Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

34.Объясните происхождение цвета: а) синего неба, б) синего стекла, в) синей бумаги.

35.На пластинку никеля, для которого работа выхода равна 4,5 эВ, падает ультрафиолетовое излучение, длина волны которого равна

200нм. Определите максимальную скорость фотоэлектронов. Значения необходимых постоянных: масса электрона равна

0,91 × 10−30 кг, скорость света равна 3 · 108 м/с, постоянная Планка равна 6,6 · 10−34 Дж · с.

36.Какова наибольшая длина волны света, под действием которой можно получить фотоэффект с поверхности натрия (работа выхода

ANa = 2,35 эВ), вольфрама (AW = 4,5 эВ), платины (APt = 5,3 эВ)? (Эта длина волны носит название длинноволновой или красной границы фотоэффекта.)

37.Под действием рентгеновского излучения пластинка из Zn, изображенная на рис. 330, зарядилась так, что электрометр показывает 1500 В. 1) Каков знак заряда электрометра? 2) Какова длина волны рентгеновского излучения, примененного в этом опыте? б) Изменится ли заметно результат опыта, если пластинку сделать из никеля или вольфрама?

38.Вычислите отношение путей солнечных лучей в атмосфере для положения Солнца на горизонте и в зените (ср. рис. 319).

Рассмотрите атмосферу как имеющую равномерную плотность, равную плотности у поверхности Земли (так называемая приведенная атмосфера). Ее толщину примите равной 10 км, а радиус Земли 6400 км.

39.Нередко замечается, что классная доска «отсвечивает», т. е. написанное б е л ы м мелом неразличимо на ч е р н о й доске. Объясните это явление. При каких положениях учеников, доски н окна оно будет наблюдаться? Будет ли отсвечивать экран, сделанный из черного бархата?

Пр и м е ч а н и е. Буквы, написанные мелом, отражают свет диффузно (рассеивают) и обладают большим коэффициентом отражения (альбедо для мела близко к единице); черная лакированная доска отражает зеркально, хотя и с небольшим коэффициентом отражения; этот коэффициент отражения заметно возрастает по мере приближения угла падения света на доску к прямому.

40.Даны два фильтра: фиолетовый и желто-зеленый; первый пропускает фиолетовую и темно-синюю часть спектра, а второй — красную, оранжевую, желтую и желто-зеленую. Сложенные вместе, они задерживают, следовательно, все цвета спектра. Такие фильтры называются дополнительными.

Свет от электрической дуги направляется на белую бумагу или на сосуд с флюоресцеином, причем фильтры располагаются в одном из четырех положений, изображенных на рис. 347.

Что мы будем наблюдать в первом (бумага) и втором (флюоресцеин) случаях?

Р А З Д Е Л Ч Е Т В Е Р Т Ы Й

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Г л а в а XXII. СТРОЕНИЕ АТОМА

§ 194. Представление об атомах. Из химии и предыдущих разделов физики мы знаем, что все тела построены из отдельных, очень малых частиц — атомов и молекул. Под атомами понимают мельчайшую частицу химического элемента. Молекулой называют более сложную частицу, состоящую из нескольких атомов. Физические и химические свойства элементов определяются свойствами атомов этих элементов.

Слово «атом» происходит от греческого «атомос» — неделимый. Вплоть до конца XIX века было распространено убеждение, что атомы являются простейшими, неделимыми частицами вещества. Однако последующее развитие науки опровергло эту точку зрения. Было установлено, что атомы не являются простейшими частицами, а представляют собой довольно сложные образования. Указание на это дает нам оптика, и, в частности, электромагнитная теория света. Было доказано, что электромагнитные волны, а следовательно, и свет испускаются при ускоренном движении электрических зарядов. Но и атомы вещества способны испускать свет — видимые электромагнитные волны, давая характерное для каждого атома излучение — спектр (см. гл. XX). Отсюда мы должны заключить, что атомы содержат в себе электрические заряды, способные перемещаться. Изучение электропроводности металлов и газов (см. том II, §§ 86, 91 и 92) показывает, что в состав атомов входят отрицательно заряженные частицы — э л е к т р о н ы, масса которых очень мала по сравнению с массой атома. Так как атом в целом нейтрален, то наряду с электронами атомы содержат также и положительно заряженные частицы.

Таким образом, атомы являются сложными частицами, построенными из других, более простых частиц. Составными частями атомов являются электроны и, как мы увидим в гл. XXIV, положительно заряженные частицы — протоны и незаряженные частицы — нейтроны.

Атомы представляют собой весьма прочные системы, неизмеримо более стойкие, чем составленные из атомов молекулы. Действительно, мы можем сравнительно легко разложить молекулу на атомы. Для этой цели достаточно, например, н а- г р е т ь вещество. Так, нагревая газообразный азот или водород до температуры порядка 2000 К, мы заставляем значительную часть молекул (N2 или H2) распадаться на соответствующие атомы; при этом надо отметить, что молекулы N2 и H2 принадлежат к числу наиболее прочных. Молекула хлористого аммония NH4Cl, например, распадается на аммиак NH3 и хлористый водород HCl уже при комнатной температуре или небольшом нагревании. Бросая в воду кусочек металлического натрия, мы вызываем химическую реакцию, в результате которой молекула воды H2O распадается, выделяется газообразный водород H2 и образуется едкий натр NaOH, т. е. происходит радикальное преобразование молекул. С атомами такие преобразования долго не удавались. Весьма сильные воздействия (нагрев, изменение давления, пропускание мощных электрических разрядов и т. д.) приводят лишь к очень незначительным изменениям атомов: они могут и о н и з о в а т ь с я: т. е. от них могут отделиться один или несколько электронов.

