Атомная (прикладная) физика

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Проблема:

нужно работать с очень мелкими каплями. Но их радиус нельзя измерить с помощью микроскопа

– если взять r меньше дифракционного предела.

Кроме того, их движение очень медленное из-за сильного взаимодействия с воздухом – вязкого трения.

Решение: использовать вязкое трение для измерения размера капель.

В отсутствие поля (E=0) капли падают с установившейся скоростью v0 , для которой сила трения FВ уравновешена силой тяжести FT. Эту скорость v0 можно измерить,

выключив поле.

5

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Формула Стокса для сферы радиуса r , движущейся со скоростью v в среде с

вязкостью :

FВ = 6 rv

Приравняв FВ=FТ, для скорости v=v0 можно выразить радиус через скорость:

r =	3 2				v0	(*)
	2				( − 0 )g
Далее мы используем его также в виде: r2 ( −							)g =	9	v	(**)
						0		2	0

После включения поля E позволим частице двигаться вверх и измерим установившуюся скорость подъема v .

При этом выполняется условие FВ+FТ =qE или

4	r3 ( −					)g + 6 rv = qE
3					0
		4 r3 ( − 0 )g							9				v
q =								+				2
					E		1		2 r
	3												( − 0 )g

Подставив сюда (*) и (**), получим выражение в окончательной форме.

6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Подставив (*) и (**), получим выражение в окончательном виде:

3v03

9 2

v

q = E

+ v

( −

)g 1

0

0

Все величины в правой части были известны или могли быть измерены.

Многократные измерения q для одной капли, изменявшей заряд, дали Милликену значения, кратные одной и той же величине e .

Но: для разных капель значения e немного различались (??).

Причина:

формула Стокса неточна при размере капли r , меньшем, чем длина пробега молекул газа . «Эффективная» вязкость зависит от r :

F =	6 rv
Т		Но коэффициент B неизвестен.
	1+ B r
		Что делать?

7

	vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
	FТ =	6 rv	Но коэффициент B неизвестен.
			Что делать?
		1+ B r

Создать условия, при которых стало бы понятно, что будет происходить

при		→ 0	. Менять давление газа !
	r

Построить зависимость измеренного значения e от давления p. И проследить тенденцию в пределе p →

	(то есть,	1	→ 0	).
		rp

Милликен изменял (уменьшал) давление воздуха до 30 раз. Брал капли разного размера.

Все такие зависимости пресекли
вертикальную ось при одном и
том же значении e !	8

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Зависимости определенной

Милликеном величины e от

давления газа p для разных видов капель и газа:

I – масло в воздухе;

II – масло в водороде;

III – ртуть в воздухе; IV – шеллак в воздухе.

Опыты, проведенные для разных видов частиц и газов, дали практически одно и то же значение.

Значит, «атом электричества» един.

Современное значение заряда электрона:

e =1.602 10-19 Кл

В совокупности со значением величин удельного заряда, полученных в более ранних опытах, это позволило оценить также и массу электрона

(me =9.11 10-31 кг),

9

ионов и атомов.

vk1..com/club1526850505. «Положительные| vk.com/id446425943лучи». Определение истинных масс атомов.

Изотопы

«Каналовые лучи», Гольдштейн, 1886

•Газовый разряд низкого давления, отверстие (канал) в катоде.

•За отверстием по свечению газа обнаруживаются лучи.

•Вызывают свечение (люминесценцию) некоторых материалов, почернение фотоэмульсии.

•Сейчас мы понимаем, что это потоки ионов.

В 1898 г. Вильгельм Вин установил:

•эти лучи несут положительный заряд;

•удельный заряд q/m намного меньше, чем в случае катодных лучей.

•Измерить эту величину он не смог из-за большого разброса их энергий (в сравнении с катодными лучами).

	1907-1912 гг.: эксперименты Дж.Дж. Томсона с использованием «метода	1
	парабол».

vkЭксперименты.com/club152685050Томсона| vk.com/id446425943:

Источник ионов – газовый разряд в разрядной колбе.

А – анод;

К – катод (медицинская игла);

R – откачка;

Q – напуск газа;

S и N – полюсные наконечники электромагнита магнита;

P и P’ – обкладки конденсатора;

Поля E и B параллельны.

На фотопластинке F –

параболы,
соответствующие ионам
разной массы (и заряда).	2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Вид изображения на пластинке →

Пятно в центре – от нейтральных атомов.

Полярность магнитного поля переключали, чтобы упростить измерение координат точек.

Помечены параболы, соответствующие ионам разного состава.

Частиц с положительным зарядом и малой

массой (с отношением m/q, как у электрона) обнаружено не было.

3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Y = YE

=

qEl

(L +

l

)

Электрическое поле – дисперсия по

mv2

2

энергии, магнитное – по импульсу.

qBl

l

Результат – параболы с параметром,

Z = ZM

=

(L +

)

обратно пропорциональным

mv

2

удельному заряду иона:

m

2

, где

E

Y = (K q ) Z

K = B 2 l(L +

l

)

2

Для однозарядных ионов он должен быть пропорционален массе иона (атомному/молекулярному весу A), для двухзарядных – быть вдвое меньшим, пропорциональным «эффективному атомному весу” A’=A/2.

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Эксперименты с разными газами показали, что все именно так.

Для воздуха наблюдались ионы с

A’ = 7, 8, 14, 16, 28, 32 (N++, O++, N+, O+, N2+, O2+)

Но:

обнаружились и новые особенности.

Прежние данные об атомных весах были получены из химических и физико-

химических экспериментов и всегда были усредненными по многим атомам.

Результаты физического измерения масс ионов (масс-спектрометрии)

относятся к индивидуальным атомам. «Истинные массы».

Были обнаружены изотопы – впервые для устойчивых элементов (изотопы

радиоактивных элементов были открыты несколько ранее – Фредерик

5

Содди, 1910)