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 Ек = 1/2mv2 = (nh/2L)2/2m = Е1п2, где Е1 = h2/8mL2. Общая энергия электрона в яме равна Ек — eV0, где V0 — глубина ямы. Таким образом, самый глубокий энергетический уровень электрона в яме Е1 — eV0, следующий 4 Е1 — eV0 и 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 = Е1(1/n2 — 1/m2), где n и m — целые числа. Энергетические уровни наблюдаются при значениях — Е1/п2. 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 (NA) — число атомов, присутствующих в 0,012 кг 126С (углерода-12); оно было точно измерено и равно 6,02 х 1023 моль-1. Углерод -12 выбран в качестве образца потому, что его легко отделить от других изотопов углерода.
Один моль — это такое количество вещества, которое содержит NA атомов или молекул. Таким образом, n молей вещества содержат nHA таких частиц. Молярной массой вещества называется масса одного моля вещества.
За атомную единицу массы (1 а.е.м.) принята 1/12 часть массы атома углерода-12, которая, согласно определению, равна 2,0 x 10-26 кг (0,012 кг/NА). Отсюда 1 а.е.м. = 1/12 x 0,012 кг/ NА = 1,66 х 10-27 кг. 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 23892U (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 массой или 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.
Количество атомов или молекул в массе m элемента или химического соединения молярной массой М равно произведению молей (т/М) на количество частиц в моле N А. Такие вычисления проводятся при анализе радиоактивных веществ, когда нужно вычислить количество атомов в радиоактивных изотопах.
См. также статью «Атомы и молекулы»
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Согласно общему принципу относительности, все физические законы одинаковы для всех наблюдателей. В 1916 году Эйнштейн опубликовал работу «Проект обобщенной теории относительности и теории тяготения», в которой математически доказал общий принцип относительности. В своем труде ученый показал, что абсолютное пространство и абсолютное время — понятия бессмысленные и заменил их концепцией пространства — времени, предположив, что пространство и время взаимозависимы. В общем, его теория гласит: масса вещества искажает пространство — время, а время — пространство заставляет вещество двигаться. Он также доказал, что искажение пространства — времени пропорционально распределению массы и энергии. Закон всемирного тяготения Ньютона следует из его теории при условии, что сила тяготения достаточно мала.
В 1905 году выход работы Эйнштейна, посвященной специальной теории относительности, ознаменовал революцию в физике. Тогда ему еще не было и 30 лет и он работал техническим экспертом в Бернском патентном бюро. В 1909 году Эйнштейн стал профессором, а в 1913 году его пригласили в Берлин возглавить специально созданный для него исследовательский институт. В 1916 году Эйнштейн опубликовал вышеуказанную работу, в которой предсказывал существование черных дыр и отклонения света под действием гравитации. Его теория была успешно подтверждена Артуром Эддингтоном, сделавшим в 1919 году снимки звезд, оказавшихся рядом с солнечным диском во время солнечного затмения. Эддингтон обнаружил, что положение звезд у края солнечного диска на этих фотографиях слегка смещено, как и предсказывал Эйнштейн. Успешная проверка положений последнего означала, что такие концепции, как абсолютное время и абсолютное пространство, неверны. Время и пространство связаны между собой и на них воздействует гравитация. В газете «Таймс» вышла статья о конференции ведущих ученых, обсуждавших положения его теории, и Эйнштейн стал всемирной знаменитостью. Общая теория относительности имела важные последствия для развития астрономии и космологии, в том числе привела к обнаружению черных дыр, для развития теории гравитационных полей и теории Большого Взрыва как события, положившего начало нашей Вселенной.
См. также статьи «Большой Взрыв», «Гравитационное поле 1», «Черная дыра».
ОПТИЧЕСКИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ 1 — ЗЕРКАЛА И ЛИНЗЫ
Когда вы смотрите в зеркало, вы видите свое отражение. Этот образ складывается из световых лучей, отраженных от вашего лица и еще раз от поверхности зеркала. При отражении предмета в плоском зеркале создается мнимое изображение, т. е. видимость того, что предмет в зеркале и реальный предмет находятся на одинаковом расстоянии от поверхности зеркала, угол падения равен углу отражения, как показано ниже.
Когда вы смотрите в объектив фотоаппарата, лучи света от предмета, который вы хотите сфотографировать, фокусируются на пленке с помощью линзы. Изображение на пленке — реальное, так как оно формируется из лучей света, преломленных линзой, от непосредственного предмета. Рефракцией называется преломление луча, пересекающего границу двух разных прозрачных сред. Линза сделана таким образом, что лучи света, расходящиеся от предмета во всех направлениях, преломляются и устремляются в одну точку на пленке.
• Если линза не находится на нужном расстоянии от пленки, то изображение на ней не будет сфокусированным, так как преломляющиеся лучи не попадут в одну точку пленки.
• Когда фотографируют далеко расположенный предмет, линзу приближают к пленке; когда же фотографируют близко расположенный предмет, линзу отодвигают от пленки, фокусируя на ней изображение.