Как определить отношение заряда иона к его массе…

Заряд и масса иона

Как определить отношение заряда иона к его массе...

Из сказанного в предыдущих параграфах следует прежде всего, что заряды, несомые положительными и отрицательными ионами, бу­дучи обратными по знаку, должны быть тождественными по абсо­лютной величине, так как они образуются, вообще говоря, путем расщепления нейтральных молекул вещества. Первые количествен­ные определения величин, позволяющих судить о массе ионов раз­личных категорий, были произведены Дж. Дж. Томсоном и В. Вииом, а первые приближенные определения заряда иона были выпол­нены Дж. Дж. Томсоном.

Основные серии исследований были посвящены определению отношения заряда иона е к его массе m. В одном из методов, примененных Дж. Дж. Томсоном в 1897 году, он оперировал с так называемыми катодными лучами, открытыми Круксом и состоя­щими из потока каких-то весьма своеобразных частиц, несущих отрицательные заряды.

Как известно, катодные лучи были наблю­дены Круксом в очень ясно выраженной форме внутри стеклян­ного сосуда с весьма разреженным пространством, в котором были расположены два электрода: плоский или слегка вогнутый катод и какой-либо анод.

При достаточно высокой разности потенциалов между этими электродами с поверхности отрицательного электрода, приблизительно перпендикулярно ей, исходят вышеупомянутые ка­тодные лучи, обладающие целым рядом особых свойств.

Пучок катодных лучей отклоняется действием поперечного магнитного поля, что можно обнаружить, пользуясь либо флюоресценцией остат­ков газа в трубке, либо флюоресценцией специального экрана, на который падают лучи. Такое же отклонение можно получить, про­пуская катодные лучи и между пластинками конденсатора, распо-

ложенными внутри трубки и заряжаемыми от некоторого постоян­ного источника. В обоих случаях направление отклонения точно соответствует отрицательной электризации частиц, образующих катодные лучи. Подобные наблюдения можно произвести, например, при помощи трубки с очень разреженным газом, представленной на рисунке 132.

Здесь С есть катод, А — анод со щелью порядка 2 — 3 миллиметров, В — металлический диск, соединенный с зе­млей и имеющий щель около одного миллиметра шириною, DD2пластины конденсатора, F — флюоресцирующий экран, нанесенный на внутренней поверхности стеклянной трубки.

Катодные лучи, ис­ходящие с поверхности катода С, проходят через щели в А и В в направлении ОР и дают на экране светящийся след Р. Представим себе теперь, что трубка расположена в однородном магнитном поле, перпендикулярном плоскости рисунка 132, т. е. перпендикулярно ОP.

Катодный пучок при этом из прямолинейного превратится в искривленный (ОР') по дуге круга, радиус которого будет зависеть от магнитной индукции В, от заряда е частиц, образующих катодные лучи, от их массы т и от их скорости v.

Действительно, радиус кривизны траектории иона будет определяться условием равенства по абсолютной величине центробежной силы, с одной стороны, и силы, отклоняющей частицу к центру кривизны, с дру­гой стороны. Центробежная сила будет mv2/r. Отклоняющая частицу

сила будет равна произведению из магнитной индукции В и вели­чины ev, представляющей собою не что иное, как меру силы тока, обусловливаемого движением заряда е со скоростью v (угол между направлением вектора В равен в данном случае 90°). Следовательно, можем написать:

mv2/r=Bev.

С другой стороны, сообщая пластинам D D2некоторую раз­ность потенциалов, мы можем вызвать отклонение катодного пучка и путем воздействия поперечным электрическим полем на движущиеся заряженные элементы пучка.

Обозначая электрическую силу между пластинами DD2через Е, мы можем механическую силу этого воздействия на каждую отдельную частицу выразить через Ее.

При этом знак разности потенциалов между пластинами D1 и d2

может быть взят такой, чтобы отклоняющие действия на катодный пучок со стороны электрического и магнитного полей были проти­воположны друг другу.

Установив некоторое определенное значе-ни5 электрической силы Е, будем затем изменять соответствующим образом магнитную индукцию В и таким путем можем добиться уничтожения отклонения катодного пучка, о чем можно судить по возвращении флюоресцирующего следа пучка в точку Р. Когда это будет достигнуто, мы будем иметь право написать:

Ее=Веv.

Принимая в внимание значение В, таким образом подобранное, и комбинируя полученные два соотношения, мы получаем:

Величина же самого заряда е была, как увидим дальше, непо­средственно определена из других наблюдений.

Отношение е к m и величина скорости v были получены Дж. Дж. Томсоном и другим методом, в котором, между прочим, определялась по способу Перрена величина количества отрицательного электричества, несомого некоторой порцией катодного потока (рис. 133).

Именно на пути катодного пучка, исходящего из отри­цательного электрода С, располагается пустотелый металлический цилиндр В с отверстием в днище, обращенном к электроду С.

Этот цилиндр В весьма тщательно изолирован и для предотвращения всякого рода влияний электрического характера помещен внутри охранной металлической камеры А, играющей в то же время роль анода.

Цилиндр В присоединяется к специально градуированному электрометру, при помощи которого можно измерять электрический заряд, приобретаемый цилиндром.

