physics_saveliev_2 (535939), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Оба поля были однородными и образдвывали с первоначальным нанравлением пучка прямой угол, Онн вызывали отклонения ионов: магнитное — в направлении оси х, электрическое— вдоль оси р. Согласно формулам (65.4) и (66.3) эти от- клонения были равны (67.1) где о — скорость данного иона с удельным зарядом е'/т, !, — протяженность области, в которой поля действуют на пучок, 1з — расстояние от границы этой области до фотопластинки, регистрировавшей попадавшие на (Ю/ пее ионы. Величины (67.!) представляют собон коор!ч дииаты точки, в которои попадает на пластинку иои, имеющий данное значение е'/т и величину скорости и.
Ионы с одинаковым удельным за- рядом, но различными г' скоростями попадали в разные точки пластинки. Исключив из формул Рис. 128. (67.1) скорость и, получим уравнение кривой, вдоль которой располагались следы ионов с одним и тем же значением е'/т. Воз- ведя первое из уравнений (67 1) в квадрат и разделив затем его на второе, после преобразований получим Е "!т ~ йв (о,ы, + й) 1 " (67.2) Таким образом, ионы с одинаковыми е'/пг и различ. ными о оставляли на пластинке след в виде параболы. Ионы с различными е'/т располагались вдоль разных парабол. Зная параметры прибора (т.
е. Е, В, 1~ и (з) и измеряя смещения у и х, можно было по формуле (67.2), находить удельный заряд ионов, соответствующих каждой параболе. При изменении направления одного из полей соответствующая координата изменяла знак на обратный, так что получались параболы, симметрич ные прежним. Деля пополам расстояние между соответствующими точками симметричных парабол, можно было находить х и у. След, оставляемый на пластинке пучком при выключенных полях, давал начало координат. На рнс.
129 показаны первые параболы, полученные Томсоном. Произведя опыт с химически чистым неоном, Томсон обнару,й ' " и .'...' 4 жил, что этот газ ;"ф., 'давал две параболы, соответствовавшие атомным весам 20 и 22. Попытки объяснить этот результат привели к предположению о том, что существуют Рис. 129. две химически нераз- личимые разновидности атомов неона (по современной терминологии— два изотопа неона). Доказательство этого предположения было дано Астоном, усовершенствовавшим метод определения удельного заряда ионов.
Прибор Аотона, названный нм м а с с - с п е к т р огр афо м, имел следующее устройство (рис. !30). Пучок Я)® Рис. 130. ионов, выделенный системой щелей, пропускался последовательно через электрическое и магнитное поля, направленные так, что они вызывали отклонения ионов в противоположных направлениях. При прохождении электрического поля ионы с данным е'/т отклонялись тем сильнее, чем меньше была их скорость. Поэтому из электрического поля ионы выходили в виде расходящегося пучка.
В магнитном поле траектории ионов также искривлялись тем сильнее, чем меньше была нх скорость. В результате после выхода из магнитного поля ионы образовывали пучок, сходившийся в одной точке. Ионы с другими значениями удельного заряда фокусировались в других точках (на рис, 130 показаны Рис 131. траектории ионов лишь для одного значения е'/ьч). Соответствующий расчет дает, что точки, в которых сходятся пучки, образованные ионами с различными е'/си, лежат приблизительно на одной прямой. Располагая вдоль этой прямой фотопластинку, Астон. получал на ней ряд штрихов, каждый из которых соответствовал определенному значению е'/п1.
Сходство получавшегося на пластинке изображения с фотографией оптического линейчатого спектра послужило причиной того, что Астон назвал его масс-спектр огр ам мой, а свой прибор — масс-си ектро графом, На,рис. 131 приведены полученные Астоном масс-спектрограммы (против штрихов указаны массовые числа ионов). Бейнбридж создал прибор другого типа. В массспектрографе Бейнбриджа (рис.-132) пучок ионов проходит сначала через так называемый селектор (или фильтр) скоростей, который выделяет из пучка ионы с определенным значением скорости.
