Федеральное агентство по образованию
Волжский политехнический институт (филиал) Государственногообразовательного учреждения высшего профессионального образования
«Волгоградский государственный техническийуниверситет»
Кафедра (ВТО).
Реферат
На тему:Измерение функции распределения атомов серебра методом Штерна — Ламмерта
Выполнил:
студент группы ВМ-236
Новиков Р.А.
Проверил:
к.т.н., доцент Авилов А.В.
Волжский 2010
Содержание
Введение
1. Физические основы измерений
2. Конструктивные особенности метода
3. Альтернативные способы измерения
Список используемой литературы
Введение
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯТЕОРИЯ – раздел молекулярной физики, изучающий свойства вещества на основепредставлений об их молекулярном строении и определенных законах взаимодействиямежду атомами (молекулами), из которых состоит вещество. Считается, что частицывещества находятся в непрерывном, беспорядочном движении и это их движениевоспринимается как тепло.
До 19 в. весьмапопулярной основой учения о тепле была теория теплорода или некоторой жидкойсубстанции, перетекающей от одного тела к другому. Нагревание тел объяснялосьувеличением, а охлаждение – уменьшением содержащегося внутри них теплорода.Понятие об атомах долго казалось ненужным для теории тепла, однако многиеученые уже тогда интуитивно связывали тепло с движением молекул. Так, вчастности, думал русский ученый М.В.Ломоносов. Прошло немало времени, преждечем молекулярно-кинетическая теория окончательно победила в сознании ученых истала неотъемлемым достоянием физики.
Распределение молекул поскоростям. Для газа, находящегося в замкнутом сосуде, результатоммногочисленных столкновений молекул между собой и со стенками сосуда, являетсядостаточно быстрое установление универсального распределения молекул поскоростям, которое было теоретически получено Максвеллом в 1860. На уровнемакроскопического описания газа максвелловскому распределению молекул поскоростям соответствует состояние теплового равновесия в газе: давление итемпература во всех местах внутри сосуда оказываются одинаковыми.
Молекулы газа даже вравновесии движутся беспорядочно, сталкиваясь между собой и со стенкой сосуда,беспрерывно меняя свою скорость. Это означает, что в каждый момент времени вгазе есть молекулы, которые имеют самые различные скорости. Вместе с тем, посколькудавление и температура в газе остаются постоянными, то, как бы не меняласьскорость молекул, среднее значение ее квадрата остается постоянным. Этооказывается возможным лишь при наличии неизменного во времени и одинакового вовсех частях сосуда распределения молекул по скоростям.
В 1920-х появиласьреальная возможность экспериментальной проверки максвелловского законараспределения скоростей молекул. Первый прибор для этих целей, состоявший издвух коаксиальных цилиндров, был сконструирован немецким физиком Штерном. Пооси прибора была натянута нагреваемая электрическим током платиновая нить, споверхности которого испарялись атомы серебра. В условиях созданного внутриприбора вакуума узкий пучок этих атомов, движущихся в радиальном направлении,проходил через продольную щель на поверхности внутреннего цилиндра и оседал ввиде узкой вертикальной полоски на поверхности внешнего цилиндра. Если привестивесь прибор во вращение, то за время, пока атомы серебра пролетают зазор междуцилиндрами, прибор успевает повернуться на некоторый угол и положение следа отпучка на внешнем цилиндре сместится относительно первоначального. Нетрудноустановить связь этого смещения с величиной скорости в пучке молекул и угловойскоростью вращения прибора. Исследования профиля следа, который размываетсяиз-за наличия распределения скоростей в пучке, позволило установитькачественную картину этого распределения, которое примерно соответствоваломаксвелловскому.
1. Физические основыизмерении
О. Штерн в 1920 г., воспользовавшись методом молекулярных пучков, изобретенным французским физиком Луи Дюнойе (1911 г.) измерил скорость газовых молекул и на опыте подтвердил полученное Д. Максвелломраспределение молекул газа по скоростям. (Результаты опыта Штерна подтвердилиправильность оценки средней скорости атомов, которая вытекает из распределенияМаксвелла. О характере самого распределения этот опыт мог дать лишь весьмаприближенные сведения.
