Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Электронная пушка состоит из источника электронов, которым является горячий катод С, накаляемый подогревателем НН , диафрагмы М , через которую электроны вылетают. Кроме того, во многих случаях добавляются управляющие пластины или сетка G (фиг. 1).

Фиг. 1. К задаче 1.

а) Катод необходимо нагреть, чтобы с него начали испаряться электроны в достаточном количестве.

б) Чтобы на выходе из пушки двигаться достаточно быстро, электроны должны быть ускорены большой разностью потенциалов. Она обеспечивается батареей (или эквивалентным ей источником), которая создает электрическое поле, направленное вдоль пучка, чтобы ускорить электроны на пути от катода к выходному отверстию в диафрагме.

в) Когда такой стремительный поток несется от катода к диафрагме пушки, то ее конструкция перегревается за счет выделения тепла при потере кинетической энергии многочисленными электронами, которые останавливаются и поглощаются стенками, не сумев проскочить в выходное отверстие. Чтобы избежать этого, между С и G прикладывается небольшое тормозящее поле. Тогда лишь небольшая часть потока проникает дальше G и затем ускоряется.

г) Для «отклонения» электронного пучка вверх или вниз между пластинами Р и Р ' прикладывается вертикальное электрическое поле. Все эти электрические поля можно создавать, подключая в соответствующих точках источники нужного напряжения.

Перечертите эскиз, добавив батареи во всех местах, где они требуются, учитывая следующие, достаточно типичные требования:

а) спиралька, подогревающая катод, потребляет 5 а и имеет сопротивление 2 ом;

б) для ослабления потока лучше использовать напряжение 12 в;

в) разгон потока до необходимой скорости требует напряжения порядка 2000 в;

г) для системы отклонения пучка между пластинами Р и Р ' нужно приложить 40 в, если расстояние между ними 0,02 м.

Не забудьте убедиться, что полюса батарей подключены с учетом того факта, что электроны заряжены отрицательно (поставьте на полюсах + и —). Поле между Р и Р ' должно отклонять электроны вверх.

Задача 2. Отклонение пучка

Пучок электронов выходит из электронной пушки и движется вдоль длинной трубки. Пластины Р и Р ', соединенные с батареей, как показано на фиг. 2, создают электрическое поле.

Фиг. 2. К задаче 2.

а) По какому пути полетят электроны, покинув пушку, если между пластинами Р и Р ' не будет включено поле?

б) Как будет меняться скорость электронов, продолжающих движение вдоль трубки, если разность потенциалов между Р и Р ' отсутствует?

в) Назовите общий физический закон, который подводит итог наблюдениям над определенными природными явлениями, а выводы из него используются для предсказания других аналогичных явлений и на который вы опирались, отвечая на вопросы а) и б) .

г) Пусть теперь напряжение на пластины Р и Р ' подано; тогда между ними существует сильное однородное, вертикально направленное поле, а за пределами области, ограниченной пластинами, это поле пренебрежимо мало. На что будет похожа траектория пучка в сильном поле? (У этой траектории есть определенное название, приведите его, а также нарисуйте траекторию.)

д) Где вы встречали ситуацию, когда тело движется по подобному пути в однородном силовом поле?

е) Когда пучок покидает область между пластинами Р и Р ', где имеется поле, он подвергается действию пренебрежимо слабого поля. Опишите траекторию пучка на этом участке и покажите ее на, вашем эскизе.

Исследование атомных частиц

Мы знаем, что электроны, испаряющиеся из раскаленной спиральки, несут отрицательный заряд; но как измерить заряды отдельных электронов и их массы и показать, что все они одинаковы? Как измерить их скорость при вылете из электронной пушки? И потом говорят, что электроны, оторванные от молекул разреженного газа в электрической разрядной трубке, — это те самые универсальные частицы, из которых состоит материя. Как доказать, что они именно таковы? Как можно показать, что они гораздо меньше, чем атомы? Как проникнуть в атомную структуру, исследуя положительные ионы — то, что осталось от атомов в разрядной трубке? Как регистрировать ядерные снаряды (альфа- и бета-частицы), которыми стреляют радиоактивные атомы?

Электроны, ионы, ядра… Это некоторые из крошечных частиц , изучаемых современной физикой; мы описываем их индивидуальные особенности, определяя их заряд, массу, скорость… Их нужно ловить на лету. Остановившись, они затеряются среди атомов стенок приборов, проводов и т. д. [102]Поэтому нужную информацию мы добываем, отклоняя их от первоначального направления с помощью полей — точно так же, как можно оценить скорость мячика по тому, как влияет на его полет поле тяготения. Гравитационные поля слишком слабы для изучения атомных частиц. Конечно, все эти частицы, когда летят, подвергаются действию силы тяжести, но при любом разумно выбранном напряжении электронной пушки они движутся слишком быстро, для того чтобы их падение можно было заметить на тех расстояниях, которые им обычно приходится пролетать. (Альфа-частица, испущенная радием, пролетев километр, сдвинулась бы под действием тяготения за это время на несколько миллионных долей сантиметра, а электроны в телевизионной трубке на таком же пути — на десятимиллионную долю сантиметра, если бы у нас была трубка в километр длиной.) Поэтому мы заставляем действовать на электрический заряд, который несут эти частицы, электрическое и магнитное поля.

В этой главе мы покажем, что можно сделать с помощью электрических полей, а в следующей главе вернемся к магнитным полям и увидим, как, объединяя действия полей обоих типов, определить скорость частицы и ее существенную опознавательную характеристику; отношение заряда к массе, e / m .

Поля и пучки

Электрическое поле к электронам мы уже прикладывали. В трубке осциллографа напряжение в электронной пушке создает поле, направленное вдоль пучка электронов, чтобы разогнать их, а отклоняющие поля качают пучок вверх-вниз и из стороны в сторону. В разрядной трубке электрическое поле, направленное вдоль нее, ведет положительные ионы в одну сторону, а электроны и отрицательные ионы — в противоположную, создавая толчею возбужденных атомов, которые испускают свет, когда их электроны возвращаются в состояния с наименьшей энергией.