Шпаргалка по "Физике"

планеты вокруг Солнца. Радиус самой дальней орбиты = радиусу атома.  Но  эта

модель противоречила  электродинамике,  т.к.  ускоренное  движение  (в  т.ч.

электронов по окружности) сопровождается излучением ЭМ-волн.  Следовательно,

электрон  постепенно  теряет  свою  энергию  и  должен  упасть  на  ядро.  В

действительности  ни  излучения,  ни  падения   электрона   не   происходит.

Объяснение этому дал Н.Бор, выдвинув два постулата – атомная  система  может

находится  только  в  некоторых   определенных  состояниях,  в  которых   не

происходит излучения света,  хотя  движение  происходит  ускоренное,  и  при

переходе из  одного  состояния  в  другое  происходит  или  поглощение,  или

испускание кванта по закону [pic], где постоянная  Планка  [pic].  Различные

возможные стационарные состояния определяются из соотношения [pic], где n  –

целое  число.  Для  движения  электрона  по  окружности  в  атоме   водорода

справедливо выражение [pic], кулоновская сила взаимодействия с ядром  [pic].

Отсюда [pic]. Т.е. ввиду постулата  Бора  о  квантовании  энергии,  движение

возможно  только  по  стационарным   круговым   орбитам,   радиусы   которых

определяются как [pic]. Все состояния, кроме одного, являются  стационарными

условно,  и  только  в  одном  –  основном,  в  котором  электрон   обладает

минимальным запасом энергии – атом может находиться сколь  угодно  долго,  а

остальные состояния называются возбужденными.

 

70. Испускание и поглощение света  атомами. Лазер.

Атомы могут самопроизвольно испускать кванты света, при  этом  оно  проходит

некогерентно (т.к. каждый атом излучает независимо от других)  и  называется

спонтанным. Переход электрона с верхнего уровня на нижний  может  происходит

под влиянием внешнего электромагнитного  поля  с  частотой,  равной  частоте

перехода. Такое излучение  называют  вынужденным  (индуцированным).  Т.е.  в

результате взаимодействия  возбужденного  атома  с  фотоном  соответствующей

частоты высока вероятность появления двух одинаковых  фотонов  с  одинаковым

направлением и частотой.  Особенностью  индуцированного  излучения  является

то, что оно монохроматично и когерентно.  Это  свойство  положено  в  основу

действия  лазеров  (оптических  квантовых  генераторов).  Для  того,   чтобы

вещество усиливало проходящий  через  него  свет,  необходимо,  чтобы  более

половины  его  электронов  находилось  в   возбужденном   состоянии.   Такое

состояние называется состоянием с инверсной населенностью  уровней.  В  этом

случае поглощение фотонов будет происходит реже, чем испускание. Для  работы

лазера на рубиновом стержне используют т.н.  лампу  накачки,  смысл  которой

заключается в создании инверсной  населенности.  При  этом  если  один  атом

перейдет из  метастабильного  состояния  в  основное,  то  возникнет  цепная

реакция  испускания  фотонов.  При  соответствующей  (параболической)  форме

отражающего  зеркала  возможно  создать  луч  в  одном  направлении.  Полное

высвечивание  всех  возбужденных  атомов  происходит  за   10-10с,   поэтому

мощность лазера  достигает  миллиардов  ватт.  Существуют  также  лазеры  на

газовых лампах, достоинством которых является непрерывность излучения.

 

70.  Состав  ядра  атома.  Изотопы.  Энергия  связи  атомных  ядер.  Ядерные

реакции.

Электрический  заряд  атома  ядра   q   равен   произведению   элементарного

электрического заряда  e  на  порядковый  номер  Z  химического  элемента  в

таблице  Менделеева  [pic].  Атомы,  имеющие  одинаковое   строение,   имеют

одинаковую электронную оболочку и химически неразличимы.  В  ядерной  физике

применяются свои единицы измерения. 1 ферми – 1 фемтометр, [pic]. 1  атомная

единица массы – 1/12 массы атома углерода [pic]. [pic]. Атомы  с  одинаковым

зарядом  ядра,  но  различными  массами,   называются   изотопами.   Изотопы

различаются своими спектрами. Ядро атома состоит из  протонов  и  нейтронов.