Как показал Перрен, катодный пучок, попадая внутрь цилиндра В, заряжает его отрицательным электричеством, причем величина этого заряда при данных неиз­менных условиях строго пропорциональна времени, в течение кото­рого катодный пучок действует. Производя опыт в течение неко-

торого определенного промежутка времени, Дж. Дж. Томсон изме­рил заряд Q, приобретенный за это время цилиндром В. Обозна­чая через N число носителей отрицательного электричества, вошед­ших внутрь цилиндра В, получаем:

Ne=Q.

Затем Дж. Дж. Томсон измерил количество кинетической энер­гии, которою обладают эти N частиц, заставляя тот же катодный пучок в такой же промежуток времени падать на специально изго­товленную термопару, располагаемую для этого на пути катодного пучка, вместо цилиндра В, и проградуированную, как калориметр.

Обозначая через W количество энергии, приобретаемой калори­метрической термопарой вследствие бомбардировки ее N частицами, обладающими массой m каждая и несущимися со скоростью v, и до­пуская, что кинетическая энергия каждой частицы целиком превра­щается в тепло при ударе о поверхность термопары, получаем вто­рое соотношение:

, 1/2Nmv2=M.

Производя, наконец, описанный выше опыт с отклонением катод­ного пучка магнитным полем, присоединяем третье соотношение:

mv2/r=Bev.

Из этих трех соотношений получается:

Таким образом, Дж. Дж. Томсон мог различными способами определить отношение заряда к массе и скорость частиц, из кото­рых состоит катодный пучок. Величина скорости v в широких пре­делах зависит от разности потенциалов, приложенной к электродам трубки. В условиях работы Дж. Дж.

Томсона при напряжениях, доходивших до 10000 вольт и несколько выше, v доходило до 3,6•109 сантиметра в секунду, т. е. до величины, несколько превы­шавшей одну десятую скорости света. Что касается величины отношения e/m, то совершенно независимо от всяких привходящих об­стоятельств (напряжения, природы газа в трубке, вещества отри­цательного электрода и т. д.

), это отношение оказывается неизменно одного и того же порядка. Дж. Дж. Томсон получал в описанных опытах:

e/m=около 107 в абс. эл.-магн. единицах.

В настоящее время мы знаем, на основании результатов позд­нейших, более совершенных экспериментов, что более точное зна­чение этого отношения должно быть:

e/m=1,76•107 в абс. эл.-магн. единицах.

Указанное небольшое расхождение, объясняемое целым рядом источников ошибок в первоначальных опытах, не имеет, однако, никакого существенного значения при обосновании тех чрезвы­чайно важных и принципиальных выводов, к которым Дж. Дж. Томсон пришел, анализируя полученные им результаты.

В этом отно­шении необходимо знать лишь порядок величины — , и его-то Дж. Дж. Томсон определил в достаточной степени точно, а затем сопо­ставил полученное значение с тем, что получается для отношения заряда к массе в случае обычных материальных ионов.

Он подсчи­тал, что в случае самого легкого иона, с которым мы имеем дело при прохождении тока через электролиты, именно в случае водо­родного иона, интересующее нас отношение будет около 104 (более точная его величина равна 0,96•104). Как мы увидим дальше, Дж. Дж.

Томсон показал, что величина заряда элементов катодного пучка и электролитических ионов должна быть признана одной и той же. Из этого он вывел заключение, что масса частицы катод­ного потока во много раз (более, чем в тысячу раз) легче самого легкого атома, атома водорода.

В настоящее время мы знаем, что масса атома водорода приблизительно в 1840 раз больше массы электрона, каковое название, предложенное Джонстоном Стонеем, окончательно утвердилось в науке для обозначения тех носителей отрицательного электричества, с которыми мы встречаемся, вообще говоря, всегда в случае прохождения тока через газы и пустоту.

Величайшая заслуга Дж. Дж. Томсона состоит именно в том, что он первый установил основные физические характеристики легчай­ших материальных частиц, являющихся носителями наименьшего электрического заряда, с которым мы встречаемся на опыте.

Эти легчайшие частицы, масса которых в 1840 раз меньше массы атома водорода, мы теперь с полным основанием рассматриваем как атомы электричества. Тщательное теоретическое и эксперимен­тальное изучение вопроса о массе электрона показывает, что она не постоянна, но оказывается функцией скорости. Обозначая массу электрона, двигающегося медленно сравнительно со скоростью света, через m0, можно на основании новейших опытов принять:

m0=8,95•10-28 грамма. Вводя далее обозначение

k=v/c,

где v есть скорость движения электрона, а с — скорость света, можно теоретически обосновать следующее выражение для массы электрона, двигающегося со скоростью v:

В связи с этим возникло представление об электромагнитной природе массы электрона.

Представляет большой интерес сопоставление значений — дляэлектрона и для положительных газовых ионов, и с этою целью можно воспользоваться результатами опытов В. Вина, который определял это отношение в случае положительных ионов, образую­щих так называемые закатодные лучи, впервые наблюденные Гольдштейном.

Если электрический разряд происходит между неко­торыми анодом и катодом в сильно разреженном газе и при этом катод состоит из металлической пластинки с большим числом небольших отверстий, то позади катода, т. е.