Более точно законраспределения был проверен в опытах Ламмерта (1929 г.), в которых молекулярный пучок пропускался через два вращающихся диска с радиальными щелями,смещенными относительно друг друга на некоторый угол. Меняя скорость вращенияприбора или угол между щелями, можно выделить из пучка молекулы, обладающимиразличными значениями скорости. Результаты опытов Ламмерта и другихисследований, предпринимавшихся с той же целью, находятся в полном соответствиис теоретическим законом распределения скоростей молекул Максвелла.)
1.1 Приборы иматериалы, необходимые для постановки опыта, принципиальная схема установки
Для постановки опыта поизмерению средней скорости движения молекул О. Штерн спроектировал специальнуюустановку. Прибор состоял из двух жестко соединенных коаксиальных цилиндров срадиусами R и r (рис. 1-3). Во внутреннем цилиндре по оси была расположенаплатиновая нить А. Исследуемым газом в опыте служили разреженные пары серебра.Атомы получались при испарении слоя серебра, нанесённого на платиновую нить,нагревавшуюся электрическим током. Воздух в малом цилиндре был откачан, поэтомуиспарившиеся атомы серебра свободно разлетались от нити во все стороны.
/>
Рисунок1. Схема устройстваприбора О. Штерна для измерения средней скорости движении молекул
/>
Рисунок 2 Схема устройстваприбора О. Штерна для измерения средней скорости движения молекул (Интернетшкола Просвещение.RU -http://www.internet-school.ru
Вдоль поверхностивнутреннего цилиндра была вырезана узкая щель С. Рядом с щелью располагаласьдиафрагма, которая позволяла «вырезать» из потока атомов серебратонкий пучок. Конструкция диафрагмы D обеспечивала одно и то же направлениескорости всем атомам серебра, попадавшим далее в камеру большого цилиндра.Другими словами, диафрагма фильтровала атомы, движущиеся только в определенномнаправлении. В вакуумной камере большого цилиндра обеспечивалась высокая степеньразреженности (порядка /> Па.). Вероятность столкновенийатомов серебра с молекулами воздуха была очень мала и, следовательно, былаочень невелика вероятность какого-либо отклонения атомов серебра при ихравномерном и прямолинейном движении (т.е. рассеяния пучка). На внутреннейповерхности внешнего цилиндра помещалась съемная латунная пластинка В.Пластинка имела комнатную температуру. На этой пластинке в области E атомысеребра, охладившись, оседали в виде узкой серебренной полоски. Специальнымустройством установка могла приводиться во вращение вокруг собственной оси с частотой25-45 оборотов в секунду.
/>
Рисунок 3 Схема установкиО.Штерна (вид сверху). При покоящейся установке налет серебра образуется точнопротив щели C
1.3 Порядок проведенияопыта
Опыт проводился вследующей последовательности. По платиновой нити, располагающейся по оси малогоцилиндра, пропускался электрический ток. Нить нагревалась практически дотемпературы плавления серебра Тп = 1234° К, и серебро начинало испаряться.Часть атомов серебра проходило сквозь щель. Отфильтрованные диафрагмой, далееони двигались по радиальным направлениям к внутренней поверхности большогоцилиндра прямолинейно и равномерно со скоростью, соответствующей температуреплатиновой нити. Стенка большого цилиндра охлаждалась так, чтобы попадающие нанее атомы «прилипали» к ней, образуя налет серебра в форме щели, нонемного больших размеров. [1, С. 147] Сначала прибор покоился, и изображениещели на экране (латунной пластинке) приходилось как раз против нее самой (рис.3). Затем прибор приводился в быстрое вращение вокруг собственной оси счастотой 1500 — 2700 об/мин и, результаты опыта существенно изменялись. Каждыйатом по-прежнему двигался прямолинейно, но за время, которое требовалось атому,чтобы, пройдя щель, долететь до латунной пластинки, последняя успевалаповернуться на некоторый угол, и атом уже прилипал к ней не точно против щели,а несколько в стороне [ там же] (рис. 4). Смещение полоски серебра при вращенииустановки позволяло определить величину скорости движения атомов серебра исравнить ее со значением, полученным теоретическим путем. Способ нахожденияскорости атомов серебра был достаточно прост. Атом, двигаясь со скоростью υ,проходил расстояние:
/>(1.3.1)
где R и r – радиусывнешнего и внутреннего цилиндров, а τ – время прохождения этого расстояния.Любая точка внешнего цилиндра за это время проходила путь:
/>(1.3.2)
Решая эти уравнениясовместно, О. Штерн определил среднюю скорость движения атомов:
/>(1.3.3)
Измеряя значения ω,R, r и S можно рассчитать среднюю скорость движения атомов серебра притемпературе нити – Тн. Меняя температуру накала нити можно найти температурнуюзависимость скорости теплового движения атомов.
