Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

1. Поглощение света

Электрон атома, находящийся в основном состоянии с энергией Е1, может поглотить фотон, перейдя в возбужденное состояние с энергией Е2 > E1. Интенсивность поглощенного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в основном состоянии

2. Спонтанное излучение

В отсутствие внешних полей или столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10-8-10-7с самопроизвольно (спонтанно) возвращается в основное состояние, излучая фотон.

Спонтанное излучение – излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.

Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

3. Индуцированное излучение

В 1917 г. Эйнштейн предсказал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света.

Переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний с излучением кванта может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной собственной частоте перехода

Такое излучение называют вынужденным или индуцированным.

Индуцированное (вынужденное) излучение – излучение атома, возникающее при его переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Интенсивность индуцированного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в возбужденном состоянии.

У световой волны, возникшей при индуцированном излучении, частота, фаза, поляризация и направление распространения оказываются такими же, как и у волны, падающей на атом.

Это означает, что к первичному фотону, падающему на атом от внешнего источника, добавляется идентичный фотон индуцированного излучения атома. Тем самым увеличивается интенсивность внешнего излучения – возникает оптическое усиление.

В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном , частота которого равна частоте перехода, высока вероятность появления двух одинаковых фотонов с одинаковым направлением и частотой.

В итоге получается результирующая волна с амплитудой большей, чем у падающей.

Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Это свойство положено в основу действия лазеров (оптических квантовых генераторов).

В 1939 г. российский физик В.А.Фабрикант наблюдал экспериментальное усиление электромагнитных волн (оптическое усиление) в результате процесса индуцированного излучения.

Российские ученые Н.Г.Басов и А.М.Прохоров и американский физик Ч.Таунс, создавшие в 1954 г. квантовый генератор излучения, были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии.

Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. американским физиком Т.Мейманом.

Лазер – Light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения

Лазер – источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения.

Усиление падающего на среду излучения возникает тогда, когда интенсивность индуцированного излучения превысит интенсивность поглощенного излучения.

Это произойдет в случае инверсной населенности, если в возбужденном состоянии находится больше частиц, чем в основном n2 > n1

В состоянии термодинамического равновесия с минимальной энергией усиления не происходит.

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.

Инверсная населенность энергетических уровней – неравновесное состояние среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше, чем концентрация атомов в основном состоянии.

Состояние, при котором больше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называют состоянием с инверсной населенностью энергетических уровней.

Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с нормальной населенностью энергетических уровней.

Спонтанные переходы являются фактором, препятствующим накоплению атомов в возбужденном состоянии. Этим можно пренебречь, если возбужденное состояние метастабильно.

Метастабильное состояние – возбужденное состояние электрона в атоме, в котором он может находиться достаточно долго (порядка 10-3с) по сравнению с обычным возбужденным состоянием (10-8с)

Система атомов с инверсной населенностью энергетических уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение.

Принцип действия рубинового лазера (оптического квантового генератора)

Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия Al2O3, в котором часть атомов имеет примеси хрома Cr3+.

С помощью мощного импульса лампы-вспышки («оптической накачки») ионы хрома переводятся из основного E1в возбужденное состояние E3.

Процесс перевода атомов из основного в возбужденное состояние называют накачкой, используемую для этого лампу – лампой накачки.

Через 10-8с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят на метастабильный энергетический уровень E2 < E3, на котором начинают накапливаться.

Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n2 > n1.

Случайный фотон с энергией hυ = E2 – E1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов.

Для работы в режиме генератора нужна положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода подается на вход.

Для этого активная среда, в которой создается инверсная населенность уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.

При соответствующей (параболической) форме отражающего зеркала возможно создать луч в одном направлении.

Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль цилиндрического кристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается.

Один из торцов рубинового стрежня делают зеркальным, а другой – частично прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета 694.3 нм.

Основные особенности лазерного излучения:

- исключительная монохроматичность и когерентность

- очень малый угол расхождения (около 10-5 град)

- наиболее мощный искусственный источник света. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

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.

Применение лазеров:

- связь

- точное измерение больших расстояний

- считывание информации

- хирургическая техника

- сварка и резка материалов

- управляемая термоядерная реакция

- топография

- голография

ДОБАВИТЬ ПРО МАЗЕРЫ и ПАЗЕРЫ

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЕ (уч.10кл.стр.227-228, уч.11кл.стр.387-389,406)

Все вещества состоят из движущихся и взаимодействующих между собой атомов и молекул.

