Наглядная физика. Квантовая физика

Фотоэлектрический эффект

Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.
Основным в теории фотоэффекта является гипотеза световых квантов — свет представляет собой поток фотонов. 

Подробнее

Фотоэффект можно представить как результат двух последовательных процессов: 1) поглощение кванта света электроном, 2) вылет электрона за пределы вещества.Из закона сохранения энергии, при поглощении фотонов электронами и вылете электрона, следует формула Эйнштейна для фотоэффекта: 

где h – постоянная Планка, v - частота света, m – масса электрона, u – скорость вылетающего электрона. При этом важно, что электрон не может поглотить лишь часть энергии фотона. Поэтому энергия hv превращается в кинетическую энергию электрона, часть Aвых которой затем тратится на совершение работы выхода. Это полностью объясняет результаты экспериментальных исследований фотоэффекта. 

Три закона внешнего фотоэффекта

1. При фиксированной частоте электромагнитного излучения, падающего на фотокатод, сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего на катод света (т.е. числу фотонов, падающих на поверхность катода в единицу времени).2.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света и линейно зависит от его частоты.3.Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота электромагнитного излучения v0 = Aвых / h , при которой фотоэффект ещё возможен.В компьютерной модели установки для изучения фотоэффекта имеется трубка, из которой откачан воздух и внутри расположены две пластины, присоединенные к источнику напряжения, и в ту же цепь включены приборы для измерения силы тока и напряжения. Одна из пластин освещается светом, параметры которого можно изменять. 

Изучение закономерностей внешнего фотоэффекта

Компьютерная модель установки для изучения фотоэффекта позволяет производить измерения физических величин. Можно изменять напряжение на электродах трубки (и менять полярность приложенного напряжения), измерять это напряжение вольтметром, измерять силу тока в цепи. 

Подробнее

Можно также изменять параметры освещения, изменять частоту и интенсивность освещения. Для проведения опыта нужно установить значения всех параметров, кроме двух, один из них изменяют, а другой – измеряют. Разумеется, это лишь идеализированная модель. Реальный фотоэффект гораздо сложнее.

Опыт 1. Построение вольт-амперной характеристики внешнего фотоэффекта. Изменяя напряжение, измеряем силу фототока и по результатам измерений строим график зависимости силы тока от напряжения (при различных частотах света).

Опыт 2. Измерение зависимости силы фототока от интенсивности. Изменяем интенсивность, измеряем силу фототока и по результатам измерений строим график зависимости силы фототока от интенсивности света. Эксперимент доказывает, что при фиксированной, достаточно высокой, частоте света, падающего на фотокатод, сила фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего на катод света (т.е. пропорциональна числу фотонов, падающих на поверхность катода в единицу времени).

Опыт 3. Измерение кинетической энергии фотоэлектронов. Измеряем величину запирающего напряжения, изменяя интенсивность света. Измеряем величину запирающего напряжения, изменяя частоту света, и по результатам измерений строим график зависимости запирающего напряжения от частоты. Эксперимент доказывает, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света и линейно зависит от его частоты.

Опыт 4. Измерение красной границы фотоэффекта. Изменяя частоту света, измеряем минимальную частоту электромагнитного излучения и по результатам измерений строим графики зависимости фототока от частоты света для фотокатодов из различных материалов. Эксперимент доказывает, что для каждого фотокатода красная граница фотоэффекта, равнаν0=Aвых /h

Давление света

Световое давление нормально падающего света равно


где W – энергия фотонов, падающих на единичную площадь поверхности за 1 с, R - коэффициент отражения освещенной поверхности (т.е. из n упавших фотонов R∙n фотонов отражается).

Подробнее

При одинаковой интенсивности светового излучения давление света на зеркальную поверхность (R=1) в два раза больше давления на черную поверхность (R=0), поглощающую свет.

Для экспериментального исследования давления света используются два легких металлических диска, подвешенных на тонкой упругой нити в стеклянном сосуде, из которого откачен воздух. Один диск – зеркальный и хорошо отражает падающий на него свет. Другой диск – черный и хорошо поглощает падающий свет.

Если на один из дисков направить пучок света, то под действием давления света равновесие нарушается и диски поворачиваются, закручивая нить. По углу закручивания упругой нити можно измерить момент сил давления, вызывающих этот поворот. Для измерения угла закручивания нити к поворачивающейся системе прикреплялось плоское зеркальце, которое отбрасывало на шкалу световой «зайчик». При повороте дисков «зайчик» перемещается по шкале и его перемещение пропорционально углу поворота и расстоянию между зеркальцем и шкалой.

Опыт Резерфорда

Дж. Дж. Томсоном в 1903 г. предложил физическую модель атома, известную под названием «пудинг с изюмом». В этой модели положительный заряд и масса атома равномерно распределены в шаре (диаметром примерно 10–¹º м), в котором распределены отрицательно заряженные электроны – пудинг, в котором распределены отрицательно заряженные электроны – как изюминки в пудинге.