В селекторе ионы подвергаются одновременному действию взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей, каждое из которых отклоняет ионы в противоположные стороны. Через выходную щель селектора проходят только те ионы, для которых действия электрического и магнитного полей компенсируют друг друга. Это происходит при условии, что е'Е = е'оВ. Следовательно, ско. рости вышедших из селектора ионов, независимо от их Рис. 132. массы и заряда, имеют одинаковую величину, равную ш= Е/В. Выйдя из селектора, ионы попадают в область перпендикулярного к их скорости однородного магнитного поля с индукцней В'. В этом случае ионы движутся по окружностям, радиусы которых согласно (б4.2) зависят от е'/лп Описав половину окружности, ионы попадают на фотопластинку на расстояниях от щели, равных 2/т.
Сле. довательно, ионы каждого сорта (определяемого значением е'/т) оставляют на пластинке след в виде узкой полоски. Зная параметры прибора, можно вычислить удельные заряды ионов. Поскольку заряды ионов являются целыми, кратными элементарного заряда е, по найденным значениям е'/т можно определить массы ионов.
В настоящее время имеется много типов усовершенствованных масс-спектрографов. Созданы также приборы, в которых ноны регистрируются не фотопластинкой, а с помощью электрического устройства, Они получили название м асс-спектрометров. В 68. Циклотрон Независимость периода обращения заряженной частицы в однородном магнитном поле от ее скорости [см. формулу (64.3)) положена в основу ускорителя заряженных частиц, называемого цикл от роном. Этот прибор состоит из двух электродов в виде половинок круглой невысокой коробки (рис.
133), получивших название дуантов. Дуанты заключены в откачиваемый корпус, который помещается между полюсами большого электромагнита, Поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно к плоскости дуантов. На дуанты подается переменное- напряжение, снимаемое с полюсов генератора высокой частоты. Введем в зазор между дуантами в тот момент, когда напряжение достнгнет наибольшей величины, положительно заряженную частицу. Частица будет подхвачена электрическим полем и втянута внутрь отрицательного электрода.
Пространство внутри дуанта являет- Рис. 1ЗЗ. ся эквипотенциальным, следовательно, частица в нем будет находиться- под воздействием только магнитного поля. Как было выяснено в $64, в этом случае происходит движение заряженной частицы по окружности, радиус которой пропорционален скорости частицы [см-. формулу (64.2)). Подберем частоту изменения напряжения между дуантами так, чтобы к моменту, когда частица, пройдя половину окружности, подойдет к зазору между дуантами, разность потенциалов между ними изменила знак и достигла амплитудного значения. Тогда частица будет снова ускорена и влетит во второй дуант с энергией в два раза большей, чем та, с которой она двигалась в первом дуанте. Обладая большей скоростью, частица будет двигаться во втором дуанте по окружности большего радиуса ()т — о), но время,за которое она пройдет половину окружности, останется прежним (оно не зависит от о). Поэтому к моменту, когда частица влетит в зазор между дуантами, напряжение между ними снова изменит знак и станет максимальным по величине.
Таким образом, если частоту изменения напряжения сделать равной периоду обращения частицы, определяемому формулой (64.3), то частица будет двигаться по кривой, близкой к спирали, получая при каждом прохождении через зазор между дуаитамидополнительную порцию энергии, равную е'(у (е' — заряд частицы, (У вЂ” напряжение, вырабатываемое генератором). Располагая источником переменного напряжения сравнительно небольшой величины ( -! Оз и), можно с помощью циклотрона ускорить протоны до энергий порядка 25 Мэн, При более высоких энергиях начинает сказываться зависимость массы протонов от скорости — период обращения увеличивается (согласно (64.3) он пропорционален гп) и синхроннзм между движением частиц н изменениями ускоряющего поля оказывается нарушенным.
