1612725063-eb24d9660fd97b365f78091f0a818088 (828996), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Первая нз них есть постоянная Больцмана, а вторая, называемая постоянной Планка, — это фундаментальная постоянная квантовой теории (гл. 8, 9 1). ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ф у, )урохождение электрического гнома сквозь разреженнэге газзг Развитие химии и кинетической теории газов привело — как мы узнали из предыдущей главы — к утверждению той идеи, что вещество состоит из молекул и атомов. Химику эти частицы представляются последними составными частями, из которых построены твердые, жидкие н газообразные тела. Только с ними он имеет дело в любой реакции, осуществляемой чисто химическими методами. Посмотрим, как ставит вопрос о мельчайших составных частях вещества физик. В его распоряжении имеется большое число других явлений, изучая которые он может получить сведения о строении вещества.
Среди этих явлений особую роль играют процессы, сопровождающие прохождение электрического тока через разреженные газы. При нормальных условиях газ в общем плохой проводник электричества. Однако поместим газ в трубку с двумя электродами, к которым приложено достаточно высокое напряжение.
Тогда при давлениях порядка нескольких мм рт. ст. возникает перенос электричества через газ, что обнаруживает себя в виде тока в проводах, подведенных к электродам; одновременно в газе появляется яркое свечение. С теоретической точки зрения последнее явление довольно сложно. Между тем оно нашло разностороннее применение в практике, особенно в так называемых гейслеровских трубках, широко используемых для световой рекламы. При дальнейшем понижении давления газа в трубке (ниже 0,1 мм рт.
ст.) свечение почти полностью исчезает. Однако при еше более низких давлениях (ниже 1О-' мм рт. ст.) появляются лучи, исходящие из катода и вызывающие флуоресценцию на противоположной стенке стеклянной трубки. При определенных условиях эти лучи можно видеть непосредственно.
Они тянутся голубоватой нитью от катода к катоду через всю трубку. Их называют катодными лучами (фиг. 9). Е !. Прохозгдвиив электрического токи сквозь рпзрвисвинив гази 3$ Свойства катодных лучей можно установить следующим образом (Плюккер, 1858 г.; Хитторф, 1869 г:, Дж. Дж, Томсон, 1894 г.). Если на нх пути поместить какое-либо тело, то оно будет отбрасывать тень на флуоресцирующем участке стекла. Взаимное расположение катода, тела и его тени показывает, Ф кг. 9.
Возккккоззкке катодами лучей. Лучи исходджае из катола С, можно нвбжодата в анде голугоивтой интн, если давление гела в трубке не слнжком мало. А †вв. Прзмолннейиое распространение лучей от катоде амзвззо там, что потеапмел мел!ау С и А растет от С к А неравномерно нзеа присутствии в трубке незалежна остатков газа Гпросгрвнствеввого зараза). Практически потеикпал достигает максимуме в вепосредствензой блнзосп! от катода. (грагьик потеипизла изображен з нижней части чсртежаэ ! забое переме!псине иоложнтелеамк веков звммкззт ток.
! ! ! что лучи, создающие теневое изображение, распространяются прямолинейно. Кроме того, оказывается, что этр излучение всегда сопровождается переносом электрического заряда вдоль трубки. Более того, можно вызвать отклонение их траектории от прямолинейной с помощью внешнего электрического или ! ! ! ! тто ! Фкг. 10. Ускорвкко ззектроков влвктрк- чвсккк полем. Увеличение кинетической ввергни равно падению потенпнзлв, умноженному не заркд -с электроне. магнитного поля, причем из характера этого отклонения следует вывод, что лучи состоят из быстро летящих отрицательно заряженных частиц.
Частицы эти названы электронами. Можно определить также скорость и удельный заряд (т. е. отношение заряда к массе е/тп) этих частиц. Если на пути лучей перпендикулярно их направлению поместить две проволочные сетки (фиг, Ю) и приложить к ним разность потенциалов )т, то возникающее между сетками продольное электрическое поле будет либо ускорять, либо замедлять электроны.