Подробнее

При этом вся система нейтральна.

В 1908-1911 г. профессор Эрнест Резерфорд со своими сотрудниками провели опыты по рассеянию α-частиц очень тонкой (толщиной около 400 нм) золотой фольгой.

Исследовав углы рассеяния (отклонения) α-частиц, проходящих через фольгу, было обнаружено рассеяние частиц на очень большие углы и даже удалось зафиксировать рассеянные α-частицы, летящие практически в обратном направлении. Это означало, что на α-частицы действовали большие силы, которых не могло быть в модели Томсона. Так что эти эксперименты показали несостоятельность модели Томсона.

Резерфорд предположил, что атом состоит из очень маленького ядра, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, а также почти вся его масса. Отрицательно заряженные электроны окружают это ядро. Резерфорд провел теоретические расчеты углов рассеяния в рамках собственной модели и модели Томсона и сравнил полученные результаты с экспериментом. Летящие α-частицы отклоняются ядром, но не электронами, т. к. масса α-частицы примерно в 8000 раз больше массы электрона. Сила кулоновского отталкивания α-частицы от ядра-мишени пропорциональна 1/r² и для получения больших сил ядро должно быть очень маленьким. Резерфорд показал, что диаметр ядра около 10-¹4 м, а атома – примерно 10–¹º м.

Ядерная модель атома (модель Резерфорда)

Согласно модели Резерфорда атом имеет очень маленькое, но массивное ядро (размером d≈10–14 м), несущее заряд +Ze. Вокруг этой центральной области расположены Z электронов нейтрального атома.
Все электроны движутся около ядра под действием кулоновских сил притяжения.

Подробнее

Если электрон находится а расстоянии r, то сила кулоновского притяжения к ядру равна: 

По второму закону Ньютона приравниваем эту силу к произведению массы электрона на его центростремительное ускорение, получаем:

где υ2/r – центростремительное ускорение. Из уравнения (2) выражаем mυ2 и находим кинетическую энергию электрона 

Потенциальная энергия системы 

Знак «минус» означает, что в данной системе действуют силы притяжения, а не отталкивания, поскольку отрицательный электрон притягивается к положительно заряженному ядру.

Ядерная модель атома (модель Бора) 

Полная энергия системы равна сумме кинетической и потенциальной энергии:

Знак «минус» показывает, что полная энергия отрицательна и, следовательно, рассматриваемая система является связанной.

Подробнее

Для ее разрушения необходимо затратить энергию. Заметим, что формула (5) позволяет определить энергию одного электрона без учета остальных электронов. Полную энергию атома нельзя получить сложением этих значений, т.к. электроны отталкиваются друг от друга, причем расстояние между электронами все время меняется.

Энергия связи электрона определяется как минимальная энергия, которая требуется для полного удаления электрона из атома, т. е. для ионизации атома.

Экспериментальным путем было найдено, что для атома водорода энергия связи равна E=13,6 эВ. Подставляя это значение в уравнение (5) для E, можно найти радиус ближайшей к ядру орбитыr1 = 0,53∙10-10 м.

Эта величина называется боровским радиусом и обозначается r1. Ее значение хорошо совпадает со значениями, полученными другими экспериментальными методами. В этой модели массивное ядро атома неподвижно, а электроны движутся вокруг ядра по круговым или эллиптическим орбитам. 

Ядерная модель атома (Квантовая модель) 

Несмотря на определенные успехи в объяснении строения атома, достигнутые в рамках планетарной модели и классической теории, перед физиками встал ряд непреодолимых противоречий. Эта модель атома имеет существенные недостатки. Движущийся ускоренно электрический заряд должен излучать электромагнитные волны.

Подробнее

Из-за этого электрон будет непрерывно терять энергию и довольно быстро упадет на ядро.

Итак, согласно законам классической электродинамики:

1) заряженная частица, движущаяся с ускорением, должна непрерывно излучать электромагнитную энергию;

2) частота этого излучения должна быть равна частоте изменения вектора ускорения, т. е. частоте обращения частицы вокруг ядра.

Следовательно, в соответствии с этой моделью полная энергия атома должна уменьшаться (становясь все более отрицательной), тогда как частота вращения должна непрерывно увеличиваться. Простой расчет показывает, что при этих условиях за ничтожное время (τ≈10–8 с) электрон упадет на ядро и атом прекратит свое существование.

Кроме того, если данная модель верна, то оптический спектр водорода (как и спектры других элементов) должен быть непрерывным, а эксперименты показывают, что спектры атомов дискретны.

Оба заключения находятся в полном противоречии с экспериментальными данными, согласно которым атом является очень устойчивой системой, а оптические спектры газов имеют вовсе не непрерывное распределение по частоте, а характеризуются набором дискретных частот, т. е. имеют линейчатую структуру.

