книги из ГПНТБ / Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей

потенциалов равна алгебраической сум­ ме внешней и внутренней контактных разностей потенциалов:

нескольких вольт) наводит на мысль ис­ пользовать ее в качестве источника электрического тока. Однако формула (12.6) показывает, что реализовать ее не так просто.

С помощью этой формулы можно доказать, что в замкнутой цепи, составленной из различных металлов, находящихся при од­ ной и той же температуре, контактные разности потенциалов не создают электродвижущей силы и потому не могут вызвать элект­ рический ток. Э.д. с., действующая в контуре (рис. 122), равна сумме скачков потенциала на всех участках контура, т. е. сумме контактных разностей потенциалов:

Очевидно, этот вывод справедлив при любом числе металличе­ ских проводников, составляющих замкнутый контур. Так что ис­ пользовать сравнительно большие контактные разности потенциалов в качестве источника тока невозможно. Этот вывод формулируют еще и так: в замкнутой цепи, состоящей из металлических провод­ ников, находящихся при одинаковых температурах, электрический ток возникнуть не может. Если же замкнутый контур составить как из проводников первого рода — электронных проводников (ме­ таллов), так и из проводников второго рода — электролитов, то в таком контуре можно получить электрический ток. Это и реали­ зуется в цепях, содержащих гальванические элементы или аккуму­ ляторы. Полезно иметь в виду, что между замкнутыми цепями, состоящими из. одних только проводников первого рода, и цепями, составленными как из проводников первого рода, так и из провод­ ников второго рода, имеется коренная разница в энергетике. ІЗ пер­ вом случае контур не потребляет энергию извне и не расходует своей энергии, поэтому он не может служить источником тока (обеспечивать дрейф зарядов). Наоборот, в замкнутых цепях, содержащих растворы электролитов, в которые опущены металли­ ческие электроды, непрерывно идут химические реакции, при кото­ рых выделяется энергия; эта энергия и обеспечивает непрерывную циркуляцию электрических зарядов в замкнутом контуре, т.' е. поддерживает электрический ток.

420

называемая термоэлектродвижущей (термо-э. д. с), которая в замк­ нутом проводящем контуре создает ток, называемый термоэлектри­ ческим. Это явление, называемое термоэлектричеством, было от­ крыто па опыте в 1821 г. голландским физиком Зеебеком и иногда называется его именем. Можно найти величину термо--э. д. с. На­ писав выражение (12.7) для контура, представленного па рисун­

= ± \ А Га- Т ь) = а ( Т а- Т ь).

вНо,

Термо-э. д. с. пропорциональна разности температур спаев. Ко­ эффициент пропорциональности а, равный термо-э. д. с., возникаю­ щей при разности температур спаев в 1°К, называется дифферен­ циальной термо-э.д:с., или чувствительностью термоэлемента. Ве­ личина а, как видим, зависит только от-ѵэлектронных концентраций в контактирующих металлах. Она различна для разных пар и по порядку величиныравна ІО-5— 10~6. При . разности температур спаев порядка сотни градусов термо-э. д. с. составляет несколько милливольт.

Как видно из вывода формулы (12.8), за термо-э. д. с. ответ­ ственна внутренняя контактная разность потенциалов. Малость ее обусловливает и малую величину термо-э. д. с. Тем не менее она в данном случае оказывается полезнее большой внешней контакт­ ной разности потенциалов.

Направление термотока определяется обычным способом: вы­ брав произвольное направление обхода контура, определяют знак термо-э. д. с. Если она окажется положительной, то это будет озна­ чать, что плотность тока направлена по обходу контура, если от­ рицательна, то противоположно обходу.

Применим это правило к контуру, приведенному на рисунке 123.

421

2но убедиться, что знак Ui зависит от того, какой металл считать пер­ вым, а какой — вторым. Это оп­ ределяется направлением обхода: металл, встречающийся раньше, следует считать первым и его Концентрацию щ писать в числи­

теле (12.8). Согласно выбранному нами направлению обхода металл 2 следует раньше метал­ ла 1, поэтому формула (12.8) для данного случая запишется так:

<S = - f 1 п ^ ( Г п — Г6).

