Вимірювання функції розподілу атомів срібла методом Штерна-Ламмерт

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Федеральне агентство з освіти

Волзький політехнічний інститут (філія) Державного освітньої установи вищої професійної освіти

"Волгоградський державний технічний університет"

Кафедра (СОТ).

Реферат

На тему: Вимірювання функції розподілу атомів срібла методом Штерна - Ламмерт

Виконав:

студент групи ВМ-236

Новіков Р.А.

Перевірив:

к.т.н., доцент Авілов А.В.

Волзький 2010

Зміст

Введення

1. Фізичні основи вимірів

2. Конструктивні особливості методу

3. Альтернативні способи вимірювання

Список використаної літератури

Введення

Молекулярно-кінетична теорія - розділ молекулярної фізики, що вивчає властивості речовини на основі уявлень про їх молекулярній будові і певних законах взаємодії між атомами (молекулами), з яких складається речовина. Вважається, що частинки речовини знаходяться в безперервному, безладному русі і це їх рух сприймається як тепло.

До 19 ст. вельми популярною основою вчення про тепло була теорія теплороду або деякої рідкої субстанції, що перетікає від одного тіла до іншого. Нагрівання тел пояснювалося збільшенням, а охолодження - зменшенням міститься всередині них теплорода. Поняття про атоми довго здавалося непотрібним для теорії тепла, однак багато вчених вже тоді інтуїтивно пов'язували тепло з рухом молекул. Так, зокрема, думав російський учений М. В. Ломоносов. Минуло чимало часу, перш ніж молекулярно-кінетична теорія остаточно перемогла в свідомості вчених і стала невід'ємним надбанням фізики.

Розподіл молекул за швидкостями. Для газу, що знаходиться в замкнутому посудині, результатом численних зіткнень молекул між собою і зі стінками посудини, є досить швидке встановлення універсального розподілу молекул за швидкостями, яке було теоретично отримано Максвеллом у 1860. На рівні макроскопічного опису газу максвеллівською розподілу молекул за швидкостями відповідає стан теплової рівноваги в газі: тиск і температура у всіх місцях усередині судини виявляються однаковими.

Молекули газу навіть у рівновазі рухаються безладно, стикаючись між собою і зі стінкою судини, безперервно змінюючи свою швидкість. Це означає, що в кожний момент часу в газі є молекули, які мають самі різні швидкості. Разом з тим, оскільки тиск і температура в газі залишаються постійними, то, як би не змінювалася швидкість молекул, середнє значення її квадрата залишається постійним. Це виявляється можливим лише за наявності незмінної в часі і однакового у всіх частинах посудини розподілу молекул за швидкостями.

У 1920-х з'явилася реальна можливість експериментальної перевірки максвеллівський закону розподілу швидкостей молекул. Перший прилад для цих цілей, що складався з двох коаксіальних циліндрів, був сконструйований німецьким фізиком Штерном. По осі приладу була натягнута нагрівається електричним струмом платинова нитка, з поверхні якого випаровувалися атоми срібла. В умовах створеного всередині приладу вакууму вузький пучок цих атомів, що рухаються в радіальному напрямку, проходив через подовжню щілину на поверхні внутрішнього циліндра і осідав у вигляді вузької вертикальної смужки на поверхні зовнішнього циліндра. Якщо привести весь прилад в обертання, то за час, поки атоми срібла пролітають зазор між циліндрами, прилад встигає повернутися на деякий кут і положення сліду від пучка на зовнішньому циліндрі зміститься щодо первісного. Неважко встановити зв'язок цього зміщення з величиною швидкості в пучку молекул і кутовий швидкістю обертання приладу. Дослідження профілю сліду, який розмивається через наявність розподілу швидкостей в пучку, дозволило встановити якісну картину цього розподілу, яке приблизно відповідало максвеллівською.

1. Фізичні основи вимірі

О. Штерн у 1920 р., скориставшись методом молекулярних пучків, винайденим французьким фізиком Луї Дюною (1911 р.) виміряв швидкість газових молекул і на досвіді підтвердив отримане Д. Максвеллом розподіл молекул газу за швидкостями. (Результати досвіду Штерна підтвердили правильність оцінки середньої швидкості атомів, яка випливає з розподілу Максвелла. Про характер самого розподілу, цей досвід міг дати лише дуже наближені відомості.

