Атомная (прикладная) физика
.pdfvk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Изотопы -- разновидности атомов какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.
Химические свойства их почти идентичны, поскольку (как мы знаем сейчас) определяются электронной оболочкой.
Эксперимент Томсона с неоном:
Обнаружены параболы, соответствующие значениям A’= 20, 22 и 44.
При этом известное «химическое» значение массового веса неона равно 20.2.
A’ =44 соответствует CO2+ . А 22? Это CO2++?
Удалили CO2 вымораживанием. Но составляющая «A’ =22» осталась. Элемент с таким атомным весом был неизвестен.
Обнаружен новый элемент?
Это не совсем тот рисунок. Но параболы 20, 22 и 44 также присутствуют. 6
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Эксперименты Астона (ученика Томсона) по разделению смеси. (Теперь мы понимаем, что смести изотопов неона).
•Выделить новый элемент химически не удалось.
•Попробовали воспользоваться разницей физических свойств – скорости диффузии через пористую перегородку. Многократно.
•Соотношение интенсивностей парабол («составляющих масс-спектра») изменилось.
•Но спектр свечения оставался единым.
•Вывод: «свойства двух газов значительно более близки, чем можно было бы ожидать при такой разнице их атомных весов.»
Francis William Aston
(1877-1945)
7
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Итого: химически однородный неон есть смесь двух сортов атомов неона
(изотопов) с неотличимыми химическими свойствами, но с разными атомными весами: 20 и 22.
Известный ранее «физико-химический» атомный вес неона 20.2 есть результат усреднения.
Если доля изотопа-20 равна х, а изотопа-22 – (1-х), то средний атомный вес:
A = 20x + 22(1 − x) = 20.2
Это дает х=0.9 и (1-х)=0.1, что соответствовало яркости парабол массспектра.
Астон открыл 212 стабильных изотопов.
Например, для магния с «химическим» атомным весом 24.31:
8
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Последующие исследования показали:
•У большинства элементов есть по нескольку устойчивых изотопов. У
остальных – есть радиоактивные изотопы.
•«Химический» атомный вес – результат усреднения весов изотопов с коэффициентами, определяемыми их «распространенностью».
•Атомные веса изотопов близки к целочисленным до третьего знака дробной части – «правило целых чисел» Астона.
•Возродился интерес к гипотезе У. Праута (1815 г.): все атомы состоят из атомов водорода как из универсальных «кирпичиков». Нецелочисленные атомные веса, определенные позднее, противоречили это гипотезе.
Целочисленные массы изотопов -- соответствовали.
•Современное объяснение: масса атома в основном определяется массой протонов и нейтронов ядра. Атомный номер – числом протонов. Различие изотопов – в числе нейтронов. Массы протона и нейтрона близки:
приблизительно 1836 и 1839 масс электрона. |
9 |
|
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
1.6. Масс-анализаторы
Опыты Томсона показали:
•Точное определение масс ионов и их сепарации по величине отношению q/m – важная задача атомной физики.
•У метода парабол есть не только достоинства, но и недостатки.
Один из них – малая «светосила».
Если не ограничивать угловой разброс частиц на входе в анализатор очень сильно, изображение парабол получается размытым.
Выбор между «разрешением»
прибора (mi / mi) и временем опыта. Нужно фокусировать пучок.
1
vkВторой.com/club152685050недостаток| vk: .com/id446425943
ток частиц распределен по длине параболы. Разные части параболы соответствуют частицам разных энергий. Это не помогает различать массы, но снижает чувствительность метода.
Говорят о «дисперсии» одновременно по массам и по энергиям частиц. От дисперсии по энергиям хорошо бы уметь избавляться.
(Энергоанализаторы – отдельный класс приборов.)
Были разработаны (и разрабатываются) схемы масс-анализаторов с улучшенными параметрами разрешения и чувствительности.
2
vkМасс.com/club152685050-спектрограф| vkФ.com/id446425943. Астона (1919).
Как и в приборе Томсона для изучения катодных лучей, здесь использованы скрещенные электрическое и магнитное поле.
Но они создаются в разных областях и разделены бесполевым пространством. Это позволило добиться фокусировки ионов
одной массы, но разных энергий, в узкой линии.
3
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Схема спектрографа Ф. Астона: 1 - разрядная трубка;
2, 3 - две щели, с помощью которых выделяется узкий пучок ионов;
4 - конденсатор, отклоняющий на различные углы ионы с разными зарядами, скоростями и массами;
5 - диафрагма со щелью для выделения узкого пучка; 6- полюсные наконечники электромагнита, отклоняющего пучок ионов;
7 - фотопластинка, на которой фокусируются ионы различных масс и зарядов.
4
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Поскольку направления электрических и магнитных сил лежали в одной плоскости (в плоскости рисунка), изображения на фотопластинке имели вид серии линий.
5
vk.Полнаяcom/club152685050теория для| vk.com/id446425943данного прибора сложна.
Для плоского конденсатора длиной l смещение на расстоянии L частицы с
зарядом e , скоростью v и массой m : |
eEl |
|
l |
|
|
Y = |
(L + |
) |
|||
|
|
||||
E |
mv2 |
2 |
|
||
|
|
Выразим кинетическую энергию в единицах потенциала (ускоряющего
напряжения): |
|
|
|
|
|
mv 2 |
= eU |
|
|
|
|
|
2 |
||||
|
|
|
|
|
||||
Тогда: Y = |
e |
K |
|
= |
KE |
|
, K – коэффициент, не зависящий от |
|
|
E |
|
||||||
E |
eU |
|
U |
E |
||||
|
|
|
свойств иона. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
6