е»о,

Учтя, что по предположению Та > Ть и п0, < я0„ получим, что э. д. с. отрицательна. А это значит, что плотность термотока на­ правлена противоположно направлению обхода, т. е. против часо­ вой стрелки.

Термоэлектричество широко используется в настоящее время для измерения температур ввиду очень высокой чувствительности метода. Принципиальная схема термоэлектрического термометра приведена на рисунке 124. Металлы 1 и 2, составляющие термо­ пару, подбираются так, чтобы ее чувствительность была по воз­ можности большой. Один спай помещается в место, температура которого подлежит определению, температуру другого спая под­ держивают неизменной. Для этого его погружают в сосуд Дьюара, в который налита подходящая жидкость, например жидкий азот. При не очень точных измерениях второй спай может находиться просто на воздухе. В цепь включается чувствительный гальвано­ метр. Сила термотока, показываемая им, зависит от разности тем­ ператур спаев. При точных измерениях не надеются на прямую пропорциональность термотока разности температур и снимают так называемую градуировочную кривую термопары, вернее, всего прибора. Для этого спаям задают заранее известные температуры (например, погружая их в различные кипящие жидкости с извест­ ными температурами кипения) и строят график, откладывая по оси абсцисс разность температур, а по оси ординат — соответ­ ствующий термоток.

Использование гальванометра неудобно в том отношении, что сила термотока зависит не только от разности температур, но и от сопротивления контура. Поэтому замена прибора другим ана­ логичным или изменение длины проводов потребует снятия новой градуировочной кривой. От этого недостатка свободен метод, ис­ пользующий измерение не силы термотока, а самой термо-э. д. с., зависящей только от разности температур.

С помощью термопар можно точно измерять как очень высокие, так и очень низкие температуры, а также сравнительно легко авто­

422

матически непрерывно регистрировать изменение температуры с помощью самописца. Для увеличения чувствительности вместо одной термопары или термоэлемента берут несколько термопар, соединенных последовательно (термобатарею, или термостолбик). Термо-э.д. с. такой батареи равна сумме э. д. с. каждой термопары. С помощью термостолбика можно в школьных условиях проде­ монстрировать неравномерное распределение энергии в сплошном спектре излучения электрической дуги.

В 1834 г. французский ученый Пельтье открыл на опыте явле­ ние, обратное явлению Зеебека. Оно было названо эффектом Пельтье и состоит в том, что при пропускании электрического тока от внешнего источника через спаи двух различных металлов, нахо­ дящихся даже при одинаковых температурах, один из спаев нагре­ вается, а другой охлаждается. Тепло, выделяемое или поглощае­ мое спаем, называется теплом Пельтье, оно является дополнением к обычному теплу Джоуля—Ленца.

Тепло Пельтье выделяется, конечно, и в том случае, если источ­ ником тока в цепи является термо-э.д. с. В этом случае тепло Пельтье будет положительным (т. е. будет выделяться) в холод­ ном спае и будет отрицательным (т. е. будет поглощаться) в горя­ чем спае. Другими словами, тепло Пельтье будет нагревать холод­ ный спай и охлаждать горячий, т. е. уменьшать разность темпера­ тур спаев и, следовательно, термо-э.д. с. В этом отношении термо­ ток «ведет себя» как ток в явлении индукции: он противодей­ ствует причине, его поддерживающей. Так и должно быть. Если бы температуры спаев при термотоке не изменялись, то это озна­ чало бы, что поддержание тока, сопровождаемое непрерывным вы­ делением энергии, не требует затраты энергии извне, т. е. что ток выделяет энергию, не потребляя ее. А это было бы нарушением закона сохранения энергии.

Итак, термоток охлаждает горячий спай и нагревает холодный. Следовательно, для поддержания постоянной силы термотока к горячему спаю необходимо непрерывно подводить тепло, а от хо­ лодного непрерывно отводить его. В этом отношении установка по созданию термотока подобна тепловой машине, имеющей обяза­ тельно и источник тепла («нагреватель»), и источник холода («хо­ лодильник»), и рабочее вещество (обычно газы), производящее внешнюю работу за счет части тепла, забираемого у нагревателя. В термоэлектрической цепи рабочим веществом является электрон­ ный газ, превращающий часть тепла, забираемого у горючего спая, в энергию, выделяемую термотоком, т. е. в работу термотока.