/>
Рисунок 4 При вращенииприбора по часовой стрелке налет серебра смещается.
Толщина налета серебраопределялась в опыте О.Штерна оптическим методом.
1.4 Объяснение данныхопыта с позиции современных научных теорий
Результаты опыта О.Штерна подтвердили справедливость предсказанного Р.Клаузиусом значения скоростидвижения молекул газа, послужили ярким доказательством верности полученного Д.Максвеллом закона распределения числа молекул по скоростям и явились, вконечном счете, блестящим свидетельством правильности молекулярно-кинетическихпредставлений о строении вещества, а также статистического характеразакономерностей, которым подчиняется поведение молекулярных систем.
Изобразим полученный Д.Максвеллом результат графически (рис. 5). По оси абсцисс отложим возможныеразличные значения скоростей молекул V и интервалов этих скоростей ΔV. Пооси ординат отложим ΔN/N·ΔV.
Площадь густозаштрихованной фигуры численно равна доле ΔN/N общего числа молекул N соскоростями между V и V + ΔV. Площадь, ограниченная кривой распределения иосью абсцисс, равна единице.
/>
Рисунок 5 Распределение молекулпо скоростям (Т2>T1) [2]
Кривые распределениямолекул по скоростям имеют следующие особенности:
· они проходятчерез начало координат,
· асимптотическиприближаются к оси абсцисс при бесконечно больших скоростях,
· имеют максимум,
· асимметричны(слева от максимума кривые идут круче, чем справа).
То, что кривая распределенияпроходит через начало координат, означает, что неподвижных молекул в газе нет.Из того, что кривая при бесконечно больших скоростях асимптотическиприближается к оси абсцисс, следует, что слишком большие скорости молекулмаловероятны. Значение наиболее вероятной скорости движения молекулсоответствует максимуму кривой распределения [3, C. 34]. Вид функции распределениямолекул по скорости движения, которую Д. Максвелл определил теоретическим путем,качественно совпал с профилем налета атомов серебра на латунной пластинке вопыте О.Штерна. Опыт О. Штерна (наряду с опытом Ж. Перрена) был первым прямымдоказательством справедливости молекулярно-кинетической теории строениявещества. В настоящее время атомно-молекулярное учение подтвержденомногочисленными опытами и является общепризнанным.
1.5Усовершенствованные опыты Штерна
Элдридж(1927 г.) и Ламмерт (1926-1929) ввели селекторы скоростей, работающие напринципе зубчатого колеса (как в опытах Физо со светом). Идея опыта схематическиизображена на рис.6. Пучок молекул из печи А коллимировался на щелях и попадална вращающиеся зубчатые диски D1 и D2.
/>
Рисунок6 Прорези у зубчатых дисков смещены на угол a
Когда зубчатые диски покоятся (не вращаются), то атомы не проходят крегистрирующей пластинке Р (не осаждаются), поскольку щель одного дискапопадает на зуб второго. Когда диски вращаются, то проходят атомы определенныхскоростей, т.е. только те, которые пролетят расстояние между дисками за времяих поворота на угол α… По количеству атомов, осажденных на пластине Р,можно судить о распределении молекул по проекции скорости вдоль направленияпучка. Недостатком этого метода является то, что на пластинку приходят атомы сдругими скоростями, когда поворот происходит на большие углы.
Цартманпопытался избежать этого эффекта и усовершенствовал опыты (рис. 7). Из печиколлимированный пучок атомов попадал на вращающийся цилиндр с отверстием. Припопадании пучка в отверстие молекулы осаждались на внутренней стенке цилиндра.При этом у точки А собирались атомы или молекулы с очень большими скоростями, ак точке В – более медленные молекулы.
/>
Рисунок 7
Еслидиаметр цилиндра равен d, то расстояние от точки А на стенку цилиндра,куда осаждаются молекулы равно:
/>
где v– скорость молекул, а ω — угловаяскорость вращения цилиндра. По почернению пластины (по числу осажденныхмолекул) можно судить о распределении молекул по скоростям.
Всеэксперименты получили результаты в согласии с Максвелловским распределениеммолекул по скоростям.
