Методи визначення мас мікрочасток, Детальна інформація

’

\x486DТ\x4873Т\x1612\x8E68\x2315\x4000\x0688\x6D00\x2248\x7304\x2248\x2D04ле, яке напрямлене так, щоб відхилити іони в зворотній бік. Магнітне поле відхиляє іони на кут, обернено пропорційний імпульсу часток mV. При проходженні іонів послідовно через електричне і магнітне поля ті з іонів, у яких питомий заряд e/m однаковий, збираються на екрані чи фотопластинці в одній і тій же точці.

Якщо в початковому пучку наявні іони різних ізотопів, то внаслідок різниці їх питомих зарядів вони фокусуються в різних місцях екрану і складають там зображення у вигляді окремих ліній. Визначення маси того чи іншого ізотопу проводиться порівнянням ліній від досліджуваного ізотопу з еталонними лініями, одержаними на тій же спектрограмі від ізотопів, маса яких відома. Відношення відстаней між ними дає змогу визначити відношення їх мас.

Вже перший мас-спектрометр Астона, побудований на цьому принципу і працюючий з 1919 по 1925 рр., дозволив виміряти атомні ваги ізотопів з похибкою менше 1%. Однак різниця атомної ваги деяких ізотопів від цілочисельних значень складає лише одиниці процентів. Тому така точність не змогла задовольнити вчених.

В 1925 р. Астон удосконалив свій мас-спектрограф і довів його роздільну здатність до 10-4, тобто 0,01%. Для цього довжина шляху іонів в пристрої була збільшена вдвоє, покращена форма відхиляючих пластин, стабілізація магнітного поля і т.д.

В подальші роки Демнестер, потім Смаліо і Маттаун, а потім Нір розробили деякі нові принципи фокусування іонів і побудувавши відповідні пристрої, досягли вищої точності вимірювання маси ізотопів. Висока чутливість пристрою Ніра дозволила виявити наявність даного ізотопу, змішаного з іншими, навіть якщо його відносний ваговий вміст складав лише 1/100000.

В 1937 р. на своєму третьому, ще більш удосконаленому мас-спектрографі Астон одержав спектрограми чіткіші, різкіші і з більшою дисперсією, тобто з великим зміщенням положення ліній при зміні маси ізотопу. Це дозволило йому визначити атомну вагу ізотопів з точністю до п’ятого знаку. Таким чином, похибка його вимірювань складала лише тисячні долі процента. Самим легким позитивним іоном є протон - ядро атома водню. В 50-х роках нашого століття була визначена маса протона mp=1,6724(10-27 кг з похибкою біля 0,002%. По даних одержаних до 1972 р. маса протона складає (1,6726513(0,0000087)(10-27 кг, тобто вона знайдена з похибкою 0,0005%.

6. Залежність маси електрона від швидкості

Для того, щоб зважити електрон, Томсон користувався таким же пристроєм, але при цьому змінив полярність на електродах колби джерела і таким чином вивів через щілину пучок негативно заряджених частинок - електронів.

Умова фокусування для електронів така ж, як і для позитивних іонів, тільки у відповідності з протилежним знаком заряду їх відхилення відбувається в інший бік. Знаючи величину напруженості електричного і магнітного полів в пристрої і вимірявши зміщення плями на екрані або фотопластинці, Томсон зміг обчислити питомий заряд електрона e/m. Так як заряд електрона вже був відомий, то він зміг знайти і масу електрона, яка була рівною me=9(10-31 кг, що приблизно в 2000 раз менше маси іона водню.

З допомогою пристрою, з яким працював Томсон, вдалося визначити масу електрона з похибкою, що не перевищувала долі відсотка. Одержане таким чином значення маси електрона стало рівним me=9,106(10-31 кг.

Макс Абрагам (1875-1922 рр.) і Гендрік Лоренц (1853-1928 рр.) розвинули цю думку далі і частково вивели формули залежності маси електрона від його швидкості.

Однак, будову електрона вони уявляли по-різному: Абрагам - у вигляді абсолютно твердої кульки, а Лоренц - у вигляді пружної кульки, яка при переміщенні стискається в напрямку руху, причому тим більше, чим більша його швидкість. Тому їх формули виявились різними. Обидві теорії приводили до того, що маса електрона повинна залежати від його швидкості, але давали різні вирази і відповідно різну величину цієї залежності. В ці формули (Абрагама і Лоренца) входить відношення швидкості електрона до швидкості світла в пустоті. Таким чином, ясно було одне: ефект зміни маси з швидкістю повинен бути помітним при швидкостях електрона, порівняних по величині зі швидкістю світла.

В 1901 році Вальтер Кауфман (1871-1947 рр.) виміряв масу електронів, що рухаються з великою швидкістю. Для цього він користувався вже відомим методом параболи Томсона.

