Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 11. Измерения в атомной физикеПознакомившись с основными представлениями о строении атома, остановимся теперь на тех экспериментальных фактах, которые послужили фундаментом для развития этих представлений. Опыты Томсона. Удельный заряд частицы, т. е. отношение электрического заряда частицы к ее массе, можно определить, изучая отклонение пучка движущихся частиц поперечными электрическим и магнитным полями. Измерение удельного заряда электрона таким методом было впервые выполнено Дж. Томсоном с помощью катодных лучей. Катодные лучи в действительности представляют собой пучок быстрых электронов в трубке, из которой выкачан воздух. Если бы все частицы в пучке имели одинаковую скорость, то определить отношение их заряда
Измеряя
откуда Именно таким путем Дж. Томсон впервые измерил
Рис. 25. К расчету отклонения пучка электронов в однородном электрическом поле Установление этого факта и было по существу экспериментальным открытием электрона. Опыты Буша. Одна из трудностей в этих исследованиях состояла в том, что электроны в пучке катодных лучей обладали большим разбросом скоростей. Для исключения влияния этого разброса Томсон в других модификациях опыта использовал параллельные электрическое и магнитное поля. После прохождения через такие поля частицы с единственным значением Определение удельного заряда электрона можно выполнить с использованием только магнитного поля. Такие измерения были впервые выполнены в 20-е годы X. Бушем методом фокусировки пучка электронов в продольном магнитном поле. Продольная фокусировка расходящегося пучка электронов была рассмотрена в § 16 книги 2 курса. Этот метод позволяет выполнить измерения с большей точностью, но предъявляет более жесткие требования к характеристикам электронных пучков. Опыты Милликена. Из опытов с ионными пучками можно определить не только Точные измерения элементарного заряда были выполнены Р. Милликеном в серии классических опытов 1908-1916 гг. Эти опыты принесли неопровержимое доказательство дискретности электрических зарядов в природе. Милликен измерял электрический заряд малых капелек масла, используемого для смазки часовых механизмов. Схема его установки показана на рис. 26. В тщательно изготовленный плоский конденсатор через отверстие в верхней пластине могут попадать мелкие капли масла, полученные с помощью специального распылителя. Чтобы конвекционные потоки воздуха не влияли на поведение капель, конденсатор помещался в защитный кожух, температура и давление внутри которого поддерживались постоянными.
Рис. 26. Схема опытов Милликена На пластины конденсатора подавалось постоянное напряжение от источника в несколько киловольт. В ходе опыта это напряжение можно было изменять. При распылении масла образующиеся капли, как правило, заряжаются и, попадая в конденсатор, движутся под действием силы тяжести и приложенного электрического поля. Движение отдельной капли можно наблюдать в микроскоп через специальное окошко. С помощью рентгеновского излучения можно ионизировать воздух между пластинами конденсатора. Тогда заряд капли, а с ним и скорость установившегося движения в воздухе в том же электрическом поле могут скачком измениться. Измеряя скорости устоявшегося движения одной и той же капли в одном и том же электрическом поле, можно сравнить ее прежний и новый заряды Дискретность электрического заряда. В результате было надежно установлено, что в природе любые электрические заряды состоят из дискретных порций определенной величины. Такая величина обозначается через По современным представлениям электрон и протон — это совершенно разные, очень далекие друг от друга по своим характеристикам элементарные частицы. Совпадение их электрических зарядов с такой фантастической степенью точности не имеет в современной физике никакого глубокого теоретического обоснования. Квантование электрического заряда и по сей день представляется таинственным универсальным законом природы. Никто не знает, почему электрические заряды всех заряженных элементарных частиц в точности одинаковы. Опыт показывает также, что электрические заряды всех заряженных элементарных частиц не только одинаковы, но и не зависят от состояния их движения. Электрическая нейтральность установлена на опыте и для атома гелия с почти такой же высокой точностью, как и для молекулы водорода. Атом гелия построен из тех же заряженных «кирпичиков», что и молекула водорода, — двух протонов и двух электронов, — но движутся эти частицы в атоме гелия совершенно иначе, нежели в молекуле водорода. «Взвешивание» электрона. Опыты Милликена, в которых был измерен элементарный электрический заряд, можно рассматривать и как «взвешивание» электрона, массу которого непосредственно определить невозможно. Измерив заряд электрона, Милликен смог определить его массу, воспользовавшись найденным Томсоном отношением заряда к массе в опытах по отклонению электронных пучков. Ситуация здесь до некоторой степени аналогична «взвешиванию» Земли в опыте Кавендиша по лабораторному измерению гравитационной постоянной: взвесить Землю непосредственно невозможно, но можно определить произведение ее массы на гравитационную постоянную из астрономических наблюдений, т. е. по отклонению движущихся тел гравитационным полем Земли. Массы атомов и молекул. Наиболее точные методы измерения масс атомов и молекул основаны на фокусировке пучков заряженных частиц — ионов этих атомов или молекул — при помощи