2.Конструктивные особенности метода
Установкасостоит из двух коаксиальных (имеющих одну ось симметрии) цилиндров междукоторыми создавался вакуум. Вдоль оси цилиндров натянута платиновая нить, покрытаясеребром. При пропускании через нее электрического тока атомы серебраиспарялись. Во внутреннем цилиндре вырезалась щель через, которую атомы серебрапроникали на поверхность внешнего цилиндра, оставляя на ней след в виде узкойвертикальной полоски. При приведении цилиндров во вращение с постоянной угловойскоростью w след, оставляемый молекулами серебра смещался и размывался. Действительно,на атомы серебра в неинерциальной системе отсчета, связанной с вращающимисяцилиндрами действует сила Кориолиса Fк
Fк =2·m·[v·w]. (2.1)
Этасила отклоняет атомы серебра от прямолинейного распространения. Средняявеличина смещения атомов Ds равна:
Ds =w·R·Dt = w2·R/. (2.2)
Измериввеличину Ds из эксперимента, исходя из формулы (14.28), можно найти среднюю скоростьдвижения молекул.
Еезначение совпадает с теоретическим значением, полученным с помощью формулыМаксвелла.
2.1Коаксиальные цилиндры
Коаксиальныецилиндры — два вертикальных цилиндра, имеющие параллельную общую центральнуюось и различный диаметр, один из которых вращается, а второй неподвижен.
/>
Рисунок8
2.3Ва́куум
Вакум— среда, содержащая газ при давлениях значительно ниже атмосферного. Вакуумхарактеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газаλ и характерным размером процесса d. Под d может приниматься расстояниемежду стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. Взависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (λ/d 1),средний (λ/d~1) и высокий (λ/d 1) вакуум.
Такжевакуумом называют состояние газа, для которого средняя длина пробега егомолекул сравнима с размерами сосуда или больше этих размеров.
2.4Платиновая нить
Платиноваянить — толщина 0,07 – 0,1 мм является чувствительным элементом датчика, черезнее пропускается электрический ток таким образом, чтобы она нагревалась до 150градусов. Чем больше воздуха проходит через поперечное сечение трубопровода,тем сильнее охлаждается нить. На поддержание температуры требуется увеличениетока. Электронная схема преобразует этот прирост тока в полезный сигнал ДМРВ. Чемхолодней воздух, тем сильнее охлаждается платиновая нить. Платиновая нитьбоится грязи. Поэтому воздухофильтр должен быть чистым и изготовлен изкачественной фильтровальной бумаги. Схема датчика обеспечивает кратковременныйнагрев нити для выгорания загрязнений — «режим прожига».
2.5Серебро
СереброAg, (лат. Argrentum), химический элемент I группы периодической системы Д.И. Менделеева,атомный номер 47, атомная масса 107,8682. Серебро — металл белого цвета,ковкий, пластичный, хорошо полируется. Плотность 10,5 г/см3 (относится ктяжелым металлам), tпл=960,5 oС, tкип=2212 oС. Природное серебро состоит издвух стабильных изотопов 107Ag (51,35%) и 109Ag (48,65%), известны также 14радиоактивных изотопов серебра и несколько изомеров.
2.6Си́ла Кориоли́са
Си́лаКориоли́са — одна из сил инерции, существующая в неинерциальной системеотсчёта из-за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении внаправлении под углом к оси вращения.
СилаКориолиса равна:
/>(2.3)
где m— точечная масса, ω — вектор угловой скорости вращающейся системы отсчёта,ύ — вектор скорости движения точечной массы в этой системе отсчёта,квадратными скобками обозначена операция векторного произведения.
Величинаназывается кориолисовым ускорением.
2.7Радиальные щели
Радиальныещели, образованные цилиндрическими соосными поверхностями, называютцилиндрическими концентричными щелями, а с не-соосными поверхностями — цилиндрическими эксцентричными щелями. Радиальные щели, образованныеповерхностями с небольшой конусностью, называют конусными, а если осиповерхностей непараллельны, то — щелями с перекосом осей. Конусные щели в зависимости от того, сужается или расширяетсязазор в направлении утечки, называют конфузорными или диффу-зорными. Радиальные щели наиболее часто используют в качестве переднихи задних уплотнений закрытых рабочих колес роторных гидравлических машин. Вцелях повышения гидравлического сопротивления применяют многощелевыеуплотнения. Радиальные щели широко используют также в качестве межступен-ныхуплотнений, в устройствах, понижающих давление перед основным уплотнением вала,и в устройствах защиты основного уплотнения от абразивного изнашивания пригерметизации жидкостей с твердыми включениями.