Простые вещества состоят из одинаковых атомов, сложные – из атомов различных химических элементов.

Атом – наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

В центре атома находится положительно заряженное ядра, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны.

Главной характеристикой химического элемента является заряд ядра атома.

Z – зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре, совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе химических элементов.

Атом электронейтрален. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов.

Кроме протонов в ядре атома содержаться нейтроны, связанные с протонами сильным взаимодействием.

Общее название протонов и нейтронов, входящих в состав ядра – нуклоны.

Массовое число А равно сумме нуклонов ядра (протонов и нейтронов)

A = Z + N

Изотоп – разновидность одного и того же химического элемента, атом которого содержит одинаковое число протонов в ядре и разное число нейтронов.

Масса атома меньше суммарной массы частиц, входящих в его состав.

Дефект массы – разность суммарной массы отдельных частиц, входящих в состав атома (ядра) и полной массы атома (ядра)

Дефект массы обусловлен выделением энергии при образовании атома.

∆E = ∆mc2

Атомная единица массы (а.е.м.) – средняя масса нуклона в атоме углерода

Атомная единица массы равна 1/12 массы атома углерода

1 а.е.м. = 1,66*10-27 кг

Относительная атомная масса Мr – число атомных единиц массы, содержащихся в массе атома.

ma = Mr *1,66*10-27 кг

Протон – нуклон в заряженном состоянии

Нейтрон – нуклон в нейтральном состоянии

Протон и нейтрон обладают полуцелым спином ћ/2

Ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов.

Химические свойства элемента определяются зарядовым числом Z, или числом протонов в ядре.

Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре (зарядовое число Z) и разное число нейтронов N.

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре в результате сильного взаимодействия друг с другом.

Зарядовая симметрия сильного взаимодействия – независимость сил взаимодействия между нуклонами от их электрических зарядов.

Энергетически выгодно парное расположение нуклонов с антипараллельными спинами в одном энергетическом состоянии ядра.

Наиболее стабильными являются четно-четные ядра, состоящие из четного числа протонов и нейтронов, а среди них – «магические ядра», у которых число протонов и нейтронов равно 2, 8, 20, 28, 50, 82, 125

Максимально устойчивостью и потому наибольшей распространенностью в природе обладают дважды магические ядра He, O, Ca, Pb, у которых магическим является

как число протонов так и нейтронов

Радиус ядра зависит от массового числа по закону:

R = r0A1/3 , где r0 = 1.2 нф

Удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон

Радиоактивность – явление самопроизвольного (спонтанного) превращения одних ядер в другие с испусканием различных частиц.

Естественная радиоактивность – радиоактивность, наблюдаемая у неустойчивых изотопов, существующих в природе.

Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных искусственно при ядерных реакциях.

Альфа-распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием альфа-частицы

Бета(минус)- распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием электрона и антинейтрино.

Энергия распада – суммарная кинетическая энергия продуктов распада.

Гамма- излучение – электромагнитное излучение, возникающее при переходе ядер из возбужденного в более низкое энергетическое состояние.

Период полураспада – промежуток времени, за который распадается половина первоначального числа атомов.

Закон радиоактивного распада – закон убывания числа радиоактивных атомов со временем:

N = N0.

где N0 – первоначальное число атомов

Т1/2 – период полураспада – время за которое распадается половина всех атомов, константа для данного изотопа.

Активность радиоактивного распада вещества – число распадов радиоактивных ядер за 1 с.

Единица измерения – Бк (Беккерель)

1 Бк – активность радиоактивного вещества, в котором за 1 с происходит один распад.

A =

Энергетический выход реакции деления – энергия, выделяющаяся при делении одного ядра.

Цепная реакция деления – реакция, при которой число делящихся ядер лавинообразно нарастает.

Скорость цепной реакции деления ядер характеризуется коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов – отношение числа нейтронов в данном поколении цепной реакции с их числу в предыдущем поколении:

 k =

При k=1 реакция протекает стационарно: число нейтронов сохраняется постоянным.

При k>1 реакция нестационарная: число нейтронов лавинообразно нарастает.