со стороны, противо­положной аноду, наблюдаются очень слабо светящиеся пучки, про­никающие сквозь отверстия и вызывающие заметную флюоресцен­цию стекла в месте их падения на стенки сосуда.

Вин показал, во-первых, что закатодные лучи Гольдштейна состоят из положи­тельно заряженных ионов, которые приобрели очень большие скорости в электрическом поле по другую сторону катода и благо­даря этому оказались способными, так сказать, проскочить по инерции сквозь отверстия. Воздействуя на пучок закатодных лучей электрическим и магнитным полем и пользуясь тем же методом, который был выше описан применительно к катодным лучам, Вин

мог определить величину — для закатодных лучей и получил: e/m=около 300 в абс. эл.-магн. единицах,

v — около 3•107 сантиметров в секунду.

Итак, скорость оказалась раз в 100 меньше скоростей, наблю­даемых для электронов в условиях аналогичных электрических полей.

Так как, далее, нет сомнения в том, что заряды, несомые как положительными, так и отрицательными ионами в газах должны быть тождественными, то, очевидно, масса положительных ионов в опытах Вина оказалась приблизительно в 30000 раз больше массы электрона. Для справки можем указать, что для железа при электролизе растворов солей железа получается

e/m=около 400.

Другими словами, положительные газовые ионы обладают мас­сами того же порядке, что и тяжелые электролитические ионы, т. е. они представляют собою те или иные, иногда очень тяжелые комбинации обычных атомов и молекул вещества.

Переходя теперь к вопросу о зарядах, несомых газовыми ионами, остановимся сначала на работах Дж. Дж. Томсона, который был первым, определившим заряд электрона. Он воспользовался свой­ством водяных паров сгущаться вокруг ионов и образовывать капельки тумана.

Свойство это было открыто Вильсоном, показав­шим, что в случае адиабатического расширения насыщенного водя­ного пара в присутствии газовых конов возникает туман и при меньшей степени расширения, чем это требуется, если воздух совершенно не содержит ионов.

Вильсон установил, что в воздухе, очищенном от пыли и свободном от ионизации, насыщенный водя­ной пар дает туман только тогда, когда внезапное увеличение объема газа будет не менее, чем в 1,38 раза. При расширении в 1,25 раза образуется туман лишь при наличии отрицательных ионов, конденсирующих на себе капельки воды.

Это наблюдается и при дальнейшем увеличении степени расширения вплоть до пре­дела, равного 1,31, по достижении которого начинают конденсиро­вать воду и положительные ионы. При степени расширения от 1,31 до 1,38 водяные пары будут сгущаться на ионах обоих знаков. Начиная с расширения в 1,38 раза, образование тумана происходит, как было выше указано, независимо от наличия ионов. Дж. Дж.

Томсон ионизировал при помощи рентгеновых лучей воздух, насыщеный водяным паром, и производил затем адиабатическое (практи­чески, очень быстрое) расширение его в 1,25 раза.

Облачко тумана, образовавшееся из капелек, сконденсировавшихся вокруг отрица­тельных ионов, падает под действием силы тяжести, и, пользуясь соотношениями, данными Стоксом, можно было по скорости паде­ния определить размеры и массу отдельных капелек. Полное коли­чество сконденсированной воды Дж. Дж.

Томсон вычислил, осно­вываясь на данных термодинамики, и разделил его на массу отдельной капельки. Таким путем было определено число всех капелек, составлявших туман. Для получения величины полного заряда, несомого совокупностью отрицательных ионов, участвовав­ших в образовании тумана, было применено электрическое поле, под действием которого ионы одного знака оседали на электрод, соединенный со специально проградуированным электрометром. Разделяя этот полный заряд на число капелек, Дж. Дж. Томсон получил заряд каждого иона. И в данном случае большим дости­жением его было достаточно точное определение порядка величины заряда газового иона. Именно, он получил:

е=около 4•10-10 абс. эл.-стат. единиц.

Дж. Дж. Томсон сопоставил это количество электричества с зарядом электролитического иона, например, водородного. Если N есть число молекул в куб. сантиметре водорода при давлении в 760 мм ртутного столба и при температуре 0°С, а е есть заряд водородного иона, с которым мы имеем дело при электролизе растворов, то на основании непосредственных опытов можно положить:

Ne'=1,22•1010 абс. эл.-стат. единиц.

Далее, исходя из кинетической теории газов, Дж. Дж. Томсон подсчитал, что N лежит в пределах от 2,1•1019 до 1020. Из этого получается

1,29•10-10< е'< 6,1•10-10,

откуда следует, что заряд, несомый газовым ионом, равен заряду, которым обладает водородный ион при электролизе растворов. Этот результат классических опытов Дж. Дж.

Томсона в полной мере оправдывается всею совокупностью современных данных, с несомненностью свидетельствующих о том, что в самых разно­образных случаях мы неизменно встречаемся с одним и тем же элементарным электрическим зарядом.

Более поздние и более совершенные методы наблюдений позволили весьма точно (с точ­ностью до четырех знаков) определить величину заряда е. В этом отношении особенное значение имеют опыты Милликена, наблю­давшего поведение в электрическом поле отдельных мельчайших капелек масла и ртути, заряженных очень небольшим числом ионов.

