Что называют удельным зарядом частицы с помощью каких приборов они определяются кратко

Физические основы удельного заряда частицы

Удельный заряд частицы – это отношение электрического заряда частицы к ее массе.

Для определения удельного заряда частицы используется метод магнитной фокусировки. Этот метод основан на возможности магнитных полей оказывать силовое воздействие на заряженные частицы. Если в гомогенном магнитном поле пустить поток заряженных частиц, то они будут двигаться по окружности с одинаковой угловой скоростью, но с разными радиусами. Если измерить магнитную индукцию поля и силу, с которой частица движется в этом поле, то можно вычислить ее удельный заряд.

Этот метод широко применяется в физике элементарных частиц и ядерной физике для измерения удельных зарядов электронов, протонов, нейтронов и других частиц. Благодаря этим данным можно получить информацию о внутренней структуре частиц и их физических свойствах.

Кроме того, за счет использования современных ученых электронных приборов и оборудования, полученные данные становятся более точными и достоверными.

В целом, изучение удельного заряда частиц является важным направлением физики элементарных частиц и ядерной физики, которое способствует расширению наших знаний о фундаментальных законах природы.

Kvant. Число Фарадея

Явление электролиза, известное с конца XVIII — начала XIX веков, особенно подробно было изучено выдающимся английским физиком М. Фарадеем. В 1834 году была опубликована статья Фарадея, в которой рассказывалось о результатах опытов, приведших к установлению закона электролиза. В этой же статье впервые появились термины, предложенные Фарадеем и ставшие теперь общепринятыми. Это — электрод (а также катод и анод), ион (катион и анион), электролит и название самого процесса — электролиз.

Закон электролиза теперь (но не во времена Фарадея) записывается так («Физика 9», § 69):

m = \frac \fracI \Delta t\) .

Здесь m — масса выделившегося на электроде вещества, F — число (постоянная) Фарадея, М — молярная (или атомная) масса вещества, n — его валентность, IΔt — заряд, прошедший через электролит.

Заметим, что величина, численно равная отношению \(

\frac\), в химии называется химическим эквивалентом (так она называлась и при Фарадее, хотя понятия валентности тогда еще не было). Величина эта показывает, какая масса данного вещества вступает в соединение с массой водорода, равной его атомной массе (или замещает эту массу в химических реакциях). Например, для атомарного кислорода относительная атомная масса равна 16, а валентность — 2, так что его химический эквивалент равен 8. Чтобы из кислорода и водорода получилась вода, на каждую единицу массы водорода должно приходиться восемь единиц массы кислорода: 1 кг водорода соединяется с 8 кг кислорода, и в результате получается 9 кг воды.

Физический смысл числа Фарадея. Допустим, что электролиз проводится так, что на электроде выделяется масса вещества, численно равная его химическому эквиваленту. Тогда из закона электролиза следует, что число Фарадея F численно равно электрическому заряду, переносимому ионами, суммарная масса которых численно равна химическому эквиваленту. Из опытов F = 96500 Кл/моль.

Если выделившееся вещество одновалентное, его химический эквивалент численно равен массе одного моля, а число ионов, перенесших эту массу, равно числу Авогадро N_A. Если же на электроде выделилось двухвалентное вещество, 96 500 кулонов переносится числом ионов, вдвое меньшим числа Авогадро, и т. д.

Удельный заряд протона и других заряженных частиц. Представим себе, что опыт с прохождением тока через электролит проводится так, что на катоде выделяется водород, причем его масса численно равна химическому эквиваленту. Поскольку водород одновалентен, через электролит пройдет один моль ионов водорода. Число этих ионов равно, конечно, числу Авогадро, а перенесенный ими заряд численно равен постоянной Фарадея. Таким образом, мы можем сказать, что масса иона водорода численно равна отношению химического эквивалента к числу Авогадро, а заряд этого иона численно равен отношению постоянной Фарадея к числу Авогадро. Отсюда, согласно закону электролиза, получаем, что отношение заряда иона водорода к его массе, называемое удельным зарядом иона, численно равно числу Фарадея, деленному на атомную массу.

Но ион водорода — это ядро атома водорода. Оно имеет особое название — протон (ядра водорода входят в состав атомных ядер всех остальных химических элементов). В единицах СИ удельный заряд протона равен

Почему мы здесь обращаем специальное внимание на удельный заряд протона? Дело в том, что удельный заряд всякой электрически заряженной частицы — одна из ее важнейших характеристик. От нее зависит, например, скорость и ускорение частицы, движущейся в электрическом поле

Приведем два примера.