Радиальныеи торцовые щели применяют в гидравлических и газовых затворах, в разгрузочных иуравновешивающих гидравлических устройствах, опорах скольжения,гидростатических уплотнениях и подшипниках.
2.8Азот
Азо́т— элемент главной подгруппы пятой группы второго периода периодической системыхимических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 7. Обозначаетсясимволом N (лат. Nitrogenium). Простое вещество азот (CAS-номер: 7727-37-9) —достаточно инертный при нормальных условиях двухатомный газ без цвета, вкуса изапаха (формула N2), из которого на три четверти состоит земная атмосфера.
2.9Максвелловское распределение молекулпо скоростям
Длягаза, находящегося в замкнутом сосуде, результатом многочисленных столкновениймолекул между собой и со стенками сосуда, является достаточно быстроеустановление универсального распределения молекул по скоростям, которое былотеоретически получено Максвеллом в 1860. На уровне макроскопического описаниягаза максвелловскому распределению молекул по скоростям соответствует состояниетеплового равновесия в газе: давление и температура во всех местах внутрисосуда оказываются одинаковыми.
Молекулыгаза даже в равновесии движутся беспорядочно, сталкиваясь между собой и состенкой сосуда, беспрерывно меняя свою скорость. Это означает, что в каждыймомент времени в газе есть молекулы, которые имеют самые различные скорости.Вместе с тем, поскольку давление и температура в газе остаются постоянными, то,как бы не менялась скорость молекул, среднее значение ее квадрата остаетсяпостоянным. Это оказывается возможным лишь при наличии неизменного во времени иодинакового во всех частях сосуда распределения молекул по скоростям.
Максвелловскоераспределение по скоростям можно вывести несколькими различными способами. Видего может быть, в частности, установлен на основе простых соображений,основанных на применении так называемого принципа детального равновесия. Нужнооднако предварительно отметить, что утверждение типа: «Такое-то числомолекул в газе имеет скорость, например, 100 м/с» – не имеет конкретногосмысла. Нельзя точно указать скорость какой-либо группы молекул, но можноговорить о среднем числе молекул, скорости которых находятся в некотором маломинтервале скоростей dv между значениями v и v + dv. Число (доля) этих молекул – dn(v) = nf(v)dv, где n – числомолекул в единице объема. Следует напомнить, что скорость v является вектором, поэтому функцияраспределения f(v), имеющая смыслфункции вероятности, характеризует распределение молекул как по абсолютным значениям(модулям) скоростей, так и по их направлениям. В декартовой системе координат сосями x, y, z это соответствует представлению интервала скоростей в виде dv = dvx * dvy * dvz. Еслиинтересоваться распределением только по модулям скорости, то в сферическойсистеме координат
dn(v) = 4p nn2f(v)dv(2.4)
Длявывода максвелловского распределения рассматриваются две группы молекул,скорости которых лежат в интервалах dv и dvi.В результате столкновений молекулпервой и второй групп скорости v и vi сталкивающихся молекул изменяются ипереходят в v’ и vi соответственно. Среднее число таких столкновений, называемыхпрямыми столкновениями, будет пропорционально dndn1 или
/>
Соответствующиеим обратные столкновения переводят молекулы из интервалов dv’ и dvi в dv и dv1. Среднее число обратныхстолкновений пропорционально
/>(2.5)
Принципдетального равновесия состоит в том, что в состоянии хаотического движения,соответствующего тепловому равновесию, скорости прямого и обратного процессовдолжны быть одинаковы. В данном случае это соответствует выполнению условия
/>(2.6)
Можнопоказать, что произведения элементов объема в пространстве скоростей для прямыхи обратных столкновений равны. Поэтому написанное выше условие переходит всоотношение
/>(2.7)
Логарифмированиеэтого соотношения дает
/>(2.8)
Полученноеравенство означает, что натуральные логарифмы функции распределения являютсятак называемыми аддитивными инвариантами. Они могут быть выражены черезлинейную комбинацию величин, которые сохраняются в парных столкновениях частиц,а именно массы, импульса и кинетической энергии частиц.
/>(2.9)
Константыa, и c можно определить через известные макроскопические параметрыгаза – плотность n, скорость v0 и температуру T. Тогда в покоящемся газе (v0 = 0) максвелловское распределение поскоростям, следующее из (2.9), имеет вид
/>(2.10)
Используяэтот результат, с помощью выражения (2.4) можно определить относительную долюмолекул, абсолютные скорости которых лежат в некотором узком интервале значенийdv,
/>(2.11)
Видраспределения dn/ndv, описываемого выражением (2.11), для двух различныхтемператур (T2 > T1) представлен на рис. 9.
/>
Рисунок9
Площадипод каждой кривой оказываются, очевидно, одинаковыми, что следует из нормировкина заданную плотность частиц n. Из представленного графика видно, чтобольшинство частиц имеет скорости, близкие к некоторому среднему значению, илишь малое их число обладает весьма высокими или низкими скоростями. С помощьюраспределения (2.11) могут быть рассчитаны такие характеристики как средняя,среднеквадратичная и наиболее вероятная скорость теплового движения молекул,число столкновений молекул со стенкой и другие важные параметры газа.
3.Альтернативные способы измерения
3.1Спин
Любоевращающееся тело обладает моментом импульса относительно своего центра масс;это собственный момент тела, или спин. Спиновый момент, или просто, спин атомаили атомного ядра является характеристикой, аналогичной моменту импульсавращающегося волчка или гироскопа. Момент импульса твердого тела, вращающегосявокруг оси, определяется как сумма моментов импульсов всех частиц этого телаотносительно той же оси; этот момент равен сумме произведений массы частицы наее скорость и на кратчайшее расстояние частицы до оси вращения. Вектор моментаимпульса параллелен оси вращения и направлен в сторону перемещения винта справой резьбой при таком же вращении. Спин атомов и ядер измеряется в единицахh/2p, где h – постоянная Планка, равная 6,6261Ч10–34 ДжЧс. Экспериментальноустановлено, что в этих единицах (в соответствии с правилами квантовоймеханики) наблюдаемые проекции всех спинов на заданное направление принимаютлибо целое, либо полуцелое значение, т.е. либо 1, 2, 3,..., либо 1/2, 3/2,5/2,… Максимальное значение проекции совпадает с величиной спина; например,если спин ядра j равен 5/2, то измеренное максимальное значение проекции спинасоставит 5/2 в единицах h/2p ДжЧс.
3.2Магнитный дипольный момент
.Магнитный дипольный момент атома или ядра аналогичен характеристике стрелкикомпаса. Он представляет собой вращающий момент, действующий на атом или ядро вмагнитном поле. Дипольный момент – векторная величина. Магнитный момент атомаобычно измеряют в единицах магнетона Бора, m0 = еh/4pmc = 9,27Ч10–24 Дж/Тл, гдее – заряд электрона, h – постоянная Планка, m – масса электрона и c – скоростьсвета. Магнитные же моменты ядер обычно измеряют в единицах ядерного магнетонаmN, который равен магнетону Бора, деленному на отношение масс протона иэлектрона, а именно mN = 5,051Ч10–27 Дж/Тл.
3.3Электрический квадрупольный момент
Электрическийквадрупольный момент служит мерой отклонения распределения электрическогозаряда ядра от сферической симметрии. Количественно он определяется как /> при условии,что проекция спина ядра максимальна вдоль оси z прямоугольной системыкоординат, начало которой совпадает с центром ядра. В этом выражении Z – зарядядра, или его атомный номер, z – координата протона в ядре, r – расстояние отпротона до центра ядра, а черта над выражением в скобках означает усреднение плотностизаряда по всему ядру. Можно показать, что в сферически симметричном случае Q =0.
3.4Другие моменты
Впринципе могли бы существовать электрические и магнитные мультипольные моментылюбого порядка 2n, где n – нуль или положительное целое число. Например, у ядериода, индия и галлия были измерены магнитные октуполи. Можно показать, однако,что вследствие квантовой природы спина атом или ядро со спином j не может иметьмультипольных моментов более высокого порядка, чем n = 2j. Так, атом с j = l/2не может иметь мультипольных моментов выше дипольного, а атом с j = 0 – дажедипольного момента. Проводились необычайно чувствительные эксперименты пообнаружению у ядер электрических дипольных моментов, но пока что найти их неудалось.
