Элементарные частицы в виде корпускул и волн и модель атома (151227)

Посмотреть архив целиком

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра электронной техники и технологии








РЕФЕРАТ

На тему:

«ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ В ВИДЕ КОРПУСКУЛ И ВОЛН И МОДЕЛЬ АТОМА»















МИНСК, 2008


Введение


Принцип действия электронных, ионных и полупроводниковых приборов базируется на движении свободных частиц, которые благодаря своему заряду подвержены воздействию со стороны электрических и магнитных полей. Различают четыре группы частиц, используемых в этих приборах, а именно: электроны, ионы, нейтральные атомы, или молекулы, и кванты электромагнитного излучения (фотоны, кванты рентгеновского и γ-излучения); свойства этих частиц и их поведение определяют принцип действия прибора.



1. Основные сведения об элементарных частицах


1.1. Электрон.


Заряд е=1,6*10-19 к (в уравнения подставляется положительная величина).


Масса m=9,1*10-28 г.

e/m=1,76*108 к/г, или (в технической системе единиц) e/m≈1,8*1015 см2/в*сек2.

m/mH=1/1835 (mH - масса атома водорода).

Радиус r ≈ 10-13 см.

Энергия Ek = 1/2 mv2 = eU.

Скорость

, км/сек. (1)


1.2. Ионы


В качестве примера приведены данные для иона Н+, иона Не+ и иона Hg+.

Скорость иона можно определить из уравнения (1), если вместо m подставить массу иона mi, а вместо элементарного заряда е заряд иона qi (положительный).


Ион

Заряд* qi, к

Радиус ri, см

Масса mi, г

qi/mi, к/г

Н+

Не+

Hg+

1,6*10-19

1,6*10-19

1,6*10-19

1,09*10-8

1,10*10-8

1,80*10-8

1,68*10-24

6,67*10-24

3,31*10-24

9,53*104

2,4*104

0,048*104


* Для однозарядных ионов; у многозарядных ионов заряд в кратное число раз больше.


1.3. Кванты излучения


(Оптическое, рентгеновское и радиоактивное излучение)


«Масса» mф = Еф2 = hλ, Вт*сек3/см2 *.

Энергия Eф = hv = hc/λ = eUф; отсюда следует:


, в; λ[Å]. (2)


Постоянная Планка h = 6,625*10-34 вт*сек2; v - частота, Гц; с - скорость света, см/сек; λ - длина волны, см, или Å; = c, Uф - вольт-эквивалент энергии фотона, в.

Энергия квантов оптического излучения в инфракрасной области равна примерно 10-3 – 1,5 эв **, в видимой области 1,5 - 3,3 эв; в ультрафиолетовой области 3,3 - 102 эв.

Энергия квантов рентгеновского излучения равна 0,1 - 1 000 кэв.

Энергия β - и γ-излучения радиоактивных материалов от 0,01 до 10 Мэв [Со60 (γ): 1,33 Мэв, Sr90 (β): от 0,6 до 2,2 Мэв, Т3 (тритий) (β) : 0,018 Мэв].

Энергия космических лучей от 103 до 1012 Мэв.



2. Представление элементарных частиц в виде корпускул и волн


Основные сведения об элементарных частицах, приведенные в разделе А, могут быть получены с помощью достаточно простых экспериментальных устройств.


2.1. Некоторые экспериментальные методы определения заряда, массы и длины волны электрона


Определение заряда электрона е. Заряд электрона (элементарный заряд) е может быть определен посредством следующего опыта (опыт Милликена). В микроскоп наблюдают за движением помещенной между обкладками конденсатора частицы, заряженной одним или несколькими элементарными зарядами. Как видно из рис. 1, отрицательно заряженная в дуговом разряде капля масла помещается в воздухе между обкладками горизонтально расположенного конденсатора, к которым приложено напряжение. На каплю действуют сила тяжести Мg (М - масса масляной капли, g - ускорение силы тяжести) и в противоположном направлении сила со стороны приложенного поля еЕ и сила сопротивления воздуха 6πηiav, где ηi - коэффициент вязкости воздуха, a - измеренный радиус частиц.

Отсюда для случая равновесия (когда частица неподвижна, v = 0) справедливо соотношение


; ; (3)

е [а*сек], М [вт*сек3/см2], g [см/сек2], d [см], U [в], Е [в/см].


В этом равенстве g, d и U известны.


Рис. 1. Конденсатор Милликена для определения элементарного заряда.

1 - нейтральная капля масла (заряжается в дуге); 2 - падающая положительно заряженная капля масла (заряжается положительно в дуговом разряде или в результате фотоэффекта); 3 - отрицательно заряженная капля масла (отрицательный ион или электрон); 4 - положительно заряженная капля масла (положительный ион); 5 - дуга; 6 - обкладка конденсатора; 7 - источник света.


