Раздел 3. Инструкции по выполнению лабораторных работ и индивидуальных расчетно-графических заданий

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА И ИРГЗ № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЧАСТИЦЫ МЕТОДОМ ОТКЛОНЕНИЯ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

• Знакомство с компьютерным моделированием движения заряженных частиц в магнитном поле.

• Ознакомление с принципом работы масс-спектрометра.

• Определение удельного заряда частиц.

Ознакомьтесь с теорией в учебниках: 1. Трофимова Т.И. Курс физики, гл. 14, §115. 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Гл. 23, §23.3.

Запустите программу «Открытая химия». Выберите модель 1.2. «Масс-спектрометр». Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

1. СИЛА ЛОРЕНЦА – сила, действующая на частицу с зарядом q, движущуюся со скоростьюvв однородном магнитном поле с индукциейВ:

(1)

Модуль этой силы равен

, (2)

где – угол между векторамии. Сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости частицы, сообщает ей только нормальное ускорение и вызывает искривление траектории частицы.

Если частица влетает в однородное магнитное поле в направлении, перпендикулярном линиям магнитной индукции, то она будет двигаться по дуге окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции. Радиус окружности можно найти из второго закона динамики:

. (3)

УДЕЛЬНЫМ ЗАРЯДОМ ЧАСТИЦЫ называется отношение заряда частицы к её массе. Тогда из формулы (3) удельный заряд будет равен:

. (4)

Период обращения частицы равен:

, (5).

Если все внешние параметры поддерживаются постоянными, то по величине радиуса или по времени пролета можно определить массу атома (молекулы).

2. МАСС-СПЕКТРОМЕТРОМ называется прибор для разделения ионизованных молекул и атомов по их массам, основанный на воздействии электрических и магнитных полей на пучки ионов, летящих в вакууме.

Схема устройства масс-спектрометра показана на рис. 1.

В ионизационную камеру (2), где с помощью насоса (9) поддерживается высокий вакуум (~10^–6мм рт. ст.) запускаются атомы или молекулы исследуемого вещества. Под действием радиоактивного излучения или потока быстрых электронов (4) они теряют один или несколько электронов, превращаются в ионы и ускоряются до определенной скорости электрическим полем (5). Под действием внешнего магнитного поля, перпендикулярного движению частиц (6), ионы отклоняются от прямолинейной траектории. Если в данном веществе присутствуют атомы или молекулы с различной массой, то более легкие частицы (с тем же зарядом) отклоняются от центральной оси сильнее, чем более тяжелые (7,8). В результате они попадают на детектор в разных местах. Через усилитель (10) сигнал подается на самописец (11). В итоге регистрируетсямасс-спектр– зависимость интенсивности сигнала (количества частиц) от отношения массы образующихся при ионизации частиц к их заряду (m/q_e).

Рис. 1.Схема масс-спектрометра.

1 – резервуар, 2 – ионизационная камера, где поддерживают высокий вакуум, 3 – впуск, 4 – источник излучения (электронная пушка), 5 – отрицательно заряженные пластины, 6 – магнитное поле, 7 – траектория частиц с малой и 8 – с большой массой, 9 – место подключения к вакуумному насосу, 10 – усилитель, 11 – самописец.

3. ИЗОТОПАМИ называются атомы одного химического элемента, различающиеся по массе (т.е. по количеству нейтронов в ядре). В настоящее время известно более 2000 различных изотопов, из них около 280 стабильны и существуют в природе, остальные получены искусственно. Изотопы одного и того же химического элемента в химических реакциях ведут себя практически одинаково, но отличаются по физическим свойствам. Относительная атомная масса данного элементаA_r складывается из относительных масс каждого из изотоповA_ri , существующих у этого элемента, с учетом содержания данного изотопа в природе_i:

, (6).

На рис. 2. изображена компьютерная модель масс-спектрометра, в котором происходит разделение изотопов по массам.

Рис. 2.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

1.Подведите маркер мыши к регулятору величины магнитной индукции, нажимая левую кнопку мыши, установите значение В, заданное в таблице 1 для вашего компьютера.

Таблица 1 (не перерисовывать)

Значения магнитной индукции В, мТл.

Номер компьютера/ Номер в списке группы	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
В, (табл.2,3)	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5	6	6,5	7	7,5	8
В, (табл.4,5)	8,5	8,6	8,7	8,8	8,9	9,0	9,1	9,2	9,3	9,4	9,5	9,6	9,7	9,8	9,9

2. Аналогичным образом, перемещая мышью регулятор скорости, установите минимальное значение 10³м/с.

3. Нажмите мышью кнопку «Изотопы ¹²С-¹⁴С».

4. Нажмите мышью кнопку «Старт» и синхронно секундомер. Проследите за движением двух изотопов в магнитном поле модельного масс-спектрометра и по секундомеру определите время этого движения (для тяжелого изотопа).

5. Запишите в таблицу 2 значения радиусов окружностей, по которым двигались эти изотопы (они показаны красным и синим цветом в правом углу окна) ивремя движенияв вакуумной камере масс-спектрометра. По завершении эксперимента нажмите кнопку «Сброс».

6. Последовательно увеличивая скорость частиц на 10³м/с, проделайте п.п. 4-5 ещё 9 раз и заполните таблицу 2.

7. Нажмите мышью кнопку «Изотопы ²⁰Ne-²²Ne», проведите измерения п.п. 4-5 и заполните таблицу 3.

8. Проведите аналогичные измерения с изотопами урана и неизвестного химического элемента и заполните таблицы 4 и 5 (обратите внимание, что для них значение В нужно изменить согласно табл. 1).

Таблицы 2-5. Результаты измерений и расчет удельного заряда атома.

Изотопы ___________, В = _______мТл.

v·103, м/с	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
R1, м
R2, м
Т1/2, с
q1/m1, Кл/кг q2/m2, Кл/кг
Средние значения: q1/m1=q2/m2=
Справочные значения: q1/m1=q2/m2=

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. Вычислите по формуле (4) удельные зарядыизотопов углерода, неона, урана и неизвестного химического элемента и запишите полученные значения в соответствующие таблицы.

2. Исходя из данных табл. 6, определите значения удельных зарядов исследованных изотопов и сравните их с полученными в проведенных опытах.

3. Определите, какие изотопы исследовались в последнем случае.

4. Постройте график зависимости времени пролета исследованных изотопов в камере масс-спектрометра от их скорости. Сделайте вывод о виде зависимости по результатам анализа графика или по формулам, приведенным в теоретической части.

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ:

Атомная единица массы1 а.е.м. = 1,660·10^27кг.

Элементарный зарядq_е= 1,602·10^19Кл.

Таблица 6 (не перерисовывать)

Относительные атомные массы исследуемых изотопов

12C 13C 14C

12,0000 13,0034 14,0032

20Ne 21Ne 22Ne

19,9924 20,9939 21,9914

234U 235U 238U

234,0409 235,0439 238,0508