3.5Эффект Зеемана
Одиниз первых и наиболее мощных методов исследования атомных моментов был основанна так называемом эффекте П.Зеемана, т.е. на расщеплении спектральных линий вовнешних магнитных полях. Если разрядную трубку, в которой возбуждается атомноеизлучение, поместить во внешнее магнитное поле, то спектральные линиирасщепятся на ряд компонент. Расстояние между линиями компонент определяетсяэнергией взаимодействия атомных моментов с внешними магнитными полями.Поскольку энергия взаимодействия зависит от магнитных моментов атомов,измеренное расщепление дает информацию об их величине. Числом спектральныхлиний определяются значения спина.
Первоначальнопри изучении оптических спектров атомов последние возбуждались за счетстолкновений с электронами в газоразрядных трубках или за счет поглощенияэлектромагнитного излучения, возникающего в таких трубках. В наши дни атомычасто возбуждают лазерным излучением.
3.6Метод молекулярных пучков
Особеннопростой, показательный и прямой метод измерения атомных магнитных моментовпредложили О.Штерн и В.Герлах в 1921. Он основан на измерении отклоненияатомов, обладающих магнитным моментом, в неоднородном магнитном поле. Воднородном магнитном поле магнитный момент не отклоняется, т.к. на северный июжный полюса атомного магнитика поле действует с одинаковой силой. Поэтомуцентр масс атома не смещается; атом может лишь прецессировать или вращатьсявокруг своего центра масс. Если же магнитное поле неоднородно на расстоянияхпорядка размеров атома, то из-за различий в напряженности магнитного поля наодин из полюсов атомного магнитика поле будет действовать сильнее, чем надругой, и атом отклонится под действием разности этих сил.
Вэксперименте материал нагревается в печи и его атомы через щель проходят ввакуумную камеру, где коллимируются в пучок и осаждаются на пластинке. Затемвключается неоднородное магнитное поле, направленное поперек пучка, ирегистрируется отклонение атомов. Каждому из возможных значений проекциимагнитного момента и спина на направление поля должно соответствовать своеотклонение. Соответствующее классической физике непрерывное распределениепроекций привело бы к сплошному размытию сигнала на регистрирующей пластинке.Но в квантовой механике допустимы лишь определенные дискретные проекции, ипоэтому наблюдаемая картина расщепляется на две или несколько линий, числокоторых равно 2j + 1, где j – момент импульса атома в указанных выше единицах.По числу компонент 2j + 1 можно определить момент импульса – спин j. Расстояниемежду линиями позволяет вычислить величину магнитного момента.
Дляизмерения атомных магнитных моментов были приспособлены также рассматриваемыениже резонансные методы молекулярных пучков, и они дали наиболее точныерезультаты. Точно так же для измерения атомных магнитных моментов применяетсяметод электронного парамагнитного резонанса, подобный методу ЯМР
3.7Выводы из опытов по определению атомных моментов
Результатыупомянутых выше и других аналогичных экспериментов согласуются со следующимиутверждениями относительно спиновых и магнитных моментов атомных структур.
Каждыйэлемент в атоме имеет соответствующий его движению по беровской орбитеорбитальный момент l. Это движение электрона по орбите можно рассматривать каккруговой ток, в результате чего возникает магнитный момент, соответствующийтакому движению.
Величинамагнитного момента, связанного с орбитальным движением, в классической механикебыла бы пропорциональна величине орбитального момента. Но у электрона есть ещеи собственный момент – спин. Со спином также должен быть связан магнитныймомент.
Врезультате магнитный момент частицы оказывается пропорционален полномумеханическому моменту (сумме орбитального и спинового моментов).
Важноиметь в виду, что моменты – механические и магнитные – векторные величины. Вквантовой механике разработаны определенные способы их суммирования ивычисления магнитных моментов атомов.
Списокиспользуемой литературы
1. . Розенбергер, Ф.История физики. Часть 1. История физики в древности и в средние века/ Ф.Розенбергер; пер. с нем. под ред. И. Сеченова, вновь проверенный ипереработанный В.С. Гохманом – Л.: ОНТИГТТИ – 1934.
2. Открытая физика.В 2 ч. (CD) / Под ред. С.М. Козела. – М.: ООО «Физикон». — 2002 (http://www.physicon.ru/.)
3. Радченко, И. В.Молекулярная физика/ И.В. Радченко — М.: Наука, 1965.
4. Большая советскаяэнциклопедия. Т. 19.- М.: Советская энциклопедия, 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