Определяя заряды капелек, Милликен установил, что они неизменно оказываются кратными некоторого определенного количества элек­тричества (е), и тем показал на непосредственном опыте атомность электричества. В настоящее время значение е, полученное Милликеном, считается весьма достоверным и, таким образом, на основа­нии его исследований принимают:

е=4,774•10-10 абс. эл.-стат. единиц =1,592•10-20 абс. эл.-магн. единиц.

Источник: https://studopedia.su/13_24445_zaryad-i-massa-iona.html

ПОИСК

Как определить отношение заряда иона к его массе...
    Отношение массы протона к массе электрона Отношение заряда электрона к его массе Магнитный кванто вый поток [c.31]

    Удельный заряд электрона (отношение заряда электрона е к его массе т) е/т.  [c.516]

    Тепловой эквивалент работы А. .. Удельный заряд электрона (отношение заряда электрона е к его массе т) е/т…………. [c.519]

    Отношение массы протона к массе электрона т /ш . 1836,15152 0,00070 Отношение заряда электрона [c.9]

    Тепловой эквивалент работы А . . . . 0,239-10 кал= эрг Удельный заряд электрона (отношение заряда электрона е к его массе т) е т 5,273 10 абс. эл.-ст. ед. г»1 = [c.465]

    В 1897 г. Дж. Дж. Томсон начал количественное изучение катодных лучей, позволившее ему определить величину elm — отношения заряда электрона к его массе. [c.9]

    Газ вводится в вакуумированный прибор через трубку (1) и подвергается ионизации потоком электронов из электронной пушки (2).

Заряженные пластины (3) и (4) разгоняют поток полученных положительных ионов, который проходит через щель в пластине (4) и попадает в поле магнита (5), отклоняющее отдельные ионы в соответствии с отношением заряд масса.

За второй щелью (в) расположен детектор (7), который регистрирует число частиц, прошедших через щель. Меняя напряженность магнитного поля, можно последовательно регистрировать относительное количество ионов с различной массой, получая масс-спектр [c.22]

    Хотя отношение заряда электрона к его массе было измерено Томсоном в 1897 г., абсолютную величину заряда электрона удалось установить только в 1911 г., когда Роберт Милликен (1868-1953) поставил остроумный опыт, иллюстрируемый рис. 1-13.

Он впрыскивал пульверизатором мельчайшие капельки масла между горизонтально расположенными пластинами конденсатора и затем облучал эти капельки рентгеновскими лучами. Возникающие при ионизации воздуха электроны прилипали к капелькам масла, на которых таким образом возникало один, два или несколько электронных зарядов.

Милликен сначала измерял скорость свободного падения заряженных капелек в воздухе с известной вязкостью. Затем он измерял напряжение, которое необходимо приложить к пластинам конденсатора, чтобы заставить капельки масла неподвижно повиснуть между пластинами.

Он вычислил, что заряд на любой капельке масла всегда представляет собой целое кратное величины 1,602 10 Кл, и пришел к правильному выводу, что это и есть заряд 1 электрона. [c.50]

    Зная elm и заряд электрона, можно вычислить массу электрона.

Прямое определение заряда электрона впервые было выполнено Милликеном, который измерял силу, воздействующую в электрическом поле на парящую в пространстве между электродами заряженную капельку масла.

Сила, действующая на одинаковые капельки, зависела от заряда капельки отношение сил для разных капелек выражалось целыми числами, т. е. было кратным элементарному заряду. Согласно последним данным, заряд и масса электрона равны [c.27]

    Ионы в газовой фазе. Разрядные трубки, катодные лучи, опыт Милли-кена, отношение заряда электрона к его массе ejm и заряд электрона е. Масс-спектрометрия. [c.13]

    Совершенствуя методы возбуждения газов для получения их спектров, Крукс (1879) открыл так называемые катодные лучи, вызывающие фосфоресценцию веществ и распространяющиеся от катода к аноду. Дж. Томсон (1896—1897) изучил природу этих лучей и доказал, что они представляют собой поток электронов, вылетающих из катода со скоростью, близкой к скорости света.

Ему также удалось найти отношение заряда к массе для электрона которое оказалось очень большой величиной (после уточнения 1,7588-10″ Кл/кг). Позднее, после работ Милликена, эта величина была использована для определения массы электрона и, таким образом, были получены его основные характеристики заряд 6=1,60210-10 Кл и масса покоя /п = 9,1091 — 10 кг. [c.

27]

    Из ионного источника пучок, содержащий ионы попадает в поле магнитного анализатора 4. Ионы отклоняются в магнитном поле на определенный угол в соответствии с отношением заряда к массе, и число их регистрируется при помощи вторичного электронного умножителя 5. Малый магнитный анализатор 6 служит для выделения пучка ионов А . [c.26]

    Поток излучаемой при радиоактивном распаде радия энергии неоднороден и его можно разделить электрическим или магнитным полем по методу Томсона. На рис. 6 показан препарат радия, помещенный в изолирующую свинцовую ампулу с тонким отверстием, через которое выходит излучение.