Все эти факты привели к тому, что модель Резерфорда была заменена моделью Бора.

Модель атома водорода

Рассмотрим, ядерную модель простейшего атома – атома водорода. Для простоты предположим, что электрон (массой m и зарядом –e) движется равномерно по круговой орбите вокруг расположенного в центре протона (с зарядом +e).

Подробнее

В теории Бора считалось допустимым применять закон Кулона и второй закон Ньютона, что позволяет определить полную энергию системы из классического уравнения движения:

Для радиусов rn круговых орбит стационарных состояний Бор предложил правило квантования

где n = 1, 2, 3, ... – номер орбиты, m – масса электрона, v – скорость электрона, rn – радиус n-ой орбиты.

Состояние с наименьшей энергией, соответствующее значению n = 1, называется основным состоянием, так как в этом низшем энергетическом состоянии атом пребывает большую часть времени.

Состояния, соответствующие значениям n = 2,3,4, …, называются возбужденными состояниями, так как в любом из этих состояний атом имеет энергию большую, чем в основном состоянии.

Модель Бора не объясняет, почему в стационарном состоянии атом не излучает энергию. Это свойство принято как постулат. Кроме того, невозможно экспериментально показать, что электрон движется по круговой орбите вокруг ядра. Однако все эти трудности устраняются, если рассматривать атом водорода в рамках квантовой механики. Модель Бора является приближением к более точной, но сложной современной модели, и остается удобной механической моделью для введения понятия энергетических состояний и ряда других физических понятий. Для основного состояния n = 1 боровский радиус будет равен:

r1 = 0,53∙10-10 м.

 Радиусы остальных стационарных орбит равны

r = n2r1

т. е. радиусы орбит для стационарных состояний также квантованы и равны соответственно r1, 4r1, 9r1, ….

В модели Бора физическое объяснение правила квантования не дается. Это было сделано десятилетием позже де Бройлем на основе представлений о волновых свойствах частиц. Оказалось, что орбита в атоме водорода соответствует волне, распространяющейся по окружности около ядра атома. Стационарная орбита возникает в том случае, когда волна повторяет себя после каждого оборота вокруг ядра.

Излучение и поглощение света атомами

Электроны в атоме водорода могут иметь только дискретные значения энергии


где n = 1, 2, 3, ... – номер энергетического уровня электрона, m – масса электрона, e – величина заряда электрона.

Подробнее

Наименьшая энергия электрона в атоме равна E1. При увеличении номера уровня его энергия увеличивается, но остаётся отрицательной.

Излучение и поглощение света атомом происходит при переходе электрона с одного уровня на другой. При переходе с нижнего уровня на верхний, энергия электрона увеличивается, он поглощает фотон. При переходе с верхнего уровня на нижний электрон испускает фотон. Частота νkn испущенного или поглощённого фотона равна (Ek – En)/h, или 

где R = 1,0977373∙107 м-1 – постоянная Ридберга; c – скорость света; n, k – номера энергетических уровней, между которыми переходит электрон, k = n+1, n+2, ... .

Лазер

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое (с меньшей энергией), называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом излучает фотон независимо от других (возбужденных) атомов. При этом время жизни возбужденного состояния Ek тем меньше, чем больше энергия фотона, т. е. разность Ek – En.

Подробнее

В 1916 г. А. Эйнштейн предсказал, что излучение фотона, т. е. переход электрона в атоме с более высокого энергетического уровня En на более низкий уровень Ek происходит чаще, если вблизи излучающего атома уже имеются такие же фотоны с энергией Ek – En. Такое излучение называют вынужденным или индуцированным. В результате такого взаимодействия возбужденного атома с уже имеющимися фотонами появляется еще один, совершенно одинаковый с ними по энергии и направлению движения фотон, т. е. индуцированное излучение монохроматично и когерентно.

Упрощенная схема устройства работы твердотельного лазера. Цилиндрический стержень из активной среды, его торцы строго параллельны, на них нанесен слой серебра. Одна зеркальная поверхность частично прозрачна. Стержень помещен внутри импульсной спиральной лампы, являющейся источником возбуждающего излучения. Атомы среды, поглощая излучение лампы (определенной частоты), содержащееся в спектре излучения лампы, переходят с основного уровня E0 на второй возбужденный уровень Ef. Время жизни атомов на втором возбужденном уровне мало. Большая часть возбужденных атомов совершает переходы на первый возбужденный уровень E1. Этот уровень является метастабильным, т. е. в этом состоянии атомы находятся дольше, чем в обычном возбужденном состоянии.

