1932 - annus mirabilis Год чудес в ядерной физике. - презентация

1

2 annus mirabilis Год чудес в ядерной физике

3 annus mirabilis Джеймс Чедвик облучал бериллий альфа- частицами и открыл … Карл Андерсон в космических лучах обнаружил … В США начал работать первый большой … Лоуренса (диаметр полюсов электромагнита 114 см, магнитное поле 15кЭ, ионы Н 2 ускорялись до 3,6 МэВ) Джон Кокрофт и Эрнст Вальтен ударили ускоренными протонами по литию и… Но был один человек, который за открытие в 1932 году получил Нобелевскую премию раньше всех!

4 Гарольд Юри Нобелевская премия по химии 1934 года за открытие тяжелого водорода (изотопа Н-2)

5 Изотопы – это… ( повторите сами) В 1919 году ученик Томсона Астон сумел доказать существование неона с атомным весом 20 и 22, хлора – 35 и 36. (До войны он мучительно фракционировал неон над древесным углем, охлажденным жидким воздухом. Разделить изотопы неона не удалось. В 1919 он применил электромагнитный метод разделения – создал свой замечательный масс-спектрограф с двойной фокусировкой последовательно в магнитном и электрическом поле, перпендикулярных друг другу. На схеме отклонения ионов показаны не плавными линиями, а ломаными – для наглядности. Главное: ионы с одинаковой массой и зарядом, даже если их скорости были различны, попадали в одно место F!) первый масс- спектрограф Астона разряд щели синяя линия – траектория быстрых ионов, красная - медленных конденсатор Магни тное поле

6 масс-спектрограммы Астона Для градуировки масс-спектров применялись известные вещества: молекулы и атомы кислорода с одним и двумя зарядами (линии 32, 16, 8), углеродные линии и линии его окислов С ++ (6), С (12), СО (28), СО 2 ( скоко?). Сложно было разбираться с масс-спектрами… Астон разобрался и получил по химии… За открытие с помощью его масс- спектрографа изотопов в большом количестве нерадиоактивных элементов и за формулировку правила целых чисел А у водорода изотопов он не обнаружил! Получил для него атомный вес 1,008. ( Это было подозрительно нецелое число)

7 Какой тяжелый водород… В 1919 году Штерн сообщил о неудаче в поиске изотопов водорода и кислорода с атомным весом, кроме 1 и 16 соответственно. В 1929 году два химика из Беркли – Жак и Джонстон обнаружили стабильные изотопы кислорода O-17 и O-18 ( Их естественная распространенность 0.04% и 0.2%) В 1931 году для объяснения атомного веса водорода Берж и Менцель постулировали существование стабильного изотопа водорода с атомной массой 2 и природной распространенностью 1:4500 ( найти и «по-стулу-рвать» - это разные вещи).

8 План атаки Юри прочитал сообщение Бержа и Менцеля в Physical Review в августе И решил найти изотоп водорода с массой 2. Он составил план действий: Найти Н-2 Нужен метод детектирования Юри и его ассистент Георг Морфи решили изучить серию Бальмера в спектре атомарного водорода В Колумбийском университете есть вогнутая дифракционная решетка с радиусом 6,3 метра и разрешением 1.3 Å /мм во втором порядке (сами проектировали!) Нужен образец обогащенный Н-2 По его расчетам, можно увеличить концентрацию Н-2 в раз при испарении 5литров жидкого водорода до остатка в 1мл. Жидкий водород в США можно получить в двух лабораториях. В Вашингтоне, в одной из них работает его друг Брикведе.

9 слышали про серию Бальмера? Юри слышал. Юри все время учился. С 18 лет, работая учителем в элементарной школе, он начал готовиться к поступлению в университет Монтаны. Поступил (летом работал на железной дороге), занимался биологией. Его любимый профессор биологии посоветовал глубже изучать химию, и Гарольд получил вторую специальность. Работал на химическом производстве в конце 1 мировой, потом в родном университете Монтаны вел химию и понял - нужна научная степень. В 28 он стал аспирантом университета в Калифорнии, записался там на курсы математики и физики, которые считал необходимыми для химика. Когда он защитил диссертацию, стало ясно: хочешь больше знать о строении атомов – надо в Копенгаген, к Бору.( Он потом вспоминал: «Бор не знал, что я химик. Он думал, я – физик. А большую часть своих познаний в физике я получил в ресторанах Копенгагена, обедая с профессором Крамерсом»)