При изменении направления тока, создаваемого в цепи внеш­ ним источником, знак тепла Пельтье изменяется: спай, который нагревался, теперь будет охлаждаться. Имеются широкие возмож­ ности для использования явления Пельтье в холодильных установ­ ках и в устройствах по кондиционированию воздуха (кондиционе­ рах).

Принципиальная схема термоэлектрического холодильника чрез­ вычайно проста: четные спаи, которые должны быть холодными,

423

помещаются внутри холодильной камеры, нечетные (горячие) — снаружи. Цепь питают постоянным током. Направление тока вы­ бирается таким, чтобы при его прохождении внутренние спаи охлаждались, а наружные — нагревались. Поскольку холодиль­ ник — это охладитель для его камеры и нагреватель для окру­ жающего воздуха, то схема термоэлектрического холодильника мо­ жет быть использована в простейшем кондиционере — устройстве для поддержания температуры помещения в заданных границах, т. é. попросту для охлаждения воздуха в нем летом и для нагре­ вания зимой. Важно то, что для выполнения двух противополож­ ных задач — нагревания и охлаждения — может быть использо­ вана одна и та же установка; переход с режима отопления на ре­ жим охлаждения производится простым изменением направления электрического тока, питающего установку. Если четные спаи по­ местить на внутренних стенах комнаты, а нечетные — на наруж­ ной стене дома и пропустить выпрямленный ток через спаи, то при одном направлении тока внутренние спаи будут нагреваться, а на­ ружные — охлаждаться, т. е. устройство будет работать как отопи­ тель помещения зимой; при противоположном направлении тока внутренние спаи будут, наоборот, охлаждаться, а наружные — на­ греваться, т. е. система будет работать как охладитель для комнат­ ного воздуха летом. Переход с зимнего режима на летний осущест­ вляется простым поворотом ручки, изменяющей направление тока в системе.

Такая система отопления является в принципе более эффектив­ ной и экономичной, чем прямое превращение работы электриче­ ского тока в тепло с помощью электрической плитки. При отопле­ нии с помощью термоэлектрической установки тепло в комнату поступает от двух источников: во-первых, в тепло превращается потребляемая энергия электрического тока, как и в обычной элект­ роплитке. и во-вторых, и это главное, в комнату «впрыскивается» тепло, забранное у наружных спаев при их охлаждении. Таким об­ разом, отопление зимой производится также и за счет тепла, заби­ раемого у холодного атмосферного воздуха. В этом обстоятельстве нет ничего парадоксального: ведь при любом морозе атмосфер­

гию забрать у холодного атмосферного воздуха и передать теп­ лому комнатному воздуху. Термоэлектрическая установка позво­ ляет в принципе решить эту задачу. Правда, в настоящее время эта идея еще далека от практического применения в нашем быту, так как к. п.д. установок еще недопустимо мал. Однако этот метод стал перспективным в связи с применением полупроводников. В настоящее время внедряются в производство термоэлектрические холодильники. Наша промышленность уже многие годы выпускает термоэлектрические генераторы различного назначения.

Механизм эффекта Пельтье следующий. Если при прохождении электрона через контакт электрическое поле контакта ускоряет

424

Р и с . 1 2 5 .

электрон, то увеличение кинетической энергии электрона проис­ ходит за счет внутренней энергии металла, и такой спай охлаж­ дается. Наоборот, если электрическое поле двойного слоя контакта тормозит проходящий через него электрон, то замедляемый элект­ рон передает свою кинетическую энергию металлу и спай нагре­ вается. Очевидно, при изменении направления тока, т. е. при изме­ нении направления, в котором электрон проходит поле двойного елся, тормозящее поле станет ускоряющим, а ускоряющее — тор­ мозящим и знак эффекта Пельтье изменится на противоположный. Таким образом, причиной эффекта Пельтье, так же как и образо­ вания термо-э. д. с., является внутренняя контактная разность по­ тенциалов.