Вспышка мощной лампы-вспышки создает населенность метастабильного уровня E1, которая больше, чем населенность основного уровня E0. Процесс создания инверсной населенности называют накачкой, а используемую для этого лампу называют лампой накачки. Затем – переход на средний уровень. Достаточно одному атому среды совершить спонтанный переход с метастабильного уровня E1 на основной уровень E0 с испусканием фотона, как возникает лавина фотонов, вызванная индуцированным излучением. Если направление движения первичного фотона строго перпендикулярно плоскости зеркал резонатора, то первичные и вторичные фотоны отражаются от первого зеркала и летят через кристалл до второго зеркала. На своем пути они вызывают вынужденное излучение у новых атомов хрома, и процесс продолжается.

Основными особенностями лазерного излучения являются его когерентность, возможность получения световых пучков с очень малой расходимостью, а также потоков излучения с очень большой мощностью.

Наблюдение треков в камере Вильсона

Простейшая камера Вильсона состоит из цилиндрического сосуда с плоской стеклянной крышкой и поршня, который при перемещении изменяет давление воздуха в рабочем объеме камеры. В некоторых камерах Вильсона вместо поршня используют резиновую грушу, которая соединяется с рабочим объемом трубкой.

Подробнее

Для наблюдения треков к воздуху в рабочем объеме камеры Вильсона добавляют насыщенные пары спирта. 

Внутри камеры, обычно на тонком стержне, укреплен радиоактивный препарат – источник частиц (например, альфа-частиц). Для приведения камеры в действие поршень сначала плавно поднимают, а затем резко опускают вниз (или грушу сначала плавно сжимают, а затем резко отпускают). При быстром адиабатном расширении воздух и пары в камере охлаждаются и пар становится пересыщенным. 

Если в этот момент в рабочем объеме пролетает альфа-частица, то вдоль ее траектории в газе образуется цепочка ионов. Эти ионы становятся центрами конденсации пересыщенного пара. Поэтому вдоль траектории движения частицы образуется цепочка капель спирта, хорошо видимая на черном фоне при боковом освещении. Такие линии называют треками частиц.

Для определения физических характеристик регистрируемых частиц камеру Вильсона помещают в постоянное магнитное поле. Тогда треки заряженных частиц, движущихся в магнитном поле, искривляются, причем радиус кривизны трека зависит от скорости движения частицы, ее массы и заряда. При известной индукции магнитного поля эти характеристики частиц могут быть определены по измеренным радиусам кривизны треков частиц. Кроме того, при движении в воздухе частица теряет энергию и поэтому радиус кривизны изменяется. Так можно определить энергию и скорость частицы.

Устройство и действие счетчика ионизирующих частиц

Газоразрядный счетчик Гейгера – Мюллера обнаруживает излучение по производимой им ионизации газа. Счетчик состоит из цилиндрической трубки, которая служит корпусом счетчика, и тонкой металлической нити, натянутой вдоль оси трубки. Нить и корпус трубки изолированы друг от друга.

Подробнее

Рабочий объем счетчика заполняется смесью газов, например аргоном с примесью паров метилового спирта, при давлении около 0,1 атм.

Для регистрации ионизирующих частиц между корпусом счетчика и нитью прикладывается высокое постоянное напряжение, нить является анодом. Пролетающая через рабочий объем счетчика быстрая заряженная частица производит на своем пути ионизацию атомов наполняющего газа. Под действием электрического поля свободные электроны движутся к аноду, положительные ионы — к катоду. Напряженность электрического поля вблизи (тонкой) нити анода счетчика настолько велика, что свободные электроны при приближении к нему на пути между двумя соударениями с нейтральными атомами приобретают энергию, достаточную для их ионизации молекул газа. В счетчике возникает коронный разряд, который через короткий промежуток времени прекращается.

С включенного последовательно со счетчиком резистора на вход регистрирующего устройства поступает импульс напряжения. Принципиальная схема включения газоразрядного счетчика для регистрации ядерных излучений представлена на рисунке. По показаниям электронного счетного устройства определяется число быстрых заряженных частиц, зарегистрированных счетчиком.

Протонно-нейтронная модель строения атома

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые считаются двумя состояниями одной частицы - нуклона.
Протон (обозначается p) имеет положительный элементарный заряд qp = e = –qe, где qe — заряд электрона. Нейтрон (обозначается n) не имеет электрического заряда: qn = 0. Массы протона и нейтрона примерно одинаковы и почти в 2000 раз больше массы электрона.

Подробнее

Ядро атома полностью определяется числом протонов и числом нейтронов в нем. Число протонов в ядре называется атомным номером и обозначается Z. Число Z совпадает с порядковым номером соответствующего химического элемента в таблице Менделеева.

Число протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой A. Для атомов или их ядер используются специальные обозначения.В ядре протоны и нейтроны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые называют короткодействующими, т. к. они действуют только на расстоянии порядка (r = 10–15м). Протоны в ядре отталкиваются друг от друга электрическим полем, которое является дальнодействующим, т. е. действует на любом расстоянии (сила пропорциональна 1/r2).

