Творческое задание, страница 163 - 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 (или масс-спектрометр) — это прибор, предназначенный для разделения ионизированных частиц (атомов или молекул) по их отношению массы к электрическому заряду ($m/q$). Это один из важнейших инструментов в аналитической химии, ядерной физике и биохимии, позволяющий определять изотопный состав веществ, устанавливать структуру молекул и многое другое.

Устройство

Классический масс-спектрограф, например, масс-спектрограф Бейнбриджа, состоит из трех основных частей:

1. Источник ионов: Здесь исследуемое вещество испаряется и подвергается ионизации, то есть у его атомов или молекул отрывается один или несколько электронов. В результате образуется пучок положительно заряженных ионов.

2. Селектор скоростей: Это область, в которой созданы скрещенные (взаимно перпендикулярные) однородные электрическое и магнитное поля. Напряженность электрического поля — $\text{E}$, а индукция магнитного поля — $B_1$. Направление полей и начальная скорость ионов также взаимно перпендикулярны. Эта часть прибора пропускает только ионы, обладающие строго определенной скоростью.

3. Камера анализатора (масс-анализатор): Это область, где создано второе однородное магнитное поле с индукцией $B_2$, перпендикулярное скорости ионов, прошедших через селектор. В этой камере ионы разделяются по массе.

4. Детектор: В качестве детектора может использоваться фотопластинка или электронное устройство (например, коллектор ионов), которое регистрирует место и интенсивность попадания ионов.

Принцип действия

Работа масс-спектрографа основана на взаимодействии заряженных частиц с электрическим и магнитным полями.

Этап 1: Селектор скоростей.

Ионы, влетающие в селектор скоростей, испытывают действие двух сил: электрической силы $F_э = qE$ и магнитной силы Лоренца $F_м = qvB_1$. Эти силы направлены в противоположные стороны. Если ион движется прямолинейно, не отклоняясь, значит, эти силы уравновешивают друг друга:

$F_э = F_м$

$qE = qvB_1$

Отсюда можно найти скорость ионов, которые проходят через селектор без отклонения:

$v = \frac{E}{B_1}$

Важно отметить, что эта скорость не зависит ни от массы, ни от заряда иона. Таким образом, селектор скоростей "отфильтровывает" из начального пучка только те ионы, которые имеют скорость $\text{v}$.

Этап 2: Масс-анализатор.

Пройдя селектор, ионы с одинаковой скоростью $\text{v}$ попадают в камерu анализатора, где на них действует только второе магнитное поле с индукцией $B_2$. Сила Лоренца $F'_м = qvB_2$ перпендикулярна скорости иона и заставляет его двигаться по дуге окружности. Эта сила является центростремительной силой:

$F'_м = F_{цс}$

$qvB_2 = \frac{mv^2}{r}$

где $\text{m}$ — масса иона, а $\text{r}$ — радиус его траектории.

Из этого уравнения можно выразить радиус траектории:

$r = \frac{mv}{qB_2}$

Подставив в это выражение скорость $v = E/B_1$, найденную на первом этапе, получим:

$r = \frac{m}{q} \cdot \frac{E}{B_1 B_2}$

Эта формула показывает, что радиус траектории иона в анализаторе прямо пропорционален его отношению массы к заряду ($m/q$). Ионы с большей массой (при одинаковом заряде) будут двигаться по траектории большего радиуса.

Этап 3: Детектирование.

Ионы, описав в магнитном поле полуoкружность, попадают на детектор. Расстояние $\text{d}$ от точки входа в анализатор до точки попадания на детектор равно диаметру траектории: $d = 2r$. Таким образом, измерив расстояние $\text{d}$, можно вычислить отношение массы к заряду для данных ионов:

$\frac{m}{q} = \frac{r B_1 B_2}{E} = \frac{d B_1 B_2}{2E}$

Поскольку величины $\text{E}$, $B_1$ и $B_2$ известны и постоянны, измерение $\text{d}$ позволяет точно определить $m/q$. Если заряд ионов известен (обычно он равен элементарному заряду, $q=e$), то можно определить массу ионов. На детекторе образуется "масс-спектр" — набор линий, каждая из которых соответствует ионам с определенной массой. Интенсивность линии пропорциональна количеству ионов данной массы в образце.

Таким образом, масс-спектрограф позволяет не только разделять изотопы, но и с высокой точностью измерять их массы и распространенность в природе.

Ответ: Масс-спектрограф — это прибор для разделения заряженных частиц по их отношению массы к заряду ($m/q$). Его работа основана на движении ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях (селектор скоростей) и последующем отклонении в однородном магнитном поле (масс-анализатор). В селекторе отбираются ионы с одинаковой скоростью $v = E/B_1$. В анализаторе ионы движутся по круговым траекториям, радиус которых $r = \frac{mv}{qB_2}$ зависит от их отношения массы к заряду. Измеряя на детекторе положение, в которое попадают ионы, можно с высокой точностью определить их массу.