Dərslik respublikanın universitetlərinin fizika fakültələrinin tələbələri üçün "Atom fizikası"
Download 18.1 Mb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- Ё29. Elektromaqnit kütlə
Шякил 28.1. Deyilənlərdən aydın olur ki, tsiklotronda ionların sürətlənməsi şərti (23.18) düsturu ilə təyin olunur
= = ω ω
(28.1) Duantlar arasında dəyişən gərginliyin amplitudu u 0 , ionların yarıqdan keçmələrinin ümumi sayı n olarsa, onda ionların sürətlənərək aldığı maksimal enerji W maks =nqu 0 olar.
Bu maksimal enerji həm də maqnit sahəsinin B induksiyasından və orbitin radiusunun mümkün olan maksimal qiymətindən, yəni maqnitin R radiusundan asılıdır. Doğrudan da (23.14) düsturuna əsasən tsiklotronda ionun ala bildiyi maksimal enerji
2 2 2 2 0 = =
(28.2) düsturu ilə təyin oluna bilər. Məsələn, hidrogen atomunun müsbət ionları sürətləndirilirsə, onda
/
10 96 , 0 8 ⋅ = , q =
e və orta ölçülü tsiklotron üçün B ≈
1 Tl, R ≈ 0,5 m götürsək, (28.2) düsturuna əsasən W
=12
⋅10 6 eV=12 MeV alırıq. Belə tsiklotron böyük və mürəkkəb bir qurğudur. Onun maqnitinin kütləsi bir neçə yüz tondur. Yüksəktezlikli generatoru, maqniti və vakuum nasoslarını təmin etmək üçün yüzlərlə kilovat güc tələb olunur. Sürətlənmiş ionlar dəstəsinin yaratdığı elektrik cərəyanının şiddəti isə milliamper tərtibindədir. Qeyd edək ki, hissəciklərin sürətlənməsini praktik olaraq həyata keçirəndə ionlar
146 dəstəsinin yaxşı fokuslanmasını təmin etmək, yəni dəstəni duantların mərkəzi müstəvisinin yaxınlığında saxlamaq və onun duantların qapaqlarına düşməsinin qarşısını almaq lazım gəlir. Buna isə əsasən maqnit sahəsini maqnitin mərkəzindən kənarlarına doğru azaltmaqla yüngülcə qeyri-bircinsli etməklə nail olurlar. Maqnit induksiyasının bu zaman yaranan radial toplananı dağılan ionlar dəstəsini mərkəzi müstəviyə qaytaran əlavə Lorens qüvvələrinin meydana çıxmasına səbəb olur. (28.2) düsturuna uyğun olaraq, maqnitin radiusunu böyütməklə ionların maksimal enerjisini, yəni onların sürətini istənilən qədər artırmaq olmaz. Belə ki, hissəciyin kütləsinin onun sürətindən asılı olması (Ё25) hissəciyin sürətlənməsini məhdudlaşdırır. İonların enerjisinin kifayət qədər artması zamanı onların kütləsi də artır və ω
tsiklotron tezliyi azalır. Bunun da nəticəsində (28.1) rezonans şərti pozulur və sürətlənmə nəhayət ki, baş vermir. Hərəkət edən hissəciyin kütləsinin onun sükunət kütləsinə nisbəti m/m 0 həmin hissəciyin υ sürətinin işığın vakuumdakı c sürətinə olan υ /c nisbətindən asılıdır (Ё25). Digər tərəfdən (23.13) düsturuna əsasən hissəciyin enerjisinin verilmiş qiymətində onun sürəti