Пусть некоторая частица с зарядом q и массой m движется в электрическом поле с напряженностью \(

\vec E\), так что на нее действует сила \(

q \vec E\). Напишем уравнение, выражающее второй закон Ньютона:

m \vec a = q \vec E\) ,

откуда для ускорения \(

\vec a\) частицы получаем

\vec a = \frac \vec E\) .

Мы видим, что ускорение частицы определяется не ее зарядом и не ее массой по отдельности, а отношением \(

\frac\), то есть удельным зарядом частицы.

Предположим, что частица, имеющая заряд q и массу m, переместилась в электрическом поле от одной точки к другой, напряжение между которыми равно U. Тогда работа, совершенная полем над частицей, будет равна qU. Если вначале частица покоилась, то за счет этой работы она приобретет кинетическую энергию \(

Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях

На заряженную частицу в электростатическом поле действует кулоновская сила, которую можно найти, зная напряженность поля в данной точке\. Эта сила сообщает ускорение \(~ \vec a= \frac {\vec F} {m} =\frac {q \vec E}{m}\), где m — масса заряженной частицы. Как видно, направление ускорения будет совпадать с направлением \(~\vec E\), если заряд частицы положителен (q > 0), и будет противоположно \(~\vec E\), если заряд отрицателен (q<0).

Если электростатическое поле однородное (\(~\vec E\) = const), то ускорение \(~\vec a \) = const и частица будет совершать равноускоренное движение (разумеется, при отсутствии других сил). Вид траектории частицы зависит от начальных условий. Если вначале заряженная частица покоилась \(~(v_0 = 0)\) или ее начальная скорость сонаправлена с ускорением \(~ (\vec v_o \upuparrows \vec a )\), то частица будет совершать равноускоренное прямолинейное движение вдоль поля и ее скорость будет расти. Если \(~ \vec v_o \downarrow \uparrow \vec a \), то частица будет тормозиться в этом поле.

Если угол между начальной скоростью и ускорением острый О < α < 90° (или тупой), то заряженная частица в таком электростатическом поле будет двигаться по параболе.

Во всех случаях при движении заряженной частицы в электростатическом поле будет изменяться модуль скорости, а следовательно, и кинетическая энергия частицы.

Существенное отличие магнитного поля от электростатического состоит, во-первых, в том, что магнитное поле не действует на покоящуюся заряженную частицу. Магнитное поле действует только на движущиеся в поле заряженные частицы. Во-вторых, сила Лоренца, действующая на заряженные частицы в магнитном поле, всегда перпендикулярна скорости их движения. Поэтому модуль скорости в магнитном поле не изменяется. Не изменяется, следовательно, и кинетическая энергия частицы. Вид траектории заряженной частицы в магнитном поле зависит от угла между скоростью влетающей в поле частицы и магнитной индукцией. Возможны три различных случая.

1. Заряженная частица влетает в магнитное поле со скоростью \(~\vec v\), направленной вдоль поля \(~(\vec v \upuparrows \vec B)\) или противоположно направлению магнитной индукции поля \(~ (\vec v \downarrow \uparrow \vec B )\). В этих случаях сила Лоренна \(~F_L = 0 \) и частица будет продолжать двигаться равномерно прямолинейно.

2. Заряженная частица движется перпендикулярно линиям магнитной индукции (рис. 2), тогда сила Лоренца \(~ F_L = qbv \), а следовательно, и сообщаемое ускорение будут постоянны по модулю и перпендикулярны к скорости частицы. В результате частица будет двигаться по окружности, радиус которой можно найти на основании второго закона Ньютона:

\(~F_l = ma_c; qBv = \frac {mv^2}{R} \Rightarrow R =\frac {mv}{qB}. \)

Отношение \(~\frac q m \) — называют удельным зарядом частицы.

Рис. 2

Период вращения частицы

\(~T = \frac {2 \pi R}{v} = \frac {2 \pi m}{qB},\)

то есть период вращения не зависит от скорости частицы и радиуса траектории. На этом основано действие циклотрона.

3. Скорость заряженной частицы направлена под углом \(~\alpha \) к вектору \(~\vec B\) (рис. 3).