Критическая масса – минимальная масса урана, начиная с которой реакция деления ядер становится самоподдерживающейся.

Самоподдерживающаяся реакция деления ядер возникает, если за время пролете нейтроном среды успевает образовываться новый нейтрон в результате реакции деления.

Ядерный реактор – устройство, в котором выделяется тепловая энергия в результате управляемой цепной реакции деления ядер.

Мощность реактора – количество тепловой энергии, выделяющейся в реакторе в единицу времени.

Термоядерный синтез – реакция, в которой при высокой температуре 107К, из легких ядер синтезируются более тяжелые.

Характер воздействия радиоактивного излучения на живой организм зависит от дозы поглощенного излучения и его вида.

Доза поглощенного излучения – отношение энергии излучения, поглощенного облучаемым телом, к его массе:

D =

Единица измерения – 1 Гр(грэй) = Дж/кг

Коэффициент относительной биологической активности, или коэффициент качества k, характеризует различие биологическое действия различных видов излучения.

Эквивалентная доза поглощенного излучения – произведение дозы поглощенного излучения на коэффициент качества:

H = D k          

Единица измерения – 1Зв (Зиверт)

Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения, обусловленной естественным радиационным фоном – 2 мЗв в год.

Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части.

Фундаментальные частицы – бесструктурные элементарные частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

Фермионы – частицы с полуцелым спином: ћ/2, 3ћ/2.

К фермионам относятся электрон, протон, нейтрон, электронное нейтрино.

Бозоны – частицы с целым спином 0, ћ, 2ћ.

К бозонам относятся фотон и π+-мезон

Принцип Паули:

в одном и том же энергетическом состоянии могут находится не более двух фермионов с противоположными спинами.

Для каждой элементарной частицы должна существовать античастица.

Античастица – элементарная частицы, имеющая с данной частицей равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд.

Аннигиляция – процесс взаимодействия частицы с ее античастицей, в результате которого они превращаются в γ-кванты (фотоны) электромагнитного поля или в другие частицы.

Рождение пары – процесс, обратный аннигиляции

Андроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии

Лептоны – фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии

Закон сохранения лептонного заряда:

сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется.

Мезоны – бозоны со спиновым числом S=0,1, участвующие в сильном взаимодействии

Барионы – фермионы со спином S=1/2: 3/2, участвующие в сильном взаимодействии

Гипероны – все барионы за исключением нуклонов (протонов и нейтронов)

Кварки – фундаментальные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.

Кварки являются фермионами и имеют дробный электрический заряд ±2/3е, ±1/3е и дробный барионный заряд ±1/3

Кварки имеют шесть ароматов u, d, s, c, t, b и три цвета – красный, зеленый и синий.

Всего (вместе с антикварками) – 36 кварков.

Все андроны цветонейтральны.

Каждый барион, являясь фермионом, состоит из трех ароматов разного цвета.

Мезоны, являясь бозонами, состоят из кварка и антикварка любого аромата и противоположного цвета.

Окружающий мир состоит из 48 фундаментальных частиц – фермионов (36 кварков и 12 лептонов)

Закон сохранения барионного заряда:

во всех взаимодействиях барионный заряд сохраняется.

Глюон – бозон со спином 1, переносчик сильного взаимодействия.

Всего 8 глюонов (6 из них переносят цветовой заряд, а 2 бесцветны)

Полное число переносчиков фундаментальных взаимодействий – бозонов – равно 13.

РАДИОАКТИВНОСТЬ (уч.11кл.стр.357-362,363-367)

Радиоактивность

Виды радиоактивности

Характеристики видов радиоактивного распада (α, β-, β+, γ)

Электронное антинейтрино

Энергия радиоактивного распада

Закон радиоактивного распада (см.ниже уч.11кл.стр.363-367)

Беккерель(см.ниже уч.11кл.стр.363-367)

Кюри(см.ниже уч.11кл.стр.363-367)

Активность радиоактивного распада(см.ниже уч.11кл.стр.363-367).

Использование радиоактивного распада

Большинство известных изотопов являются неустойчивыми и самопроизвольно распадаются на более устойчивые изотопы.

Радиоактивность –явление самопроизвольного распада и превращения одних (нестабильных) атомных ядер в другие с испусканием различных частиц

Устойчивыми и стабильными являются лишь атомные ядра с энергией связи нуклонов, большей суммарной энергии связи нуклонов с продуктах распада.

