какие лучи не отклоняются в магнитном поле
§ 99. Альфа-, бета- и гамма-излучения
После открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их излучения. Кроме Бек- кереля и супругов Кюри, этим занялся Резерфорд.
Классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, состоял в следующем. Препарат радия помещали на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу (рис. 13.6). Вся установка размещалась в вакууме.
В отсутствие магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно точно напротив канала. В магнитном поле пучок распадался на три пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный компонент излучения отклонялся магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный. Третья составляющая совсем не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженный компонент получил название альфа-лучей, отрицательно заряженный — бета-лучей и нейтральный — гамма-лучей (α-лучи, β-лучи, γ-лучи).
Эти три вида излучения очень сильно различаются по проникающей способности, т. е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами. Наименьшей проникающей способностью обладают а-лучи. Слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен. Если прикрыть отверстие в свинцовой пластинке листочком бумаги, то на фотопластинке не обнаружится пятна, соответствующего а-излучению.
Гораздо меньше поглощаются при прохождении через вещество β-лучи. Алюминиевая пластинка полностью их задерживает только при толщине в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи.
Интенсивность поглощения γ-лучей усиливается с увеличением атомного номера вещества-поглотителя. Но и слой свинца толщиной в 1 см не является для них непреодолимой преградой. При прохождении у-лучей через такой слой свинца их интенсивность ослабевает лишь вдвое.
Физическая природа α-, β- и γ-лучей, очевидно, различна.
На шкале электромагнитных волн γ-лучи непосредственно следуют за рентгеновскими. Скорость распространения у γ-лучей такая же, как у всех электромагнитных волн, — около 300 000 км/с.
Бета-лучи. С самого начала α- и β-лучи рассматривались как потоки заряженных частиц. Проще всего было экспериментировать с β-лучами, так как они сильнее отклоняются как в магнитном, так и в электрическом поле.
Основная задача экспериментаторов состояла в определении заряда и массы частиц. При исследовании отклонения β-частиц в электрических и магнитных полях было установлено, что они представляют собой не что иное, как электроны, движущиеся со скоростями, очень близкими к скорости света. Существенно, что скорости β-частиц, испущенных каким-либо радиоактивным элементом, неодинаковы. Встречаются частицы с самыми различными скоростями. Это и приводит к расширению пучка β-частиц в магнитном поле (см. рис. 13.6).
Но заряд α-частицы и ее масса оставались, тем не менее, неизвестными. Следовало измерить либо заряд, либо массу α-частицы. С появлением счетчика Гейгера стало возможным проще и точнее измерить заряд. Сквозь очень тонкое окошко α-частицы могут проникать внутрь счетчика и регистрироваться им.
Резерфорд поместил на пути α-частиц счетчик Гейгера, который измерял число частиц, испускавшихся радиоактивным препаратом за определенное время. Затем он поставил на место счетчика металлический цилиндр, соединенный с чувствительным электрометром (рис. 13.7). Электрометром Резерфорд измерял заряд α-частиц, испущенных источником внутрь цилиндра за такое же время (радиоактивность многих веществ почти не меняется со временем). Зная суммарный заряд α-частиц и их число, Резерфорд определил отношение этих величин, т. е. заряд одной α-частицы. Этот заряд оказался равным двум элементарным.
Таким образом, он установил, что у α-частицы на каждый из двух элементарных зарядов приходится две атомные единицы массы. Следовательно, на два элементарных заряда приходится четыре атомные единицы массы. Такой же заряд и такую же относительную атомную массу имеет ядро гелия. Из этого следует, что α-частица — это ядро атома гелия.
Не довольствуясь достигнутым результатом, Резерфорд затем еще прямыми опытами доказал, что при радиоактивном а-распаде образуется именно гелий. Собирая α-частицы внутри специального резервуара на протяжении нескольких дней, он с помощью спектрального анализа убедился в том, что в сосуде накапливается гелий (каждая α-частица захватывала два электрона и превращалась в атом гелия).
При радиоактивном распаде возникают α-лучи (ядра атома гелия), β-лучи (электроны) и γ-лучи (коротковолновое электромагнитное излучение).
Вопрос к параграфу
Почему выяснить природу α-лучей оказалось гораздо сложнее, чем в случае β-лучей?
Лучи радиоактивных веществ
Если препарат радия, например несколько сотых грамма RaBr2, поместить в маленькую свинцовую коробочку с отверстием вверху, то из коробочки будет выходить только узкий пучок лучей, направленных вверх; все боковые лучи будут задержаны свинцом.
Держа над отверстием фотографическую пластинку, мы получим на ней темное пятно в том месте, куда попадают лучи.