m ilə tərs mütənasibdir. Məhz buna görə də yüngül hissəciklər (məsələn, elektronlar) üçün kütlənin sürətdən asılı olaraq dəyişməsi effekti ağır hissəciklərdən (ionlardan) fərqli olaraq enerjinin nisbətən kiçik qiymətlərində baş verir və bu səbəbdən də tsiklotron elektronları sürətləndirmək üçün praktik olaraq yaramır. Lakin tsiklotrondan istifadə edərək elektronun xüsusi yükünü təyin etmək olar. Özü də bu üsulun əsas üstünlüyü ondan ibarətdir ki, o, yalnız vakuumda və ya seyrəldilmiş qazlarda olan elektronlara deyil, həm də bərk cisimlərdə olan keçiricilik elektronlarına (sərbəst elektronlar) da tətbiq oluna bilər. Tədqiq olunan maddənin nümunəsi sabit maqnit sahəsində yerləşdirilir və eyni zamanda bu nümunə maqnit sahəsinə perpendikulyar yönəlmiş dəyişən elektrik sahəsinin təsirinə məruz qalır. Bu zaman ionların tsiklotronda sürətlənməsinə oxşar olan hadisə baş verir. Lakin bu halda sürətlənən hissəciklər keçiricilik elektronları olur və duantlar arasındakı sürətləndirici elektrik sahəsinin rolunu elektromaqnit dalğasının elektrik sahəsi oynayır. Bu şərtlər daxilində sərbəst elektronun özünü necə aparmasını keyfiyyətcə nəzərdən keçirək. İnduksiyası 0
r olan sabit maqnit sahəsində elektron 0 B r
vektoruna perpendikulyar olan və M müstəvisində yerləşən (şəkil 28.2) çevrə üzrə (Ё23) ω
tsiklotron tezliyi ilə /bax (23.18)/ hərəkət edəcəkdir:
0
m e c = ω .
(28.3) Bu hərəkəti M müstəvisində bir-birinə perpendikulyar olan iki harmonik rəqsə ayırmaq və elektrona sabit maqnit sahəsində eyni bir ω
tezliyi və π /2 fazalar fərqi ilə X və Y oxları boyunca rəqs edən iki dənə harmonik osillyator kimi baxmaq olar. İndi isə fərz edək ki, elektrona həm də elektromaqnit dalğasının elektrik sahəsinin M
147
müstəvisində yerləşən və ω tezliyi ilə dəyişən E r elektrik sahəsi təsir edir. Bu zaman nəzərdə tutulur ki, elektromaqnit dalğasının uzunluğu elektronun hərəkət etdiyi orbitin radiusundan çox böyükdür və ona görə də E r intensivliyinin ani qiyməti orbitin bütün nöqtələrində eynidir. Bu şərt daxilində yuxarıda göstərilən osilyatorların hər birinə ω
tezliyi ilə dəyişən xarici periodik qüvvə təsir edəcək və onlar ω tezlikli məcburi rəqslər edəcəkdir. Lakin məlumdur ki, ω
ω
(28.4) şərti ödəndikdə rezonans hadisəsi baş verir və bu zaman osilyatorun rəqs amplitudu və onun enerjisi ən böyük qiymət alır və sönmə olmadıqda isə zaman keçdikcə bu qiymət qeyri-məhdud olaraq artır. Buna görə də rezonans zamanı sərbəst elektron elektromaqnit dalğasının enerjisi hesabına enerji qazanaraq açılan spiral şəkilli trayektoriya üzrə hərəkət edəcək (şəkil 28.2), elektromaqnit dalğası isə udulacaqdır. Əslində elektronlar toqquşmalara məruz qalırlar və onlar qazandıqları enerjini bu toqquşmalar zamanı bərk cismin kristal qəfəsinə verirlər. Bundan sonra elektronların sürətlənməsi prosesi yenidən başlayır. Buna görə də rezonans olmadıqda da elektromaqnit dalğasının enerjisinin udulması baş verir. Rezonans zamanı isə bu udulma maksimum olur. Təsvir olunan hadisə tsiklotron rezonansı adlanır. Lakin tsiklotron rezonansının mənşəyi Lorens qüvvəsinin təsiri altında elektronların trayektoriyasının əyilməsi ilə, yəni maddənin diamaqnit xassələrini şərtləndirən effektlə əlaqədar olduğundan onu çox zaman diamaqnit rezonansı da adlandırırlar. Elektron sərbəst qaçış müddəti τ ərzində nə qədər çox tam dövr edə bilirsə, yəni ωτ