Поэтому у очень тяжелых ядер электрическое отталкивание действует между всеми протонами, а ядерными силами из-за их короткодействия притягиваются лишь ближайшие частицы. Для увеличения расстояния между отталкивающимися протонами нужны нейтроны. Ядра стабильны лишь при определенных соотношениях между числом протонов и нейтронов.

Ядро атома стабильно, если в данных условиях не существует процессов, уменьшающих его энергию. Нестабильные ядра уменьшают свою энергию распадом на другие ядра или испусканием частиц. И при этом выделяется ядерная энергия.

Протон p (ядро водорода ₁¹H) стабилен. Отдельный нейтрон n, имея массу чуть больше массы протона, распадается на протон, электрон и антинейтрино. К протону можно добавить один или два нейтрона, получатся изотопы водорода дейтерий и тритий.

Ядро, состоящее из двух протонов, неустойчиво, но после добавления нейтрона получается ядро изотопа гелия ₂³He. Это ядро стабильно, однако в природе практически не встречается. При добавлении еще одного нейтрона получается ядро гелия ₂⁴He (альфа-частица), очень стабильное.

Так, мысленно добавляя протоны или нейтроны, можно получить все возможные ядра. Но большинство из полученных так ядер неустойчиво. Ядра атомов элементов с атомным номером Z > 81, как правило, нестабильны, т. е. самопроизвольно распадаются.

У каждого элемента есть радиоактивные изотопы. Чем большее число нейтронов отклоняется от их числа в стабильном изотопе, тем меньше время его жизни (характеризуемое периодом полураспада нуклида), т. е. тем быстрее происходит превращение этого ядра в другое.

Ядерные реакции

Нейтрон имеет массу чуть больше массы протона, поэтому энергетически возможно его превращение в нейтрон, но при этом электрический заряд должен сохраняться. Оказывается, что превращение нейтрона в протон действительно происходит и называется бета-распадом.

Подробнее

При этом образуются еще две частицы — электрон и антинейтрино. Это превращение записывается так: ¹₀n → ¹₁p + ⁰₋₁e + ν̃   где нижний индекс обозначает заряд частицы, а верхний — округленную массу (в а.е.м., поэтому у электрона написан 0), волнистая черта над обозначением частицы означает античестицу.

Распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино вовсе не означает, что внутри нейтрона находится электрон. Если в ядре слишком много протонов, то протон за счет энергии ядра может превратиться в нейтрон, испустив позитрон (антиэлектрон) и нейтрино.

В результате распада нестабильных ядер образуются другие ядра, которые тоже могут быть нестабильными и тоже распадаются. Этот процесс приводит к образованию в природе стабильных ядер, а число радиоактивных – уменьшается. Поэтому в природе большинство ядер стабильны. Таким образом, при радиоактивном распаде ядро превращается в другие ядра. Если взять радиоактивное ядро, то невозможно предсказать, когда произойдет его распад. Но среднее время жизни ядер данного типа известно. Когда протоны и нейтроны соединяются, образуя более тяжелое ядро, то их полная энергия уменьшается (масса тоже уменьшается, т. к. избыточная энергия излучается в виде квантов света, которые уносят массу). В ядре между частицами действуют значительные ядерные силы, поэтому чтобы разрушить ядро, разбив его на осколки (более легкие ядра), необходимо затратить большую энергию. Это энергия связи нейтронов и протонов в ядре, см. рис. Величина этой энергии, приходящаяся на одну частицу называется удельной энергией связи.

Ядерные реакции изменяют число протонов и нейтронов в ядрах. По аналогии с записью химических реакций записываются и ядерные реакции. Например, ядерная реакция, записанная в виде   A + a → B + b   означает, что в результате столкновения ядра A с частицей a образуется ядро B и частица b. В некоторых случаях в ядерной реакции можно выделять различные этапы. Например, в следующей реакции:   A + a → С → B + b   сначала ядро A поглощает частицу a и образуется возбуждённое ядро C, которое некоторое время (время жизни возбужденного ядра) распадается на ядро B и частицу b.

Как и химические реакции, ядерные реакции бывают экзотермические (с выделением энергии) и эндотермические (с поглощением энергии). Энергия, которая выделяется при ядерных реакциях называют энергетическим выходом ядерной реакции.

Энергетический выход ∆E реакции (1) можно вычислить, если известны массы участвующих в реакции частиц:   ∆E = (mB + mb )c^2 – (mA + ma )c^2   где c – скорость света. Ядерные превращения наблюдаются не только при самопроизвольном радиоактивном распаде ядер тяжелых элементов. Чем меньше энергия связи, тем более неустойчиво ядро.  Как и химические реакции, ядерные реакции бывают экзотермические (с выделением энергии) и эндотермические (с поглощением энергии). Энергия, которая выделяется при ядерных реакциях называют энергетическим выходом ядерной реакции.

