25

МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ МАС МІКРОЧАСТОК

/дипломна робота/

РЕФЕРАТ

Стор. 25, рис. 3, літ. 6.

Дана дипломна робота присвячена опису методів визначення мас найбільш відомих мікрочасток. В роботі описані найбільш відомі методи, які зіграли вирішальну роль в історії фізики з точки зору набуття нових фундаментальних знань.

Робота розрахована на широкого читача і може бути використана в учбовому процесі при вивченні загальної фізики в школі.

ЗМІСТ

ВСТУП 4

1. Про закон кратних співвідношень 5

2. Гіпотеза Проута 7

3. Загадка нецілочисленності атомної ваги елементів 8

4. Зважування "мішка" атомів 9

5. Визначення мас ізотопів з допомогою мас-спектрографа 12

6. Залежність маси електрона від швидкості 15

7. Відкриття нейтрона і визначення його маси 19

8. Визначення маси мезонів, гіперонів і, можливо, кварків 22

ВИСНОВКИ 24

ЛІТЕРАТУРА 25

ВСТУП

До початку XIX ст. зусиллями багатьох вчених і інженерів були досягнуті значні успіхи в розвитку фізики і техніки. Особливі успіхи були досягнуті в області механіки, оптики, астрономії і небесної механіки. В той час у фізиці панували неправильні і суперечливі ідеї. Вважали, що всі хімічні речовини складаються з трьох або чотирьох основних складових, які мали різні властивості і представляли собою їх суміш, в якій ці властивості різним чином комбінуються.

В XIX і XX ст. вчені на основі дослідів, деколи дуже тонких і складних, а інколи дуже простих, зуміли відкинути неправильні думки. При цьому кількість основних постулатів зменшилася, а їх застосування поширилося.

Так в науку ввійшли представлення про перервну атомну структуру речовини. Вченим відкрився мікросвіт - світ малих тіл, невидимих не тільки неозброєним оком, а й в самі сильні мікроскопи. Для того, щоб розібратися в явищах мікросвіту, потрібно було в першу чергу визначити основні характеристики малих тіл, що їх складають: масу і розміри частинок речовини, їх електричний заряд, характер і величину сил взаємодії між ними і т. ін. На цьому шляху вчені зустріли багато труднощів і зробили ряд відкриттів, що радикально змінили різні уявлення про навколишній світ а також перебудували техніку і промисловість.

В даній дипломній роботі прослідковані деякі історичні моменти розвитку вчення про будову речовини, про мікросвіт, а також описано різні методики вимірювання мас мікрочасток. Робота носить методичний характер, написана на доступному для широкого кола читачів рівні і може бути використана в курсі фізики середньої школи для позакласного читання.

1. Про закон кратних співвідношень

В середні віки панував авторитет відношень, в той час як думки інших вчених були невідомі, забуті або не користувались довір‘ям. Алхімікам здавалося, що достатньо відповідним чином змішати декілька різних речовин і таким чином одержати нову речовину з необхідними властивостями. Оскільки авторитет Арістотеля був незаперечним, то перетворення елементів здавалося можливим. Наприклад, вважалося, що з неблагородних металів можна отримати золото.

В 1808 році Джон Дальтон (1766-1844 рр.), розвиваючи атомістичні погляди на будову речовини, прийшов до висновку, що прості речовини складають складні сполуки так, що один атом речовини А сполучається з одним або двома атомами речовини В, 2 атоми речовини А сполучаються з одним атомом речовини С і т. д. Неважко помітити, що це закон кратних співвідношень Дальтона знаходиться у відповідності з законом постійних співвідношень Пруста. Дальтон вважає, що основною властивістю атомів є їх нероздільність, а основна їх характеристика - це вага. Він представляв, що атоми різних елементів відрізняються один від одного, а атоми однорідної речовини однакові і між собою нерозрізнимі.

Правильне і достатньо повне пояснення закону постійних відношень було дано в 1811 році Амедео Авогадро (1776-1856 рр.), який висловив гіпотезу: рівні об‘єми газів однакових зовнішніх умовах (тобто при однакових температурі і тиску) складають однакове число молекул. В подальшому кількість грамів речовини, чисельно рівна її молекулярній вазі, було назване грам-молекулою, а число молекул в одній грам-молекулі будь-якої речовини - числом Авогадро. Таким чином, за Авогадро те, що два літри водню при сполученні з літром кисню дають два літри водяної пари, або в сучасних хімічних символах

2H₂+O₂2H₂O

пояснюється складом в кожному літрі (при однакових зовнішніх умовах) однакового числа двохатомних молекул відповідних газів. При даній хімічній реакції двохатомні молекули водню і двохатомні молекули кисню перегруповуються в трьохатомні сполуки - молекули водяної пари.

