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

Эту частицу, появляющуюся всегда вместе с электроном, стали называть электронное антинейтрино (итал. neutrino – нейтрончик)

Отличие электронного антинейтрино  от нейтрино состоит в противоположной ориентации их спинов. Спин нейтрино направлен противоположно его импульсу (направлению скорости движения), а спин антинейтрино – сонаправлен с ним.

Таким образом процесс превращения нейтрона в протон сопровождается вылетом не только электрона, но и электронного антинейтрино.

Электрон и антинейтрино не входят в состав атома, а рождаются в процессе бета-распада.

Распределение энергии распада между электроном и антинейтрино носит случайный характер: энергия уносится и электроном и антинейтрино.

Как и α-распад, β-распад также может сопровождаться γ-излучением.

Существует также еще один вид распада – спонтанное деление ядер.

Самым легким элементом, способным к такому распаду, является уран.

Энергия радиоактивного распада – суммарная кинетическая энергия продуктов распада.

Кинетическая энергия продуктов распада определяется разностью масс материнского ядра и продуктов распада:

Например, при распаде : Ek = (mRa – mRn –me)c2

См.ниже «Закон радиоактивного распада»

Радиоактивность широко используется в научных исследованиях и технике.

Разработан метод контроля качества изделий или материалов – дефектоскопия.

Гамма-дефектоскопия позволяет установить глубину залегания и правильность расположения арматуры в железобетоне, выявить раковины, пустоты или участки бетона неравномерной плотности, случаи неплотного контакта бетона с арматурой. Просвечивание сварных швов позволяет выявить различные дефекты.

Просвечиванием образцов извест­ной толщины определяют плотность различных строительных материалов; плотность, достигаемую при формировании бетонных изделий или при укладке бетона в монолит, необходимо контролировать, чтобы получит заданную прочность всего сооружения.

По степени по­глощения g-лучей высокой энергии можно судить о влажности материа­лов.

Построены радиоактивные приборы для измерения состава газа, при­чём источником излучения в них является очень небольшое количество изотопа, дающего g-лучи.

Радиоактивный сигнализатор позволяет опреде­лить наличие небольших примесей газов, образующихся при горении лю­бых материалов. Он подаёт сигнал тревоги при возникновении пожара в помещении.

АЛЬФА-, БЕТА-, ГАММА- ИЗЛУЧЕНИЯ

См.выше «Радиоактивность»

ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА(уч.11кл.стр.363-367)

Радиоактивный распад – статистический процесс. Нельзя сказать, какие именно атомы распадутся за определенное время.

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

Период полураспада определяется скоростью радиоактивного распада.

Чем меньше период полураспада, тем быстрее происходит распад.

Найдем закон радиоактивного распада, т.е. число N нераспавшихся атомов в произвольный момент времени t. Пусть в начальный момент времени есть N0 атомов. Атомы распадаются независимо друг от друга.

Период полураспада не зависит от начального числа атомов.

Спустя период полураспада T1/2 число нераспавшихся атомов: N1/2 = N0/2

Через n полураспадов t = nT1/2 число нераспавшихся атомов: N = N0/2n

Учитывая, что n = t/T1/2 получаем закон радиоактивного распада – закон убывания числа радиоактивных атомов со временем:

 N = N0.

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

Графиком такой зависимости является экспонента.

Скорость радиоактивного распада определяется производной = A, называемой активность радиоактивного распада.

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.

Зная число атомов N нераспавшихся и их начальное число, можно найти число атомов, распавшихся к моменту времени t (учитывая, что 2 = eln2):

Nрасп = N0 – N = N0 – N0 = N0 – N0

Тогда:

A = = – N0(- ) = N0

Учитывая, что N = N0 и 1/ln2 = 1.44, окончательно получаем:

 A = .

Чем быстрее распадаются ядра, тем меньше период полураспада, тем больше активность вещества.

Активность пропорциональна числу нераспавшихся атомов, которое убывает со временем.

Активность одного грамма радия 3.7*1010Бк.

Эта величина часто используется на практике в качестве единицы активности – Кюри:

1 Ки (Кюри) = 3.7*1010Бк.

Время t = 1.44 T1/2 характеризует среднее время жизни радиоактивного изотопа.

МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТИЦ В ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ(уч.9кл.стр.189-192)

Метод фотоэмульсий

Сцинтилляционные счетчики

Газоразрядные счетчики

Камера Вильсона

Пузырьковая камера

Метод фотоэмульсий.

Быстрая заряженная частица при движении в слое фотоэмульсии в результате ионизации создает вдоль траектории своего движения центры скрытого изображения. После проявки по толщине следа в фотоэмульсии и его длине можно определить заряд частицы и её энергию

Сцинтилляционные счетчики

Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией.

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.

