Атомная (прикладная) физика

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Изотопы -- разновидности атомов какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.

Химические свойства их почти идентичны, поскольку (как мы знаем сейчас) определяются электронной оболочкой.

Эксперимент Томсона с неоном:

Обнаружены параболы, соответствующие значениям A’= 20, 22 и 44.

При этом известное «химическое» значение массового веса неона равно 20.2.

A’ =44 соответствует CO2+ . А 22? Это CO2++?

Удалили CO2 вымораживанием. Но составляющая «A’ =22» осталась. Элемент с таким атомным весом был неизвестен.

Обнаружен новый элемент?

Это не совсем тот рисунок. Но параболы 20, 22 и 44 также присутствуют. 6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Эксперименты Астона (ученика Томсона) по разделению смеси. (Теперь мы понимаем, что смести изотопов неона).

•Выделить новый элемент химически не удалось.

•Попробовали воспользоваться разницей физических свойств – скорости диффузии через пористую перегородку. Многократно.

•Соотношение интенсивностей парабол («составляющих масс-спектра») изменилось.

•Но спектр свечения оставался единым.

•Вывод: «свойства двух газов значительно более близки, чем можно было бы ожидать при такой разнице их атомных весов.»

Francis William Aston

(1877-1945)

7

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Итого: химически однородный неон есть смесь двух сортов атомов неона

(изотопов) с неотличимыми химическими свойствами, но с разными атомными весами: 20 и 22.

Известный ранее «физико-химический» атомный вес неона 20.2 есть результат усреднения.

Если доля изотопа-20 равна х, а изотопа-22 – (1-х), то средний атомный вес:

A = 20x + 22(1 − x) = 20.2

Это дает х=0.9 и (1-х)=0.1, что соответствовало яркости парабол массспектра.

Астон открыл 212 стабильных изотопов.

Например, для магния с «химическим» атомным весом 24.31:

8

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Последующие исследования показали:

•У большинства элементов есть по нескольку устойчивых изотопов. У

остальных – есть радиоактивные изотопы.

•«Химический» атомный вес – результат усреднения весов изотопов с коэффициентами, определяемыми их «распространенностью».

•Атомные веса изотопов близки к целочисленным до третьего знака дробной части – «правило целых чисел» Астона.

•Возродился интерес к гипотезе У. Праута (1815 г.): все атомы состоят из атомов водорода как из универсальных «кирпичиков». Нецелочисленные атомные веса, определенные позднее, противоречили это гипотезе.

Целочисленные массы изотопов -- соответствовали.

•Современное объяснение: масса атома в основном определяется массой протонов и нейтронов ядра. Атомный номер – числом протонов. Различие изотопов – в числе нейтронов. Массы протона и нейтрона близки:

приблизительно 1836 и 1839 масс электрона.	9

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1.6. Масс-анализаторы

Опыты Томсона показали:

•Точное определение масс ионов и их сепарации по величине отношению q/m – важная задача атомной физики.

•У метода парабол есть не только достоинства, но и недостатки.

Один из них – малая «светосила».

Если не ограничивать угловой разброс частиц на входе в анализатор очень сильно, изображение парабол получается размытым.

Выбор между «разрешением»

прибора (mi / mi) и временем опыта. Нужно фокусировать пучок.

1

vkВторой.com/club152685050недостаток| vk: .com/id446425943

ток частиц распределен по длине параболы. Разные части параболы соответствуют частицам разных энергий. Это не помогает различать массы, но снижает чувствительность метода.

Говорят о «дисперсии» одновременно по массам и по энергиям частиц. От дисперсии по энергиям хорошо бы уметь избавляться.

(Энергоанализаторы – отдельный класс приборов.)

Были разработаны (и разрабатываются) схемы масс-анализаторов с улучшенными параметрами разрешения и чувствительности.

2

vkМасс.com/club152685050-спектрограф| vkФ.com/id446425943. Астона (1919).

Как и в приборе Томсона для изучения катодных лучей, здесь использованы скрещенные электрическое и магнитное поле.

Но они создаются в разных областях и разделены бесполевым пространством. Это позволило добиться фокусировки ионов

одной массы, но разных энергий, в узкой линии.

3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Схема спектрографа Ф. Астона: 1 - разрядная трубка;

2, 3 - две щели, с помощью которых выделяется узкий пучок ионов;

4 - конденсатор, отклоняющий на различные углы ионы с разными зарядами, скоростями и массами;

5 - диафрагма со щелью для выделения узкого пучка; 6- полюсные наконечники электромагнита, отклоняющего пучок ионов;

7 - фотопластинка, на которой фокусируются ионы различных масс и зарядов.

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Поскольку направления электрических и магнитных сил лежали в одной плоскости (в плоскости рисунка), изображения на фотопластинке имели вид серии линий.

5

vk.Полнаяcom/club152685050теория для| vk.com/id446425943данного прибора сложна.

Для плоского конденсатора длиной l смещение на расстоянии L частицы с

	зарядом e , скоростью v и массой m :	eEl		l
	Y =		(L +		)
	E	mv2	2

Выразим кинетическую энергию в единицах потенциала (ускоряющего

напряжения):						mv 2		= eU
				2
Тогда: Y =	e	K		=	KE			, K – коэффициент, не зависящий от
			E
E	eU				U			E
								свойств иона.

6