Состав и модели атома

Часть 2: Экспериментальные методы. Видео

Часть 2: Экспериментальные методы

История с изучением свойств электронов многому научила физиков - в первую очередь технике работы с заряженными частицами. Если подобная частицы «извлечена» из атома, то ее можно разгонять или тормозить с помощью электрического поля, а изменять направление ее движения - не только с помощью электрического, но и с помощью магнитного поля. С учетом того, что сила, действующая на заряженную частицу в магнитном поле (сила Лоренца \vec{F}_{L}=q[\vec{v} \times \vec{B}] ) всегда перпендикулярна ее скорости, то работа этой силы равна нулю. Поэтому магнитное поле заворачивает частицы практически без изменения величины их скорости (небольшие изменения могут быть связаны с потерями энергии на электромагнитное излучение). Такое управление движением частиц используется до сих пор - даже в современных ускорителях частии. Кроме того, были разработаны методы наблюдения за частицами (детектирования частиц). Проще всего дело обстояло с заряженными частицами (например, теми же электронами или ионами). Пролетая через вещество, они ионизируют его (превращают атомы вещества в ионы), что вызывает химические реакции (например, приводящие к почернению фотоэмульсии) или физические процессы (например, в перегретой жидкости ионы становятся центрами парообразования, и место прохождения заряженной частицы отмечается пузырьком пара - так работает пузырьковая камера; по похожему принципу - но с использованием процесса конденсации и образования капелек жидкости - работает туманная камера Вильсона). В результате мы видим (и можем, например, сфотографировать) цепочку следов, оставленных частицей вдоль траектории - так называемый «трек» частицы. С другой стороны, можно установить в пространстве множество электродов с различными потенциалами, и тогда появление зарядов в результате ионизации будет регистрироваться по появлению импульсов тока, протекающих между электродами. Наблюдение треков позволяет измерять некоторые характеристики частиц - например, по радиусу кривизны трека можно определить скорость (импульс) частицы.

Сложнее работать с нейтральными частицами, воздействие которых на вещество «более мягкое», чем у заряженных. Один из самых интересных примеров нейтральных частиц в микромире был открыт при изучении взаимодействия электромагнитного излучения с отдельными атомами и молекулами. Оказалось, что в таких процессах электромагнитное излучение ведет себя как набор «сгустков» энергии и импульса (в XX веке для них ввели название «фотоныl»). Конечно, достаточно яркие вспышки света в оптическом диапазоне можно зафиксировать глазами, но это не всегда удобный путь. Впрочем, фотоны достаточно высоких частот (оптический диапазон и более высокие частоты) тоже могут ионизировать атомы и молекулы, так что и они могут оставлять следы на фотопленке. Но только одиночные фотоны оставляют «одиночные маленькие точки», а не треки, как заряженные частицы. Поэтому чаще для регистрации нейтральных частиц используют наблюдение заряженных частиц, образующихся при столкновении нейтральных с атомами вещества детектора. Например, для регистрации фотонов и измерения их характеристик используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Это устройства, в которых фотон выбивает из металла электрон, который затем разгоняют электрическим полем и используют для того, чтобы выбить из металла уже несколько электронов с более высокими энергиями. Тогда, повторяя такую процедуру несколько раз, можно от одного фотона с небольшой энергией получить «лавину» высокоэнергетичных электронов, которая сможет создать ощутимый всплеск тока в электрической цепи.

Еще один метод изучения структуры объектов микромира - «просвечивание», причем не только с помощью света (электромагнитных волн оптического диапазона). Наблюдая картину, возникающую при рассеянии лучей любой природы на объекте, можно судить о его форме и строении. При этом важно понимать, что в наблюдаемой картине нельзя будет различить детали, размер которых существенно меньше длины волны - любая такая деталь с точки зрения волны будет вести себя как «точечное» препятствие. В частности именно поэтому невозможно увидеть отдельные атомы в оптический микроскоп: длина волны видимого света изменяется в пределах примерно от 380 нм до 740 нм, а размеры атомов оказались порядка 0,1 нм. Для наблюдения атомов нужно более коротковолновое например, рентгеновское излучение, которое можно создать при торможении электронов, разогнанных в электронно-лучевой трубке.

Именно с помощью рассеяния коротковолновых излучений на электронах позднее было обнаружено, что радиус области распределения заряда выбитого из атома электрона очень мал по сравнению с радиусом атома. На самом деле мы до сих пор не можем измерить зарядовый радиус электрона - мы только установили, что он меньше 10^{-20} м.

Использование описанных технологий привело к быстрому накоплению информации о «микромире» (мире объектов с размерами существенно меньше 1 мкм) в конце XIX - начале ХХ веков.

Трек \alpha -частицы с зарядом +2e \approx 3{,}204\cdot 10^{-19} Кл и массой m \approx 6{,}645\cdot 10^{-27} кг в магнитном поле с индукцией B = 10 Тл имеет радиус кривизны R = 10{,}37 мм. Определите ее скорость. Ответ запишите в км/с с точностью до целого значения.

Из волновой оптики известно, что при дифракции нормально падающего (угол падения равен 0^\circ ) света с длиной волны \lambda на отражающей дифракционной решетке с периодом d помимо главного максимума (отвечающего углу отражения 0^\circ , соответствующему закону отражения из геометрической оптики) наблюдаются побочные дифракционные максимумы под углами отражения, определяемыми из условия d\cdot\sin(\alpha_m)=m\cdot\lambda , где порядок максимума m = \pm 1, \pm 2, \ldots . Поэтому модуль максимального наблюдаемого в дифракционной картине порядка есть целая часть от числа d/\lambda . Рассмотрите рассеяние электромагнитного излучения на кристаллической решетке из атомов, считая ее дифракционной решеткой с периодом, равным межатомному расстоянию, которое для этой решетки составляет 0{,}14 нм. Определите минимальную длину волны излучения, при которой в дифракционной картине можно увидеть 5 дифракционных максимумов (считая главный). Ответ запишите в нм с точностью до сотых.