Таким чином, гіпотеза Авогадро не тільки підтверджує закон простих співвідношень, але й дає можливість визначити відносні маси молекул різних речовин. При цьому число молекул в даному об‘ємі газу і їх маса поки що залишаються невідомими.

В подальшому вченими було накопичено багато матеріалу про різні хімічні сполуки. Тільки Берцеліус (1779-1848 рр.) проаналізував близько 2000 хімічних сполук. В результаті вдалося не тільки підтвердити закон постійних співвідношень, але й побудувати шкалу відносних атомних ваг, тобто таблицю, і якій вказано, в скільки разів атомна вага даного елемента більша або менша атомної ваги другого елемента, прийнятого за одиницю.

За пропозицією Дальтона атомна вага, що рівна одиниці, умовно була приписана водню, як найлегшому з усіх елементів.

Побудовані на цій основі таблиці атомних ваг дали для всіх елементів приблизно цілочисельні значення.

В подальшому, за пропозицією Берцеліуса, за одиницю для розрахунку атомних ваг був взятий кисень. В експериментальному відношенні це було набагато зручніше, тому що кисень сполучається зі значно більшою кількістю елементів, ніж водень.

Одиниця для розрахунку атомної ваги отримала назву атомної одиниці маси (а. о. м.). За домовленістю атомна вага кисню була прийнята рівною 16 а. о. м.

Таблиці атомних ваг елементів, що побудовані на основі кисню, також дали для різних елементів приблизно цілочисельні значення. Якщо б мова йшла про три або чотири елементи, то ще можна б рахуватися з імовірністю того, що їх відносна атомна вага лише випадково є цілочисельною. Для дев‘яти елементів, за розрахунками Стретта, ймовірність того, що їх атомна вага випадково розташується близько цілочисельних значень, не перевищує 0,001.

На початку XIX ст., коли обговорювалося питання про зміст цілочисельного відношення атомних ваг, було відомо 35 хімічних елементів. Для 35 елементів ймовірність випадкового розташування атомних ваг близько цілочисельних значень настільки мала, що практично її немає змісту брати до уваги.

2. Гіпотеза Проута

В 1815 році для пояснення розташування атомних ваг елементів поблизу цілочисельних значень Проут (1786-1850 рр.) запропонував гіпотезу про те, що всі елементи походять з водню шляхом його конденсації. З цієї гіпотези, звичайно, випливало, що атомні ваги всіх елементів повинні бути цілими, кратними атомній вазі водню.

На початку XIX ст. ідея Проута знайшла гарячих прихильників і не менш гарячих противників. Прихильників привертала простота його гіпотези. Противники свої заперечення аргументували тим, що з гіпотези Проута випливає точна цілочисельність атомних ваг елементів, яка насправді не має місця. При цьому вони доводили, що чим вища точність вимірювання атомних ваг елементів, тим помітніше це розходження. Крім того, хлор і деякі інші елементі явно мають нецілочисельну атомну вагу.

3. Загадка нецілочисленності атомної ваги елементів

В ХІХ ст. Дальтон запропонував п’ять постулатів, які лягли в основу сучасної хімії. І сам Дальтон одним необгрунтованим формулюванням заплутав дослідників.

В своєму п’ятому постулаті він дав визначення поняття "елемент" або "хімічний елемент" таким чином: всі атоми одного і того ж елемента однакові і рівні по вазі. В сучасній науці хімічними елементами називають речовини, що мають постійні властивості і не подільні на інші складові ніяким хімічним втручанням. Друга частина його визначення - рівність по вазі всіх атомів даного елемента - чиста гіпотеза

Лише в 1886 р. Вільям Крукс висунув іншу точку зору. Крукс добре розумів, що до тих пір, поки атомна вага елементів визначається не для окремих атомів, а як середня вага дуже великого їх числа, то пропозиція про різну атомну вагу окремих атомів одночасно і того ж елемента не може бути обгрунтованою. Крукс запропонував правильну думку про те, що у атомів даного елемента, які мають різну вагу, повинні бути різні оптичні спектри. При подальшому дослідженні вияснилось, що спостережувані ним спектри справді належали іншим елементам, які були присутні в досліджуваній речовині у вигляді домішок.