hasili vahidə nisbətən böyük olduqca rezonans udulması daha güclü baş verir. Rezonans udulmasının ümumiyyətlə hiss olunacaq dərəcədə olması üçün heç olmazsa ωτ
∼ 1 şərtinin ödənməsi zəruridir. Adətən bu ω ∼ 10
10 Hs tezliklərdə, yəni santimetr diapazonunda olan radiodalğalar oblastında baş verir. Bundan başqa τ -nun böyüməsi də bu məqsəd üçün əlverişli olduğundan tədqiq olunan maddəni bəzi hallarda aşağı temperaturlara qədər soyudurlar. Tsiklotron rezonansını müşahidə etmək üçün tədqiq olunan maddəni, məsələn kiçik kristalı içərisində durğun elektromaqnit dalğası yaradıla bilən rezonans boşluğunda yerləşdirirlər. İçərisində nümunə olan bu rezonatoru sabit bircinsli maqnit sahəsi yaradan elektromaqnitin qütbləri arasında yerləşdirir və ω /
c nisbətindən asılı olaraq elektromaqnit enerjisinin udulmasını ölçürlər. Bu zaman generatorun ω tezliyini sabit saxlamaq, B 0 induksiyasını dəyişməklə (28.3) düsturu ilə təyin olunan ω c tsiklotron tezliyini dəyişmək əlverişlidir. Beləliklə, rezonansa uyğun gələn ω
tezliyi təcrübə yolu ilə təyin olunur. onda (28.3) düsturundan istifadə etməklə elektronun e/m xüsusi yükünü, elektronun e yükünü bilərək isə buradan onun kütləsini tapmaq olar. Müxtəlif kristallarda tsiklotron rezonansının tədqiqi göstərdi ki, bu təcrübələr zamanı keçiricilik elektronlarının sərbəst kütləsi üçün tapılan qiymət vakuumda sərbəst elektronun kütləsi üçün alınmış m qiymətinə bərabər olmur. Elektronun effektiv kütləsi adlanan bu m
onun vakuumdakı m kütləsindən böyük və ya kiçik ola bilər. Tsiklotron rezonansı üzrə aparılmış təcrübələr göstərir ki, xarici elektrik və maqnit sahələrinin təsiri altında elektronların kristallardakı hərəkəti onların həqiqi kütləsi ilə deyil, m ef effektiv kütləsi ilə təyin olunur. Bundan başqa, müəyyən edilmişdir ki, elektronun effektiv kütləsi 0
r induksiya vektorunun istiqamətindən də asılıdır. 148
İlk baxışdan təəcüblü görünən bu nəticələrin sadə izahı vardır. Belə ki, bu nəticələrin ümumi səbəbi ondan ibarətdir ki, keçiricilik elektronları daim kristalın fazada periodik dəyişən elektrik sahəsinin təsiri altındadırlar və onların hərəkəti heç də yalnız xarici sahələrin təsiri ilə deyil, həm də kristalın özünün periodik sahəsinin də təsiri ilə təyin olunur. Ona görə də yalnız xarici sahələrin təsirini nəzərə almaqla elektronların hərəkətini təsvir etməyə cəhd göstərdikdə, hərəkət qanunlarında biz elektronun həqiqi m kütləsinin əvəzinə digər daha mürəkkəb bir kəmiyyət olan m
effektiv kütlə alırıq. Əgər kristalın özünün daxili sahəsi nəzərə alınsa və elektronların hərəkəti üçün kvant qanunlarından istifadə edilsə, bütün mühüm təcrübi nəticələri nəinki keyfiyyətcə, həm də kəmiyyətcə izah etmək mümkün olur. Müxtəlif kristallarda effektiv kütlələrin tədqiqi müasir bərk cisim fizikasında mühüm rol oynayır və elektronların kristal daxilində hərəkət xüsusiyyətləri haqqında qiymətli məlumatlar əldə etməyə imkan verir.