Більш точно закон розподілу був перевірений в дослідах Ламмерт (1929 р.), в яких молекулярний пучок пропускався через два обертових диска з радіальними щілинами, зміщеними відносно один одного на деякий кут. Змінюючи швидкість обертання приладу або кут між щілинами, можна виділити з пучка молекули, з різними значеннями швидкості. Результати дослідів Ламмерт та інших досліджень, предпринимавшихся з тією ж метою, знаходяться в повній відповідності з теоретичним законом розподілу швидкостей молекул Максвелла.)

1.1 Прилади та матеріали, необхідні для постановки досвіду, принципова схема установки

Для постановки досвіду з вимірювання середньої швидкості руху молекул О. Штерн спроектував спеціальну установку. Прилад складався з двох жорстко з'єднаних коаксіальних циліндрів з радіусами R і r (рис. 1-3). У внутрішньому циліндрі по осі була розташована платинова нитка А. Досліджуваним газом в досвіді служили розріджені пари срібла. Атоми виходили при випаровуванні шару срібла, нанесеного на платинову нитка, нагрівається електричним струмом. Повітря в малому циліндрі був відкачано, тому що випарувалися атоми срібла вільно розліталися від нитки на всі боки.

Рисунок1. Схема пристрою приладу О. Штерна для вимірювання середньої швидкості руху молекул

Малюнок 2 Схема пристрою приладу О. Штерна для вимірювання середньої швидкості руху молекул (Інтернет школа Просвещеніе.RU-http: / / www.internet-school.ru

Уздовж поверхні внутрішнього циліндра була вирізана вузька щілина С. Поряд з щілиною розташовувалася діафрагма, яка дозволяла "вирізати" з потоку атомів срібла тонкий пучок. Конструкція діафрагми D забезпечувала один і той же напрямок швидкості всім атомам срібла, які потрапляли далі в камеру великого циліндра. Іншими словами, діафрагма фільтрувала атоми, які рухаються тільки в певному напрямку. У вакуумній камері великого циліндра забезпечувалася висока ступінь розрідженості (порядку Па.). Вірогідність зіткнень атомів срібла з молекулами повітря була дуже мала і, отже, була дуже невелика ймовірність будь-які відхилення атомів срібла при їх рівномірному і прямолінійному русі (тобто розсіювання пучка). На внутрішній поверхні зовнішнього циліндра містилася знімна латунна платівка В. Платівка мала кімнатну температуру. На цій платівці в області E атоми срібла, охолодити, осідали у вигляді вузької серебренной смужки. Спеціальним пристроєм установка могла приводитися в обертання навколо власної осі з частотою 25-45 обертів на секунду.

Малюнок 3 Схема установки О. Штерна (вид зверху). При спочиває установці наліт срібла утворюється точно проти щілини C

1.3 Порядок проведення досліду

Дослід проводився в такій послідовності. За платинової нитки, що розташовується по осі малого циліндра, пропускався електричний струм. Нитка нагрівалася практично до температури плавлення срібла Тп = 1234 ° К, і срібло починало випаровуватися. Частина атомів срібла проходило крізь щілину. Відфільтровані діафрагмою, далі вони рухалися по радіальних напрямках до внутрішньої поверхні великого циліндра прямолінійно і рівномірно зі швидкістю, що відповідає температурі платинової нитки. Стінка великого циліндра охолоджувалася так, щоб потрапляють на неї атоми "прилипали" до неї, утворюючи наліт срібла у формі щілини, але трохи більших розмірів. [1, С. 147] Спочатку прилад спочивав, і зображення щілини на екрані (латунної платівці) доводилося саме проти неї самої (рис. 3). Потім прилад приводився в швидке обертання навколо власної осі з частотою 1500 - 2700 об / хв і, результати досвіду істотно змінювалися. Кожен атом, як і раніше рухався прямолінійно, але за час, що було потрібно атому, щоб, пройшовши щілину, долетіти до латунної платівки, остання встигала повернутися на деякий кут, і атом вже прилипав до неї не точно проти щілини, а дещо в стороні [там ж] (рис. 4). Зсув смужки срібла при обертанні установки дозволяло визначити величину швидкості руху атомів срібла та порівняти її зі значенням, отриманим теоретичним шляхом. Спосіб знаходження швидкості атомів срібла був досить простий. Атом, рухаючись зі швидкістю υ, проходив відстань:

