Творческое задание, страница 234 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Творческое задание

Подготовьте сообщение по темам (на выбор):

1. Из истории открытия нейтрона.

2. Устройство и принцип действия масс-спектрографа.

3. Современные методы определения размеров ядер.

4. Исследования Гейзенберга и Иваненко в ядерной физике.

2. Устройство и принцип действия масс-спектрографа.

Масс-спектрограф — это прибор, предназначенный для измерения отношения массы к заряду ($m/q$) ионов. Он позволяет точно определять массы атомов и молекул, а также устанавливать изотопный состав вещества. Принцип действия прибора основан на взаимодействии движущихся заряженных частиц с электрическими и магнитными полями.

Устройство

Типичный масс-спектрограф (например, по схеме Бейнбриджа) включает в себя несколько ключевых компонентов:

1. Источник ионов. В этой части прибора исследуемое вещество переводится в газообразное состояние и подвергается ионизации. Атомы или молекулы превращаются в ионы (обычно положительно заряженные) путем бомбардировки электронами или другими методами. Затем ионы ускоряются электрическим полем, приобретая начальную кинетическую энергию.

2. Селектор скоростей. Так как ионы после ускорения имеют разброс по скоростям, для точного измерения массы необходимо выделить из пучка только те частицы, которые движутся с одинаковой скоростью. Эту задачу выполняет селектор скоростей. Он представляет собой область, где созданы взаимно перпендикулярные однородные электрическое (с напряженностью $\text{E}$) и магнитное (с индукцией $\text{B}$) поля. На ион с зарядом $\text{q}$ и скоростью $\text{v}$ действуют электрическая сила $F_Э = qE$ и сила Лоренца $F_Л = qvB$. Эти силы направлены в противоположные стороны. Если силы уравновешивают друг друга, ион движется прямолинейно. Это происходит при условии $qE = qvB$, откуда скорость ионов, проходящих через селектор без отклонения, равна $v = E/B$. Ионы с другими скоростями отклоняются и отсеиваются.

3. Масс-анализатор. Это основная часть прибора, где происходит разделение ионов по массе. Ионы, прошедшие селектор скоростей, попадают в камеру анализатора, в которой создано однородное магнитное поле с индукцией $B'$, перпендикулярное их скорости. Под действием силы Лоренца $F'_Л = qvB'$ ионы начинают двигаться по дугам окружностей. Эта сила является центростремительной: $qvB' = \frac{mv^2}{r}$.

4. Детектор. Пройдя по полукруглой траектории, ионы попадают на детектор (в классических приборах — фотопластинку, в современных — электронный умножитель). Положение, в котором ион попадает на детектор, позволяет измерить диаметр его траектории ($\text{2r}$), а следовательно, и радиус $\text{r}$.

Принцип действия

Весь процесс в масс-спектрографе можно описать следующими шагами:

1. Ионизация вещества и первичное ускорение ионов.

2. Отбор ионов с одинаковой скоростью $\text{v}$ в селекторе скоростей.

3. Разделение ионов в магнитном поле масс-анализатора. Из формулы для центростремительной силы можно выразить радиус траектории: $r = \frac{mv}{qB'}$.

4. Регистрация ионов детектором.

Из формулы для радиуса видно, что он прямо пропорционален массе иона $\text{m}$. Поскольку скорость $\text{v}$, заряд $\text{q}$ и индукция поля $B'$ известны и постоянны, измерив радиус $\text{r}$, можно вычислить массу иона: $m = \frac{qB'r}{v}$.

Если подставить в эту формулу выражение для скорости из селектора ($v = E/B$), получим итоговую формулу для определения массы: $m = \frac{qB'rB}{E}$.

Таким образом, ионы с большей массой будут двигаться по траектории с большим радиусом и попадут в одну точку на детекторе, а ионы с меньшей массой — по траектории с меньшим радиусом и попадут в другую точку. Интенсивность сигнала в каждой точке пропорциональна количеству ионов данной массы, что позволяет определять изотопный или элементный состав образца.

Ответ:

Устройство масс-спектрографа основано на разделении ионов по отношению массы к заряду в электрических и магнитных полях. Принцип действия заключается в том, что ионы, прошедшие отбор по скорости, в поперечном магнитном поле движутся по окружностям, радиусы которых прямо пропорциональны массам ионов, что позволяет их разделить и измерить массу каждой компоненты образца.