Sükunətdə olan elektron yalnız elektrostatik sahə yaradır. Elektronu hərəkətə gətirsək, əlavə maqnit sahəsi yaranır və bunun üçün müəyyən iş görmək lazımdır. Əksinə, əgər hərəkət edən elektronu dayandırsaq, maqnit sahəsi yox olmalıdır. Elektromaqnit induksiyası qanununa görə isə maqnit sahəsi yox olduqda əlavə elektrik sahəsi yaranmalıdır. Bu zaman, enerjinin saxlanması qanununa görə, yaranan elektrik sahəsinin istiqaməti elə olur ki, o, tormozlanan elektronu sürətləndirməyə çalışsın. Bütün hadisə elə baş verir ki, elə bil elektronun sahəsi ilə əlavə bir ətalət əlaqədardır. Buna görə də elektronun P impulsunu P
adi və ya mexaniki impuls və sahənin ətaləti ilə əlaqədar olan P e impulsunun cəmi kimi təsəvvür etmək olar: P = P m + P e
(29.1) Nyutonun ikinci qanununa görə elektrona təsir edən qüvvə
+ = =
(29.2) olar. P m mexaniki impulsun zamana görə dt dP m dəyişməsi sadəcə olaraq υ υ
m m m dt d m =
kimi yazıla bilər ki, burada da m m – "mexaniki kütlə"dir. υ &
e m dt dP = kimi göstərsək, onda m e əmsalı elektromaqnit kütlə olar. Beləliklə, (29.2) əvəzinə υ υ
& m m m F e m = + = ) (
(29.3) yaza bilərik ki, burada da m = m m + m e işarə edilmişdir. Elektromaqnit kütlə anlayışı hələ 1881-ci ildə C. C. Tomson tərəfindən daxil edilmişdir. O, fərz edirdi və nəzəri cəhətdən əsaslandırırdı ki, elektronun bütün kütləsi elektromaqnit təbiətlidir. Tomsonun bu fərziyyəsi sonralar tamamilə qəbul edilmiş və Q. A. Lorens, A. Puankare və M. Abraham tərəfindən daha da inkişaf etdirilmişdir. Elektronun quruluşu haqqında müəyyən fərziyyə qəbul etməklə m
kütləsinin qiymətini hesablamaq mümkündür. υ
υ olan
149
elektrik cərəyanı kimi baxmaq olar. Elektrondan r məsafədə olan müəyyən A nöqtəsində bu cərəyanın yaratdığı maqnit sahəsinin intensivliyi υr rr A θ 2 sin cr e H θ υ =
(29.4) olar (şəkil 29.1). Bu sahənin enerji sıxlığı H
/8 π olduğundan A nöqtəsini daxilinə alan dV həcm elementindəki enerji ϕ θ
π θ υ π d d dr r r c e dV H dW sin
8 sin
8 2 4 2 2 2 2 2 = = (29.5)
düsturu ilə təyin olunar. Hərəkət edən elektronun yaratdığı maqnit sahəsinin tam enerjisini hesablamaq üçün fərz edək ki, elektron r 0
boyunca bərabər paylanmışdır. Onda elektronun daxilində sahə sıfır, xaricində isə sferik simmetriyaya malik olar. Maqnit sahəsinin tam enerjisini hesablamaq üçün (29.5) ifadəsini r, θ , ϕ dəyişənləri üzrə (r 0
θ ≤ π , 0 ≤ ϕ ≤ 2
π ) inteqrallayaq: Шякил ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∞ = = = 0 0 2 0 0 3 2 0 2 2 3 2 2 2 2 sin 4 sin 8 r d c r e d d r dr c e dW W π π π θ θ υ ϕ θ θ π υ (29.6) Sonuncu inteqralı hesablamaq üçün yeni x=cos θ dəyişəni daxil edək. Onda ∫ ∫ ∫ − = − − = − = π π θ θ θ θ θ 0 0 1 1 2 2 3 ) 1 ( sin ) cos 1 ( sin dx x d d
∫ − = − = 1 1 2 3 4 ) 1 ( dx x
olar. Beləliklə, 2 0 2 2 3 1 c r e W υ =
(29.7) alırıq.