Изменение скорости электронов, обусловленное этим полем, опреде- Ги П. Элементарные еастием Если начальная скорость мала, то можно положить пе О; тогда — ей = — еУ. 2 Отсюда по известному У находится величина (па/е)ой. Ту же величину можно найти по отклонению в поперечном элекгрическола поле (фиг. 11). Если параллельно направлению Ф н г. 11. Откаоненне электронов в зонеречном электрическом ноле (менсду ваастннамн конденсатора), трввнторна нрввстаааввт собой параболу трванторнм снврнввй лучей расположить две пластины конденсатора, раздвинутые на расстояние 1, и приложить к пластинам разность потенциалов У, то на электроны будет действовать постоянная отклоняющая сила еУ/1, перпендикулярная первоначальному направлению их движения. При этом электроны полетят по параболе, определяемой уравнениями х=еое.
у- 2 К где о,— начальная скорость электронов, а е У К= —— на б — их ускорение в поле. Исключая е акт у= — — —,. нли 2 ! Оо время 1, найдем га у кв — твт = —— в е 1 2у Измерив отклонение луча у иа пути к, мы вновь получаем возможность определить величину (лт/е)ф На заряд е, движущийся в лааекитноул поле О, действует, как известно, сила, перпендикулярная и к направлению поля, и к направлению скорости. Величина этой так называемой силы ляется из закона сохрэнения энергии.
Пусть об — скорость электрона до прохождения через поле, а у — скорость после этого. В случае, когда направление поля противоположно направлению скорости электронов (так что поле ускоряет отрицательно заряженные электроны), имеем от= — пт+еХ е 2 р г'. 1гролоскдекие злекгрического гоко сквозь разренсеииме гази 37 Лоренца равна е(о/с) Н, умноженному на синус угла между направлениями скорости и поля (с=300000 км/сек есть скорость света).
Электрон прн этом движется по спирали, ось которой параллельна полю (фнг. 12). В частном случае, когда параллельная полю составляющая скорости исчезает, спираль вырождается в окружность, плоскость которой перпендикулярна Фиг. 12. движение илектрона в постоанном магннт- Н ном поле Н. Вообще говора, траектории иредставлеет собой свирель, ось которой иараллельиа иоо; в чвстао» отучав, когда, влвктроа аввжетса иод ираммм углом к Н, его трвекторма — скружвость.
полю. Легко вычислить радиус этой окружности. Сила Лоренца е(о/с)Н, направленная к центру окружности, очевидно, должна быть равна центробежной силе пупй/г, так что о тот зг Нг и — О= —, иЛи — П = —. с г' е с Следовательно, измерение радиуса г и напряженности магнитного поля Н позволяет вычислить величину (т/е)о, Итак, мы пришли к следующему результату: измерение отклонения в электрическом поле дает величину (т/е)ой, а измерение отклонения в магнитном поле — величину (ш/е)о.
Отсюда можно найти е/пу и о. Практические измерения обнаружили, что с увеличением разности потенциалов в трубке скорость электронов может достигать почти скорости света. Точные же опыты по измерению е/гп показали, что величина этого удельного заряда не строго постоянна, но в некоторой мере зависит от скорости электронов (Кауфман, 1897 г.). Этот эффект объясняет теория относительности (приложение 5). Согласно Эйнштейну (1905 г.), величина заряда е неизменна, масса же электрона меняется, причем ее величина зависит от скорости электрона относительно наблюдателя. Величина массы электрона равна ть — его «массе покоя», если он покоится относительно наблюдателя; при движении со скоростью о атно.
Гл, П. Элемемгарнме частица сительно наблюдателя электрон ведет себя (например, в сило« вом поле) так, как если бы он обладал массой Это утверждение теории можно проверить в опытах по отклонению катодных лучей; такие опыты полностью подтверждают его (гл. П1, $1). Результат, полученный в таких опытах для предельного значения е/ть т. е.
для удельного заряда, приведенного к нулевой скорости, гласит: — = 1840Р, а4э где Р— число Фарадея (оно определяет количество электричества, переносимое при электролитическом выделении одного моля вещества). Постоянная Фарадея связана с массой тн атома водорода (см. гл. 1, $8): Р= —. а "'и Отсюда для массы покоя электрона следует соотношение нн -н ж, = -(8;И. — — 9,1 ° 10 г. 8) 2. Канаиовые и анодные (ноиожннгелвно зараженные) иунн Мы познакомились с отрицательно заряженными частицами на примере катодных лучей.
Возможно ли тем же путем, каким были получены катодные лучи, создать лучи, заряженные по. ложнтельнор Ответ на этот вопрос дал Гольдштейн (1886 г.), которому удалось получить такие лучи следующим способом. Если сохранить в разрядной трубке небольшое количество газа, то электроны на своем пути от катода к аноду будут сталкиваться с молекулами остаточного газа и нонизировать их. Образовавшиеся ионы, будучи положительно заряженными, увлекаются к катоду приложенным к разрядной трубке напряжением. Эти ионы наталкиваются на катод и застревают в нем, если в катоде ие высверлить, как это сделал Гольдштейн, каналы, позволяющие ионам свободно пролетать сквозь катод (фнг. 13).' Полученные таким образом лучи названы каналовыми лучами. Описанная интерпретация свечения в разрядной трубке подтверждена наблюдениями Штарка, изучавшего эф- р х дпмалоеыи и оыодмма (полосмптилоно зерпжаымме) лучи 39 фект Допплера на испускаемом каналовьгмн лучами свете (гл.
1, $6). При определенных условиях анод также испускает положительно заряженные лучи. В этом случае они состоят нз ионов, вырванных нз атомной решетки анода; такие лучи названы анодными лучами. Свойства этих кположительнах лучей» можно изучить методами, аналогичными тем, которые использовались прн изучении катодных лучей, Значения удельного заряда положительно Ф и г. 13. Возникновение каналовмх лучей. Образоеаашаеса перел катодом поломнтьмные моны узаекамтск к катоду п проколет скасеь капали, просаерлеппме е ием. заряженных частиц, найденные в опытах по отклонению, имеют порядок числа Фарадея Р.
Таким образом, здесь мы имеем дело с однократно или многократно заряженнымн атомами или молекулами (ионами); для масс ионов получаются те же отношения, какие нашли химики своимн методамн. о йу Фиг. 14. Схема масс-снектрографа Астонь Положетельный луч отклонзетск сначала акко н електрпческом поле (межзу иластпиамк иорлексатера Р, а Р4, ° зетом леера е магнитном есле (пзображена катумка елеатромагпнта м). йонколиежм образом подобран размеры и азанмаое расаоложенке частей прибора, можно гараатнроаать (как показали Астап н Еауаер), что полОжительные час\пни с одинакозым отноыеииам едм. по прмкмоаьпммп скоростмеи фзкуснрумтса а оспой и той мо гочке Р фотопластинки. На фстопласткнке получаетск спектр масс; примеры изображены аа фото а, Для точного определения удельного заряда Дж.
Дж. Томсон построил прибор, в котором ионы отклоняются электрическим и параллельным ему магнитным полем. Если перпендикулярно первоначальному направлению лучей поместить фотопластинку, то изображение на ней будет иметь вид семейства парабол (фото 1). Как показывает простое вычисление ($1 этой главы), точки, соответствующие частицам с одним и тем же значением е(иа, ложатся на одну и ту же параболу, причем отдельные точки параболы соответствуют различным скоростям частиц так, что следы частиц с меньшимн скоростями (поэтому легче отклоняемых) расположены дальше от ее вершины.
Так Гв. П, Эв«ивитарныв частицы как каждому значению е/тп отвечает своя парабола, то по положению отдельных парабол легко определить удельные заряды ионов, содержащихся в луче, а тем самым и их массы (поскольку нам известны уже их заряды, кратные, конечно, элементарному заряду). «Масс-спектрограф» Астона (его устройство показано на фнг. 14, а получаемые спектры масс — на фото 2) позволяет определять непосредственно массы. Очевидно, преимущество этого метода перед химическими заключается в том, что здесь измеряется масса отдельного иона, в то время как химик всегда измеряет лишь среднюю массу очень большого числа частиц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