Тепер ми знаємо, що Крукс був правий і що атоми одного і того ж елемента але різної ваги існують і дійсно дають різні спектри. Крім того, тепер зрозуміло, чому їх не змогли побачити тоді: розділення таких атомів дифузією малоефективне і потребує застосування надзвичайно тонкої методики, якої на той час не було.

Ідея про атоми одного елемента, які мають різну вагу, була на довгий час (на цілі десятиліття) відкинута.

Тільки в 1916 р. в зв’язку з розвитком досліджень по радіоактивності Фредерік Содді висловив ідею про речовини, ідентичні по своїх хімічних властивостях, але які мають різну атомну вагу. Було показано існування речовини з однаковими хімічними властивостями і різною атомною вагою.

Содді запропонував такі речовини називати ізотопами (по грецьки  - однаковий,  - місце).

4. Зважування "мішка" атомів

Багато років хіміки мали справу лише з відносними атомними вагами елементів. Коли потрібно було розробити методи визначення абсолютної ваги атомів, то на допомогу прийшли фізики. Вони застосували свої дуже чутливі методи дослідження.

Таким чином, поставлена мета була досягнута: була визначена маса атомів різних елементів. Однак як і слід було очікувати від методу зважування мішка зерен, для кожного елемента було лише середнє значення маси даного типу атомів.

В звичайному стані атом будь-якої речовини електрично нейтральний. Якщо його розділити, то одержуються дві частки і обидві електрично заряджені. Їх називають іонами. При цьому негативним іоном є електрон, а позитивним - ядро атома з декількома електронами, що залишились. Позитивний іон є носієм індивідуальності атома, а також майже всієї його маси (більше 99,9%). Таким чином, бажаючи визначити масу атома, ми можемо зважити відповідний позитивний іон.

Подивимось, як цим скористався Томсон для визначення маси іонів. Потрібно було одержати пучок позитивних іонів. Для цього він виготовив установку (рис. 1) на якій посудина С через відповідні отвори О₁ і О₂ заповнюється досліджуваним газом. До електродів А і К прикладено високу напругу ~(3-5)10⁴ В. Під дією напруги електрони вириваються із атомів і газ в посудині іонізується. Електрони прямують до позитивно зарядженого електрода +А, а позитивні іони - відповідно до негативного електрода -К. В негативному електроді зроблено циліндричний отвір - канал, через який пучок позитивних іонів виводиться в ліву частину установки. Попутно ці іони проходять між зарядженими електродами +U і -U та полюсами магніту, що утворюють магнітне поле (див. рис. 1).

Для виключення взаємного впливу і можливих спотворень обидві частини установки розділили магнітним екраном, що зроблений з м’якого заліза. Таким чином, пучок іонів досягає фотопластинки вже зазнавши відхилення в електричному і магнітному полях. Екран служить для візуального спостереження зміщення пучка іонів і використовується при налагоджуванні установки.

Якщо б іони мали однакові заряди, масу і швидкість, то при включенні електричного поля вони відхилялися б вниз і потрапили в точку 1 (рис. 1). Точка 0 відповідає невідхиленому пучку. При тих же умовах і включенні лише магнітного поля іони відхилились би і потрапили в точку 2. При включенні обох полів одночасно іони потрапляють в точку 3. Однак це справедливо лише при однакових

Рис. 1. Принципова схема установки Томсона для визначення маси іонів.

зарядах, масах і швидкостях іонів. Чи справджується ця умова в даній установці? Виявилось, що заряд більшості іонів рівний +1 (в одиницях елементарного заряду), а в деяких +2. При цьому розрізнити такі іони не складає великих труднощів. Що стосується швидкості, то вона зовсім не однакова для різних іонів.

Таким чином реальною умовою досліду є твердження, коли заряди і маси іонів однакові, а швидкість різна. При цьому під дією електричного і магнітного полів іони потрапляють вже не в одну і ту ж точку, а в залежності від швидкості розміщуються по відрізку параболи. Якщо в посудині С міститься не один газ, а суміш декількох, то пучок позитивних іонів складається з декількох груп іонів з різною масою. Тоді на фотопластинці одержується зображення декількох відрізків параболи. Причому кожен відрізок відповідає іонам з однією і тою ж масою.

Метод парабол вперше дозволив виміряти масу окремих іонів, а не середню масу великого їх числа.

5. Визначення мас ізотопів з допомогою мас-спектрографа

В 1919 р. Астон запропонував новий метод фокусування пучка іонів, який дозволив в значній мірі обійти недоліки методу параболи. Розроблений і побудований Астоном пристрій дістав назву мас-спектрографа.