Рис. 27. Схема масс-спектрометра с фокусировкой однородным магнитным полем различных комбинаций электрических и магнитных полей. Устроенные на таком принципе приборы называются масс-спектрографами (в случае фотографической регистрации) и масс-спектрометрами (при электрической регистрации). Первый масс-спектрограф был изобретен и построен Ф. Астоном. Существует большое разнообразие конфигураций полей, используемых в этих приборах. В наиболее распространенном масс-спектрографе с однородным магнитным полем ионы, образованные в ионном источнике, вылетают из щели Принцип действия масс-спектрографа. Поясним принцип фокусировки расходящегося пучка заряженных частиц на примере метода фокусировки поперечным магнитным полем на протяжении половины окружности Пусть источник ионов находится в точке Ион, скорость которого направлена вверх на рис. 28, движется в магнитном поле, перпендикулярном плоскости рисунка, по окружности радиусом
Рис. 28. Фокусировка поперечным однородным магнитным полем Другой ион, вылетающий под небольшим углом а (рис. 28), в однородном магнитном поле движется по такой же окружности, повернутой как целое вокруг начальной точки
Хотя максимальное расхождение траекторий этих двух ионов, как видно из рис. 28, равно
Селектор скоростей ионов. Для получения пучка ионов с одинаковыми по модулю скоростями используют фильтры скоростей. Схема самого простого фильтра скоростей показана на рис. 29: пучок заряженных частиц с различающимися скоростями пропускается через скрещенные электрическое Масс-спектрометр с поперечной фокусировкой. На рис. 30 показана схема масс-спектрометра А. Демпстера с фокусировкой на
Рис. 29. Схема фильтра скоростей заряженных частиц
Рис. 30. Схема масс-спектрометра Демпстера Ионы, создаваемые источником А, приобретают одинаковую дополнительную энергию под действием ускоряющей разности потенциалов
в котором пренебрегается первоначальной кинетической энергией теплового движения ионов по сравнению с энергией, приобретаемой ими при разгоне в электрическом поле. С помощью (3) и (5) для квадрата радиуса окружности получаем
Подбирая ускоряющее напряжение Разделение изотопов. На таком же принципе действуют лабораторные и промышленные установки по разделению изотопов электромагнитным методом. Схема такой разделительной установки приведена на рис. 31. Установка размещается внутри большой вакуумной камеры, помещенной между полюсами электромагнита.
Рис. 31. Схема электромагнитной разделительной установки В отличие от измерительных масс-спектрометрических приборов в установках для разделения изотопов сила ионного тока в пучке в миллионы раз больше. Электронная оптика. Движение пучков заряженных частиц в отклоняющих и фокусирующих системах масс-спектрографов можно рассматривать аналогично прохождению световых пучков в оптических приборах. На этой аналогии основана прикладная наука — электронная и ионная геометрическая оптика. Она получила большое развитие благодаря разнообразным практическим потребностям в таких областях, как электронная микроскопия, телевидение, производство электронных микросхем и т. д. В современных приборах, где используются электронные и ионные пучки, удается добиться совершенной фокусировки пучка частиц с заданным значением Разрешающая способность. Основной характеристикой качества масс-спектроскопической системы является ее разрешающая способность. Это понятие перенесено из теории оптических спектральных приборов. Говорят, что масс-спектрограф обладает разрешающей способностью
В хороших современных масс-спектрометрах разрешающая способность достигает значения
Рис. 32. Спектр масс изотопов ртути На рис. 32 показана типичная спектрограмма, полученная на масс-спектрометре, предназначенном для изотопического анализа. Атомная единица массы. Масс-спектрометрические методы лежат в основе наиболее точных измерений масс атомов и молекул. Так как в макроскопических масштабах массы атомов и молекул очень малы, в измерениях и расчетах удобно использовать не абсолютные значения масс (в килограммах), а относительные. По международному соглашению массы всех атомов и молекул принято сравнивать с массой атома углерода, точнее его изотопа За атомную единицу массы принимается 1/12 массы изотопа углерода Относительной атомной (или молекулярной) массой
Относительные массы всех химических элементов измерены очень точно. Складывая относительные атомные массы элементов, входящих в состав молекулы определенного вещества, можно, зная его химическую формулу, приближенно вычислить относительную молекулярную массу. Например, относительная масса молекулы воды Точные измерения атомных масс. Для точных определений неизвестной массы какого-либо иона необходимо построить градуировочную кривую масс-спектрометра. Эта кривая сначала строится грубо путем выбора цепочки масс атомных или молекулярных ионов, отличающихся приблизительно на одну единицу массы, например После такой градуировки можно измерить очень маленькую разность масс между некоторой неизвестной массой и эталонной. Среди множества углеводородов почти всегда можно подобрать очень близкие по массе соединения. Две близкие массы образуют так называемый дублет в спектре масс. Примером могут служить ионы единицы массы), то относительная погрешность измерения массы иона Обратим внимание на то, что этот дублет образован атомными числами, построенными из одинакового числа протонов, нейтронов и электронов.