Это общее излучение, попадая в конденсатор, разделяется в нем на три части у-лучи не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полем, -лучи отклоняются к положительной пластине конденсатора очень сильно, а а-лучи отклоняются немного к отрицательной пластине конденсатора, так как отношение заряда к массе у них значительно меньше, чем у электронов. [c.30]

    Из ионного источника пучок, содержащий ионы R+, попадает в поле магнитного анализатора 4. Ионы R+ отклоняются в магнитном поле на определенный угол в соответствии с отношением заряда к массе, и число их регистрируется при помощи вторичного электронного умно- [c.21]

    Масс-спектры состоят из линий, соответствующих осколкам молекул с определенным отношением их массы к заряду. Эти осколки образуются в ионизационной камере масс-спектрометра в результате действия электронного удара. Затем ионизированные осколки и ионы ускоряются в магнитном поле, причем величина отклонения пучка ионов зависит от отношения массы осколка или [c.122]

    Дж. Дж. Томсон (1897) установил, что отношение заряда (е) к массе (т) электрона е/т не зависит от вещества катода, от химического состава газа и условий опыта. Это доказывало, что природа электронов одна и та же независимо от природы вещества они являются структурными единицами атомов всех элементов. [c.48]

    Составные части атома — электроны и ядро. Как уже указывалось, атомы химических элементов состоят из ядра и движущихся вокруг него электронов. Свойства электронов были изучены после того, как во второй половине прошлого века удалось получить потоки этих частиц.

Вначале была измерена величина отношения заряда электрона к его массе е т . Эта величина определяется по отклонению узкого пучка электронов в электрическом и магнитном полях. Впервые такие измерения были проведены в 1897 г. Дж. Дж.

Томсоном (Англия) конструкция использованного им прибора схематически изображена на рис. 2. В настоящее время аналогичные устройства — электроннолучевые трубки — широко используются (например, в телевизорах). Теория данного метода кратко рассмотрена в приложении 1 (См. стр. 288).

С помощью этих экспериментов было найдено- е т = = 5,273 10 эл.-ст. ед./г. [c.10]

    Летящий электрон отклоняется от прямолинейного пути и электрическим и магнитным полями. Изучение характера этих отклонений позволило установить величину отношения заряда электрона к его массе (е/т). Зная заряд, можно было затем найти и массу электрона она равна 9,11-10-2 g Радиус электрона оценивается в [c.71]

    По отклонению потока заряженных частиц в разрядных трубках в электрическом и магнитном полях удавалось оценить отношение заряда к массе электронов. Было показано, что носители тока в металлах являются электронами [c.540]

    Сила, действующая на ион между этими пластинами, пропорциональна величине +ге, выражающей заряд иона (г —число недостающих электронов), а инерция иона пропорциональна его массе М. Величина отклонения, следовательно, определяется значением ге/М —отношением заряда иона к его массе. [c.87]

    Элементарный заряд Отношение заряда электрона к его массе Массы атомов водорода дейтерия гелия [c.625]

    Опишите эксперименты, на основании которых было определено отношение величины заряда электрона к его массе ejm, а также заряд электрона е  [c.66]

    Масс-спектр состоит из отдельных полос, высота которых соответствует относительному содержанию определенных ионов анализируемого соединения как функции массы [13, 14].

Эти ионы несут информацию о молекулярной массе и наиболее электронно-стабильных фрагментах исходной молекулы. По таким специфическим фрагментам можно, основываясь на атомной структуре, охарактеризовать молекулу анализируемого соединения. Па рис.

5-6 представлен масс-спектр ацетона, полученный при ионизации электронным ударом. В масс-спектре имеются полосы, соответствующие Отношениям масса/заряд (т/г) 15 и 43. Эти ионные осколки представляют собой осколки исходной молекулы ацетона (т/г 58).

Показано [14-16], что спектры, получаемые посредством электронного удара, воспроизводимы и специфичны для большинства органических соединений. [c.82]

    Было найдено, что за пределы стеклянной трубки катодные лучи не выходят и что наиболее характерным их свойством является способность отклоняться от прямолинейного пути в магнитном и электрическом полях.

Эта способность указывает на то, что катодные лучи представляют собой ноток очень быстро движу-1Щ1ХСЯ отрицательно заряженных частиц, получивших (в 1891 г.) название электронов и обозначаемых буквой е.

Весьма тщательно проведенные измерения отклонений катодного луча в электрическом и магнитном поле позволили определить для электронов отношение заряда е к массе т , которое оказалось равным 5,273 х X101 .

величина почти в 2000 раз больше отношения заряда к массе самого маленького иона — иона водорода, которая равна 96500 к г. После того как была определена наименьшая порция электрического заряда (как отрицательного, так и положительного), Нашли, что электрон имеет заряд 1,60-10 к. [c.29]

    В своей работе Друде пользовался отношением заряда электрона к его массе, потому что в то время еще не были известны истинные вели-чи1ш заряда и массы электрона. Термин электроны дисперсии применяется для обозначения тех электронов, на которые воздействуют электромагнитные волны света (14, 18, 44], вследствие чего замедляется распространение этих волн. [c.251]

    Масс-спектрометрия (см. разд. 1.9) используется для определения массы атомов из отношения mil (масса/заряд) ионизированных атомов. Молекулы также дают масс-спектры.

Ионизирующий пучок электронов выбивает электрон из молекулы М, превращая ее в ион М» «. Отношение mjl для этого иона дает мапекулярную массу соединения.

Точность определения величины m/Z такова, что позволяет различить частицы с одинаковым массовым числом, но разной молекулярной массой  [c.746]

    Электроны как отдельные частицы исследовались физиками, занимавшимися изучением электрических разрядов в разреженных 1азах при больших напряжениях. Катодные лучи представляют собой пучок электронов, оторванных от атомов газа. Дж. Дж.

Томсон, изучая отклонение катодных лучей в электрическом и магнитном полях показал, что эти лучи образованы отрицательно заряженными частицами, и измерил отношение заряда этих частиц к их массе. Милликен завершил эти исследования, поставив опыт с капельками масла, благодаря которому удалось измерить заряд электрона.

В сочетании с результатами Фарадея это позволило вычислить число Авогадро, т. е. число электронов, составляющих 1 Г заряда, или число частиц в моле любого вещества.

Масс-спектрометр, потомок газоразрядных трубок Крукса и Томсона, представляет собой современный акаля тический прибор, в котором измеряется отношение заряда к массе любой атомной или молекулярной частицы, несущей на себе электрический заряд. [c.54]

    Дж. Дж. Томсон вьгаислил отношение заряда к массе электрона, наблюдая отклонение пучка электронов электрическим и магнитным полями. Современным развитием прибора Томсона является а) сцинтил-ляционный счетчик, б) масс-спектрометр, в) счетчик Гейгера, г) инфракрасный спектрометр. [c.583]

    Первый масс-спектрометр был сконструирован Демпсте-ром Б 1920 г. [3]. В этом приборе применен источник ионов, разработанный Ниром, в котором положительные ионы возникали в результате бомбардировки молекул электронами.

Этот тип источника обеспечивал образование ионов с примерно одинаковой небольшой кинетической энергией. Ускорение ионов происходило за счет большой разности потенциалов ионы проходили через щель.

Таким образом, получался пучок, в котором все ионы обладали близкой по величине кинетической энергией.

Пучок ионов отклонялся на 180° магнитным полем, расположенным перпендикулярно направлению движения ионов, и отклоненные ионы фокусировались на щель, через которую могли проходить только ионы с определенным отношением массы к заряду. Масс-спектрометры с таким разделением ионов относят к приборам статического типа (рис. 1). [c.6]

    Масс-спектры состоят из линий, соответствующих осколкам молекул с определенным отношением их массы к заряду. Эти осколки образуются в ионизационной камере масс-спектрометра в результате действия электронного удара. Затем ионизированные осколки и ионы ускоряются в.

магнитном поле, причем угол отклонения пучка ионов зависит от отношения массы осколка или иона М к его заряду е. Ионные токи, обусловленные каждым пучком ионов, пос- ле усиления регистрируются самописцем.

Положение линий на шкале масс и их относительная интенсивность являются важными характеристиками масс-спектра данного соединения. Масс-спектры изомеров различаются по относительной интенсивности линий. Относительный спектр масс хорошо воспроизводится.

Все это обуслов- ливает успешное применение масс-спектров для однозначной идентификации соединений, в том числе и изомеров. [c.196]

    БЕТА-ЛУЧИ (Р-лучи) — излучение, состоящее из электронов (или позитронов) и образующееся при -распаде радиоактивных изотопов. При наличии электрических зарядов Б.-л.

под действием электрического и магнитного полей отклоняются от прямолинейного направления, что используется для определения отношения заряда частиц к их массе. Скорость частиц Б.-л. близка к скорости света. Б.-л. ио.

чизируют газы, вызывают химические реакции, люминесценцию, действуют на фотопластинки и т. д. [c.44]

    По отклонению потока заряженных частиц в разрядных трубках в электрическом и магнитном полях удавалось оценить отношение заряда к массе электронов. Было показано, что носители тока в металлах являются электронами и имеют то же отношение заряда к массе (эффект Толмена — возникновение электродвижущей силы в заторможенной катушке и эффект Холла — [c.421]

    Р. Милликен определял заряд весьма малых капель, изучая равновесие их в электрическом поле конденсатора. Оказалось, что заряд их равен или превышает величину, являющуюся наименьшим зарядом (е = 4,8Ы0 СО8Е), и кратен ей.

Измерение отношения заряда к массе ионов в разрядных трубках показало, что носители положительного заряда всегда имеют массу, значительно превышающую массу электрона. Оказалось, что наименьшей массой среди положительных ионов обладает протон.

Среди носителей отрицательного заряда выделяется электрон, масса которого в 1839 раз меньше массы протона. [c.422]

    При Р-распаде в ядре происходит следующее нейтргн превращается в протон, а электрон выбрасывается.

В ядре атома вместо нейтрона появляется протон, заряд ядра увеличивается на единицу, элемент смещается в периодической системе на одну клетку вправо.

