ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ, α-частица, вылетающая из ядра атома радия, имеет:
— скорость v ~= 1,6∙107 м/сек,
— массу m ~= 6,6∙10-27 кг,
— заряд 2e = + 2∙1,6∙10-19 кулон.
Ядро атома золота значительно более массивное, а заряд его равен 79е = 79∙1,6∙10-19 кулон.
Глава 34. Магнетизм. Опыт и теория
Отличительная особенность магнитов — их пол… Тот сорт магнита, что был найден в Трое, имеет черный цвет и женский пол и, следовательно, лишен притягивающей силы.
Электрические поля ускоряют и отклоняют пучки электронов, но их оказывается недостаточно, чтобы узнать заряд, массу и скорость движущихся электронов или заряженных атомов. Для этого необходимы еще и магнитные поля. Так что прежде, чем начать изучение атомов, мы должны вкратце познакомиться с магнетизмом. Цель настоящей главы показать, что представляют собой магнитные поля и как они используются для изучения атомов. В ней дается также простая теория магнетизма, которая может служить примером очень хорошей теории.
Магниты
Магнит — это металлический брусок, который может притягивать небольшие кусочки железа, например железные опилки. К концу нашего повествования мы, возможно, захотим видоизменить это грубое определение, но на том более высоком уровне понимания оно нам уже не потребуется[63]. Вначале перечислим четыре основных свойства магнитов:
1) Магниты притягивают и захватывают небольшие кусочки железа.
Фиг. 127. Магнит притягивает железные опилки.
2) Длинный магнит, подвешенный на нити, поворачивается до тех пор, пока не устанавливается приблизительно в направлении север-юг (N-S). Подвешенные магниты другой формы также самостоятельно ориентируются, показывая, что у них имеется определенная «магнитная ось», которая стремится принять направление N-S.
Фиг. 128. Подвешенный магнит ориентируется в направлении север-юг. Его конец, указывающий на север, называется северным магнитным полюсом.
3) Стрелки компаса (как и всякий свободно вращающийся магнит), помещенные вблизи другого большого магнита, стремятся повернуться к «полюсам» этого магнита.
Фиг. 129. Определение полюсов магнита с помощью компасной стрелки.
Компасная стрелка, которая сама является небольшим, свободно вращающимся магнитом, поворачивается так, что ее северный полюс указывает на южный полюс магнита (или ее южный полюс на северный полюс магнита). В действительности, компасная стрелка показывает направление магнитного поля, создаваемого большим магнитом. Силовые линии этого поля исходят из областей вблизи полюсов, но выходят из магнита не под прямым углом, так как в отличие от электрических свойств металла магнитные материалы не являются хорошими магнитными «проводниками».
4) Если стержни, сделанные из подходящего материала, потереть магнитом, то они намагнитятся. Этот способ — трение магнитного железняка, естественного магнитного материала, о стальной стержень — и был древнейшим способом получения магнитов. Сейчас гораздо проще и лучше намагничивать стержень, помещая его внутрь проволочной катушки, через которую пропущен электрический ток.
Фиг. 130. Намагничивание стального бруска.
а — по бруску проводят магнитом; б — брусок на короткое время помещается внутрь катушки с током.
Полюсы[64]
Те места магнита, которые сильнее всего притягивают железные опилки, называются полюсами. У длинных намагниченных брусков полюсы обычно находятся на концах, хотя, если постараться, можно изготовить магнит и с полюсами в других местах. Пробная компасная стрелка, поднесенная к полюсу магнита, будет точно указывать на этот полюс. Вообще говоря, полюсами следует считать те области магнита, откуда исходит его магнитное действие. Простой намагниченный брусок, свободно подвешенный за середину, будет крутиться до тех пор, пока его полюсы не совпадут с линией, идущей приблизительно в направлении север-юг. Таким образом, за ось магнита можно принять прямую, соединяющую его полюсы. Полюс магнита, который поворачивается к северу, мы сокращенно называем северным полюсом и обозначаем буквой N, вкладывая в это название тот смысл, что этот полюс указывает на север[65].
63
Физика далеко не всегда нуждается в формальных определениях, подобных тем, которые встречаются в словарях. Физическая идея может быть понятна и плодотворна, хотя и не поддается точному определению. (Напомним о трудности определения понятия СПРАВЕДЛИВОСТИ в религии и философии.) С другой стороны, нам, безусловно, необходимо выработать четкие определения для тех
64
Если наблюдать магнит в действии, то в существование полюсов очень легко поверить как в реальность. Сейчас мы уже знаем, что на самом деле никаких полюсов не существует, так как все свойства магнитов связаны с внутриатомными электронными токами, не имеющими разделенных «полюсов». Хотя привлечение понятия полюсов в учебных целях в настоящее время и но поощряется, мы все же пока воспользуемся им, не вкладывая в него какой-либо реальный смысл.
65
Те, кто уже изучал физику, могут заметить, сколь тривиальными представляются теперь эти сведения, хотя в некоторых элементарных курсах им придается самостоятельное значение.