Рис. 33. Фотоснимки массовых линий Различие в массах компонентов дублета обусловлено тем, что у атома кислорода все протоны и нейтроны находятся в одном ядре, а в молекуле метана — в разных. Поэтому энергия взаимодействия протонов и нейтронов в этих системах различна, что приводит к различиям в энергии покоя и массе Количество вещества. Постоянная Авогадро. Наиболее естественной единицей для измерения количества вещества в каждом теле могло бы служить число молекул или атомов. Однако число молекул в любом макроскопическом теле очень велико. Поэтому для характеристики количества вещества удобно использовать не абсолютное число молекул, а относительное. В международной системе единиц (СИ) количество вещества измеряют в молях. Моль — это одна из основных единиц СИ: 1 моль — это количество вещества, в котором содержится столько же молекул или атомов, сколько атомов содержится в углероде массой 0,012 кг. Моль любого вещества содержит одно и то же число атомов или молекул. Это число обозначается
Количество вещества
Молярная масса. Для характеристики конкретного вещества наряду с относительной молекулярной массой
Если в формуле (9) числитель и знаменатель домножить на массу одной молекулы
где Размеры атомов и молекул. Представление о размерах отдельных атомов и молекул можно получить разными способами. Если предположить, что в конденсированном состоянии (т. е. в жидкой или твердой фазе) атомы или молекулы вещества «соприкасаются» друг с другом, то, определив приходящийся на одну молекулу объем, можно оценить ее размеры. Например, Согласующуюся с этим значением оценку размеров молекул можно получить без использования постоянной Авогадро, если обратиться к простому опыту по растеканию капли масла на поверхности воды (опыт Ленгмюра). Предположив, что в масляном пятне молекулы располагаются в один слой, можно оценить толщину слоя, а тем самым и линейный размер молекул масла, разделив объем растекшейся капли масла на площадь образовавшегося пятна. Более надежную информацию о расстояниях между атомами в твердых телах и жидкостях дают опыты по дифракции рентгеновского излучения — рентгено-структурный анализ. Оказывается, что молекулы многих веществ имеют размеры порядка
Рис. 34. Электронный снимок фага Лишь молекулы полимеров и некоторых органических веществ (белков) могут иметь гигантские размеры, что позволяет получить их изображение в электронном микроскопе, на котором отчетливо различима их структура (рис. 34). • Почему в опытах по отклонению пучка частиц в электрическом и магнитном полях можно определить не заряд частицы, а только отношение заряда к массе? • Покажите, что след, оставляемый на фотопластинке пучком заряженных частиц, прошедших через поперечные, параллельные друг другу электрическое и магнитное поля, имеет форму параболы. • Поясните идею метода фокусировки слабо расходящегося пучка электронов продольным магнитным полем. • Милликен в своих опытах сначала использовал капельки воды, однако затем перешел к часовому маслу. Как вы думаете, с чем это связано? • Почему установленная на опыте электрическая нейтральность молекулы водорода и атома гелия свидетельствует не только о равенстве электрических зарядов электрона и протона, но и о независимости величины заряда каждой частицы от ее движения? • Проведите подробное сопоставление опыта Милликена по «взвешиванию» электрона и опыта Кавендиша по «взвешиванию» Земли. • Поясните принцип фокусировки ионов в поперечном магнитном поле. • Объясните принцип действия масс-спектрометра и его применение для количественного исследования состава вещества. • Какую величину называют разрешающей способностью масс-спектрометра? Что она характеризует? • Как вводится атомная единица массы? Почему она основывается на атоме углерода • Что такое относительная атомная или молекулярная масса? Почему при ее вычислении с помощью химической формулы вещества мы получаем приближенные значения? • Поясните, каким образом достигается относительная точность • При сгорании углерода • Сколько молекул воды содержится в капле объемом • Как можно оценить размеры отдельных молекул?
|
1 |
Оглавление
|