В досліді Кауфмана досліджувалися однакові частинки - електрони, які не мають відносно велику швидкість. В якості джерела Кауфман використав радіоактивний препарат, що випромінював (-частинки, тобто швидкі електрони. Однією з особливостей (-випромінювання є те, що вилітаючі частки мають неперервний спектр швидкостей, тобто в потоці частинок представлені всі швидкості, від нульової до деякої граничної, характерної для кожного даного радіоактивного джерела.

Установка Кауфмана (рис. 3) являє собою вакуумну трубку, з одного краю якої розміщені джерело електронів і діафрагма, а з другого - екран або фотопластинка. Всередині трубки на шляху пучка електронів розміщені відхиляючі пластини П1 і П2, між якими з допомогою електричної батареї створюється різниця потенціалів U1-U2. Там же розміщений постійний магніт М. Таким чином створюються магнітне і електричне поля, які відхиляють електрони.

В результаті зміни напрямку електричного поля, тобто переключення полярності батареї, Кауфман одержав на фотопластинці не одну, а дві криві. Точка О відповідає невідхиленому променю. Криві не доходять до точки О тому, що швидкість часток обмежена зверху. Однак, найсуттєвішим в цих кривих було те, що вони не є параболами.

Відмінність експериментальних кривих від парабол показує, що при зміні швидкості електрона неперервно змінюється його питомий заряд e/m. Але з ряду міркувань заряд електрона змінюватись не може, значить, змінюється його маса. Таким чином те, що в досліді Кауфмана була отримана неперервна крива, відмінна від параболи, свідчило про те, що при різних швидкостях маса електрона різна.



Рис. 3. Установка для дослідження залежності маси електрона від швидкості..

7. Відкриття нейтрона і визначення його маси

На початку XX ст. були відомі лише дві елементарні частки - електрон і протон і лише дві їх основні характеристики - електричний заряд і маса.

В відповідності із цим представленням про склад речовини в 1911 р. Ернестом Резерфордом (1871-1937 рр.) була запропонована модель атома у вигляді важкого позитивно зарядженого ядра, навколо якого обертаються негативно заряджені електрони. При цьому говорили, що ядра атомів складаються з протонів і нейтронів.

Самий легкий з елементів - водень - має атомну вагу рівну одиниці, а електричний заряд його ядра рівний +1. Ядро атома водню складається з одного протону, навколо якого обертається один електрон. Згідно з моделлю Резерфорда, більш важкі атоми мають ядра, які складаються з декількох протонів і нейтронів, а біля ядер обертається група електронів.

Ще в 1900 р. Максом Планком (1858-1947 рр.) в науку було введено поняття про дискретність енергії. Твердження про те, що будь-яка система при будь-яких процесах може поглинати і віддавати енергію не неперервно, а лише окремими порціями, квантами, знайшло дослідне підтвердження.

В 1913 р. Нільс Бор (1885-1962 рр.) розробив нову модель атома. При цьому, в відповідності з думками Планка, він постулював, що момент обертання електронів навколо ядра не довільний, а обов'язково рівний цілому кратному деякої величини h, тобто 1h, 2h або взагалі nh. Постійна Планка h=(6,628169(0,000028)(1034 Дж(с є мінімальною порцією дії. З цього положення звичайно слідує, що електрони можуть обертатися навколо ядра не по довільних, а лише по визначених - стаціонарних орбітах.

Модель Бора була дуже плодовита, з її допомогою вдалося пояснити деякі важливі закономірності мікросвіту, частково визначити довжини хвиль, що випромінюються атомами.

Успіх моделі атому Бора був великим, але не повним. Число електронних ліній, що спостерігались на досліді, в окремих випадках було більшим того, яке випливає з цієї моделі. Там, де згідно з теорією Бора повинна бути одна лінія, іноді їх було дві або три. Особливо великі і непереборні труднощі виникли при спробах пояснити з допомогою моделі атома Бора вплив на світло магнітного поля.

Можна було очікувати, що розщеплення спектральних ліній в магнітному полі відсутнє в відповідності з числом можливих орієнтацій орбітального магнітного моменту. Дійсно, такий ефект спостерігається і носить назву нормального ефекту Зеємана. Однак в деяких випадках поряд з цим спостерігається розщеплення на більше число ліній, яке називають аномальним ефектом Зеємана.

Аномальний ефект Зеємана одержав пояснення з допомогою уявлень про магнітний момент і спін електрона. Справді, так як в магнітному полі електрони переорієнтовуються, то на це потрібна деяка додаткова енергія. Таким чином, утворюються додаткові рівні енергії і при випромінюванні квантів світла в магнітному полі одержується більше число спектральних ліній, ніж без нього.