos han descubierto más de 350 partículas elementales. Estamos más acostumbrados a oír hablar de protones, neuronas, electrones, fotones y quarks. Estas son las llamadas partículas fundamentales.

Características de las partículas elementales.

Todo partículas más pequeñas tienen la misma propiedad: pueden interconvertirse bajo la influencia de su propia influencia. Algunos tienen fuertes propiedades electromagnéticas, otros gravitacionales débiles. Pero todas las partículas elementales se caracterizan por los siguientes parámetros:

• Peso.
• El giro es el momento angular intrínseco.
• carga electrica.
• Tiempo de vida.
• Paridad.
• momento magnético.
• Carga bariónica.
• Carga de leptones.

Una breve excursión a la teoría de la estructura de la materia.

Cualquier sustancia está formada por átomos, que a su vez tienen núcleo y electrones. Los electrones son como los planetas en sistema solar, cada uno se mueve alrededor del núcleo a lo largo de su propio eje. La distancia entre ellos es muy grande, a escala atómica. El núcleo está formado por protones y neuronas, la conexión entre ellos es tan fuerte que no pueden estar separados por ningún conocido por la ciencia forma. Esta es la esencia métodos experimentales investigación de partículas (brevemente).

Es difícil para nosotros imaginarlo, pero comunicación nuclear supera todas las fuerzas conocidas en la tierra millones de veces. Conocemos la química explosión nuclear. Pero lo que mantiene unidos a los protones y a las neuronas es otra cosa. Quizás esta sea la clave para desentrañar el misterio del origen del universo. Por eso es tan importante estudiar métodos experimentales para estudiar partículas.

Numerosos experimentos llevaron a los científicos a la idea de que las neuronas están formadas por unidades aún más pequeñas y las llamaron quarks. Aún no se sabe qué hay dentro de ellos. Pero los quarks son unidades inseparables. Es decir, no hay forma de señalar uno solo. Si los científicos utilizan un método experimental de estudio de partículas para aislar un quark, no importa cuántos intentos hagan, siempre se aíslan al menos dos quarks. Esto confirma una vez más el poder indestructible del potencial nuclear.

¿Qué métodos de investigación de partículas existen?

Pasemos directamente a métodos experimentales para estudiar partículas (Tabla 1).