Отношение атомной массы к числу протонов в продукте распада при этом уменьшается, что приводит к упрочению ядра атома. Эти изменения происходят до [c.42]

    Электрическая постоянная Отношение заряда электрона к его массе В тексте использованы следующие коэффициенты перехода между единицами энергии 1 кал = 4Д84 Дж  [c.4]

    Изучение прохождения электрического тока через разреженные газы показало, что возникающие при этом катодные лучи состоят из потока электронов, исходящих от катода.

По отклонению катодных лучей в магнитном поле определили отношение заряда электрона к массе, а затем и массу электрона.

Она оказалась равной 9,1 10 г, что составляет Visa массы самого легкого атома — водорода. [c.64]

    Исследования с круксовыми трубками, определение отношения заряда электрона к его массе е/т и, наконец, установление Милликеном заряда электрона г позволили прочно обосновать понятие электрона. Хотя измеренное значение величины заряда электрона найдено равным 4,80-10 эл.-ст. ед.

, его обычно рассматривают как единицу отрицательного электрического заряда и приписьшают ему значение -1. Эта единица электрического заряда играет чрезвычайно важную роль при обсуждении строения атома и химических соединений, а также большей части их химических свойств.

Перейдем теперь к рассмотрению других элементарных частиц, входящих в состав атома, а именно протона и нейтрона. [c.59]

    Протон был открыт с помощью прибора, подобного использованному Томсоном для измерения отношения заряда электрона к его массе е/т (см. рис. 4.4). На существование протона указывали результаты некоторых опытов при исследовании радиоактивности (см. разд. 4.4), и приблизительно к 1920 г. были установлены его название и свойства.

При применении такой же комбинации электрического и магнитного полей, какая показана на рис. 4.4, пучок положительно заряженных частиц отклоняется подобно тому, как это происходит с электронами. Вместо простого катода, эмиттирующего электроны, в данном случае применяется источник положительных ионов, пучок которьЕс затем проходит через трубку.

Простейшие положительные ионы, полученные таким образом, образовывались из водорода, и эти ионы водорода Н впоследствии оказались положительно заряженными частицами, несущими единичный положительный заряд и называемыми протонами.

Установив из указанных экспериментов величину отношения заряда протона к его массе и предполагая, что заряд протона равен по величине, но противоположен по зна- [c.59]

Источник: https://www.chem21.info/info/1221510/

Определение отношения заряда электрона к его массе

Как определить отношение заряда иона к его массе...

Нижегородский Государственный университет им. .

Высшая школа общей и прикладной физики.

Лабораторная работа по общей физике № 26.

Определение отношения заряда электрона к его массе.

В работе с помощью электронно-лучевой трубки измеряется отношение заряда электрона к его массе (так называемый удельный заряд). Измерения производятся двумя способами: с помощью отклонения электронного пучка магнитным полем Земли и с помощью фокусировки электронного пучка продольным магнитным полем.

1. Движение электронов в электрическом и магнитном полях.

Характер движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях определяется как свойствами самих частиц, так и свойствами полей, в которых происходит это движение.

Изучение характера движения позволяет решать два вида задач: изучать свойства частиц по их движению в известных электрических и магнитных полях и изучать свойства этих полей по движению в них заряженных частиц, характеристики которых известны.

При движении частицы в электрическом и магнитном полях на нее, как известно, действует сила Лоренца:

, (1)

где e и V – заряд и скорость частицы, E – напряженность электрического поля, B – индукция магнитного поля и c – скорость света. Все единицы здесь и в дальнейшем выражены в единицах системы СГС (эту систему еще называют системой Гаусса).

По второму закону динамики:

. (2)

Уравнение (2) связывает между собой параметры частицы – массу m и заряд e, а также параметры полей B и E с характеристиками движения частицы– скоростью V и ускорением . Из уравнения (2) нельзя определить непосредственно заряд и массу частицы, но можно определить отношение заряда к массе, если известны параметры полей и характер движения частицы в этих полях.

2. Устройство электронно-лучевой трубки.

Устройство электронно-лучевой трубки приведено на рис. 1.

Она представляет собой стеклянный баллон, откачанный до высокого вакуума, в котором помещены следующие электроды: Н – нить накала, К – катод, М – модулятор или управляющий электрод, АI – первый или фокусирующий анод, АII – второй или ускоряющий анод, BI, BII – вертикально отклоняющие пластины, ГI, ГII – горизонтально отклоняющие пластины.

На переднюю стенку трубки с внутренней стороны нанесен специальный флюоресцирующий слой, называемый экраном, который может светиться в месте попадания на него электронного пучка.

Электрический ток, проходя по нити накала, разогревает катод, который, в свою очередь, начинает испускать электроны.

На модулятор, представляющий собой цилиндр, окружающий катод и имеющий отверстие в донышке, подается небольшой отрицательный потенциал относительно катода.

Регулируя величину этого потенциала, можно менять интенсивность потока электронов, вылетающих из отверстия модулятора, а следовательно, и яркость пятна на экране.

Далее расположены аноды I и II, на которые подаются положительные потенциалы относительно катода для ускорения электронов и формирования электронного пучка. Подбором потенциалов на анодах создается такая конфигурация электрического поля, при которой пучок электронов, вылетевший из диафрагмы анода II, фокусируется в точку на поверхности экрана.

