Гравитация и относительность - Цзю Х.
Скачать (прямая ссылка):
Теперь я хотел бы остановиться на эксперименте с атомным пучком, недавно произведенным Цорном, Чемберленом и мною [9—11]. В этом эксперименте исследовалось отклонение молекулярного пучка в однородном электрическом поле. Если атом нейтрален, он не будет отклонен, но если различие между абсолютной величиной заряда электрона и протона действительно существует, то атом будет заряжен и подвергнется отклонению. Мы использовали классический метод молекулярного пучка [12], соответствующий схеме фиг. 13.2. С помощью щели источника и коллимирующей щели пучок формировался в виде ленты, сечение которой вытянуто в вертикальном направлении. Пучок пропускался через однородное электрическое поле, в котором он должен отклониться, если атомы обладают зарядом.
На фиг. 13.3 представлена более подробная схема горизонтального сечения той же установки. В обозначе-
27*
X
Фиг. 13.2. Измерение заряда атомов или молекул методом молекулярного пучка.
Ф и г. 13.3. Схема установки и траектория атома, отклоненного под действием электрического поля.
Мир Литтлтона—Бонди и равенство зарядов
421
ниях, принятых на фиг. 13.3, величина отклонения заряженной молекулы, движущейся со скоростью Vt под действием электрического поля выражается как
= + (22)
где <7, m и г) —заряд, масса и скорость частицы в пучке, a E—напряженность электрического поля. В частности, молекула, обладающая наиболее вероятной для данного источника скоростью a (a = Y%kT/m), отклонится на величину
sa = Л (Л + 2/2), (23)
где T — температура источника, a k — постоянная Больцмана.
В нашем последнем эксперименте
I1 = 200 см, I2 = 30 см
и
?=105 в/см.
Исследовались пучки атомов цезия и калия, причем температура печи составляла около 500° К. Чувствительность нашего детектора была достаточной для того, чтобы отметить отклонение на IO-5 см. Таким образом, наименьший заряд атома, который можно было обнаружить, составлял
3- IO-1V
Атомный номер цезия равен 55, так что наименьший поддающийся обнаружению заряд пары электрон — протон bq должен быть меньше указанного значения в 55 раз:
6<7~6- IO-1V
При такой чувствительности уже можно надеяться обнаружить разность зарядов, предсказываемую теорией Литтлтона — Бонди.
В описываемом опыте имеются существенные усложняющие обстоятельства. Величина наблюдаемого отклонения настолько мала, что значительную долю откло-
422
Глава IS
нения могут создавать неоднородности электрического поля за счет поляризации атомов. Хотя атомы калия и цезия и не обладают постоянными электрическими ди-польными моментами, в присутствии электрического ПОЛЯ у «их такие моменты индуцируются. Если же поле неоднородно, то на индуцированный электрический диполь-ный момент атома будет действовать сила. В нашем опыте имеются неоднородности поля на границе той области, где поддерживается поле. Обозначая потенциальную энергию атома, помещенного в это поле, через W(E)i можно записать силу, возникающую благодаря появлению индуцированного дипольного момента, •в виде
F = -VIF(?)==-4fv|?|- (24)
Из этой формулы видно, что направление силы не изменяется лои перемене направления поля. Поэтому действие силы, обусловленной поляризуемостью диполей, можно отличить от действия силы, вызванной наличием результирующего заряда, меняя знак разности потенциалов на электродах на обратный.
Истолкование измеренных отклонений затрудняется еще и разбросом скоростей атомов. Скорости частиц, вылетающих из щели в печи, подчиняются распределению Максвелла
Iv d*v = -Jjj- vze~zfiIai dvt (25)
где / — полная интенсивность пучка. Наблюдаемое отклонение соответствует среднему, взятому по этому распределению скоростей.
Следует учитывать и еще одно (третье) усложняющее обстоятельство (фиг. 13.4). Щели источника и коллиматора имеют конечную ширину, и поэтому в плоскости детектора мы имеем трапециевидное распределение интенсивности пучка. К тому же и ширина детектора конечна.
Чтобы связать с Sa наблюдаемые величины интенсивностей, необходимо произвести интегрирование по всей ширине пучка и по распределению скоростей. Если детектор расположен в том месте, где интенсивность пучка
Мир Литтлтона—Бонди и равенство зарядов
423
равна половине максимального значения, то соотношение между 5а и изменением интенсивности таково:
Д/ 2s„
<26>
Здесь d и р — размеры, указанные на фиг. 13.4, и d — p=W. Были также выведены и другие формулы, не
Фиг. 13.4. Влияние конечной ширины щелей на распределение интенсивности пучка.
требующие, чтобы заранее была известна геометрия щелей и их расположение, а основанные лишь на наблюдаемом распределении интенсивностей.
Рассмотрим теперь некоторые технические стороны эксперимента и конструкцию установки. Выбор цезия и калия в значительной мере был продиктован существующими способами получения атомных пучков. Величина отклонения атомов [соотношение (23)] зависит только от температуры, при которой они испущены. Эта температура должна быть возможно более низкой. В описываемом опыте желательно использовать атомы, содержащие возможно большее число пар электронов и протонов. Атомы же щелочных металлов использовались по той причине, что их пучки легко получать при сравнительно низких температурах и легко обнаруживать, пользуясь детектором, основанным на ионизации атомов на поверхности раскаленной проволочки. На
