saveliev2 (797914), страница 36
Текст из файла (страница 36)
На рис. ""'-Х 129 показаны первые параболы, полученные Томсоном. Произведя опыт с химически чистым неоном, Томсон обнаружил, что этот газ давал две параболы, соответствовавшие атомным весам 20 и 22. Попытки объяснить этот результат привели к предположению о том, что существуют Рас. 129. две химически нераз- личимые разновидности атомов неона (по современной терминологии— два изотоп а неона). Доказательство этого предположения было дано Астоном, усовершенствовавшим метод определения удельного заряда ионов. Прибор Астона, названный им м а с с- си е кт р огр а фо м, имел следующее устройство (рис.
130). Пучок ФФ Ряс. 130. ионов, выделеииый системой щелей, пропускался последовательно через электрическое и магнитное поля, направленные так, что оии вызывали отклонения ионов в противоположных направлениях. При прохождении электрического поля ионы с данным еЪи 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'/гл). Соответствующий расчет дает, что точки, в которых сходятся пучки, образованные ионами с различными е'1гл, лежат приблизительно на одной прямой.
Располагая вдоль этой прямой фотопластинку, Астон. получал на ней ряд штрихов, каждый из которых соответствовал определенному значению е'/гл. 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 — м а с с - с п е к т р о г р а ф о м. На,рис. ! 31 п риведены полученные Астоном масс-спектрограммы (против штрихов указаны массовые числа ионов).
Бейнбридж создал прибор другого типа. В массспектрографе Бейнбриджа (рнс. 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 прн условии, что' е'Е = е'оВ. Следовательно, ско. рости нышедших из селектора ионов, независимо от их Рис. 132. массы и заряда, имеют одинаковую величину, равную ж= Е/В. Выйдя из селектора, ионы попадают в область перПендикулярного к их скорости однородного магнитного поля с нндукпией В'. В этом случае ионы движутся по окружностям, радиусы которых согласно (64.2) зависят от е'/лп т а И= — —, и В'' Описав половину окружности, ионы попадают иа фотопластинку на расстояниях от щели, равных Щ Следовательно, ионы каждого сорта (определяемого значением е'/гл) оставляют на пластинке след в виде узкой полоски.
Зная параметры прибора, можно вычислить удельные заряды ионов. Поскольку ааряды ионов являются Палыми дратными элементарною заряда е, по найденным значениям е'/гл можно определить массы ионов. В настоящее время имеется много типов усовершенствованных масс-спектрографов. Созданы также приборы, в которых ионы регистрируются не фотопластинкой, а с помощью электрического устройства.
Они получили название м асс-спектрометров. 5 68. Циклотрон Независимость периода обращения заряженной частицы в однородном магнитном поле от ее скорости (см. формулу (64.3Ц положена в основу ускорителя заряженных частиц, называемого ц и к л о.т р о н о м. 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. Йа дуанты подается переменное- напряжение, снимаемое с полюсов генератора высокой частоты. Введем в зазор между дуантами в тот момент, когда напряжение достигнет наибольшей величины, положительно заряженную частицу.
Частица будет подхвачена электрическим полем и втянута внутрь отрицательного электрода. Пространство внутри дуанта являет- Рас. !33. ся эквипотенцнальным, 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 (64.2Ц. Подберем частоту изменения напряжения между дуантами так, чтобы к моменту, когда частица, пройдя половину окружности, подойдет к зазору между дуантамн, разность потенциалов между ннмн. 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 (Я вЂ” о), но время, за которое она пройдет половину окружности, останется прежним (оно не зависит от и). 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 дуаитами дополнительную порцию энергии, равную е'У (е' — заряд части» цы, 0 — напряжение, вырабатываемое генератором). Располагая источником переменного напряжения сравнительно небольшой величины ( -10а э), можно с помощью циклотрона ускорить протоны до энергий порядка 25 Мэв.
Прн более высоких энергиях начинает сказываться зависимость массы протонов от скорости — период обращения увеличивается 1согласно (64.3) он пропорционален тл) и синхронизм между движением частиц и 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 ф а з о т р о н о м (либо синхроциклотроном).
Ускоритель, в котором частота не меняется, а индукции магнитного поля изменяется так, чтобы отношение тл/В оставалось постоянным, называют' с и н х р о трон 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 ') Синхрофазотрон назыаавт таяне протонным еннхротраном. частиц индукция магнитного поля растет так, что определяемый формулой (64.2) радиус остается все время постоянным. При этом период обращения меняется как нз-за возрастания массы частиц, так и вследствие увеличения В. Для того, чтобы ускоряющее напряжение было синхронно с движением частиц, частота этого напряжения делается изменяющейся по соответствующему закону.
Дуантов в синхрофазотроне ист, 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. 1Оэ эв). Скорость протонов, обладающих такой энергией, отличается от скорости света в пустоте менее чем на 0,01тэ (о = 0,99992 с). ГЛАВА Х11 ЭЛЕКТРИЧЕСКИИ ТОК В МЕТАЛЛАХ, И ПОЛУПРОВОДНИКАХ 5 69. Природа носителей тока в металлах Для выяснения природы носителей тока в металлах был поставлен ряд опытов. Прежде всего отметим опыт Рикке, осуществленный в 190! 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 истечение года. За все время через цилиндры прошел заряд, равный 3,5.10а к. Взвешивание показало, что пропускание тока не оказало на вес цилиндров никакого влияния. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом также не было обнаружено проникновения 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 !897 г.
Томсоном злектроны. Чтобы отождествить носители тока в металлахсзлектронами, нужно было определить знак и величину удельного заряда носителей. Опыты, поставленные с атой целью, основывались на следующих рассуждениях. Если в металле имеются легко перемещающиеся заряженные частицы, то при торможении металлического проводника зти частицы должны некоторое время продолжать двигаться по инерции, в результате чего в проводнике воз- никнет импульс тока и будет перенесен некоторый заряд. Пусть проводник движется вначале со скоростью эа (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