Чтобы избежать нарушения сннхронизма и получить частицы ббльших энергий, делают изменяющейся либо частоту напряжения, питающего дуанты, либо индукцию магнитного поля. Прибор, в котором в процессе ускорения каждой порции частиц соответствующим образом уменьшается частота ускоряющего напряжения, называется фаз от роном (либо синхроциклотроном).
Ускоритель, в котором частота не меняется, а нндукция магнитного поля изменяется так, чтобы отношение т/В оставалось постоянным, называют с и н х р о т р о н о м (ускорители этого типа применяются' исключительно для ускорения электронов). В ускорителе, названном синхрофазотроном '), изменяются и частота ускоряющего напряжения, и магнитное поле. Ускоряемые частицы движутся в синхрофазотроне не по спирали, а по круговой траектории постоянного радиуса. По мере увеличения скорости и массы 236 ') Синхрофазотрон иазынают также протонным сикхротроиом. частиц индукция магнитного поля растет так, что определяемый формулой (64.2) радиус остается все время постоянным.
Прн этом период обращения меняется как из-за возрастания массы частиц, так и вследствие увеличения В. Для того, чтобы ускоряющее напряжение было синхронно с движением частиц, частота этого»апряжения делается изменяющейся по соответствующему закону, Дуантов в синхрофазотроне нет, ускорение частиц происходит на отдельных участках траектории с помощью электрического поля, создаваемого генераторами напряжения меняющейся частоты. Самый мощный в настоящее время (в 1969 г.) ускоритель элементарных частиц — протонный синхротрон— запущен в 1967 г. в СССР в Институте физики высоких энергий (г. Серпухов под Москвой). Он ускоряет протоны до энергии в 76 Гэв (76 1Оз эв).
Скорость протонов, обладающих такой энергией, отличается от скорости света в пустоте менее чем на 0,01 % (о = 0,99992 с). ГЛАВА ХП ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ ° И ПОЛУПРОВОДНИКАХ 9 69. Природа носителей тока в металлах Для выяснения природы носителей тока в металлах был поставлен ряд опытов. Прежде всего отметим опыт Рикке, осуществленный в 1901 г. Рикке взял три цилиндра — два медных и один алюминиевый — с тщательно отшлифованными торцами.
Цилиндры были взвешены и затем сложены вместе в последовательности: медь— алюминий — медь. Через такой составной проводник пропускался непрерывно ток одного й того же направления в течение года. За все время через цилиндры прошел заряд, равный 3,5 ° 1О' к. Взвешивание показало, что пропускание тока не оказало на вес цилиндров никакого влияния. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом также не было обнаружено про-.
никновения одного металла в другой. Результаты опыта Рикке свидетельствовали о том, что перенос заряда в металлах осуществляется не атомами, а какими-то частицами, входящими в состав всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897 г. Томсоном электроны. Чтобы отождествить носители тока в металлах с электронами, нужно было определить знак и величину удельного заряда носителей. Опыты, поставленные с этой целью, основывались на следующих рассуждениях.
Если в металле имеются легко перемещающиеся заряженные частицы, то при торможении металлического проводника эти частицы должны некоторое время продолжать двигаться по инерции, в результате чего в проводнике воз- тормозилась и с помощью баллистического гальванометра измерялся заряд, протекавший в пепи за время торможения. Вычисленное по формуле (69.1) значение удельного заряда носителей получалось очень близким к е/пг для электронов. Таким образом, было экспериментально доказано, что носителями тока в металлах являются электроны. Ток в металлах можно вызвать весьма малой разностью потенциалов.
Это дает основание считать, что носители тока — электроны перемещаются по металлу Практически свободно. К тому же выводу приводят и результаты опыта Толмена и Стюарта. Существование свободных электронов можно объяснить тем, что прн образовании кристаллической решетки от атомов металла отщепляются слабее всего связанные (валентные) электроны, которые становятся кколлективной собственностью» всего куска металла. Если от каждого атома отщепится по одному электрону, то концентрация свободных электронов (т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