Число протонов в ядре равно зарядовому числу  Z,  число  нейтронов  –  массе

минус число протонов  A–Z=N.  Положительный  заряд  протона  численно  равен

заряду электрона, масса протона – 1.007 а.е.м. Нейтрон  не  имеет  заряда  и

имеет  массу  1.009  а.е.м.  (нейтрон  тяжелее  протона  более  чем  на  две

электронные массы). Нейтроны стабильны только  в  составе  атомных  ядер,  в

свободном виде они живут ~15 минут  и  распадаются  на  протон,  электрон  и

антинейтрино.  Сила  гравитационного  притяжения  между  нуклонами  в   ядре

превышает электростатическую силу  отталкивания  в  1036  раз.  Стабильность

ядер объясняется наличием особых ядерных сил. На расстоянии 1 фм от  протона

ядерные силы в 35 раз превышают кулоновские, но очень быстро убывают, и  при

расстояния около 1.5 фм ими можно пренебречь. Ядерные  силы  не  зависят  от

того, имеется ли  у  частицы  заряд.  Точные  измерения  масс  атомных  ядер

показали наличие различия между массой ядра  и  алгебраической  суммой  масс

составляющих его нуклонов. Для  разделения  атомного  ядра  на  составляющие

необходимо затратить энергию [pic]. Величину [pic] называют дефектом  массы.

Минимальную энергию, которую необходимо  затратить  на  разделение  ядра  на

составляющие его нуклоны, называется энергией  связи  ядра,  расходуемой  на

совершение работы против ядерных сил притяжения. Отношение энергии  связи  к

массовому  числу  называется  удельной  энергией  связи.  Ядерной   реакцией

называется превращение исходного атомного ядра при взаимодействии  с  какой-

либо частицей в другое, отличное от исходного. В результате ядерной  реакции

могут испускаться частицы или  гамма-кванты.  Ядерные  реакции  бывают  двух

видов  –  для  осуществления  одних  надо  затратить  энергию,  при   других

происходит выделение энергии.  Освобождающаяся  энергия  называется  выходом

ядерной реакции. При ядерных реакциях  выполняются  все  законы  сохранения.

Закон сохранения момента импульса принимает форму закона сохранения спина.

 

71. Радиоактивность. Виды радиоактивных  излучений и их свойства.

Ядра   обладают   способностью   самопроизвольно   распадаться.   При   этом

устойчивыми являются только те ядра, которые обладают  минимальной  энергией

по сравнению с теми, в  которые  ядро  может  самопроизвольно  превратиться.

Ядра,  в  которых  протонов  больше,  чем   нейтронов,   нестабильны,   т.к.