(1.3.1)

де R і r - радіуси зовнішнього і внутрішнього циліндрів, а τ - час проходження цієї відстані. Будь-яка точка зовнішнього циліндра за цей час проходила шлях:

(1.3.2)

Вирішуючи ці рівняння спільно, О. Штерн визначив середню швидкість руху атомів:

(1.3.3)

Вимірюючи значення ω, R, r і S можна розрахувати середню швидкість руху атомів срібла при температурі нитки - Тн. Змінюючи температуру розжарення нитки можна знайти температурну залежність швидкості теплового руху атомів.

Малюнок 4 При обертанні приладу за годинниковою стрілкою наліт срібла зміщується.

Товщина нальоту срібла визначалася в досвіді О. Штерна оптичним методом.

1.4 Пояснення даних досвіду з позиції сучасних наукових теорій

Результати досвіду О. Штерна підтвердили справедливість передбаченого Р. Клаузіусом значення швидкості руху молекул газу, послужили яскравим доказом вірності отриманого Д. Максвеллом закону розподілу кількості молекул за швидкостями і з'явилися, в кінцевому рахунку, блискучим свідченням правильності молекулярно-кінетичних уявлень про будову речовини, а також статистичного характеру закономірностей, яким підкоряється поведінка молекулярних систем.

Зобразимо отриманий Д. Максвеллом результат графічно (рис. 5). По осі абсцис відкладемо можливі різні значення швидкостей молекул V і інтервалів цих швидкостей ΔV. По осі ординат відкладемо ΔN / N · ΔV.

Площа густо заштрихованої фігури чисельно дорівнює частці ΔN / N загального числа молекул N зі швидкостями між V і V + ΔV. Площа, обмежена кривою розподілу та віссю абсцис, дорівнює одиниці.

Малюнок 5 Розподіл молекул за швидкостями (Т2> T1) [2]

Криві розподілу молекул за швидкостями мають такі особливості:

  • вони проходять через початок координат,

  • асимптотично наближаються до осі абсцис при нескінченно великих швидкостях,

  • мають максимум,

  • асиметричні (зліва від максимуму криві йдуть крутіше, ніж праворуч).

Те, що крива розподілу проходить через початок координат, означає, що нерухомих молекул у газі немає. З того, що крива при нескінченно великих швидкостях асимптотично наближається до осі абсцис, слід, що дуже великі швидкості молекул малоймовірні. Значення найбільш вірогідною швидкості руху молекул відповідає максимуму кривої розподілу [3, C. 34]. Вид функції розподілу молекул за швидкістю руху, яку Д. Максвелл визначив теоретичним шляхом, якісно збігся з профілем нальоту атомів срібла на латунної платівці у досвіді О. Штерна. Досвід О. Штерна (поряд з досвідом Ж. Перрена) був першим прямим доказом справедливості молекулярно-кінетичної теорії будови речовини. В даний час атомно-молекулярне вчення підтверджено численними дослідами і є загальновизнаним.

1.5 Вдосконалені досліди Штерна

Елдрідж (1927 р.) і Ламмерт (1926-1929) ввели селектори швидкостей, що працюють на принципі зубчастого колеса (як в дослідах Фізо зі світлом). Ідея досвіду схематично зображено на мал.6. Пучок молекул з печі А колліміровался на щілинах і потрапляв на обертові зубчасті диски D1 і D2.

Малюнок 6 Прорізи у зубчатих дисків зміщені на кут

Коли зубчасті диски покояться (не обертаються), то атоми не проходять до реєструючої платівці Р (не осаджуються), оскільки щілину одного диска потрапляє на зуб другого. Коли диски обертаються, то проходять атоми певних швидкостей, тобто тільки ті, які пролетять відстань між дисками за час їх повороту на кут α .. За кількістю атомів, осаджених на пластині Р, можна судити про розподіл молекул по проекції швидкості вздовж напрямку пучка. Недоліком цього методу є те, що до платівки приходять атоми з іншими швидкостями, коли поворот відбувається на великі кути.

Цартман спробував уникнути цього ефекту і удосконалив досліди (рис. 7). З печі коллімірованний пучок атомів попадав на циліндр, що обертається з отвором. При попаданні пучка в отвір молекули осідали на внутрішній стінці циліндра. При цьому у точки А збиралися атоми або молекули з дуже великими швидкостями, а до точки В - повільніші молекули.

Малюнок 7

Якщо діаметр циліндра дорівнює d, то відстань від точки А на стінку циліндра, куди осідають молекули одно:

де v - швидкість молекул, а ω - кутова швидкість обертання циліндра. За почорніння пластини (по числу обложених молекул) можна судити про розподіл молекул за швидкостями.

Всі експерименти отримали результати у згоді з максвеллівським розподілом молекул за швидкостями.

2. Конструктивні особливості методу

Установка складається з двох коаксіальних (що мають одну вісь симетрії) циліндрів між якими створювався вакуум. Уздовж осі циліндрів натягнута платинова нитка, покрита сріблом. При пропусканні через неї електричного струму атоми срібла випаровувалися. У внутрішньому циліндрі вирізувалася щілину через, яку атоми срібла проникали на поверхню зовнішнього циліндра, залишаючи на ній слід у вигляді вузької вертикальної смужки. При приведенні циліндрів в обертання з постійною кутовий швидкістю w слід, що залишається молекулами срібла зміщувався і розмивався. Дійсно, на атоми срібла в неінерційній системі відліку, пов'язаної з обертовими циліндрами діє сила Коріоліса Fк

Fк = 2 · m · [v · w]. (2.1)

Ця сила відхиляє атоми срібла від прямолінійного поширення. Середня величина зміщення атомів Ds дорівнює:

Ds = w · R · Dt = w2 · R / <v>. (2.2)

Вимірявши величину Ds з експерименту, виходячи з формули (14.28), можна знайти середню швидкість руху молекул.

Її значення співпадає з теоретичним значенням, отриманим за допомогою формули Максвелла.

2.1 Коаксіальні циліндри

Коаксіальні циліндри - два вертикальних циліндра, що мають паралельну загальну центральну вісь і різний діаметр, один з яких обертається, а другий нерухомий.

Малюнок 8

2.3 Ва вакуумі

Вакум - середовище, що містить газ при тисках значно нижче атмосферного. Вакуум характеризується співвідношенням між довжиною вільного пробігу молекул газу λ і характерним розміром процесу d. Під d може прийматися відстань між стінками вакуумної камери, діаметр вакуумного трубопроводу і т. д. В залежності від величини співвідношення λ / d розрізняють низький (λ / d 1), середній (λ / d ~ 1) і високий (λ / d 1 ) вакуум.

Також вакуумом називають стан газу, для якого середня довжина пробігу його молекул порівнянна з розмірами посудини або більше цих розмірів.

2.4 Платинова нитка

Платинова нитка - товщина 0,07 - 0,1 мм є чутливим елементом датчика, через неї пропускається електричний струм таким чином, щоб вона нагрівалася до 150 градусів. Чим більше повітря проходить через поперечний переріз трубопроводу, тим сильніше охолоджується нитку. На підтримку температури потрібно збільшення струму. Електронна схема перетворює цей приріст струму в корисний сигнал ДМРВ. Чим холодніше повітря, тим сильніше охолоджується платинова нитка. Платинова нитка боїться бруду. Тому воздухофильтр повинен бути чистим і виготовлений з якісної фільтрувального паперу. Схема датчика забезпечує короткочасний нагрів нитки для вигоряння забруднень - "режим запису".

2.5 Срібло

Срібло Ag, (лат. Argrentum), хімічний елемент I групи періодичної системи Д.І. Менделєєва, атомний номер 47, атомна маса 107,8682. Срібло - метал білого кольору, ковкий, пластичний, добре полірується. Щільність 10,5 г/см3 (відноситься до важких металів), tпл = 960,5 оС, tкип = 2212 оС. Природне срібло складається з двох стабільних ізотопів 107Ag (51,35%) і 109Ag (48,65%), відомі також 14 радіоактивних ізотопів срібла і кілька ізомерів.

2.6 Сі ла Коріол ® са

Сі ла Коріол ® са - одна з сил інерції, що існує в неінерційній системі відліку через обертання і законів інерції, що виявляється при русі в напрямку під кутом до осі обертання.

Сила Коріоліса дорівнює:

(2.3)

де m - точкова маса, ω - вектор кутової швидкості обертається системи відліку, ύ - вектор швидкості руху точкової маси в цій системі відліку, квадратними дужками позначена операція векторного добутку.

Величина називається коріолісовим прискоренням.

2.7 Радіальні щілини

Радіальні щілини, утворені циліндричними співвісними поверхнями, називають циліндричними концентричними щілинами, а з не-співвісними поверхнями - циліндричними ексцентричними щілинами. Радіальні щілини, утворені поверхнями з невеликою конусностью, називають конусними, а якщо осі поверхонь непаралельні, то - щілинами з перекосом осей. Конусні щілини в залежності від того, звужується або розширяється зазор в напрямку витоку, називають конфузорно або діфф-Зорн. Радіальні щілини найбільш часто використовують як передніх і задніх ущільнень закритих робочих коліс роторних гідравлічних машин. З метою підвищення гідравлічного опору застосовують багатощілинну ущільнення. Радіальні щілини широко використовують також як межступен-них ущільнень, в пристроях, що знижують тиск перед основним ущільненням валу, і в пристроях захисту основного ущільнення від абразивного зношування при герметизації рідин з твердими включеннями.

Радіальні і торцеві щілини застосовують в гідравлічних і газових затворах, в розвантажувальних і врівноважити гідравлічних пристроях, опорах ковзання, гідростатичних ущільненнях і підшипниках.

2.8 Азот

Азо т - елемент головної підгрупи п'ятої групи другого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 7. Позначається символом N (лат. Nitrogenium). Проста речовина азот (CAS-номер: 7727-37-9) - досить інертний при нормальних умовах двоатомний газ без кольору, смаку і запаху (формула N2), з якого на три чверті складається земна атмосфера.

2.9 Максвеллівський розподіл молекул за швидкостями

Для газу, що знаходиться в замкнутому посудині, результатом численних зіткнень молекул між собою і зі стінками посудини, є досить швидке встановлення універсального розподілу молекул за швидкостями, яке було теоретично отримано Максвеллом у 1860. На рівні макроскопічного опису газу максвеллівською розподілу молекул за швидкостями відповідає стан теплової рівноваги в газі: тиск і температура у всіх місцях усередині судини виявляються однаковими.

Молекули газу навіть у рівновазі рухаються безладно, стикаючись між собою і зі стінкою судини, безперервно змінюючи свою швидкість. Це означає, що в кожний момент часу в газі є молекули, які мають самі різні швидкості. Разом з тим, оскільки тиск і температура в газі залишаються постійними, то, як би не змінювалася швидкість молекул, середнє значення її квадрата залишається постійним. Це виявляється можливим лише за наявності незмінної в часі і однакового у всіх частинах посудини розподілу молекул за швидкостями.

Максвеллівський розподіл за швидкостями можна вивести кількома різними способами. Вид його може бути, зокрема, встановлений на основі простих міркувань, заснованих на застосуванні так званого принципу детального рівноваги. Потрібно однак попередньо відзначити, що затвердження типу: "Такий-то число молекул в газі має швидкість, наприклад, 100 м / с" - не має конкретного змісту. Не можна точно вказати швидкість якої-небудь групи молекул, але можна говорити про середню числі молекул, швидкості яких знаходяться в деякому малому інтервалі швидкостей dv між значеннями v і v + dv. Число (частка) цих молекул - dn (v) = nf (v) d v, де n - число молекул в одиниці об'єму. Слід нагадати, що швидкість v є вектором, тому функція розподілу f (v), що має сенс функції ймовірності, характеризує розподіл молекул як за абсолютним значенням (модулів) швидкостей, так і за їх напрямками. У декартовій системі координат з осями x, y, z це відповідає уявленню інтервалу швидкостей у вигляді d v = dvx * dvy * dvz. Якщо цікавитися розподілом тільки за модулями швидкості, то в сферичній системі координат

dn (v) = 4p nn2f (v) dv (2.4)

Для виведення максвеллівський розподілу розглядаються дві групи молекул, швидкості яких лежать в інтервалах dv і dvi. У результаті зіткнень молекул першої і другої груп швидкості v і vi зіштовхуються молекул змінюються і переходять в v 'і vi відповідно. Середнє число таких зіткнень, званих прямими зіткненнями, буде пропорційно dndn 1 або

Відповідні їм зворотні зіткнення переводять молекули з інтервалів dv 'і dvi в dv і dv 1. Середнє число зворотних зіткнень пропорційно

(2.5)

Принцип детального рівноваги полягає в тому, що в стані хаотичного руху, відповідного тепловому рівновазі, швидкості прямого і зворотного процесів повинні бути однакові. У даному випадку це відповідає виконанню умови

(2.6)

Можна показати, що твори елементів обсягу в просторі швидкостей для прямих і зворотних зіткнень рівні. Тому написане вище умова переходить у співвідношення

(2.7)

Логарифмування цього співвідношення дає

(2.8)

Отримане рівність означає, що натуральні логарифми функції розподілу є так званими адитивними інваріантами. Вони можуть бути виражені через лінійну комбінацію величин, які зберігаються в парних зіткненнях частинок, а саме маси, імпульсу і кінетичної енергії часток.

(2.9)

Константи a, і c можна визначити через відомі макроскопічні параметри газу - щільність n, швидкість v 0 і температуру T. Тоді в спочиваючому газі (v 0 = 0) максвеллівський розподіл за швидкостями, що випливає з (2.9), має вигляд

(2.10)

Використовуючи цей результат, за допомогою виразу (2.4) можна визначити відносну частку молекул, абсолютні швидкості яких лежать в деякому вузькому інтервалі значень dv,

(2.11)

Вид розподілу dn / ndv, описуваного виразом (2.11), для двох різних температур (T 2> T 1) представлений на рис. 9.

Малюнок 9

Площі під кожної кривої виявляються, очевидно, однаковими, що випливає з нормування на задану щільність частинок n. З представленого графіка видно, що більшість частинок має швидкості, близькі до деякого середнього значення, і лише мале їх число має досить високими або низькими швидкостями. З допомогою розподілу (2.11) можуть бути розраховані такі характеристики як середня, середньоквадратична і найбільш ймовірна швидкість теплового руху молекул, число зіткнень молекул зі стінкою і інші важливі параметри газу.

3. Альтернативні способи вимірювання

3.1 Спін

Будь-яке обертається тіло володіє моментом імпульсу щодо свого центру мас; це власний момент тіла, або спін. Спіновий момент, або просто, спін атома або атомного ядра є характеристикою, аналогічною моменту імпульсу обертового дзиги або гіроскопа. Момент імпульсу твердого тіла, що обертається навколо осі, визначається як сума моментів імпульсів всіх частинок цього тіла відносно тієї ж осі; цей момент дорівнює сумі добутків маси частинки на її швидкість і на найкоротша відстань частинки до осі обертання. Вектор моменту імпульсу паралельний осі обертання і направлений у бік руху гвинта з правою різьбою при такому ж обертанні. Спін атомів і ядер вимірюється в одиницях h/2p, де h - постійна Планка, рівна 6,6261 Ч10-34 ДжЧс. Експериментально встановлено, що в цих одиницях (відповідно до правил квантової механіки) спостерігаються проекції всіх спінів на заданий напрямок приймають або ціле, або напівцілим значення, тобто або 1, 2, 3 ,..., або 1 / 2, 3 / 2, 5 / 2 ,.... Максимальне значення проекції збігається з величиною спина; наприклад, якщо спін ядра j дорівнює 5 / 2, то виміряне максимальне значення проекції спина складе 5 / 2 в одиницях h/2p ДжЧс.