Хотя ион обладает некоторыми чертами, отличающими его от атома, однако основные свойства атома сохранены в нем; ион крайне легко вновь становится нейтральным атомом, присоединяя к себе обратно потерянные электроны. Длительные усилия алхимиков превратить один атом в другой (в частности, получить золото из «неблагородных» элементов) путем различных химических и физических воздействий на атом остались тщетными.

Лишь сравнительно недавно были открыты явления, в которых атомы претерпевают глубокие изменения, превращаясь в атомы других элементов. С кругом этих явлений мы познакомимся в гл. XXIII и XXIV.

§ 195. Постоянная Авогадро. Размеры и массы атомов. Одной из важных постоянных атомной физики является постоянная Авогадро (см. том I, § 242) — число структурных элементов (атомов, молекул, ионов и т. п.) в моле вещества. Зная постоянную Авогадро, можно найти величины, характеризующие отдельный атом: массу и размеры атома, заряд иона и т. п.

Существует ряд способов измерения постоянной Авогадро. В них используются физические явления различного рода. К числу таких явлений относятся броуновское движение частиц,

458 Гл. XXII. Строение атома

Зная постоянную Авогадро, можно также определить массу атома: m = M/NA.

Эта формула дает нам с р е д н е е значение массы атома. Вопрос о том, одинаковы ли все атомы данного элемента по массе или нет, должен быть решен опытом (см. § 195).

Легчайшим из атомов является атом водорода, относитель-

§ 196. Элементарный электрический заряд. Законы электролиза, открытые Фарадеем, свидетельствуют в пользу существования мельчайших, неделимых количеств электричества. При электролизе один моль любого n-валентного элемента переносит заряд F · n = 96 485 n кулонов (F — постоянная Фарадея). На один атом (точнее, ион) приходится, таким образом, заряд

e = 1,60 · 10−19 Кл является мельчайшей порцией заряда, элементарным зарядом.

Но законы электролиза можно понимать и в том смысле, что e является с р е д н е й порцией заряда, переносимой одновалентным ионом; свойство n-валентного иона переносить в n раз больший заряд должно было бы объясняться тогда не атомарной структурой электричества, а только свойствами иона. Поэтому для выяснения вопроса о существовании элементарного заряда необходимы прямые опыты по измерению мельчайших количеств электричества. Такие опыты были выполнены американским физиком Робертом Милликеном (1868–1953) в 1909 г.

Установка Милликена изображена схематически на рис. 348. Основной ее частью является плоский конденсатор 2, 3, на пластины которого с помощью переключателя 4 можно подавать разность потенциалов того или иного знака. В сосуд 1 с помощью пульверизатора вбрызгиваются мельчайшие капли масла или другой жидкости. Некоторые из этих капель через отверстие в верхней пластине попадают в пространство между пластина-

ми конденсатора, освещаемое лампой 6. Капли наблюдаются в микроскоп через окошко 5; они выглядят яркими звездочками на темном фоне.

Рис. 348. Схема опыта по измерению элементарного электрического заряда. Рентгеновская трубка 7 служит для изменения заряда капель; ее излучение создает в объеме между пластинами 2 и 3 ионы, которые, прилипая к капле, изменяют ее заряд

Когда между пластинами конденсатора нет электрического поля, капли падают вниз с п о с т о я н н о й скоростью. При включении поля незаряженные капли продолжают опускаться с неизменной скоростью. Но многие капли при разбрызгивании приобретают заряд (электризация трением). На такие заряженные капли действует, кроме силы тяжести, также сила электрического поля. В зависимости от знака заряда можно выбрать направление поля так, чтобы электрическая сила была направлена навстречу силе тяжести. В таком случае заряженная капелька после включения поля будет падать с меньшей скоростью, чем в отсутствие поля. Можно подобрать значение напряженности поля E так, что электрическая сила превзойдет силу тяжести

икапля будет двигаться вверх.

Вустановке Милликена можно наблюдать за одной и той же каплей в течение нескольких часов; для этого достаточно выключать (или уменьшать) поле, как только капля начнет приближаться к верхней пластине конденсатора, и включать (или увеличивать) его снова, когда она будет опускаться к нижней пластине.

Равномерность движения капли свидетельствует о том, что действующая на нее сила уравновешивается сопротивлением воздуха, которое пропорционально скорости капли. Поэтому для такой капли можно написать равенство

где mg — сила тяжести, действующая на каплю с массой m, v — скорость капли, kv — сила сопротивления воздуха (сила трения), k — коэффициент, зависящий от вязкости воздуха и размеров капли.

Измерив с помощью микроскопа диаметр капли, следовательно, зная ее массу, и определив далее скорость свободного равномерного падения v, мы можем найти из (196.1) значение коэффициента k, которое для данной капли сохраняется неизменным. Условие равномерного движения для капли с зарядом q, поднимающейся со скоростью vE в электрическом поле E, имеет вид

Из (196.2) получаем

q = kvE + mg . E

Таким образом, проделав с о д н о й и т о й ж е к а п л е й измерения в отсутствие поля и при его наличии, найдем з а р я д капли q. Мы можем изменить этот заряд. Для этой цели служит рентгеновская трубка 7 (рис. 348), с помощью которой можно ионизовать воздух в конденсаторе. Образовавшиеся ионы будут захватываться капелькой, и заряд ее изменится, сделавшись равным q . При этом изменится скорость равномерного движения капли и она станет равной vE , так что

Из (196.2) и (196.3) найдем изменение заряда q − q = Ek (vE − vE ),

которое также может быть определено, поскольку коэффициент k для капли известен.

Многочисленные измерения этого рода с каплями из различных веществ (вода, масло, глицерин, ртуть), заряженными положительно и отрицательно, обнаружили, что как заряд q,