Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
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 q и q. Если капля мала, а электричество имеет атомистическое, дискретное строение, то можно ожидать, что заряд капли состоит из небольшого числа элементарных зарядов. В таком случае отношение qlq будет отношением небольших целых чисел. Именно это и наблюдалось в опытах Милликена.
Дискретность электрического заряда. В результате было надежно установлено, что в природе любые электрические заряды состоят из дискретных порций определенной величины. Такая величина обозначается через е и называется элементарным электрическим зарядом. Его числовое значение равно 1,602-10-19 Кл. Заряд электрона равен — е. Точно таким же положительным зарядом обладает позитрон. Еще более замечательным фактом является равенство по величине заряда электрона и положительного заряда протона. Последнее равенство было проверено в очень тонких экспериментах, которые заключались в исследовании электронейтральности атома водорода и молекулы водорода. Их результаты свидетельствуют, что электрон и протон имеют одинаковые заряды с погрешностью до Ю-20.
По современным представлениям электрон и протон — это совершенно разные, очень далекие друг от друга по своим
88
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
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
Рис. 27. Схема масс-спектрометра с фокусировкой однородным магнитным полем
масс атомов и молекул основаны на фокусировке пучков заряженных частиц — ионов этих атомов или молекул — при помощи
§ И. ИЗМЕРЕНИЯ В АТОМНОЙ ФИЗИКЕ
89
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 S (рис. 27) в виде расходящегося пучка. Распространяясь в вакууме, этот пучок в магнитном поле разделяется на пучки ионов с разными значениями отношения заряда к массе. Каждый такой пучок, несмотря на разброс скоростей ионов, магнитное поле собирает в своем фокусе, т. е. фокусировка пучков частиц с разными значениями е/т происходит в разных местах F,, F2, F3, ... Сравнивая положения фокусов, можно определить отношения масс ионов в разных пучках.
Принцип действия масс-спектрографа. Поясним принцип фокусировки расходящегося пучка заряженных частиц на примере метода фокусировки поперечным магнитным полем на протяжении половины окружности (л радиан).
Пусть источник ионов находится в точке S (рис. 28) и пусть все частицы характеризуются одним и тем же значением удельного заряда е/т. Будем считать, что все ионы вылетают из источника с одинаковой по модулю скоростью, но с небольшим разбросом по направлению.
Ион, скорость которого направлена вверх на рис. 28, движется в магнитном поле, перпендикулярном плоскости рисунка, по окружности радиусом