Энергетический выход ∆E реакции (1) можно вычислить, если известны массы участвующих в реакции частиц (при этом кинетической энергией частиц мы пренебрегаем, считая её пренебрежимо малой, по сравнению с ∆E):   ∆E = (mB + mb )c^2 – (mA + ma )c^2   где c – скорость света.

Ядерные превращения наблюдаются не только при самопроизвольном радиоактивном распаде ядер тяжелых элементов. Чем меньше энергия связи, тем более неустойчиво ядро.

Радиоактивное излучение

Явление радиоактивности было открыто Беккерелем, который обнаружил, что атомы урана испускают излучение. В то время обнаружили три формы этого излучения: бета-излучение (отрицательно заряженные электроны), альфа-излучение (положительно заряженные ядра гелия ₂⁴He) и гамма-излучение (коротковолновое электромагнитное излучение, не несущее заряда).

Подробнее

Бета-распад

Бета-частицы — это очень быстрые электроны, кинетическая энергия которых в зависимости от испускающего их вещества принимает значения от нескольких мегаэлектронвольт до десятков килоэлектронвольт.

Альфа-распад

Этот распад ядра ₘᶻX происходит, если ядро ₘ₋₄ ᶻ⁻² Y  имеет энергию меньше, чем энергия исходного ядра ₘᶻX.

Гамма излучение

После выбрасывания альфа-частицы дочернее ядро обычно оказывается возбужденным, т. е. имеет избыток энергии. Эта энергия испускается в виде гамма-кванта. Этот процесс совершенно аналогичен испусканию энергии возбужденным атомом при переходе электрона с высокого энергетического уровня на более низкий уровень. Разница заключается лишь в том, что разность между энергетическими уровнями атомов составляет десятки электронвольт и меньше, а в ядре эта разность составляет мегаэлектронвольты.

Итак, гамма-излучение — это поток квантов электромагнитного излучения (фотонов), имеющих очень большую энергию. Электромагнитное излучение в микромире состоит из частиц — фотонов, энергия которых обратно пропорциональна частоте, E = hν.

Радиоактивное излучение​ (поглощение)

Частицы в альфа-, бета- и гамма-излучении обладают очень большой энергией и при столкновении вызывает ионизацию атомов. Эти излучения называются ионизирующими излучениями. 

Подробнее

Огромная энергия ионизирующих излучений и их значительная проникающая способность делают радиоактивность опасной для живых организмов. Излучение в веществе может поглощаться или проходить насквозь, не поглощаясь, но частицы излучения, взаимодействуя с атомами среды, теряют свою энергию.

Закон радиоактивного распада

Периодом полураспада изотопа называется промежуток времени, за который распадается половина начального количества этого изотопа в данном образце.

Если в некоторый начальный момент времени имеется большое число N0 ядер изотопа, то через промежуток времени t = n ∙ T1/2 останется нераспавшихся ядер

N(t) = N₀ · 2⁻ⁿ = N₀ · 2⁻ᵗ⁄ᵀ

где T = T1/2 . График этой зависимости изображен на рисунке.

Цепные ядерные реакции

Массивные ядра нестабильны. Это объясняется меньшей удельной энергией связи массивных ядер по сравнению с удельной энергией связи ядер средних масс (близких к массе ядра железа). Делением ядра называют процесс распада массивного ядра (например, урана) на два ядра и другие частицы.

Подробнее

При делении массивного ядра удельная энергия связи нуклонов в осколках больше энергия связи нуклонов в исходном ядре примерно на 1 Мэв. Значит, распад одного ядра даст около 200 Мэв.

Однако, ядра распадаются редко и для получения большей мощности, нужно заставить ядра распадаться чаще. Нейтроны оказались наиболее эффективными снарядами для осуществления ядерной реакции. Например, электроны с трудом пробивают электронную оболочку атома, а попав в ядро, вносят в него слишком мало энергии. Электроны слишком легкие. Протоны или α-частицы, несущие положительный электрический заряд, отталкиваются от положительно заряженного ядра-мишени. Поэтому проникнуть в ядро они могут лишь имея очень большую кинетическую энергию, порядка миллионов или даже миллиардов электрон-вольт (т. е. несколько МэВ или ГэВ). Нейтроны же не имеют электрического заряда и поэтому не отталкиваются ни электронной оболочкой, как электроны, ни ядрами, как α-частицы и протоны. Попав в ядро, нейтрон, если он имеет нужную кинетическую энергию, может вызвать распад ядра. Следовательно, для получения ядерной энергии нужно где-то брать нейтроны с нужной кинетической энергией.