3.2 Магнітний дипольний момент

. Магнітний дипольний момент атома або ядра аналогічний характеристиці стрілки компаса. Він являє собою обертаючий момент, що діє на атом або ядро в магнітному полі. Дипольний момент - векторна величина. Магнітний момент атома зазвичай вимірюють в одиницях магнетону Бора, m0 = еh/4pmc = 9,27 Ч10-24 Дж / ​​Тл, де е - заряд електрона, h - постійна Планка, m - маса електрона і c - швидкість світла. Магнітні ж моменти ядер зазвичай вимірюють в одиницях ядерного магнетону mN, що дорівнює магнетону Бора, поділеному на ставлення мас протона і електрона, а саме mN = 5,051 Ч10-27 Дж / ​​Тл.

3.3 Електричний квадрупольний момент

Електричний квадрупольний момент служить мірою відхилення розподілу електричного заряду ядра від сферичної симетрії. Кількісно він визначається як за умови, що проекція спина ядра максимальна вздовж осі z прямокутної системи координат, початок якої збігається з центром ядра. У цьому виразі Z - заряд ядра, або його атомний номер, z - координата протона в ядрі, r - відстань від протона до центру ядра, а риса над виразом у дужках означає усереднення щільності заряду по всьому ядру. Можна показати, що в сферично симетричному випадку Q = 0.

3.4 Інші моменти

У принципі могли б існувати електричні та магнітні мультипольні моменти будь-якого порядку 2n, де n - нуль або додатне ціле число. Наприклад, у ядер йоду, індію та галію були виміряні магнітні октуполі. Можна показати, однак, що внаслідок квантової природи спина атом або ядро зі спіном j не може мати мультипольних моментів більш високого порядку, ніж n = 2j. Так, атом з j = l / 2 не може мати мультипольних моментів вище дипольного, а атом з j = 0 - навіть дипольного моменту. Проводилися надзвичайно чутливі експерименти по виявленню у ядер електричних дипольних моментів, але поки що знайти їх не вдалося.

3.5 Ефект Зеемана

Один з перших і найбільш потужних методів дослідження атомних моментів був заснований на так званий ефект П. Зеемана, тобто на розщепленні спектральних ліній в зовнішніх магнітних полях. Якщо розрядну трубку, у якій порушується атомне випромінювання, помістити в зовнішнє магнітне поле, то спектральні лінії расщепятся ряд компонент. Відстань між лініями компонент визначається енергією взаємодії атомних моментів із зовнішніми магнітними полями. Оскільки енергія взаємодії залежить від магнітних моментів атомів, виміряний розщеплення дає інформацію про їх величиною. Числом спектральних ліній визначаються значення спина.

Спочатку при вивченні оптичних спектрів атомів останні порушувалися за рахунок зіткнень з електронами в газорозрядних трубках або за рахунок поглинання електромагнітного випромінювання, що виникає в таких трубках. У наші дні атоми часто порушують лазерним випромінюванням.

3.6 Метод молекулярних пучків

Особливо простий, показовий і прямий метод вимірювання атомних магнітних моментів запропонували О. Штерн та В. Герлах в 1921. Він заснований на вимірюванні відхилення атомів, що володіють магнітним моментом, в неоднорідному магнітному полі. В однорідному магнітному полі магнітний момент не відхиляється, тому що на північний і південний полюси атомного магнітика полі діє з однаковою силою. Тому центр мас атома не зміщується, атом може лише процесувати або обертатися навколо свого центру мас. Якщо ж магнітне поле неоднорідне на відстанях порядку розмірів атома, то з-за відмінностей в напруженості магнітного поля на один з полюсів атомного магнітика поле буде діяти сильніше, ніж на іншій, і атом відхилиться під дією різниці цих сил.