Рассмотрим, как выглядят контактные явления с позиций со­ временной квантовой теории металлов. На рисунке 125, а изобра­ жены два металлических проводника 1 и 2 и под ними — соответ­ ствующие уровни Ферми и работы выхода в изолированных про­ водниках, а на рисунке 125, б — распределение тех же величин

вконтактирующих металлах. Как видно из рисунка, уровень Фер­ ми, т. е. максимальная энергия электрона, в металле ) выше, чем

вметалле 2. Поэтому после приведения металлов в соприкоснове­ ние электроны начнут переходить с более высоких энергетических уровней металла 1 на более низкие свободные уровни металла 2. Этот переход приведет в конце концов к выравниванию уровней Ферми в обоих металлах. Это общее правило: равновесие контак­ тирующих металлов наступает после выравнивания уровней Ферми. Уровень Ферми, который устанавливается после контакта, лежит между уровнями Ферми металлов до их контакта. Для получения диаграммы после контакта металлов нужно диаграмму металла 1 опустить, а диаграмму металла 2 поднять так, чтобы уровни Ферми обоих металлов лежали на одной горизонтали. Тогда между верх­ ними и нижними концами диаграмм возникнут сдвиги, которые и определят внешнюю и внутреннюю контактные разности потенциа­

425.

Р а з д е л V ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

Г Л А В А 1 Q

Ю СТРОЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР

\

§ 1. ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальными фактами, давшими толчок исследованиям атомных ядер, явились: а) открытие в 1896 г. французским ученым Анри Беккерелей естественной радиоактивности, б) открытие в 1910 г. английским ученым Содди изотопии химических элементов, в) ядерная модель атома, предложенная в 1911 г. великим англий­ ским физиком Эрнестом Резерфордом.

Исследования радиоактивности Резерфордом привели его в 1908 г. к выводу, что в результате радиоактивного распада проис­ ходит превращение атомов одних элементов в атомы других хими­ ческих элементов. После открытой им же несколько позже ядерной модели атома стало ясно, что имеет место превращение ядер одних элементов в ядра других элементов. Таким образом, пре­ вращения радиоактивных элементов явились первыми естествен­ ными ядернымн реакциями, которые физики могли наблюдать и исследовать. Ядерные реакции, осуществляемые в настоящее время искусственно, являются мощным средством изучения строения и свойств атомных ядер. К своему открытию Резерфорд пришел на основе следующих опытов.

В ампулу помещалось небольшое количество только что от­ крытого супругами Кюри (Марией и Пьером) сильно радиоактив­ ного элемента, названного ими радием, после чего ампула запаи­ валась. Спустя некоторое время продукты а-радиоактивностн ра­ дия были подвергнуты спектроскопическому исследованию. В спектрах веществ, находившихся в колбе, были обнаружены спект­ ральные линии, принадлежащие инертным газам — гелию и ра­ дону. Поскольку колба была запаяна, то это значило, что радон и гелий явились результатом радиоактивности радия. Это обстоя­ тельство II привело Резерфорда к выводу о превращениях радио­ активных атомов.

Открытие изотопии сыграло следующую роль. Атомные веса, т. е. массы атомов, химически чистых элементов, как правило, вы­ ражаются в атомных единицах массы числами, не очень близкими к целым. Так, атомный вес бора — 10,82, неона — 20,183, маг­ ния — 24,32, хлора — 35,457, железа — 56,85, кобальта — 58,93, никеля — 58,71, меди — 63,54, цинка — 65,38, германия — 70,60,