Действие этих полей аналогично, до некоторой степени, действию оптических линз (в электронной оптике эту систему называют электростатической линзой). Начальной скоростью вылета электронов из катода можно пренебречь, поэтому скорость электронов на выходе из анода II определяется полной пройденной ими разностью потенциалов, т. е.

потенциалом на аноде II по отношению к катоду. После диафрагмы анода II пучок электронов проходит между вертикально и горизонтально отклоняющими пластинами и, если между ними нет электрического поля, попадает в центр экрана, образуя на нем светящееся пятно (точку). Фокусировка пятна регулируется изменением конфигурации электрического поля.

В частности, при постоянном потенциале анода II фокусировка осуществляется подбором потенциала анода I.

Если теперь между одной из пар отклоняющих пластин создать электрическое поле, то электроны будут отклоняться от оси трубки и двигаться по кривой, а по выходе из поля пластин продолжат движение по касательной к этой кривой в крайней точке, как это показано на рис. 2. При этом светящееся пятно на экране трубки сместится относительно центра, однако фокусировка не нарушится, так как все электроны находятся в одинаковых условиях.

Вычислим величину смещения, полагая, что поле между пластинами однородно и полем рассеяния можно пренебречь.

Если обозначить скорость движения электронов по выходе из анода II через Vx, то она может быть определена из условия равенства кинетической энергии электрона совершенной над ним работе сил электрического поля, т. о.: , где m и e – масса и заряд электрона, а Ua – потенциал анода II. Отсюда .

Во время прохождения электрона между отклоняющими пластинами на него будет действовать сила, направленная по оси у и равная , где U0 – разность потенциалов между пластинами, а d – расстояние между пластинами. Сила Fy сообщит электрону ускорение .

Если начало координат выбрать так, как указано на рис. 2, то уравнение движения электрона в пространстве между пластинами примут вид: ; . Исключив из них время, можно найти уравнение траектории движения: , которое, очевидно, является уравнением параболы, проходящей через начало координат.

Смещение пятна от центра экрана b может быть определено по углу наклона касательной в крайней точке α и по расстоянию между экраном и точкой пересечения этой касательной с осью x. Из рис. 2 видно, что, но ; тогда .

Отношение смещения пятна к приложенному к пластинам напряжению называется чувствительностью трубки и измеряется обычно в миллиметрах на вольт: .

Для того, чтобы знать, от какой точки между пластинами отсчитывается расстояние L, нужно определить расстояние r от конца пластин до пересечения касательной с осью x.

, а . Подставляя теперь значение tg α, можно получить, что , т. е. расстояние L следует отсчитывать от середины пластин до экрана.

Чувствительность трубки зависит от размеров электродов и потенциала анода II.

Горизонтальные и вертикальные пластины находятся на разных расстояниях от экрана и могут иметь различные размеры, поэтому и чувствительность трубки по горизонтали и вертикали, как правило, несколько различна. Подавая на обе пары пластин соответствующие напряжения, можно перемещать электронный пучок в любую точку экрана.

Если на одну из пар отклоняющих пластин подать переменное напряжение, а вторую замкнуть накоротко, то след пучка на экране, двигаясь по прямой, перпендикулярной пластинам, будет совершать колебательное движение, за которым можно проследить, если период этих колебаний достаточно велик. При высоких частотах проследить за движением пятна невозможно, и на экране видна лишь прямая линия, длина которой пропорциональна двойной амплитуде подводимого напряжения.

3. Определение удельного заряда электрона с помощью электронно-лучевой трубки.

Основными характеристиками, определяющими свойства электрона, являются его масса m и заряд e. Существует ряд методов, позволяющих с большой точностью определить заряд электрона (Какие способы определения заряда электрона вам известны?). Таким образом, возможность определения удельного заряда электрона, т. е. отношения его заряда к массе, приобретает особый интерес.

Некоторые способы определения удельного заряда электрона могут быть осуществлены при помощи электронно-лучевой трубки, если в ней удастся создать известные электрические и магнитные поля.

а) Метод отклонения электронного пучка в известных полях.

В этом методе отношение заряда электрона к его массе определяется по отклонению ускоренного в заданном электрическом поле пучка электронов известным магнитным полем, перпендикулярном направлению движения электронов.

В качестве такого известного поля может быть использовано магнитное поле Земли BЗ. Если поле BЗ направлено перпендикулярно плоскости чертежа так, как это показано на рис.

3, а электроны вылетают из диафрагмы второго анода со скоростью, направленной по оси х, то на электроны будет действовать сила, всегда лежащая в плоскости чертежа.

.

Эта сила перпендикулярна скорости движения электрона V и направлению магнитного поля и не будет изменяться по величине. Под действием этой силы электрон будет двигаться по окружности радиуса R, также лежащей в плоскости чертежа, с постоянной линейной скоростью, равной скорости вылета из второго анода, т. е. Vx. Из второго закона динамики:

и, следовательно, .

Радиус окружности R может быть найден по отклонению K пятна на экране трубки (см. рис. 3):

; , где L1– расстояние от второго анода до экрана. Как известно из предыдущего параграфа . Подставив эти значения в выражение для удельного заряда и учтя, что K

Источник: https://pandia.ru/text/78/034/18893.php

Biz-books
Добавить комментарий