Sükunətdə olan elektronu hər hansı xarici qüvvənin təsiri ilə hərəkətə gətirib ona c işıq sürətinə nisbətən kiçik olan υ sürəti versək, bu zaman görülən iş yalnız kinetik enerjinin 0-dan 2 2 υ m m -yə qədər artmasına yox, həm də enerjisi (29.7) düsturu ilə təyin olunan maqnit sahəsinin yaranmasına sərf olunar. Deməli, belə çıxır ki, elektronun kütləsi guya m m -dən böyükdür. m e əlavə kütləsi (elektromaqnit kütlə) 2 0
2 2 3 1 2 1 c r e m e υ υ =
(29.8) şərtindən tapılır, yəni 2 0
3 2
r e m e =
(29.9) olur. Bu nəticə yükün kürəciyin səthi boyunca bərabər paylanması fərziyyəsi əsasında
150
alınır. Aydındır ki, digər fərziyyələr əsasında bundan fərqli nəticələr alınacaqdır. Məsələn, yükün r 0 radiuslu kürəciyin bütün həcmi boyunca bərabər sıxlıqla paylandığını fərz edərək hesablamalar aparmaqla 2 0 2 5 4 c r e m e =
(29.10) ifadəsini almışlar. Yuxarıda qeyd edildiyi kimi, elektron nəzəriyyəsinin yarandığı ilk dövrlərdə elektronun tam kütləsinin elektromaqnit təbiətli olması fikri hamı tərəfindən qəbul edilmişdi, yəni belə hesab edirdilər ki, m m =0 və m e =m-dir. Kütlənin tamamilə elektromaqnit təbiətli olması fərziyyəsi əsasında Lorensin kütlənin sürətdən asılılığı üçün tapdığı (26.8) düsturunun təcrübə ilə yaxşı uyğun gəlməsi həmin fərziyyənin doğru olmasını təsdiq edən fakt kimi qəbul olunurdu. Lakin bu fikir müasir dövrdə tam inandırıcı sayıla bilməz. Çünki, nisbilik nəzəriyyəsinə görə təbiətindən asılı olmayaraq istənilən kütlənin sürətdən asılılığı (26.8) düsturu ilə verilir. Ona görə də (26.8) düsturunun təcrübədə təsdiq olunması kütlənin təbiəti haqqında müəyyən hökm etməyə imkan vermir. Elektronun bütün kütləsinin onun elektromaqnit sahəsinin nəticəsi olması haqqında fərziyyə elektronun "klassik radiusu"nu hesablamağa imkan verir. Yükün səth və həcm üzrə paylanması üçün alınan (29.9) və (29.10) düsturlarından elektronun klassik radiusu üçün, uyğun olaraq, 2 2 0 3 2 mc e r =
(29.11) 2 2 0 5 4
e r =
(29.12) alırıq. Göründüyü kimi bu ifadələr bir-birindən az fərqlənir. Göstərmək olar ki, sükunətdə olan elektronun kütləsinin sırf elektrik təbiətli olması hipotezinə uyğun olan "radiusu" 2 2 0 2 1 mc e r =
(29.13) kimi təyin olunur. Doğrudan da nöqtəvi yükün elektrostatik sahəsinin intensivliyi 2
e E = ,
(29.14) bu sahənin tam enerjisi isə ∫ = dV E W 2 8 1 π
(29.15) düsturları ilə ifadə olunur. W-ni hesablamaq üçün yükün yenə də radiusu r 0 olan kürənin səthində bərabər paylandığını fərz edək. Onda kürənin daxilində E=0 olar və sahənin tam enerjisini hesabladıqda r üzrə olan inteqralı r 0 -dan