При столкновении нейтрона с ядром последнее может захватить эту частицу. Возбужденное ядро может оказаться неустойчивым и потому радиоактивным. Например, реакция распада на два ядра элементов бария и криптона и еще три нейтрона записывается так: Нейтроны могут попасть в соседние атомы урана-235, те тоже распадутся, выделят энергию и нейтроны, а те опять разобьют несколько соседних ядер. Этот процесс называется цепной реакцией деления ядер урана.

Итак, при делении ядер урана образуются два ядра-осколка и от 1 до 3 нейтронов. Эти нейтроны захватываются другими ядрами урана, вызывая их быстрый распад с выделением новых нейтронов. Эти новые нейтроны в свою очередь захватываются ядрами урана и вызывают их распад. То, что среди продуктов распада оказались нейтроны, те же самые частицы, которые вызвали этот распад, оказалось очень важным.

Таким образом, распад ядер урана оказывается самоподдерживающимся процессом: количество делящихся ядер и выделяющихся при этом нейтронов быстро увеличивается. При этом пропорционально числу распадов увеличивается и количество выделяемой при распаде ядер энергии. 

Такая самоподдерживающаяся реакция деления ядер урана называется цепной реакцией.

Скорость цепной реакции деления ядер характеризуется коэффициентом размножения нейтронов k, отношением числа нейтронов в данном поколении цепной реакции к их числу в предыдущем поколении. Для развития цепной самоподдерживающейся реакции необходимо k ≥ 1.

Процесс деления ядра на основе капельной модели ядра

На нуклон внутри ядра действуют ядерные силы со стороны ближайших соседей (свойство насыщения). А нуклон, находящийся на границе (на краю) втягивает внутрь неуравновешенная сила.
Это различие между внутренними и граничными частицами похоже на состояния молекул в жидкости, где появляется сила поверхностного натяжения.

Подробнее

Атомы на свободной поверхности обладают избыточной энергией и поэтому жидкость всегда стремится уменьшить площадь свободной поверхности. Энергия сил поверхностного натяжения пропорциональна площади свободной поверхности. В свободном состоянии жидкость принимает форму шара (например, в невесомости, или маленькие капли в нормальных условиях).

Если же рассматривать ядро как каплю жидкости, то процесс распада тяжелого ядра на два осколка при столкновении, например, с нейтроном аналогичен делению капли на две под действием возмущения: энергия распространяющейся по поверхности капли волны приводит к распаду капли на две. Все знают, что струя воды, текущая из крана, набирая скорость (в поле силы тяжести) становится все тоньше и тоньше, а затем разбивается на капли: тонкая струя энергетически не выгодна и поэтому струя распадается на мелкие капли. Также и возмущение ядра может привести к образованию поверхностных волн, разрывающих это ядро на два меньших.

В ядре тоже можно ввести энергетические уровни для нуклонов и переходы нуклонов с одного уровня на другой, но из-за сильного (ядерного) взаимодействия нуклонов это не позволяет проводить вычисления. Оценить энергию ядра с заданным числом нуклонов (Z протонов и A – Z нейтронов) не удается, но качественно можно представить себе, как устроено ядро. Потенциальная яма, у нуклонов уровни – как у электронов в атоме. Но здесь добавление нуклона (или его переход на другой уровень) меняет потенциальную яму и, следовательно, сдвигает все уровни. Как и электроны в атоме, все нейтроны не могут собраться на низшем уровне – они фермионы. На уровне может находиться только 4 нуклона – два протона и два нейтрона. Например, так упаковано ядро гелия (альфа-частица ₂⁴He). Оно очень стабильно, но в остальных ядрах нуклоны явно не собираются по четыре.

Если же рассматривать ядро как каплю жидкости, то процесс распада тяжелого ядра на два осколка при столкновении, например, с нейтроном аналогичен делению капли на две под действием возмущения: энергия распространяющейся по поверхности капли волны приводит к распаду капли на две. Все знают, что струя воды, текущая из крана, набирая скорость (в поле силы тяжести) становится все тоньше и тоньше, а затем разбивается на капли: тонкая струя энергетически не выгодна и поэтому струя распадается на мелкие капли. Также и возмущение ядра может привести к образованию поверхностных волн, разрывающих это ядро на два меньших.

Ядерный реактор

Чтобы реализовать цепную реакцию для быстрого выделения большого количества ядерной энергии, необходимо взять большое количество чистого изотопа урана. Но, если собирать вместе все большее и большее количество атомов урана-235, то при некоторой массе (критическая масса) начнется распад быстро увеличивающегося числа ядер урана с выделением пропорционального количества энергии в виде потока нейтронов, тепла и гамма-излучения.

Подробнее

Примерно так все происходит при взрыве атомной бомбы.

Для использования энергии цепной ядерной реакции нужно иметь возможность управлять скоростью распада. Это делают в ядерном реакторе, в котором скорость нейтронов немного уменьшают (образующиеся быстрые нейтроны хуже поглощаются ядрами урана 235U ), и есть способ регулировать число свободных нейтронов.

