Атомная физика (стр. 2 )

В 1803 г. Дальтон установил закон кратных отношений, который непосредственно свидетельствовал о том, что элементы входят в состав химических соединений только определенными порциями. И это говорило о дискретном строении вещества. В 1809 г. Гей-Люссак, измеряя объемы газов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции, пришел к обобщению, известному как закон простых объемных отношений. Согласно этому закону, объемы вступающих в реакцию газов и образующихся в результате реакции газообразных продуктов относятся друг к другу как небольшие целые числа. В 1811 г. Авогадро объяснил простые отношения между объемами газов, наблюдавшиеся при химических реакциях, установив следующий закон: в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и давлении, содержится одинаковое число молекул. Все перечисленные выше законы были важнейшими этапами в развитии атомистической теории строения вещества.

Другим важным событием в становлении атомистических представлений о веществе было открытие дискретной структуры электрического заряда. Идея о существовании в веществе частиц, несущих электрический заряд, превратилась в научную гипотезу после открытия Фарадеем в 1833 г. двух законов об электролизе. Из опытов по электролизу был сделан вывод о дискретности электрического заряда, в связи с чем возникло предположение о наличии в веществе отрицательных и положительных элементарных носителей. Более полная информация о свойствах этих носителей была получена при изучении явления переноса электрического заряда в газах.

В 1858 г. Плюккер заметил, что если в разрядной трубке создать низкое давление (около 10-3 мм рт. ст.), а к электродам приложить достаточно высокое напряжение (рис. 1.1), то из катода К будет выходить излучение, которое Гольдштейн в 1876 г. назвал «катодными лучами». Эти лучи обладают следующими свойствами:

– попадая на стекло, вызывают его люминесценцию;

– распространяются прямолинейно, в направлении нормали к поверхности катода;

– не меняют направление распространения при изменении формы или положения анода А;

– несут отрицательный электрический заряд.

В 1886 г. Гольдштейн, используя в разрядной трубке катод К с небольшим отверстием (рис. 1.2) и создавая газовый разряд при низком давлении, наблюдал за отверстием светящуюся область. Было установлено, что свечение вызывается потоком положительно заряженных частиц, проходящим через разреженный газ. Данное излучение назвали «каналовые лучи». В дальнейшем было выяснено, что «каналовые лучи» представляют собой поток ионов, летящих с различными скоростями.

В 1897 г. физик Джозеф Джон Томсон, изучая «катодные лучи», открыл частицы, из которых лучи состоят, – электроны, являющиеся носителями минимальной порции отрицательного заряда. Этот год считается годом рождения электрона. Отметим, что термин «электрон» ввел еще в 1891 г. Стоней, и обозначал он заряд одновалентного иона.

Томсону удалось не только доказать корпускулярную природу «катодных лучей», но и измерить отношение электрического заряда к массе частиц этих лучей, т. е. определить их удельный заряд. Это отношение примерно в 1836 раз больше, чем для ионов водорода. Из этого следовало, что электрон не атом, а его составная часть. Для подтверждения данного предположения, необходимо было измерить отдельно заряд и массу частиц «катодных лучей».

Прямые измерения величины заряда электрона были выполнены в 1911 г. Милликеном в опытах по наблюдению за движением в электрическом поле маленькой капли масла. Милликен обнаружил, что заряд капли всегда кратен некоторому минимальному заряду, значение которого равно 1.602·1019 Кл. Это значение и равно значению заряда электрона. Таким образом, было открыто фундаментальное свойство электрического заряда – его дискретность.

1.2. Движение нерелятивистской заряженной частицы

в постоянных однородных электрическом и магнитном полях

Заряженная частица характеризуется двумя параметрами – массой и зарядом. Отношение заряда к массе (удельный заряд) можно определить, исследуя движение частицы в электрическом и магнитном полях.

Рассмотрим частицу с зарядом q и массой m, движущуюся со скоростью в пространстве, в котором имеются постоянные во времени и однородные в пространстве электрическое поле с напряженностью и магнитное поле с индукцией . Со стороны этих полей на частицу действует сила , называемая силой Лоренца, которая имеет две составляющие – электрическую и магнитную . Первая из них обусловлена существованием электрического поля, вторая – магнитного поля:

(в системе CГСЭ), (1.1а)

(в системе СИ), (1.1б)

где , и образуют правую систему, с – скорость света в вакууме.

Считаем, что скорость частицы является нерелятивистской (v << с), тогда, согласно второму закону Ньютона, для частицы можно записать следующее уравнение движения:

, (1.2)

где – ускорение частицы. Следовательно,

. (1.3)

Отношение q к m является одним из параметров этого уравнения, потому, изучая движение частицы в электрическом и магнитном полях, можно определить данное отношение. А если известен заряд q частицы, то можно найти и ее массу m.

Замечание. Поскольку магнитная составляющая силы Лоренца всегда перпендикулярна скорости частицы, то работа А этой составляющей на любом отрезке пути равна нулю, поэтому под действием магнитной составляющей значение кинетической энергии Ткин, а следовательно, и абсолютная величина скорости частицы изменяться не будут. Данные величины изменяются лишь электрической составляющей силы Лоренца . Таким образом, электростатическое поле играет роль потенциального поля, причем

, (1.4)

где – потенциал электростатического поля, – градиент.

Рассмотрим движение заряженной частицы отдельно в электрическом и магнитном полях.

Вначале изучим движение в электростатическом поле. В этом случае = 0, а уравнение движения имеет вид

. (1.5)

Дважды интегрируя (1.5) по времени t, получим уравнение, описывающее изменение со временем радиус-вектора , который характеризует местоположение частицы:

, (1.6)

где и – скорость и радиус-вектор в момент времени t = 0 (начальные условия) соответственно.

Рассмотрим два частных случая: продольное и поперечное электрическое поле относительно начальной скорости частицы .

Пусть частица движется в электростатическом поле, создаваемом пластинами конденсатора, а вектор напряженности поля сонаправлен с вектором начальной скорости частицы . Допустим, что ось х декартовой системы координат ориентирована в пространстве как и вектор , а за начало координат возьмем точку влета частицы в поле (рис. 1.3). Тогда можно написать, что