Метод сцинтилляций не дает необходимой точности, так как результат подсчета вспышек на экране в большой степени зависит от остроты зрения наблюдателя.

Газоразрядные счетчики

Для регистрации быстрых заряженных частиц и гамма- квантов применяют счетчик Гейгера –Мюллера, изобретенный в 1908 г.

Ионизационная камера представляет собой металлический цилиндр (катод), заполненный разреженным газом и натянутой внутри цилиндра нитью из тонкого проводника (анода). Катод и анод через большое сопротивление (порядка 109Ом) присоединены к источнику высокого напряжения (порядка 200-1000В). Между электродами возникает сильное электрическое поле.

Попадающая в камеру частица вызывает ионизацию газа. Ионы под действием электрического поля расходятся к катоду и аноду, ионизируя по пути другие атомы. Возникает электронно-ионная лавина и коронный разряд, импульс которого на сопротивлении R регистрируется.

Поскольку сопротивление R очень велико (порядка 109Ом), то в момент протекания тока основная доля напряжения источника падает на нем, в результате чего напряжение между анодом и катодом резко уменьшается и разряд автоматически прекращается, так как напряжение становится недостаточным для образования электронно-ионных пар) Счетчик готов к регистрации следующей частицы.

С помощью ионизационных камер можно регистрировать любые виды ядерных излучений.

Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов, но существуют модели пригодные и для регистрации гамма- квантов.

Для измерения доз гамма- квантов полученных человеком используют дозиметры, по форме и размерам –авторучка.

Камера Вильсона

Счетчик Гейгера позволяет только регистрировать факт пролете частицы. Гораздо больше возможностей для изучения частиц дает изобретенная в 1912 г. камера Вильсона.

Камера Вильсона состоит из невысокого стеклянного цилиндра со стеклянной крышкой. Внутри цилиндра может двигаться поршень. На дне камеры находится ткань, увлажненная смесью воды и спирта. Благодаря этому воздух в камере насыщен парами этих жидкостей.

При быстром движении поршня вниз находящиеся в камере воздух и пары расширяются, их внутренняя энергия уменьшается, температура в камере понижается.

В обычных условиях это вызвало бы конденсацию паров (появление тумана) Однако в камере Вильсона этого не происходит, так как из нее предварительно удалены ядра конденсации – пылинки, ионы и т.д.

Поэтому в данном случае при понижении температуры в камере пары становятся пересыщенными, переходят в крайне неустойчивое состояние, при котором будут легко конденсироваться на любых образующихся в камере ядрах конденсации, например на ионах.

Пролетая с большой скоростью через газ, частицы создают на своем пути ионы, которые становятся ядрами конденсации, на которых пары конденсируются в виде маленьких капелек.

Водяной пар конденсируется преимущественно на отрицательных ионах, пары этилового спирта – на положительных.

Вдоль всего пути частицы возникает видимый трек из микро-капелек.

Треки существуют в камере недолго, так как воздух нагревается от стенок камеры и капельки испаряются. Чтобы привести камеру в исходное состояние надо удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать газ в камере, выждать пока воздух, нагревшийся при сжатии, охладиться, и произвести новое расширение.

Для фотографирования треков частиц камеры освещают сбоку мощным пучком света.

Для выполнения точечных измерений физических характеристик регистрируемых частиц камеру Вильсона помещают в постоянное магнитное поле, Треки частиц, движущихся в маг поле, оказываются искривленными. Радиус кривизны трека зависит от скорости движения частицы, ее массы и заряда. При известной индукции магнитного поля эти

характеристики частиц могут быть определены по радиусам кривизны треков.

Пузырьковая камера

Одной из разновидностей камеры Вильсона является изобретенная в 1952 г. пузырьковая камера. В ней вместо пересыщенного пара используется перегретая выше точки кипения жидкость (жидкий водород, пропан, ксенон). При движении в этой жидкости заряженной частицы вдоль ее траектории образуется ряд пузырьков пара.

Быстрые заряженные частицы через маленькое в стенке камеры проникают в ее рабочий объем и образуют на своем пути цепочку ионов в жидкости находящейся около температуры кипения.

В этот момент давление резко понижают и жидкость переходит в перегретое состояние. Ионы, вдоль пути частицы, обладают избыточной кинетической энергией, за счет которой температура в микроскопическом объеме вблизи каждого иона повышается, и образуются пузырьки пара вдоль траектории.

Пузырьковую камеру обычно помещают в постоянное магнитное поле.

Пузырьковая камера обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА ПО РАССЕИВАНИЮ АЛЬФА-ЧАСТИЦ(уч.11кл.стр.328)

Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц

Оценка размера атомного ядра на основании опыта Резерфорда

Планетарная модель атома Резерфорда (см.ниже)

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопи­лось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

Большие успехи в исследовании строения ато­мов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию α-частиц при про­хождении через тонкие слои вещества.

