101 ключевая идея: Физика
Шрифт:
Относительная магнитная проницаемость не постоянна и зависит от напряженности магнитного поля, что можно видеть на графике зависимости В (по оси у) от I (по оси х) для определенного материала. Магнитная индукция возрастает нелинейно при возрастании тока от нуля до постоянного уровня — уровня магнитного насыщения. Если затем ток уменьшать до нуля, то магнитная индукция не упадет до нулевого уровня. Его она достигнет только при отрицательном значении силы тока, идущего в противоположном направлении («коэрцитивная» сила).
Петля гистерезиса
Так как индукция как бы «отстает» от тока, то график зависимости В от I называется
См. также статью «Магнитное поле 1
МАСС-СПЕКТРОМЕТР
В масс-спектрометре ионизируют образцы для анализа, обычно бомбардируя их потоком электронов. Ионы притягиваются к отрицательно заряженному электроду, имеющему небольшое отверстие, через которое они проходят в виде пучка. Для разделения ионов по определенной скорости используется селектор скорости. Магнитное поле отклоняет движущиеся ионы. Разные ионы отклоняются в различной степени, так что можно найти величину отклонения, более точно измерить массу каждого иона и определить его тип.
В селекторе скорости пучок ионов входит в однородное магнитное поле, расположенное под прямым углом к пучку и электрическому полю. Сила воздействия магнитного поля Bqv на каждую частицу уравновешивается силой воздействия электрического поля Eq, если скорость частиц такова, что Bqv = Eq, где q — заряд частицы. Так как разные ионы обладают различной кинетической энергией, то только ионы со скоростью и = Е/В проходят в пучке без отклонений. Таким образом в масс-спектрометре происходит отбор ионов, движущихся с одной скоростью. Каждый ион в магнитном поле движется по кривой линии. Центростремительная сила (= mv 2/r), действующая на каждый ион, определяется силой воздействия этого поля (= Bqv), так что радиус кривизны r зависит от массы иона: r = mv/Bq. Поскольку все ионы в пучке движутся с одной скоростью и со стороны магнитного поля на них действует одна и та же сила, траекторию движения отдельных ионов определяет их масса. Значит, магнитное поле разделяет поток ионов на несколько пучков в зависимости от скорости присутствующих в нем ионов.
В современных масс-спектрометрах электронные детекторы подключены к компьютеру, измеряющему степень отклонения ионов. Возможно также подсчитать, сколько ионов каждого типа и какой массы проходит в потоке за секунду, и узнать их процентное соотношение.
См. также статьи «Круговое движение», «Электронные лучи 1 и 2».
МОДЕЛИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ
Модели атома, объясняющие природу энергетических уровней, основаны на волновой природе электронов. Атом водорода состоит из электрона, «пойманного» в электростатическое поле протона.
Электрон находится там, как физическое тело в яме, и может существовать в так называемой потенциальной яме только на определенных энергетических уровнях.
Прямоугольная потенциальная яма — простейшая модель атома водорода. Если ширина ее равна L, то электрон можно представить в виде стоячей волны, идущей вдоль дна этой ямы. Отсюда его де-бройлевская длина волны X: пХ/2= L,где n— целое число. Его импульс: mv= h/X= nh/2L,так что кинетическая энергия Е к= 1/ 2mv 2= (nh/2L) 2/2m = Е 1п 2, где Е 1= h 2/8mL 2. Общая энергия электрона в яме равна Е к— eV 0,где V 0— глубина ямы. Таким образом, самый глубокий энергетический уровень электрона в яме Е 1— eV 0, следующий 4 Е 1— eV 0и т. д. Эта простая модель представляет энергетические уровни, но поскольку она не согласуется с экспериментальными измерениями, то является чрезмерным упрощением.
Более точная картина энергетических уровней атома водорода выведена из того, что частоты фотонов, испускаемых атомами водорода, согласуются с формулой типа hf= Е 1(1/n 2— 1/m 2), где nи m —целые числа. Энергетические уровни наблюдаются при значениях — Е 1/п 2. Объяснения этим значениям дал Эрвин Шредингер, сформулировавший основное уравнение, применимое ко всем заряженным частицам в любой потенциальной яме. Вышеприведенная формула следует из обратной зависимости электростатического потенциала, окружающего ядро, от радиуса. Уравнение Шредингера также очерчивает допустимые «вероятностные оболочки» электронов в атомах, которые являются наиболее вероятным местоположением электронов в атоме. Кроме того, оно дает частичное объяснение тому, что в каждой оболочке возможно наличие лишь строго определенного числа электронов. Более точное объяснение предлагает принцип запрета Паули.
См. также статьи «Корпускулярно-волновая двойственность», «Принцип запрета Паули», «Энергетические уровни атомов».
МОЛЬ И МАССА
Постоянная Авогадро (N A) — число атомов, присутствующих в 0,012 кг 12 6С (углерода-12); оно было точно измерено и равно 6,02 х 10 23моль – 1. Углерод -12 выбран в качестве образца потому, что его легко отделить от других изотопов углерода.
Один моль — это такое количество вещества, которое содержит N Aатомов или молекул. Таким образом, nмолей вещества содержат nH Aтаких частиц. Молярной массой веществаназывается масса одного моля вещества.
За атомную единицу массы (1 а.е.м.) принята 1/ 12часть массы атома углерода-12, которая, согласно определению, равна 2,0 x 10 – 26кг (0,012 кг/N А). Отсюда 1 а.е.м. = 1/12 x 0,012 кг/ N А= 1,66 х 10 – 27кг. Отметим, что масса протона равна 1,00728 а.е.м., масса нейтрона — 1,00866 а.е.м., а масса электрона — 0,00055 а.е.м.
Так как массы протона и нейтрона приблизительно равны 1 а.е.м., то массовое число изотопа приблизительно равна массе в граммах одного моля атомов этого изотопа. Например, ядро урана 238 92U (урана-238) состоит из 238 нейтронов и протонов и, следовательно, его атомная масса приблизительно равна 238 а.е.м. Отсюда масса 1 моля атомов урана-238 равна приблизительно 238 г, или 0,238 кг.
Относительной атомной массойили относительной молекулярной массой называется масса атома или молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Таким образом, молярная масса элемента или химического соединения равна относительной атомной или молекулярной массе, выраженной в граммах.