Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
1°. Одной из характеристик заряженных частиц служит удельный заряд — отношение q/m заряда частицы к ее массе. Экспериментальное определение удельного заряда частиц основано на изучении отклонения частиц в совместно действующих на них электрическом и магнитном полях. Измерив удельный заряд частицы и зная ее заряд, можно определить массу частицы.
2°. Спектром масс (массовым спектром) частиц называется совокупность значений их масс. В масс-спектрометрии с помощью специальных приборов — масс-спектрографов и масс-спектрометров — весьма точно измеряют массы и относительные концентрации различных изотопов химических элемен-
3°. Принцип действия простейшего масс-спектрографа — масс-спектрографа Астона показан на рис. III. 11.4. Пучок положительно заряженных частиц — ионов различных изотопов исследуемого химического элемента — отклоняется, hpo-ходя последовательно через однородное электрическое поле конденсатора С и перпендикулярное к нему однородное магнитное поле катушки М. В электрическом поле ионы отклоняются к отрицательно заряженной обкладке конденсатора тем сильнее, чем меньше их скорость
§ III. 11.3. Удельный заряд частиц. Масс-спектрометрия
тов (VIII. 1.1.3°).
и чем больше удельный заряд. В однородном магнитном поле с индукцией В, направленной за плоскость чертежа, ионы движутся по дугам окружностей (111.11.1.2°) тем большего радиуса, чем больше скорость частиц и чем меньше их удельный заряд.
ft ft
D
Рис. III.11.4
310
ГЛ. 111.11. ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПОЛЕ
В магнитном поле пучок ионов расщепляется на несколько пучков, каждому из которых соответствует определенное значение удельного заряда. Магнитное поле фокусирует частицы, обладающие разными скоростями, но одинаковыми удельными зарядами. Значение магнитной индукции В подбирается так, чтобы ионы фокусировались на фотопластинке AD, расположенной перпендикулярно к плоскости чертежа. Ряд узких параллельных линий, получающихся на фотопластинке, соответствует разным значениям удельных зарядов ионов, т. е. разным изотопам исследуемого химического элемента. На рис. 111.11.4 линия W1 соответствует ионам с большим, а линия W2 — с меньшим удельными зарядами. Зная удельный заряд частиц на линии W1, расстояние между линиями W1 и W2 и параметры установки, можно определить удельный заряд частиц, соответствующих линии W2.
4°. Для определения относительной концентрации изотопов химических элементов в их естественных смесях применяются масс-спектрометры — приборы с электрической регистрацией ионных токов. В масс-спектрометрах используются пучки ионов с близкими по величине кинетическими энергиями — MOHO-энергетические пучки, создаваемые с помощью ионных источников специальной конструкции. Такие пучки, даже если они сильно расходящиеся на входе в масс-спектрометр, хорошо фокусируются в поперечном магнитном поле. Поэтому в масс-спектрометрах можно пользоваться пучками, содержащими большое число ионов, что значительно повышает точность измерения концентраций различных изотопов.
§ III. 11.4. Ускорители заряженных частиц
1°. Ускорителями заряженных частиц называются устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов), обладающих очень большой кинетической энергией. Увеличение энергии ускоряемых частиц происходит под действием электрического поля ускорителя. В зависимости от типа ускорителя это поле может быть электростатическим, индуктированным (111.14.2.1°) или переменным высокочастотным. Соответственно ускорители делятся на
§ III.11.4. УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
311
электростатические, или высоковольтные, индукционные (см. 111.14.2.3°) и резонансные. По форме траектории ускоряемых частиц различают линейные и циклические ускорители. В первых траектории частиц близки к прямым линиям, а во вторых имеют вид окружностей или раскручивающихся спиралей.
2°. В линейном электростатическом ускорителе заряженная частица однократно проходит в ускоряющем электростатическом поле разность потенциалов ((P1 - <р2). Если q — заряд частицы, то энергия, приобретаемая частицей в ускорителе, равна (111.3.2.4°)
W = g(<pj - ф2).
Электростатическое поле в таком ускорителе создается, например, электростатическим генератором Ван де Граафа, в котором осуществляется многократная передача зарядов полому проводнику. При этом потенциал проводника возрастает до величин порядка IO6 В, ограничиваемых стеканием зарядов с проводника.
3°. В линейных резонансных ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием переменного высокочастотного электрического поля, в котором частица движется синхронно (в резонанс) с изменением поля. С помощью ускорителей такого типа удается сообщить электронам на пути в несколько километров энергию порядка десятков ГэВ.
4°. Для ускорения протонов, дейтронов и других более тяжелых частиц применяются резонансные циклические ускорители, в которых частица многократно проходит через переменное электрическое поле синхронно с его изменением, каждый раз увеличивая свою энергию. Управление движением ускоряемых частиц и периодическое их возвращение в пространство, где действует электрическое поле, осуществляется с помощью сильного поперечного магнитного поля. Частицы проходят через электрическое поле каждый раз приблизительно при одном и том же значении фазы поля (IV. 1.1.3°), т. е. в «резонансе» с ним.