В експерименті матеріал нагрівається в печі і його атоми через щілину проходять у вакуумну камеру, де колліміруются в пучок і осідають на платівці. Потім включається неоднорідне магнітне поле, спрямоване впоперек пучка, і реєструється відхилення атомів. Кожному з можливих значень проекції магнітного моменту і спина на напрямок поля повинно відповідати своє відхилення. Відповідне класичній фізиці неперервний розподіл проекцій призвело б до суцільного розмиття сигналу на реєструючої платівці. Але в квантовій механіці припустимі лише певні дискретні проекції, і тому спостерігається картина розщеплюється на дві або кілька ліній, число яких дорівнює 2j + 1, де j - момент імпульсу атома в зазначених вище одиницях. За кількістю компонент 2j + 1 можна визначити момент імпульсу - спін j. Відстань між лініями дозволяє обчислити величину магнітного моменту.

Для вимірювання атомних магнітних моментів були пристосовані також розглядаються нижче резонансні методи молекулярних пучків, і вони дали найбільш точні результати. Точно так само для вимірювання атомних магнітних моментів застосовується метод електронного парамагнітного резонансу, подібний до методу ЯМР

3.7 Висновки з дослідів з визначення атомних моментів

Результати згаданих вище та інших аналогічних експериментів узгоджуються з наступними твердженнями щодо спінових і магнітних моментів атомних структур.

Кожен елемент в атомі має відповідний його руху по беровской орбіті орбітальний момент l. Цей рух електрона по орбіті можна розглядати як круговий струм, в результаті чого виникає магнітний момент, відповідний такого руху.

Величина магнітного моменту, пов'язаного з орбітальним рухом, в класичній механіці була б пропорційна величині орбітального моменту. Але у електрона є ще й власний момент - спін. Зі спіном також повинен бути пов'язаний магнітний момент.

У результаті магнітний момент частинки виявляється пропорційний повного механічного моменту (сумі орбітального і спінового моментів).

Важливо мати на увазі, що моменти - механічні і магнітні - векторні величини. У квантовій механіці розроблені певні способи їх підсумовування та обчислення магнітних моментів атомів.

Список використаної літератури

  1. . Розенбергер, Ф. Історія фізики. Частина 1. Історія фізики в давнину і в середні століття / Ф. Розенбергер; пер. з нім. під ред. І. Сеченова, знову перевірений і перероблений В.С. Гохманов - Л.: ОНТІГТТІ - 1934.

  2. Відкрита фізика. У 2 ч. (CD) / Под ред. С.М. Козел. - М.: ТОВ "Физикон". - 2002 (http://www.physicon.ru/.)

  3. Радченко, І. В. Молекулярна фізика / І.В. Радченко - М.: Наука, 1965.

  4. Велика радянська енциклопедія. Т. 19 .- М.: Радянська енциклопедія, 1975

  5. http://mdito.pspu.ru/nfpk/um17/Shtren.html

  6. http://www.physics.spbstu.ru/forstudents/lectures/ivanov/molec2-4.pdf

  7. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/MOLEKULYARNO-KINETICHESKAYA_TEORIYA.html

  8. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/MOMENTI_ATOMOV_I_YADER.html


Посилання (links):
  • http://www.physicon.ru/
  • http://mdito.pspu.ru/nfpk/um17/Shtren.html
  • http://www.physics.spbstu.ru/forstudents/lectures/ivanov/molec2-4.pdf
  • http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/MOLEKULYARNO-KINETICHESKAYA_TEORIYA.html
  • Додати в блог або на сайт

    Цей текст може містити помилки.

    Фізика та енергетика | Реферат
    75.4кб. | скачати


    Схожі роботи:
    Визначення концентрації атомів в газі методом атомно абсорбційної спектроскопії
    Визначення концентрації атомів в газі методом атомно-абсорбційної спектроскопії
    Ознайомлення з методикою вимірювання твердості за методом Роквелла
    Ознайомлення з методикою вимірювання твердості за методом Брінелля
    Вимірювання роботи виходу електронів методом Кельвіна
    Розвязання задач графічним методом методом потенціалів методом множників Лангранжа та симплекс-методом
    Вимірювання довжини хвилі випромінювання лазера інтерференційних методом
    Вимірювання поверхневого натягу методом лежачої краплі газової бульбашки
    Вимірювання коефіцієнта самодифузії методом Хана з постійним градієнтом магнітного поля
    © Усі права захищені
    написати до нас