Впервые эксперимент по изучению внутренней структуры атома осуществлен в 1910-1911 г. английским физиком Э.Резерфордом и его студентами Э.Марсденом и Х.Гейгером.

В этих опы­тах узкий пучок α-частиц (ядра атомов гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемых радиоак­тивным веществом, , пролетающими сквозь щели в свинцовых экранах, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, покрытый слоем сернистого цинка ZnS способный светиться под ударами быстрых частиц. По количеству вспышек определялось число частиц, рассеянных фольгой на определенный угол.

Большинство α-частиц проходили фольгу практически беспрепятственно, отклоняясь на углы менее 1о. Однако некоторые α-частицы резко отклонялись от первоначального направления и даже отражались назад.

Столкновение α-частицы с электроном не может существенно изменить ее траекторию, так как масса электрона в 73000 раз меньше массы α-частицы.

Резерфорд предположил, что отражение α-частиц обусловлено их отталкиванием положительно заряженными частицами с массой соизмеримой с массой α-частиц.

Малая доля частиц в общем потоке, испытывающих значительное рассеивание, была объяснена тем, что положительный заряд в атоме содержится не равномерно, а в некотором объеме, значительно меньшем размера атома.

Эта центральную часть была названа ядром атома, где сосредоточен положительный заряд и почти вся масса.

Рассеяние α-частиц Резерфорд объяснил тем, что положитель­ный заряд не распределен равномерно в шаре радиу­сом 10-10м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома — атомном ядре.

При прохождении около ядра α-частица, имеющая поло­жительный заряд, отталкивается от него, а при по­падании в ядро — отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует цент­ральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома.

Эксперименты Резерфорда показали, что атомы имеют очень малое ядро, вокруг которого вращаются электроны. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10-15м.

Наиболее точные результаты получаются при изуче­нии рассеяния быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерно сферическую форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле:

R ≈ 1.2*10-15A м.

По сравнению с размерами ядра, размеры атомов огромны и, поскольку практически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объёма атома фактически является пустым пространством.

ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА(уч.10кл.стр.211-215,уч.11кл.стр.329)

Планетарная модель атома Томпсона

Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц(см.выше уч.11кл.стр.329)

Планетарная модель атома

Планетарная модель и устойчивость атома

Постулаты Бора (см.ниже)

Явление радиоактивности дало основание предположить, что в состав атома входят отрицательные и положительно заряженные частицы, а в целом атом электронейтрален.

Опираясь на эти и некоторые другие факты, английский физик Джозеф Джон Томсон в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома:

Атом представляет собой шар, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд. Внутри этого шара находятся электроны. Каждый электрон может совершать колебательные движения около своего положения равновесия. Положительный заряд шара равен по модулю суммарному отрицательному заряду электронов.

Для экспериментальной проверки модели атома Томпсона действительно ли положительный заряд распределен по всему объему атома с постоянной плотностью в 1911 г. Резерфорд с сотрудниками провел ряд опытов по исследованию состава и строения атома. (см.выше «Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц»)

Опыты Резерфорда позволяют оценить максимальный размер R атомного ядра.

При центральном столкновении α-частицы (с зарядом +2e) с ядром (заряд +Ze), она останавливается кулоновскими силами отталкивания на расстоянии r от центра ядра (r > R).

В точке остановки кинетическая энергия Ek α-частицы переходит в потенциальную:

Ek = k , где k = 9*109Н*м2/Кл2

Следовательно, размер атомного ядра определиться соотношением:

R <

Линейный размер ядра по крайней мере в 10000 раз меньше размера атома.

Из опытов Резерфорда непосредственно следует планетарная модель атома.

В центре атома расположено положительно заряженное ядра, вокруг которого вращаются под действием кулоновских сил притяжения электроны.

Атом электрически нейтрален: заряд ядра равен суммарному заряду электронов.

Размер атома определяется радиусом орбиты валентного электрона.

Атомы устойчивы и в состоянии с минимальной энергией могут существовать неограниченно долго.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить устойчивость атомов:

1. Электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, теряя энергию на электромагнитное излучение при движении с ускорением по круговой орбите;

2. При движении по круговой ор­бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т.е. излучаемый свет должен иметь непре­рывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейча­тый спектр.

Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА-БОРА. КВАНТОВЫЕ ПОСТУЛАТЫ БОРА(уч.11кл.стр.330-336)

Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц(см.выше)

Планетарная модель атома Резерфорда и устойчивость атома.

Первый постулат Бора

Правило квантования орбит Бора

Энергетический спектр атома.

Энергетические уровни

Основное состояние атома

Свободное и связанное состояния электрона

Ионизация атома (энергетические перехода электрона)

Второй постулат Бора

Спектры излучения и поглощения атома

Опыт Франка и Герца УТОЧНИТЬ

Первая модель строения атома принадлежит Томсону.