Приблизим теперь к отверстию коробочки северный полюс сильного магнита. Картина резко меняется. Вместо одного тем ного пятна на пластинке получаются три пятна: одно в том же месте, где и раньше, другое слева от него и третье — справа.
ϒ-Лучи по своим свойствам совершенно подобны рентгеновым лучам. Так же, как и рентгеновы лучи, они похожи на обыкновенные световые лучи, но обладают значительно меньшей длиной волны и огромной проницающей способностью; их действие можно еще обнаружить после прохождения сквозь слой железа толщиной до 30 см.
β-Лучи аналогичны катодным лучам. Они представляют собой поток быстро несущихся частичек, заряженных отрицатель-ным электричеством, масса которых составляет всего 1/1840 массы водородного атома. Такие частицы, как мы уже знаем, получили название электронов.
Единственное различие между β-лучами и катодными лучами заключается в скорости движения образующих их частиц. В то время как наиболее быстрые катодные частицы летят со скоростью 150 тыс. км/сек, скорость движения некоторых р-частиц почти достигает скорости света (300 тыс. км/ сек). β-Лучи способны проходить сквозь алюминиевые листочки толщиной до 3 мм. α-Лучи.
Наиболее интересными являются α-лучи. Как и β-лучи, они представляют собой поток частиц, но заряженных не отрицательным, а положительным электричеством. Скорость их значительно меньше скорости β-частиц, однако все же достигает огромной величины —20 тыс. км/сек; α-частицы легче других поглощаются веществом: достаточно алюминиевого 0,1 листочка толщиной мм, чтобы полностью их задержать.
Измеряя отклонение α-частиц в магнитном и электрическом полях, можно было вычислить отношение заряда каждой α-частицы к ее массе, которое оказывается равным 1 : 2, если за единицу заряда принять заряд электрона, а за единицу массы — 1 /16 массы атома кислорода.
Непосредственное измерение заряда α-частиц показало, кроме того, что величина его равна удвоенному заряду электрона; отсюда следует, что масса α-частицы равна четырем. Но такую массу имеют атомы элемента гелия.
Таким образом, оказалось, что α-частицы не что иное, как атомы, или, точнее, ионы, гелия, несущие двойной положительный заряд.
Тождественность α-частиц с ионами гелия была доказана непосредственным опытом. Препарат радия, запаянный в стеклянную трубочку, настолько тонкую, что α-частицы могли про никать сквозь ее стенки, помещался внутри другой толстостенной стеклянной трубки. Через некоторое время в наружной трубке при помощи спектроскопа можно было обнаружить гелий.
Если на пути α-лучей поместить экран, покрытый сернистым цинком, то в темноте можно наблюдать свечение экрана. Для наблюдений удобно пользоваться прибором, называемым спинтарископом (рис. 2). Он состоит из латунного циливдра, в верхней части которого находится лупа Б, а на дне экран А, покрытый сернистым цинком.
Перед экраном помещается игла В с нанесенным на ее острие радиоактивным веществом. При рассматривании экрана в лупу хорошо видно, что свечение состоит из большого числа отдельных вспышек. Каждая вспышка есть результат удара об экран одной α-частицы; поэтому, подсчитывая число вспышек, можно определить и число α-частиц, падающих на экран за известный промежуток времени.
Эти вспышки света были первым видимым действием отдельных атомов и являются наиболее бесспорным доказательством реального их существования.
Недоверчивое отношение к тому обстоятельству, что один ничтожно малый атом может вызвать при ударе об экран заметный свет, исчезает, если принять во внимание огромную кинетическую энергию α-частицы, вполне достаточную для получения видимого светового эффекта. Путем подсчета вспышек было установлено, что 1 г радия выбрасывает в секунду 3,5 • 10 10 α-частиц.
Можно ли воздействовать на свет электрическим полем?
Оказывается, можно. И ниже я расскажу, как. Этот пост родился из моего ответа на вопрос, заданный на сайте Quora.
Речь пойдёт о квантовом вакууме. Так он выглядит в представлении художника.
Откуда вопрос?
Light is an electromagnetic particle. Can we deviate its path by applying electric or magnetic fields to it?
Свет — это электромагнитная частица. Можем ли мы изменить его траекторию, приложив электрическое или магнитное поле?
Вообще говоря, и на это указано в ответах на Quora, вопрос не совсем корректно сформулирован. Свет — это не частица, а волна или (корпускулярно-волновой дуализм!) поток частиц, квантов света — фотонов. Однако эта некорректность не отменяет самого вопроса. Действительно, если свет имеет электромагнитную природу, то почему бы нельзя было воздействовать на него электромагнитными полями?
Приблизительно так обычно изображается электромагнитная волна в учебных курсах.
Почему мне захотелось ответить на этот вопрос, так это потому, что он, на самом деле, имеет двойное дно. Есть ответ очевидный и ответ, который можно дать, только обладая определёнными знаниями, выходящими за рамки школьной программы.
Но сначала договоримся, что дальше речь пойдёт только о вакууме, поскольку на распространение света в среде можно оказывать влияние электрическим или магнитным полем опосредованно через воздействие на эту среду.
Очевидный ответ
Так вот, очевидный ответ: нет, нельзя. Почему нельзя, можно объяснять по-разному в зависимости от того, как представлять свет.
Если описывать свет как электромагнитную волну, то невозможность воздействовать на него электромагнитными полями следует из линейности уравнений Максвелла, которые собственно и описывают все электромагнитные явления в классической физике. Электромагнитная волна — это одно из решений этих уравнений, а внешнее поле — это другое решение. В силу свойства линейности, их сумма также является решением уравнений Максвелла, и потому они никак друг другу «не мешают» и не оказывают друг на друга никакого воздействия.
Уравнения Максвелла в вакууме в системе СИ
Если же описывать свет как поток частиц — фотонов — то ответ объясняется тем, что фотоны не обладают электрическим зарядом, а электромагнитные поля действуют только на заряженные частицы. Интересно, что эта ситуация уникальна для электромагнитного взаимодействия. Переносчики двух других фундаментальных взаимодействий, слабого и сильного, сами также могут принимать участие в переносимом ими взаимодействии.
Кто с кем взаимодействует в Стандартной модели.
Credit: Труш Виталий // Wikimedia Commons // CC-BY-SA 3.0
Например, согласно квантовой хромодинамике, сильное взаимодействие переносится глюонами. Они осуществляют взаимодействие между частицами, обладающими так называемым цветным зарядом — аналогом электрического заряда для сильного взаимодействия. При этом глюоны и сами обладают цветным зарядом и потому взаимодействуют и между собой, и с другими частицами с цветным зарядом.
Возвратимся, однако, к нашим баранам фотонам.
Неочевидный ответ
Выше я уже отметил, что очевидный ответ — это лишь первый слой. Давайте снимем и второй. Так вот, неочевидный ответ — да, на свет можно воздействовать внешними полями.
Эта возможность связана с тем, что согласно квантовой электродинамике вакуум, его ещё называют квантовым вакуумом, не является абсолютной пустотой. Более того, она наполнен так называемыми виртуальными частицами, известными также как квантовые флуктуации. Их можно представлять себе как рождающиеся на короткий промежуток времени и тут же аннигилирующие пары частицы и античастицы, в первую очередь электрона и позитрона.
Картинка, поясняющая идею квантовых флуктуаций.
Credit: universe-review.ca
Если продолжить описывать квантовый вакуум в виде образов, то во внешнем электрическом (и магнитном, но остановимся только на электрическом) поле виртуальные пары начинают жить чуть дольше, поскольку электрическая сила их слегка «растаскивает». Это приводит к тому, что у вакуума появляется поляризация. А там, где есть поляризация, там есть и диэлектрическая проницаемость!
Если вы помните школьный курс оптики, то дальнейшие рассуждения для вас должны быть очевидны. Действительно, мы знаем, что изменение диэлектрической проницаемости приводит к изменению коэффициента преломления и скорости света, а это, в свою очередь, приводит к преломлению и отражению света.
Этот эффект, конечно, очень слаб, и для его наблюдения требуются совершенно фантастические по величине поля. Кроме того, наблюдать преломление света в таких полях было бы очень сложно из-за его незначительности. Несмотря на это, сейчас уже всерьёз говорят о том, чтобы лет через 10–20 наблюдать влияние поляризации вакуума на распространение света в лаборатории.
Для генерации сверхсильных полей при этом предполагается использовать лазеры сверхвысокой пиковой мощности. На данный момент построены лазеры мощностью более 1 петаватта (пета- означает множитель 10 15 ), с их помощью было получено излучение, электрическое поле в котором достигает величины порядка 10 14 –10 15 вольт на метр. Это всего в 1000 раз меньше так называемого швингеровского предела, при котором и становятся заметны эффекты квантовой электродинамики в вакууме.
Однако для наблюдения эффекта необязательно достигать предела, достаточно полей в десятки раз слабее. А это значит, что уже через одно-два поколения сверхмощных лазеров — при мощностях порядка 100 петаватт — в лаборатории смогут изменить направление распространения света с помощью другого света, то есть с помощью электромагнитных полей. Измерять при этом, правда, будут не направление распространения, а поляризацию света. Дело в том, что вакуум в сверхсильном поле действует как двулучепреломляющая среда. Скорости волн с разной поляризацией в такой среде различны, поэтому при распространении в ней произвольно поляризованной волны, её поляризация будет изменяться и вот это изменение измерить значительно легче.
Какие лучи не отклоняются в магнитном поле
Контейнер с радиоактивным веществом помещают в магнитное поле, в результате чего пучок радиоактивного излучения распадается на три компоненты (см. рисунок). Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка от читателя.
 |
Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
| 1) | Компонента 3 представляет собой поток положительно заряженных частиц. |
| 2) | Компонента 2 не имеет электрического заряда. |
| 3) | Если магнитное поле направить вертикально вверх, то разделить пучок радиоактивного излучения на компоненты не получится. |
| 4) | В магнитном поле изменяется модуль скорости движения заряженных частиц. |
| 5) | Компонента 1 представляет собой поток электронов. |
Это задание ещё не решено, приводим решение прототипа.
Контейнер с радиоактивным веществом помещают в магнитное поле, в результате чего пучок радиоактивного излучения распадается на три компоненты (см. рисунок). Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка от читателя.
Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.
1) Компонента 3 представляет собой поток положительно заряженных частиц.
2) Компонента 2 не имеет электрического заряда.
3) Если магнитное поле направить вертикально вверх, то разделить пучок радиоактивного излучения на компоненты не получится.
4) В магнитном поле изменяется модуль скорости движения заряженных частиц.
5) Компонента 1 представляет собой поток электронов.
В магнитном поле на заряженные частицы действует сила Лоренца. Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки. При направлении поля как на рисунке положительные частицы будут отклоняться влево, а отрицательные — вправо.
1) Компонента 3 представляет собой поток отрицательно заряженных частиц.
2) Компонента 2 не отклоняется в магнитном поле, следовательно, она не имеет заряда.
3) Если магнитное поле направить вертикально вверх, то скорости частиц и направление магнитного поля будут сонаправлены и модуль силы Лоренца, действующей на заряженные частицы будет равен нулю. Значит, разделить пучок не удастся.
4) Сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно скорости частицы, следовательно, она не может изменить модуль скорости частицы, сила Лоренца лишь закручивает частицу.
5) Компонента 1 представляет собой поток положительно заряженных частиц, вероятнее всего, альфа-частиц.
Презентация по физике в 9, 11 классах
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Выбранный для просмотра документ Радиоактивность.pptx
Описание презентации по отдельным слайдам:
Открытие радиоактивности Анри Беккерель Лауреат Нобелевской премии (1903 г.). Обладатель всех знаков отличия Парижской академии наук. Член Лондонского королевского общества.
1. х х х х х х х х х х х х Излучение радиоактивного вещества исследуется в магнитном поле. Какие лучи отклоняются влево? Какие лучи отклоняются вправо? Какие лучи не отклоняются? 2. а б в Излучение радиоактивного вещества исследуется в электрическом поле. Где отклонение лучей показано неверно? 1.а 2.б 3.в 4.а и б 5.а и в
Модели атомов Атом Томсона
Модели атомов Атом Резерфорда Планетарная модель
Выберите правильный ответ. В состав ядра атома входят следующие частицы: Подумай
О К Cu 16 8 39 19 64 29 A= Z= A= Z= A= Z= Состав ядра атома
Курс повышения квалификации
Дистанционное обучение как современный формат преподавания
Курс профессиональной переподготовки
Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации
Курс повышения квалификации
Современные педтехнологии в деятельности учителя
Презентацию «Радиоактивность» можно применить при изучении и закреплении данной темы в 9 и 11 классах.
Радиоактивность – самопроизвольные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или более лёгких ядер. Ядра, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными, а процесс превращения – радиоактивным распадом.
Номер материала: 356088
Международная дистанционная олимпиада Осень 2021
Не нашли то что искали?
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Безлимитный доступ к занятиям с онлайн-репетиторами
Выгоднее, чем оплачивать каждое занятие отдельно
Минпросвещения разработало проект новых правил русского языка
Время чтения: 2 минуты
СК предложил обучать педагогов выявлять деструктивное поведение учащихся
Время чтения: 1 минута
Минобрнауки разработало концепцию преподавания истории российского казачества
Время чтения: 1 минута
В Москве запустили онлайн-проект по борьбе со школьным буллингом
Время чтения: 2 минуты
В Минпросвещения предложили приравнять нападения на школы к терактам
Время чтения: 1 минута
Путин попросил привлекать родителей к капремонту школ на всех этапах
Время чтения: 1 минута
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.