Рис. 3

Движение частицы можно представить в виде суперпозиции равномерного прямолинейного движения вдоль поля со скоростью \(~ v_{\lVert} = v \cos \alpha \) и движения по окружности с постоянной по модулю скоростью \(~ v_{\perp} = v \sin \alpha\) в плоскости, перпендикулярной полю. Радиус окружности определяется аналогично предыдущему случаю, только надо заменить \(~ v\) на \(~ v_{\perp} = v \sin \alpha\), то есть

\(~R = \frac {mv \sin \alpha} {qB}.\)

В результате сложения этих движений возникает движение по винтовой линии, ось которой параллельна магнитному полю. Шаг винтовой линии

\(~h = v_{\lVert} \cdot T = v \cos \alpha \cdot T = \frac {2 \pi mv \cos \alpha} {qB}\)

Направление, в котором закручивается спираль, зависит от знака заряда частицы.

Если скорость заряженной частицы составляет угол α с направлением вектора \(~\vec B\) неоднородного магнитного поля, индукция которого возрастает в направлении движения частицы, тο R и h уменьшаются с ростом B. На этом основана фокусировка заряженных частиц в магнитном поле.

Если на движущуюся заряженную частицу помимо магнитного поля с индукцией \(~\vec B\) действует одновременно и электростатическое поле с напряженностью \(~\vec E\), то равнодействующая сила, приложенная к частице, равна векторной сумме электрической силы и силы Лоренца\. Характер движения и вид траектории зависят в данном случае от соотношения этих сил и от направления электростатического и магнитного полей.

Определение — удельный заряд

Определение удельного заряда основано на отклонении заряженных частиц в магнитном и электрическом полях.

Для определения удельного заряда и массы положительных ионов применяется совместное действие на частицы магнитного и электрического полей. Приборы, предназначенные для точных измерений относительных атомных весов ( а следовательно, и масс) изотопов химических элементов ( стр.

Для определения удельного заряда некоторого иона нужно на масс-спектрограмме вначале установить опорные линии с помощью пучков ионов с известным удельным зарядом. Обычно для этой цели используются ионы углерода или кислорода.

Для определения удельного заряда некоторого иона нужно масс-спектрограмму вначале протарировать с помощью ионов с известным удельным зарядом. Обычно для этой цели используются ионы углерода или кислорода.

Для определения удельных зарядов и масс положительных ионов используется совместное действие на частицы электрического и магнитного полей. Приборы, с помощью которых производятся точные измерения относительных атомных масс ( VI 1.4.3) изотопов химических элементов ( VI.4.1.2), называются масс-спектрографами или масс-спектрометрами. В этих приборах частицы разделяются по массам в соответствии со спектром масс — совокупностью значений масс данных частиц.

Метод определения удельного заряда заключается в измерении тока, текущего в цепи между твердой и жидкой фазами, и его интегрировании по времени. В результате получаются чрезвычайно большие значения заряда, которые, однако, не дают представления о зарядах, разделяемых в естественных условиях. Даже при большой скорости кристаллизации для получения 1 г льда требуется несколько секунд, тогда как процесс отрыва воды ото льда занимает время, на несколько порядков меньшее

А ведь именно это время, если еще не меньшее, необходимо учесть при расчете образования заряда при разделении льда и жидкого раствора; надо также принять во внимание, что часть заряда будет непрерывно нейтрализоваться благодаря утечкам, поскольку система лед — раствор является замкнутой до момента разрыва связи между ними.

Схема опыта по определению.

Точность определения удельного заряда этим методом ограничена тем, что расстояние L измеряется с ощутимой погрешностью.

Метод определения удельного заряда положительных ионов, предложенный Том-соном, по ряду причин, на которых мы не будем останавливаться, оказался недостаточно точным.

Метод определения удельного заряда положительных ионов, предложенный Томсоном, в силу ряда причин, на которых мы не будем останавливаться, оказался недостаточно точным.

Схема измерения заряда на.| Датчики типа цилиндр.

При определении удельного заряда на единицу объема или массы находят частное от деления тока соответственно на объем или массу наэлектризованного материала, поступающего в единицу времени.

При определении удельного заряда иона встречаются значительные трудности, связанные с тем, что в пучке ионов содержатся частицы с весьма различными скоростями, что очень затрудняет их фокусировку. Нужно выделить из пучка ионы, имеющие одну и ту же скорость. Для этой цели часто применяется фильтр скоростей. В этой установке ( рис. 41.6) вектор напряженности электрического поля перпендикулярен вектору индукции магнитного поля. На положительный ион, движущийся в скрещенных электрическом и магнитном полях, действуют две силы: электрическая сила F е qE, отклоняющая ион вниз, и сила Лоренца Fm qvB, отклоняющая его вверх. Итак, через щелевую диафрагму пройдут только те ионы, скорость которых удовлетворяет условию v — EIB.

Цель работы: определение удельного заряда электрона методами магнитной фокусировки и магнетрона.