Это явление определяется как самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого; при этом происходит испускание электронов, протонов, нейтронов или ядер гелия.

Было установлено, что эти превращения ядер не зависят от внешних усло­вий: освещения, давления, температуры и т.д.

Существует два вида радио­активности:

- естественная – радиоактивность, наблюдаемая у неустойчивых изотопов, существующих в природе. Как прави­ло, она имеет место у тяжёлых ядер, располагающихся в конце таблицы Менделеева, за свинцом. Однако имеются и лёгкие естественно-радиоактивные ядра: изотоп калия , изотоп углерода и другие.

- искусственная – радиоактивность изотопов, полученных искусственно при ядерных реакциях

Принципиального различия между ними нет.

Известно, что естественная радиоактивность тяжёлых ядер сопровож­дается излучением, состоящим из трёх видов: a-, b-, g-лучи.

Причиной радиоактивного распада является нарушение баланса между числом протонов с ядре Z и числом нейтронов N. Во всех стабильных ядрах (за исключением ) Z ≤ N поле ядерного притяжения нейтронов компенсирует кулоновское отталкивание протонов.

При нарушении требуемого баланса ядро обладает избыточной энергией и стремиться перейти в состояние с меньшей энергией.. Ядра, содержащие избыточное число протонов, освобождаются от этого избытка в результате альфа-распада.

a-лучи - это поток ядер гелия ( заряд 2е, а масса 4 а.е.м.) обладающих большой энергией, которые имеют дискретные значения.

Знак заряда у них положительный. Имеют большие скорости, достигающие десятых долей скорости света, значит обладают большой энергией.

Альфа-распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием α-частицы

b-лучи - поток электронов движущихся с огромными скоростями близкими к скорости света, энергии которых принимают всевозможные значения от величины близкой к нулю до 1,3 МэВ.

Природа бета лучей была установлена раньше всех – в 1899 году. По их отклонению в электрическом и магнитных полях был измерен удельный заряд. Оказалось, что он такой же как у электрона.

Ядра, содержащие избыточное число нейтронов, уменьшают их число в результате бета-распада.

Бета(минус)- распад – спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием электрона и антинейтрино.

g-лучи — электромагнитные волны с очень малой длиной волны (10-10-10-13 м)

Скорость распространения - около скорости света.

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.

Гамма-излучение – электромагнитное излучение, возникающее при переходе ядра из возбужденного в более низкие энергетические состояния.

Ядра могут освобождаться от избыточной энергии либо делением на более устойчивые части (α-распад), либо изменением заряда (β-распад).

α-распадом называется самопроизвольное деление атомного ядра на альфа частицу  и ядро-продукт.

α -распаду подвержены все элементы тяжелее урана.

Способность α -частицы преодолеть притяжение ядра определяется туннельным эффектом (уравнением Шредингера).

При α-распаде не вся энергия ядра превращается в кинетическую энергию движения ядра-продукта и α-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.

С учетом закона сохранения электрического заряда и числа нуклонов уравнение альфа-распада:

В результате альфа-распада порядковый номер элемента в таблице Менделеева уменьшается на две единицы, а массовое число на четыре.

Широко применяемым источником α-частиц является радий, превращающийся при распаде в радон:

β(минис)-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:

β(плюс)-распад

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 β(плюс)-распад:

С учетом закона сохранения электрического заряда и числа нуклонов уравнение бета(минус)-распада:

В результате бета(минус)-распада порядковый номер элемента в таблице Менделеева увеличивается на единицу.

В процессе бета-распада один из нейтронов превращается в протон. Вследствие закона сохранения электрического заряда образуется электрон.

В результате выделяется энергия распада Ek = (mn – mp –me)c2

Теоретически практически вся эта энергия должна передаваться более легкой частице – электрону. Поэтому предполагали, что при бета-распаде электроны должны обладать примерно одинаковой энергией.

Эксперименты Чедвика (1914 г.) показали, что энергия электронов при бета-распаде может быть любой в пределах от нуля до теоретического максимума. Следовательно, не вся энергия передается электрону.

В 1931 г. австрийский физик Вольфганг Паули предположил, что при бета-распаде возникает еще одна электрически нейтральная частица, которая приобретает импульс и уносит часть энергии распада.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43