427

криптона — 83,80 и т. д. С открытием изотопии утвердилось пред­ ставление, согласно которому химически чистый элемент представ­ ляет собой смесь изотопов, отличающихся друг от друга атомными весами. Когда же были измерены атомные веса изотопов, то об­ наружилось, что их атомные веса ближе к целым числам, чем атомные веса элементов, причем тем ближе, чем легче изотоп, т. е. чем меньше его атомный вес. Это навело ученых на мысль о том, что ядро построено из частиц, атомные веса которых очень близки к единице. Поскольку этому условию хорошо удовлетворяет ядро атома водорода — протон (его атомный вес равен единице, с точ­ ностью до третьего знака — 1,008) и, кроме того, его заряд поло­ жителен, то напрашивается вывод о том, что в состав атомных ядер непременно входят протоны. Сравнительно долго пришлось выяснять, что же еще входит в состав ядра. Явление естественной ß-радноактивности, казалось бы, свидетельствовало о том, что в со­ став ядер входят еще и электроны, поскольку они испускаются при ß-распаде. Так появилась первая протонно-электронная модель ядра. Она, кроме явления ß-радиоактивности, объясняла и бли­ зость атомных весов изотопов к целым числам. Согласно этой мо­ дели масса ядра равна практически массе протонов, входящих в него, поскольку масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона. Число электронов в ядре таково, что суммарный заряд положительно заряженных протонов и отрицательно заря­ женных электронов в сумме дает действительный положительный заряд ядра. Протонно-электронная модель ядра, несмотря на ее простоту, в процессе изучения атомных ядер была оставлена ввиду ее полной несостоятельности.

Если бы в состав атомных ядер входили электроны, то магнит­ ные моменты ядер имели бы величины порядка электронного маг­ нетона Бора (см. гл. 10), тогда как измерения показали, что маг­ нитные моменты ядер по порядку величины равны ядерному маг­ нетону, который, как говорилось ранее, примерно в 2000 раз мень­ ше электронного.

Против протонно-электронной гипотезы свидетельствовали так­ же данные о спинах ядер. Например, ядро бериллия 4Ве9 согласно этой гипотезе должно состоять из 9 протонов и 5 электронов, с тем чтобы суммарный заряд ядра был равен четырем элементарным зарядам. Протоны и электроны являются фермионами, т. е. их спин полуцелый; он равен Суммарный спин ядра как спин 14 частиц (9-протонов и 5 электронов) должен быть целым (в еди­ ницах Щ. В действительности же спин ядра 4Ве9 полуцелый (он равен 3/з^0 ■Подобных примеров можно привести много.

Наконец, протонно-электронная гипотеза несовместима с прин­ ципом неопределенностей Гейзенберга. Если электрон входит в состав ядра, то неопределенность его координаты имеет порядок линейного размера ядра, т. е. ІО-14— 10-15 м. Возьмем наибольшую неопределенность: Д х = 1 0 -14 м. Из соотношения неопределенно­ стей Гейзенберга найдем неопределенность импульса электрона:

428

Очевидно, величина самого импульса электрона должна быть боль­

Такая большая величина энергии противоречит эксперимен­ тальным данным об энергии связи ядерных частиц, которая состав­ ляет 7—8 Мэв на одну частицу. Кроме того, энергия 200 Мэв во много раз превосходит энергию электронов, испускаемых при ра­ диоактивном ß-распаде.

Выход из затруднений был найден после того, как в 1932 г. со­ трудник Резерфорда, Чадвик, открыл новую элементарную части­ цу — нейтрон. Анализируя треки частиц, возникающих при неко­ торых ядерных реакциях, и применяя к реакциям законы сохра­ нения импульса и энергии, Чадвик нашел, что в некоторых реак­ циях определенные треки принадлежат новой частице. Ее масса почти равна массе протона, чуть превышая ее, а электрический заряд ее равен нулю. Новая частица была названа нейтроном, и вскоре после ее открытия, в 1934 г., Д. Д. Иваненко высказал гипо­ тезу о том, что атомные ядра состоят только из протонов и нейтро­ нов; эта же гипотеза была высказана также независимо В. Гей­ зенбергом и подробно им разработана количественно. В настоящее время протонно-нейтронная структура ядра является общепризнан­ ной и лежит в основе современных представлений о ядре и всей ядерной физики.

По современным данным, масса покоя протона и нейтрона имеет следующие значения:

т Ро±= (1,(3075957+0,000001) а. е.м .= (1836,09+0,01) тва, тщ= (1,008982+0,000003) а. е. .и. = (1838,63+0,0\)т е<1,

где т е„ = 9,106,ІО-31 кг есть масса покоя электрона.

В современной физике принимается, что протон и нейтрон — это два так называемых зарядовых состояния одной и той же ча­ стицы, которая называется нуклоном, т. е. ядерной частицей (от латинского nucleus — ядро). Так «то протон — это протонное со­ стояние нуклона, нейтрон — его нейтронное состояние.

429