Масса М частицы может быть найдена, если знать скорость падения частицы v в незаряженном конденсаторе:


M = 6πηiav/g;


Таким образом, из (3) может быть найдена величина элементарного заряда е .

Если каплю масла, находящуюся в равновесии, подвергнуть облучению ультрафиолетовым светом, то вследствие внешнего фотоэффекта она может отдать свой заряд. При этом внезапный подъем или внезапное падение такой частицы в конденсаторе является доказательством квантовой природы заряда, освобожденного светом, и тем самым атомистической природы электричества.

Определение массы электрона m по давлению электронного луча. Величину массы электрона можно определить путем измерения силы, с которой действует электронный луч на электрод в вакууме. Этой силе противодействует измеряемая на опыте сила закручивания нити, на которой подвешен бомбардируемый электронами электрод (рис. 2). При равновесии нити обе силы уравновешиваются. Сила F, с которой действует поток электронов на электрод, равна изменению полного импульса всех электронов, ударяющихся в единицу времени об электрод. Если mv - импульс одного электрона и он полностью передается электроду, то


,

откуда

(4)


где Iэлектронный ток на электрод, U - анодное напряжение и I - число электронов, достигающих электрода в единицу времени.


Рис. 2. Схема установки для определения массы электрона по давлению электронного луча.

1 - катод; 2 - анод; 3 - бомбардируемый электрод; 4 - электронный луч.


Если в уравнение (4) подставить численные значения для e и m, то получим:


[Г]*, I[a], U[в] (4a)


Примеры и применения. Определение силы, с которой действует электронный луч на анод в рентгеновской трубке, применяемой в медицине (с электрическими параметрами I = 1 а, U = 250 кв); согласно равенству (2.4а) сила F = 0,175 Г.

Определение силы воздействия протонов в космотроне (масса mH; m/mH = 1835) при I = 1 а и U = 3*109 в сила F = 800 Г (в течение 10-7 сек).

Определение силы тяги космического корабля (с плазменным ионным двигателем на ионах цезия (mCs/m = 5*102); при токе I = 103 а и напряжении U = 104 в сила тяги Fs ≈ 17 кГ. Если F известно, то, подставляя остальные данные в уравнение (4), можно определить неизвестную массу атома.


Методы определения удельного заряда электрона е/m.


а) Метод торможения вращающейся проволочной катушки. Согласно Толману и Стюарту в движущемся твердом теле (например, в катушке из проволоки, вращающейся вокруг оси с большой скоростью, рис. 3) при его внезапном затормаживании вследствие инерции электронов возникает импульс тока.

Изменение механического импульса электронов проводимости Mev, возникающее при торможении тела до полной остановки в течение времени t2t1 приводит к появлению импульса тока . Так как


, то

или

, (4б)


где R, ом - сопротивление проволочной катушки; l, см - ее длина; v, см/сек = 2πrn - линейная скорость вращения катушки; n, 1/сек - число оборотов катушки в секунду; e, а*сек - заряд электрона; Мe, вт*сек3/см2 - полная масса всех движущихся электронов; I, а - мгновенный ток; Fe, вт*сек/см - сила инерции всех электронов в катушке.

Измеряя баллистическим методом величину , можно рассчитать значение е/Мe и, зная полное число квазисвободных электронов в катушке, найти величину отношения e/m.


Рис.3. Схема метода определения отношения заряда электрона к его массе (е/m) при резком торможении вращающейся проволочной катушки.

1 - гальванометр; 2 - вращающаяся катушка.


б) Метод электроннолучевой трубки, помещенной в поле земного магнетизма. На электронный луч с силой тока I действует со стороны магнитного поля с индукцией В отклоняющая (центростремительная) сила, равная Fц = [IxB].

При сечении электронного луча, равном 1 см2, концентрации электронов n и скорости электронов v0, выражение для плотности тока j имеет вид:


(5)


(j [а/см2], n [1/см2], e [а*сек], v0 [см/сек]).

Сила, действующая на один электрон (n=1), равна:


Fц = e [v0 x B] или Fц = ev0Bsin α (6)


(Fц [вт*сек/см], е [а*сек], v0 [см/ сек], В [в*сек /см2], α - угол между векторами v0 и В). Направление силы совпадает (в случае положительно заряженной частицы) с направлением поступательного движения винта с правой резьбой, когда направление его вращения совпадает с направлением поворота вектора v0 по кратчайшему пути к вектору В. Направление силы, действующей на отрицательно заряженную частицу, будет противоположным.

В однородном магнитном поле (B0 = const) при v0 = const сила Fц будет постоянной. Если, кроме того, векторы v0 и В взаимно перпендикулярны, то частица будет двигаться по кругу. Радиус круга может быть найден из условия, что “магнитная” центростремительная сила Fц равна центробежной силе Fz:


Случайные файлы

Файл
89913.rtf
36019.rtf
187184.rtf
29678.rtf
70619-1.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.