Он предположил, что атом это положительно заряженный шар, внутри которого расположены вкрапления отрицательно заряженных электронов.

Резерфорд провел опыт по облучению быстрыми альфа-частицами металлической пластинки.

При этом наблюдалось, что часть из них немного отклоняются от прямолинейного распространения, а некоторая доля – на углы более 20.

Это было объяснено тем, что положительный заряд в атоме содержится не равномерно, а в некотором объеме, значительно меньшем размера атома.

Эта центральную часть была названа ядром атома, где сосредоточен положительный заряд и почти вся масса. Радиус атомного ядра имеет размеры порядка 10-15 м.

(См.выше «Планетарная модель атома»)

Также Резерфорд предложил т.н. планетарную модель атома, по которой электроны вращаются вокруг атома как планеты вокруг Солнца. Радиус самой дальней орбиты равен радиусу атома.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов:

электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом — это устойчивая система;

при движении по круговой ор­бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т.е. излучаемый свет должен иметь непре­рывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейча­тый спектр.

В атоме элек­троны, двигаясь вокруг ядра, обладают центростремительным ускорением. Поэтому они должны бы излучать энергию в виде электромагнитных волн. В результате этого электроны будут двигаться по спиральным траектори­ям, приближаясь к ядру, и, наконец, упасть на него. После этого атом пре­кращает своё существование. В действительности же атомы являются устойчивыми образованиями.

Известно, что заряженные частицы, двигаясь по окружности, излучают электромагнитные волны с частотой, равной частоте вращения час­тицы. Электроны в атоме, двигаясь по спиральной траектории, меняют частоту вращения. Поэтому частота излучаемых электромагнитных волн плавно изменяется, и атом должен бы излучать электромагнитные волны в некотором частотном интервале, т.е. спектр атома будет сплошным. В действительности же он линейчатый.

Для устранения указанных недостат­ков Бор пришёл к выводу, что необходимо отказаться от классических представлений. В 1913 г., разрабатывая теорию атома водорода, он постулировал ряда принципов, которые получили на­звание постулатов Бора.

В основу своей теории Бор положил два посту­лата:

Первый постулат: атомная система может на­ходиться только в особых стационарных или кван­товых состояниях, каждому из которых соответ­ствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает (хотя происходит ускоренное движение)

В устойчивом атоме электрон может двигаться только по особым, стационарным орбитам, не излучая при этом электромагнитной энергии.

Правило квантования орбит Бора:

На длине окружности каждой стационарной орбиты укладывается целое число n,( называемое главным квантовым числом), длин волн де Бройля (λБ = ), соответствующих движению электрона

= n

где n = 1, 2, 3, ... главное квантовое число

Целое число волн, укладывающихся на стационарной орбите, необходимо из соображений симметрии для плавного замыкания гармонической кривой.

Правило квантования орбит Бора учитывает волновые свойства электрона.

На стационарной орбите момент импульса электрона квантуется (кратен постоянной Планка ћ)

mevr = nћ

где ћ = h/2π = 1.05*10-34Дж*с – постоянная Планка (аш перечеркнутое)

n = 1, 2, 3, ...

На электрон, вращающийся вокруг ядра, действует кулоновская сила Fk = ke2/r2, сообщающая электрону центростремительное ускорение an = v2/r.

По второму закону Ньютона:

me = k

Радиусы стационарных орбит находим из выражений me = k ; mevr = nћ :

 rn = n2 . где n = 1, 2, 3, ...

Радиусы стационарных орбит квантуются, т.е. имеют дискретные значения, пропорциональные квадрату главного квантового числа.

Атом имеет минимальный размер, когда n = 1

Скорость движения электрона по n-й орбите:

vn = k , где n = 1, 2, 3, ...

Это означает, что электрон может находиться на нескольких вполне определенных орбитах.

Каждой орбите электрона со­ответствует вполне определенная энергия.

Энергетический спектр атома водорода

Энергия электрона в атоме складывается из его кинетической энергии и потенциальной кулоновской энергии взаимодействия с ядром:

E = -

Нуль потенциальной энергии электрона выбран на бесконечном расстоянии от ядра.

Знак минус соответствует энергии притяжения отрицательного и положительного зарядов.

Подставляя в последнее выражение значения радиусов стационарных орбит и скорости движения по ним электрона получаем возможную величину энергии электрона в атоме:

 En = - , где n = 1, 2, 3, ...

Энергия электрона в атоме принимает не любые, а дискретные значения, т.е. квантуется.

Энергетический уровень – энергия, которой обладает атомный электрон в определенном стационарном состоянии.

Состояние атома с n=1 называют основным состоянием

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