∞-a qədər götürmək lazımdır: ∫ ∫
∫ ∞ = = 0 0 2 0 0 2 2 2 2 sin
8 r r e d d r dr e W π π ϕ θ θ π . (29.16) 151
nisbilik nəzəriyyəsinə əsasən istənilən W enerjisinə 2
W kütləsi uyğun gəlir (Ё10). Ümumiyyətlə isə 2 0 2 2 2 c r e m c W m m m m + = + =
(29.17) yazmaq olar. "Mexaniki" kütləni sıfra bərabər hesab etsək (m m =0), (29.17) düsturundan r 0
m ≠0 olsa, 2 2
2mc e r > şərti ödənməlidir. Beləliklə, 2 2 2mc e
kəmiyyəti elektronun "radiusu"nun aşağı sərhəddi olur. Elektronun quruluşu haqqındakı fərziyyələr hələlik tamamilə ixtiyari olduğundan (29.11), (29.12) və (29.13) düsturlarında tərtibi 1 olan əmsalları, yəni 2/3, 4/5, 1/2 vuruqlarını nəzərə almasaq, r 0 üçün aşağıdakı sadə ifadəni yazmaq olar: 2 2 0 mc e r = .
(29.18) (29.18) düsturundan hesablanmış r 0 kəmiyyəti elektronun "klassik radiusu" adlanır: sm mc e c e mc e r
10 8 , 2 10 76 , 1 10 3 10 8 , 4 13 7 10 10 2 2 0 − − ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ = = (29.19) "Elektronun radiusu"nu bilavasitə təyin edən təcrübi üsul yoxdur. Lakin elektronun işıqla qarşılıqlı təsiri zamanı onun "effektiv kəsiyi"nin r 0 2
faktlar vardır. Məsələn, rentgen şüalarının sərbəst elektronlardan səpilməsi nəzəriyyəsi elektronun effektiv kəsiyi üçün 2 0
2 2 3 8 3 8 r mc e e π π σ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =
(29.20) ifadəsini verir. Lakin bütün bunlara baxmayaraq, elektrona, radiusu r 0 olan kürənin həcmini tutan elektrik yükü kimi baxmaq tamamilə əsassızdır. Belə ki, bu yükü sonlu həcmdə saxlayan qüvvələr yalnız elektromaqnit qüvvələri ola bilməz. Doğrudan da, elektromaqnit qüvvələrindən başqa digər təbiətli qüvvələr də olmasa, elektron öz dayanıqlığını saxlaya bilməz. (10 -13 sm) 3 tərtibli həcmdə hər hansı qayda ilə paylanmış yükün ayrı-ayrı hissələri arasındakı qarşılıqlı elektrostatik itələmə qüvvələri elektronu mütləq parçalayardı. Ümumiyyətlə qeyd etmək lazımdır ki, elektronun təbiəti problemi müasir nəzəri fizikanın hələlik həll edilməmiş ən çətin problemlərindən biridir. Elektronun sonlu ölçüyə malik olması fikri nisbilik nəzəriyyəsinin tələblərinə uyğun gəlmir, elektronun nöqtəvi (ölçüsüz) olduğunu qəbul etmək isə digər mühüm çətinliklərə gətirir. Məsələn, r 0 →0 olduqda elektronun 0 2 r e məxsusi enerjisi sonsuz böyük olur. Bu məsələlər nəzəri fizikada indinin özündə də geniş müzakirə obyektidir və onların şərhi bu kitabın nəzərdə tutulan çərçivəsindən kənara çıxır.
152
|
ma'muriyatiga murojaat qiling