Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра - [49]

теряет потенциальную энергию. Вот почему электрон не может покинуть орбиту, пока ему не будет сообщена добавочная энергия путем бомбардировки. Итак, вы найдете выражение для V, которым пользуются в атомной физике. Оно получается в результате вычисления работы, совершаемой против силы отталкивания

∙Q(1)/d² при перенесении +1 кулон из d = бесконечности в d = r. Сила отталкивания меняется с изменением расстояния d, поэтому определить V простым перемножением СИЛА∙ПУТЬ нельзя. Вместо этого мы должны разбить весь путь на очень короткие участки, вычислить работу на каждом участке и сложить результаты. Разбивая путь на все более короткие участки, мы получим в пределе то, что дает метод математического анализа, называемый интегрированием, (Существуют приемы, позволяющие проделать этот расчет без помощи математического анализа, однако каждый, кто в состоянии проследить за подобными выкладками, смог бы за это время познакомиться с математическим анализом, доставив себе большое удовольствие.) Приведем вывод формулы математического анализа, заменив букву d на х.

Предположим, что пробный заряд +1 кулон проделал часть пути, находясь на расстоянии х, и мы перемещаем его еще на некоторый отрезок пути — dx. (Символ d употребляется вместо Δ в случае предельного перехода и обозначает бесконечно малую величину, а знак минус указывает на перемещение в направлении начала отсчета величины х, т. е. означает отрицательное приращение х.) Тогда работа на этом отрезке пути равна

Следовательно,

V = ПОЛНАЯ РАБОТА = СУММА ВСЕХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ РАБОТ НА ПУТИ ИЗ БЕСКОНЕЧНОСТИ ДО х = r

Работа, совершаемая внешней силой, переходит в потенциальную энергию заряда в электрическом поле. Записанный интеграл равен потенциальной энергии, приходящейся на единицу заряда.

а) Произведите интегрирование, помня, что 

— постоянная, равная 9,0∙10⁹, a Q — заряд центрального ядра — тоже постоянная величина.

б) Решение задачи а) дает величину V на расстоянии r от точечного заряда Q. Оно дает, кроме того, величину V на поверхности заряженного шара радиуса r, несущего заряд Q. Почему?

в) Исходя из б), оцените потенциал металлического шара величиной с бейсбольный мяч (r ~= 0,05 м), несущего заряд 1 микрокулон (10^-6 кулон). Потенциал шара выражается в вольтах.

г) В соответствии с простыми моделями атома «радиус» атома водорода — то расстояние от ядра, на котором электрон проводит большую часть времени, — близок к 0,5 А° (= 0,5∙10^-10 м). Заряд электрона, равен —1,6∙10^-19 кулон; ядро, находящееся в центре, обладает таким же по абсолютной величине положительным зарядом.

1) Вычислите величину V, обусловленную зарядом ядра, равным +1,6∙20^-19 кулон, на «наружной поверхности» атома (для атома водорода).

2) Вычислите потенциальную энергию электрона в джоулях там же, умножив V на заряд электрона, равный —1,6∙20^-19 кулон.

Затем разделите полученную величину на заряд электрона, чтобы выразить потенциальную энергию в электронвольтах. (Обратите внимание на то, что эта потенциальная энергия отрицательна. В модели Бора электрон обладает, кроме того, кинетической энергией, которая численно ровно вдвое меньше потенциальной и, конечно, положительна. Таким образом, половина найденного здесь вами значения указывает энергию, которую необходимо затратить, чтобы выбить электрон из атома и превратить атом в ион. Опыты по бомбардировке атомов водорода показывают, что для атома водорода эта энергия равна 13,6 электронвольт.)

3) α-частицами, несущими заряд +2е, обстреливают атомы золота. Изредка какая-нибудь α-частица отлетает строго назад. В этом случае мы представляем себе, что α-частица движется к атому золота, преодолевая силу отталкивания со стороны большого положительного заряда ядра атома, пока не потеряет всю свою кинетическую энергию, которая переходит в потенциальную энергию частицы в электростатическом поле. После этого α-частица летит назад. Ив приведенных ниже данных (все они взяты из опытов) оцените, на какое самое близкое расстояние α-частица приближается к ядру атома золота. Сравните свой ответ с традиционным «размером» атома (радиус порядка 0,5∙10^-10 м).

ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ, α-частица, вылетающая из ядра атома радия, имеет:

— скорость v ~= 1,6∙10⁷ м/сек,

— массу m ~= 6,6∙10-²⁷ кг,

— заряд 2e = + 2∙1,6∙10^-19 кулон.

Ядро атома золота значительно более массивное, а заряд его равен 79е = 79∙1,6∙10^-19 кулон.

Глава 34. Магнетизм. Опыт и теория

Отличительная особенность магнитов — их пол… Тот сорт магнита, что был найден в Трое, имеет черный цвет и женский пол и, следовательно, лишен притягивающей силы.

Плиний, «Естественная история» ~77 г. н. э.

Электрические поля ускоряют и отклоняют пучки электронов, но их оказывается недостаточно, чтобы узнать заряд, массу и скорость движущихся электронов или заряженных атомов. Для этого необходимы еще и магнитные поля. Так что прежде, чем начать изучение атомов, мы должны вкратце познакомиться с магнетизмом. Цель настоящей главы показать, что представляют собой магнитные поля и как они используются для изучения атомов. В ней дается также простая теория магнетизма, которая может служить примером очень хорошей теории.