Реактор — установка, в которой происходит управляемая цепная ядерная цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов. Ядерная энергия выделяется в виде тепловой энергии, которая передается теплоносителю и затем преобразуется в электрическую энергию.

В ядерном реакторе можно выделить следующие части:

Активная зона – основная часть ядерного реактора. В ней находится ядерное топливо. В некоторых конструкциях реакторов ядерное топливо помещают в длинных трубках, которые называют тепловыделяющими элементами (сокращенно – ТВЭЛ).

Замедлитель быстрых нейтронов. Условно выделяют два вида нейтронов: быстрые, с энергией больше 0.1 Мэв, и медленные, с энергией меньше 0.1 Мэв. Для деления урана-235 нужны медленные нейтроны, а при распаде ядер урана-235 выделяются быстрые нейтроны. Поэтому в ядерном реакторе используют замедлитель — вещество, в котором нейтроны замедляются (теряют часть кинетической энергии). Обыкновенная вода очень хорошо замедляет нейтроны, но и сильно их поглощает. Графит или тяжёлая вода хорошо замедляет нейтроны и плохо их поглощают.

Система охлаждения. Трубки с тепловыделяющими элементами омываются циркулирующим теплоносителем. Им может служить (в зависимости от конструкции реактора) вода или жидкий металл (например, натрий).

Система регулирования. Управляющие стержни изготавливают из веществ, хорошо поглощающих нейтроны. Стержни с помощью специальной системы автоматики удерживаются в таком положении, чтобы число нейтронов сохранялось постоянным. При необходимости стержни можно погрузить в активную зону, число нейтронов уменьшится и цепная реакция прекратится.

Система безопасности. Для снижения вылета нейтронов активную зону окружают отражателем нейтронов. За отражателем располагаются прочный стальной кожух и бетонная биологическая защита, которая предохраняет окружающее пространство от опасного ионизующего излучения реактора.

Взаимодействие элементарных частиц

Электроны и другие микрочастицы не подчиняются законам обычной (классической) физики, и для них была разработана квантовая теория. Кроме протона, нейтрона, электрона и фотона существует много других микрочастиц, но все они нестабильны. Эти микрочастицы называют элементарными частицами. Они имеют много свойств, например, электрический заряд, спин, время жизни.

Подробнее

Легкие частицы (с массами до примерно 200 электронных масс), составляют группу легких частиц — лептонов, частицы с массами примерно от 200 me до массы протона входят в группу мезонов (средних частиц), протон и более тяжелые частицы составляют группу барионов. Фотон не входит в эти группы и имеет нулевую массу покоя. Разделение элементарных частиц на группы определяется не различием в массах, а также рядом других важных свойств. Существует еще большое число частиц с очень малым временем жизни, их называют резонансами. С открытием резонансов неопределенность понятия «элементарная частица» стала очевидной.

Каждая элементарная частица имеет античастицу. Масса античастицы равна массе соответствующей частицы, а электрический заряд (для заряженных частиц) равен по абсолютному значению заряда частицы и противоположен ему по знаку. Частица и античастица у таких незаряженных частиц, как фотон и пи-нуль-мезон, по физическим свойствам совершенно неразличимы и считаются одной и той же частицей. Существуют антипротоны и антинейтроны. Фотон совпадает со своей античастицей. Античастицу электрона называют позитроном. Фотон с энергией больше 2mₑc² может превратиться в электрон и позитрон (процесс «рождения» пары), а при встрече электрона и позитрона происходит их аннигиляция, превращение в фотоны. Эти рождения и аннигиляция электронно-позитронных пар показывают, что частицы и поля, описывающие взаимодействие частиц, не являются резко разграниченными.

В 1963 г. были введены гипотетические частицы, названные кварками. Например, кварки u, d, s, причем каждый из них имеет один из трех цветов (r, g, b). Согласно этой гипотезе все мезоны, барионы и резонансы построены из кварков и антикварков, соединенных между собой в различных комбинациях. Каждый барион состоит из трех кварков, антибарион — из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварков с антикварками.

Все элементарные частицы взаимодействуют друг с другом, превращаются друг в друга. Существует четыре типа взаимодействия между элементарными частицами:

  • гравитационное,
  • электромагнитное,
  • сильное и
  • слабое.

На макроуровне гравитационные силы, действующие между любыми частицами, и электромагнитные силы, действующие между заряженными частицами, хорошо изучены. В микромире гравитация практически не проявляется, но считается, что она обусловлена обменом гравитонами, гипотетическими квантами гравитационного поля. Электромагнитное взаимодействие в микромире описывается обменом фотонами, квантами электромагнитного поля.

Примером сильного взаимодействия могут служить ядерные силы, связывающие в атомных ядрах протоны и нейтроны. