Атомная (прикладная) физика
.pdf
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
= 2 2 , где = .
Время движения внутри конденсатора t = l / vx . На его правой границе смещение частицы составит
|
= |
2 |
, а вертикальная скорость v =a t , или = |
|
∙ |
|
. |
||
22 |
|
|
|||||||
|
|
y y |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Далее эта скорость меняться не будет, поэтому полное смещение на экране:
= |
+ |
∙ |
|
= |
|
∙ ( |
|
|
+ ) . |
|
|
2 |
2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По результатам эксперимента можно вычислить q/m. Если знать vx (!?) 7
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Чтобы исключить vx , Томсон применил оригинальный прием. Добавил магнитное поле B, перпендикулярное плоскости рисунка.
Теперь полная сила, действующая на частицу внутри конденсатора, равна
qE– qvxB.
При B=E/vx она обращается в 0.
Нужно подобрать такую величину поля B , при которой отметка на экране вернется к несмещенному положению. И подставить vx=E/B в ранее найденное уравнение. Получится
= |
2 |
∙ ( |
|
|
+ ) |
или |
|
= |
2 |
∙ ( |
|
|
+ ) . |
|
|
2 |
|
|
2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Все величины в правой части могут быть измерены. Значит, измерено q/m |
|
для частицы катодных лучей. |
8 |
|
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Ставились и другие эксперименты, с близким результатом.
Современное значение: |
|
e/m = 1.758820 1011 Кл/кг. |
(У Томсона были погрешности) |
Это намного больше, чем максимальное значение, полученное для ионов при изучении электролиза. В сравнении с водородом – в 1836 раз.
Вывод Томсона:
«атом отрицательного электричества» (позднее назван электроном) во столько же раз легче иона водорода. И имеет такой же по абсолютной величине заряд. (Учтены результаты Ленарда о более высокой проникающей способности катодных лучей в сравнении с молекулами).
Положительные ионы в растворах и в газовом разряде (для них были получены такие же значения q/m) появляются в результате отщепления от нейтральных атомов электронов, отрицательные -- при их присоединении.
То есть, электрон – часть «неделимого» атома!
Этот вывод оказался верным. |
9 |
|
vk1..com/club1526850503. Бета-лучи. Измерение| vk.com/id446425943удельного заряда методом парабол.
Зависимость массы от скорости.
Открытие радиоактивности солей урана Беккерелем (1896).
Анри Беккерель (1852-1908)
Пьер и Мария Кюри: Радиоактивность тория.
Выделение радия и полония, элементов с высокой радиоактивностью -- на 6 и 10 порядков больше, чем у урана.
Мария Склодовская-Кюри (1868-1934),
Пьер Кюри (1859-1906) |
1 |
число нейтронов
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 |
|
238U |
|
||
|
|
|
|
уран |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
234Th |
торий |
|
|
|
|
234Pa протактиний |
|
|
|
|
|
234U |
уран |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
230Th |
торий |
|
|
|
|
|
|
вперед |
|
|
|
226Ra радий |
|
|
|
|
214Pb |
свинец |
|
|
|
|
|
222Rn |
радон |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
218Po |
полоний |
|
|
|
|
|
|
Забегая |
|
|
|
214Bi |
висмут |
|
|
|
214Po |
полоний |
|
|
|
206Pb |
свинец |
||
|
|
|
|
210 |
|
|
|
210Pb |
свинец |
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Bi |
висмут |
|
|
|
|
210Po |
полоний |
|
|
|
|
|
|
4.47 млрд. лет
24.1 суток
1.17 мин.
245 тыс. лет
8 000 лет
1 600 лет
3.823 суток
3.05 мин.
26.8 мин.
19.7 мин.
164 мкс
22.3 лет
5.01 суток
138.4 суток стабилен
82 84 86 88 90 92 Z
Радиоактивный ряд распада урана-238 (т.н. «ряд радия»)
Ряд распада тория-232 («ряд тория») аналогичен, |
|
заканчивается стабильным свинцом-208. |
2 |
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Резерфорд:
альфа- и бетаизлучение (1897).
Отклоняются магнитным полем в противоположные стороны.
Отклонение бета-лучей значительно сильнее.
Ernest Rutherford (1871-1937)
В 1900 г. Поль Виллар обнаружил и третью компоненту – гамма-лучи.
3
число нейтронов
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943 |
|
238U |
|
||
|
|
|
|
уран |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
234Th |
торий |
|
|
|
|
234Pa протактиний |
|
|
|
|
|
234U |
уран |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
230Th |
торий |
|
|
|
|
|
|
вперед |
|
|
|
226Ra радий |
|
|
|
|
214Pb |
свинец |
|
|
|
|
|
222Rn |
радон |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
218Po |
полоний |
|
|
|
|
|
|
Забегая |
|
|
|
214Bi |
висмут |
|
|
|
214Po |
полоний |
|
|
|
206Pb |
свинец |
||
|
|
|
|
210 |
|
|
|
210Pb |
свинец |
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Bi |
висмут |
|
|
|
|
210Po |
полоний |
|
|
|
|
|
|
4.47 млрд. лет
24.1 суток
1.17 мин.
245 тыс. лет
8 000 лет
1 600 лет
3.823 суток
3.05 мин.
26.8 мин.
19.7 мин.
164 мкс
22.3 лет
5.01 суток
138.4 суток стабилен
82 84 86 88 90 92 Z
При распадах радиоактивных элементов выделяются гамма-частицы + либо бета-, либо альфа-частицы -- в зависимости от элемента (изотопа).
4
vkОтносительно.com/club152685050слабое| vk.com/id446425943отклонение альфа-лучей электрическими и магнитными полями было обнаружено Резерфордом лишь в 1902.
Отклонение бета-лучей значительно сильнее. Очень быстро сразу несколько исследователей определили, что их природа та же, что у катодных лучей – по
величине (и знаку) удельного заряда q/m (или e/m).
Хотя имелась проблема: большой разброс значений скорости частиц. От 0 до очень больших значений.
Поэтому метод Томсона с компенсацией действия электрического поля магнитным не мог быть применен.
Были предложены другие методы. Один из них впервые (?) был использован в 1901 году . Вальтером Кауфманом.
Этот метод известен как «метод парабол Дж.Дж.Томсона (1910)».
5
Walter Kaufmann (1871-1947) →
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Почему схема со скрещенными полями не может быть использована?
Вспомним формулy для смещения частицы c параметрами (q, m, v) под действием электрического E (немного изменив обозначения):
YE |
= |
qE |
|
l |
|
1 |
(L + |
l |
) |
или |
YE = |
qEl |
(L + |
l |
) |
m |
v |
v |
2 |
2 |
2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
mv |
|
||||||
(вертикальное ускорение)х(время в конденсаторе) = (вертикальная скорость); (вертикальная скорость)/(гориз. скорость)= tg(угла наклона траектории); tg(угла)x(расстояние)= (смещение)
Смещение зависит от скорости частицы. Если есть частицы с разными скоростями, при включении электрического поля увидим не смещенную точку, а
полосу. |
6 |
|
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Теперь оценим величину смещения для магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости рисунка, в «параксиальном приближении». Все
почти так же, но ускорение равно qvB:
YM |
= |
qvB |
|
l |
|
1 |
(L + |
l |
) |
или |
YM |
= |
qBl |
(L + |
l |
) |
m |
v |
v |
2 |
|
|
|||||||||||
mv |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||||||
(вертикальное ускорение)х(время в конденсаторе) = (вертикальная скорость); (вертикальная скорость)/(гориз. скорость)= tg(угла наклона траектории); tg(угла)x(расстояние)= (смещение)
Вновь есть зависимость от скорости частицы. Но другая.
Поэтому при одновременном включении электрического и магнитного полей их действие компенсируется (при верном выборе знака)только при одном значении скорости. Если есть частицы с разными скоростями, увидим не точку, а полосу – для любого соотношения величин полей.
7