увеличивается  кулоновская  сила  отталкивания  .  Ядра,  в  которых  больше

нейтронов, тоже нестабильны, т.к. масса нейтрона больше массы  протона  ,  а

увеличение массы приводит к увеличению энергии. Ядра могут освобождаться  от

избыточной энергии либо делением на более устойчивые части  (альфа-распад  и

деление), либо изменением заряда  (бета-распад).  Альфа-распадом  называется

самопроизвольное деление атомного  ядра  на  альфа  частицу  [pic]  и  ядро-

продукт. Альфа-распаду подвержены все элементы  тяжелее  урана.  Способность

альфа-частицы преодолеть притяжение ядра  определяется  туннельным  эффектом

(уравнением Шредингера). При альфа-распаде не вся энергия ядра  превращается

в  кинетическую  энергию  движения  ядра-продукта  и  альфа-частицы.   Часть

энергии может пойти  на  возбуждения  атома  ядра-продукта.  Таким  образом,

через некоторое время после распада ядро продукта испускает несколько гамма-

квантов и приходит в нормальное состояние. Существует  также  еще  один  вид

распада – спонтанное деление  ядер.  Самым  легким  элементом,  способным  к

такому распаду, является уран. Распад происходит по закону [pic],  где  Т  –

период полураспада, константа для данного изотопа. Бета-распад  представляет

собой самопроизвольное превращение атомного ядра, в результате которого  его

заряд увеличивается на  единицу  за  счет  испускания  электрона.  Но  масса

нейтрона  превышает  сумму  масс  протона  и  электрона.  Этот   объясняется

выделением еще одной частицы – электронного антинейтрино  [pic].  Не  только

нейтрон способен распадаться. Свободный протон стабилен, но при  воздействии

частиц он может распасться на нейтрон, позитрон  и  нейтрино.  Если  энергия

нового ядра меньше, то  происходит  позитронный  бета-распад  [pic].  Как  и

альфа-распад, бета-распад также может сопровождаться гамма-излучением.

 

72. Методы регистрации ионизирующих излучений.

Метод фотоэмульсий – приложить образец к фотопластинке, и после  проявки  по

толщине и длине следа  частицы  на  ней  возможно  определить  количество  и

распределение  того   или   иного   радиоактивного   вещества   в   образце.

Сцинтилляционный счетчик – прибор, в  котором  можно  наблюдать  превращение

кинетической энергии быстрой частицы в энергию световой вспышки, которая,  в

свою очередь, инициирует фотоэффект (импульс электрического  тока),  который

усиливается  и  регистрируется.  Камера  Вильсона  –  стеклянная  камера   с

воздухом и пересыщенными парами спирта. При движении  частицы  через  камеру

она ионизирует молекулы,  вокруг  которых  тут  же  начинается  конденсация.

Цепочка  капель,  образовавшихся  в  результате,  образует   трек   частицы.

Пузырьковая камера работает на тех же принципах, но в качестве  регистратора

служит  жидкость,  близкая  к  температуре  кипения.  Газоразрядный  счетчик

(счетчик Гейгера) –  цилиндр,  заполненный  разреженным  газом  и  натянутой

нитью из проводника. Частица вызывает ионизацию  газа,  ионы  под  действием

электрического поля расходятся к катоду и аноду, ионизируя  по  пути  другие

атомы. Возникает коронный разряд, импульс которого регистрируется.

 

73. Цепная реакция деления ядер  урана.

В 30ых годах опытно было установлено, что  при  облучении  урана  нейтронами

образуются ядра лантана, который не мог  образоваться  в  результате  альфа-

или бета-распада. Ядро урана-238 состоит из 82  протонов  и  146  нейтронов.

При делении ровно пополам должен был бы образовываться празеодим  [pic],  но

в стабильном ядре празеодима нейтронов на  9  меньше.  Поэтому  при  делении

урана образуются другие ядра и избыток  свободных  нейтронов.  В  1939  году

было  произведено  первое  искусственное  деления  ядра  урана.   При   этом

выделялось 2-3 свободных нейтрона и 200 МэВ энергии, причем  около  165  МэВ

выделялось в виде кинетической энергии ядер-осколков  [pic]  или  [pic]  или

[pic]. При благоприятных  условиях  освободившиеся  нейтроны  могут  вызвать

деления других ядер урана. Коэффициент размножения  нейтронов  характеризует

то, как будет  протекать  реакция.  Если  он  более  единицы.  то  с  каждым

делением количество нейтронов возрастает, уран нагревается до температуры  в

несколько миллионов градусов, и происходит ядерный взрыв.  При  коэффициенте

деления  меньшем  единицы  реакция  затухает,  а   при   равно   единице   –

поддерживается на постоянном уровне, что используется в  ядерных  реакторах.

Из природных  изотопов  урана  только  ядро  [pic]  способно  к  делению,  а

наиболее распространенный изотоп [pic] поглощает нейтрон  и  превращается  в

плутоний по схеме [pic]. Плутоний-239 по своим свойствам схож с ураном-235.

 

74. Ядерный реактор. Термоядерная  реакция.

Ядерные реакторы бывают двух видов  –  на  медленных  и  быстрых  нейтронах.

Большинство выделяющихся при делении нейтронов  имеют  энергию  порядка  1-2