10 серия Бальмера Улавливаете закономерность в числах? Бальмер уловил. В 1885 году он предложил формулу, по которой можно рассчитать все эти длины волн: глазом на фотопластинке со спектром ртути (спектр ртути известен, по нему калибруют) «Мне представляется, что водороду…как никакому другому веществу суждено открыть новые пути к пониманию структуры вещества и его свойств» - пророчески написал Бальмер в своей статье.

11 Спектр водорода оказался настоящим сериалом XIX века n = 6 - серия Хэмфри n = 7 - серия Хансена-Стронга Кроме видимого диапазона света есть ИК, УК! И у водорода есть линии в спектре излучения в других диапазонах. Только серия Бальмера в видимом диапазоне. Пфундт

12 от Бальмера к Бору Обеды в ресторанах Копенгагена мы Вам не обещаем. Возьмите учебник и выведите общую формулу для всех линий излучения водорода из постулатов Бора. И Вам дадут самостоятельно много чего покрутить Постулаты Бора проще, чем доска его конструкции (отрывок из фильма «BBC Атом» на ) «Как только я увидел формулу Бальмера, для меня сразу всё стало ясно» - вспоминал Бор. Он ее перевернул, и сразу узнал! четверка… а ведь 4 это квадрат… R H – константа

13 от центра масс к изотопическому сдвигу В формуле, которую Вы выведете, будет масса электрона. И Вам предстоит с ней «поиграть» Хотя масса M ядра водорода (протона) значительно больше массы электрона, движущегося по орбите в атоме, было бы неправильным считать, что в этой «динамической» модели атома протон покоится. Как указал А.Зоммерфельд (1868–1951), в силу законов сохранения энергии и импульса ядро и электрон должны вращаться относительно общего центра масс с одинаковой угловой скоростью (при этом ядро расположено гораздо ближе к центру масс). Влияние этого движения ядра на энергию электронных состояний можно учесть, просто заменив массу электрона m электрона «приведенной массой» m У обычного водорода и тяжелого М ядра разные! И длины волн в спектре излучения обычного водорода и дейтерия будут разные!

14 Изотопический сдвиг Брикведе (со второй попытки) удалось доставить им образец (несколько см 3 ), обогащенный тяжелым водородом. И на спектрах этого образца линии тяжелого водорода были ярче в 6-7раз! Существование этих линий подтвердило теорию Бора. Юри Нобелевской премией с Брикведе( ) и Морфи ( ) поделился ( четвертинкой). Вроде, они не обижались, что их обделили – признавали, что двигателем и организатором эксперимента был Юри. ( А в 1934 году Юри вручение премии «прогулял» по уважительной причине – ожидал рождения третьей дочери) Юри удачно назвал тяжелый водород дейтерием (название прижилось) Теперь и Ваш черед увидеть линии Н-2 (дейтерия) в серии Бальмера Юри и Морфи видели линии тяжелого водорода, исследуя спектр обычного, необогащенного водорода на фотографиях с большой выдержкой. Но публиковать результаты не торопились. Может это линии молекулярного водорода? А может «духи» (ghosts) их спектрометрической решетки? Если в обогащенной тяжелым водородом смеси эти линии будут интенсивнее – это будет доказательством существования Н-2 { Современные антинаучные журналисты могут использовать статью Юри, Морфи и Брикведе 1932 года, как доказательство существования духов (symmetrical ghosts), черной и белой магии (white and black stage of discharge tube)}.«духи» Увеличенные изображения Н, Н и Н линий Бальмера. Здесь есть духи! Найдёте линии дейтерия?

15 Утешение – не придется месяцами испарять жидкий водород – у Вас будет лампа, наполненная смесью дейтерия и водорода 1 - спектральная лампа; 2 – входная щель камеры УФ - 85; 3 – кассетная часть камеры; 4 - зажим кассеты; 5 - шкала поворота дифракционной решетки; 6 - шторки; 7 - ручка затвора кассетной части прибора; 8- ручка фокусировки изображения; 9 - маховик для поворота дифракционной решетки; 10 - винт для перемещения кассетной чaсти; 11 - шкала; 12 - микрометрический винт для изменения ширины щели; 13 - скоба для перемещения ламп перед щелью; 14 – юстировочный винт; 15 - блок питания; 16 - тумблер включения блока питания; 17- переключатель питания на лампы: ртутной (положение ДРГС - 12) и водородной (положение ДВС - 25); 18 - тумблер включения анода; 19 - тумблер включения накала

16 15 - блок питания; 16 - тумблер включения блока питания; 17- переключатель питания на лампы: ртутной (положение ДРГС - 12) и водородной (положение ДВС - 25); 18 - тумблер включения анода; 19 - тумблер включения накала 1 - спектральная лампа; 2 – входная щель камеры УФ - 85; 3 – кассетная часть камеры; 4 - зажим кассеты; 5 - шкала поворота дифракционной решетки; 6 - шторки; 7 - ручка затвора кассетной части прибора 8- ручка фокусировки изображения; 9 - маховик для поворота дифракционной решетки; 10 - винт для перемещения кассетной чaсти; 11 - шкала; 12 - микрометрический винт для изменения ширины щели; 13 - скоба для перемещения ламп перед щелью; 14 – юстировочный винт

17 схема камеры УФ - 85 И - источник света Щ – входная щель П - поворотная призма О – объектив Д - дифракционная решетка ПЗС – ПЗС – линейка В качестве спектрального прибора используется автоколлимационная камера УФ - 85 с фокусным расстоянием объектива около 1300 мм в комбинации с отражательной дифракционной решеткой, имеющей 600 штрихов на мм.

18 Разложенное на спектральные составляющие излучение фокусируется объективом в фокальной плоскости на ПЗС– линейку. Камера УФ - 85 – автоколлимационная; расстояния от щели и от фокальной плоскости до объектива одинаковы, поэтому они одновременно устанавливаются в фокусе объектива с помощью рукоятки 8 при фокусировке. В зависимости от угла падения лучей света на дифракционную решетку в объектив попадают различные длины волн и фокусируются им в фокальной плоскости. Источник света устанавливается перед щелью камеры. Ширина щели регулируется микрометрическим винтом 12. Через щель свет попадает на поворотную призму, которая посылает его на объектив. Далее параллельный пучок света попадает на отражательную дифракционную решетку. Изменение угла падения осуществляется поворотом дифракционной решетки Д относительно вертикальной оси при помощи маховика 9 "поворот решетки", выведенного сбоку кассетной части прибора. Угол поворота решетки контролируется по шкале 5. Рамка кассетной части прибора 3 с блоком линейки ПЗС перемещается в вертикальном направлении с помощью винта 10. УФ-85

19 ПЗС -линейка Датчики изображения на приборах с зарядовой связью (ПЗС) состоят из отдельных ячеек, в которых под действием падающего на них света образуется электрический заряд. После экспонирования заряд каждой ячейки преобразуется в электрическое напряжение. (Для Вас ПЗС-линейка – вчерашний день, в цифровых фотоаппаратах и мобильных телефонах у Вас стоят ПЗС-матрицы – двумерные линейки) Мы используем ПЗС-линейку, сделанную в Троицке. Размер каждого элемента 7 микрон ( см) В англоязычной литературе ПЗС называется CCD – Charge Coupled Device.

20 В годы II мировой Юри принял участие в Манхетенском проекте, занимался разделением изотопов урана, производством тяжелой воды и обогащением бора-10. В послевоенные годы он придумал палеотемпературный градусник ( по отношению масс 18 О/ 16 О в образце древнего минерала можно определить температуру на Земле в то время) Именно Юри дал аспиранту Вассербургу тему «изотопная датировка 40 К/ 40 Ar». Под его руководством другой талантливый аспирант Стенли Миллер поставил знаменитый в биологии эксперимент (моделирующий возникновение жизни в первичной атмосфере Земли). От указания своей фамилии в их публикациях Юри отказался Его последняя любовь – Луна. После 65 лет он опубликовал 105 научных работ, 47 из них связаны с изучением Луны. Жена вспоминала: «Какое удовольствие доставляло ему – взять свой лунный глобус и прочитать лекцию пятиклассникам о Луне и планетах». Последние две научные работы он опубликовал в 84 года.

21 Многие студенты Калифорнии пишут «Urey» в своем адресе – в его честь назван один из корпусов университета Калифорнии (в Сан Диего). Гарольд Юри архитектуру этого здания, мягко выражаясь, не любил, но хитрецы предложили название «Frieda and Harold Urey Hall» (Frieda – его жена), и Юри не смог отказаться. Каждый год в начале июня с 7 этажа Urey Hall избранная красотка бросает арбуз, параметры разлета его фрагментов тщательно изучаются (профессору физики в 1965 году надо было подумать прежде, чем дать задачу студентам о дальности разлета осколков арбуза, брошенных с высоты h). ждущие полета арбуза

22 Литература 1.Сайт Нобелевского комитета Брусиловский Б.А., Ищенко С.В., Красильникова Н.А., Красильников С.С., Смирнов А.В. « Спектр атома водорода. Изотопический сдвиг. Лабораторные работы 5,9» Энциклопедия Кругосвет «Строение атома» James R. Arnold, Jacob Bigeleisen, and Clyde A. Hutchison Jr. «Harold Clayton Urey» О празднике арбузоброса

23 Это не конец! На лучшем спектрометре будет заметно, что линии дейтерия и водорода двойные! Есть тонкая структура (причина - релятивистская зависимость массы электрона от его скорости и существования у электрона собственного момента импульса (спина) и собственного (спинового) магнитного момента) Есть лэмбовский сдвиг (обусловлен взаимодействием электрона с вакуумом) Есть сверхтонкая структура (из-за взаимодействия магнитного момента электрона с магнитным моментом ядра) Еще и конечный размер ядра приводит к отклонению от закона Кулона и сдвигу энергетических уровней атома Может и Вы что-нибудь добавите в этот список?

24 «Духи» решетки Несовершенство делительной машины, служащей для нарезания дифракционных решеток, приводит к появлению ложных спектральных линий, так называемых «духов». Различают три вида духов. Духи, вызываемые периодическим смещением штрихов решетки, определяются шагом винта делительной машины и получили название духов Роуланда. Они появляются справа и слева от истинной линии и находятся от нее на расстоянии, соответствующем решетке со штрихами, отстоящими на шаг винта. В настоящее время, благодаря контролю хода винта делительной машины (с помощью интерференционных методов), интенсивность духов Роуланда пренебрежимо мала. В том случае, когда машина периодически пропускает один штрих или, наоборот, периодически усиливает его, появляются духи Лаймана, интенсивность которых не зависит от порядка спектра. Этот тип духов значительно более неприятен, чем первый, поскольку ложные линии удалены от истинных; так, например, в инфракрасной области спектра ошибочно были открыты спектральные линии, в действительности являющиеся духами линий в видимой области спектра. У некоторых решеток длина волны духов Лаймана составляла 2/5, 3/5, 4/5,... длины волны истинной линии. Р. Вуд, изучавший духи Лаймана, нашел, что периодичность этих духов совпадала с периодичностью приводного ремня делительной машины. Когда через шкив проходил шов ремня, увеличивалось давление на движущуюся часть машины, что приводило к изгибанию ее рамы. Для проверки Р. Вуд утолщал шов и в результате значительно повысил интенсивность духов. В решетках, нарезанных на современных машинах, духи Лаймана практически отсутствуют. Третий тип духов был также подробно изучен Р. Вудом. Духи Вуда появляются рядом с истинной линией и очень похожи на тонкую структуру линии. Причина их появления заключается в непериодических ошибках, вызываемых изменением трения в делительных машинах. Для обнаружения этих духов Вуд пользовался яркой, не имеющей тонкой структуры, зеленой линией неона; появление структуры свидетельствовало о наличии духов. Дефектную часть решетки в спектральном приборе легко обнаружить, заэкранировав изображение истинной линии острием ножа и рассматривая поверхность решетки, совместив зрачок глаза с изображением ложной линии. В современных решетках духи Вуда также ликвидированы. Спектральные приборы. Тарасов К. И. Изд-во «Машиностроение», 1968 назад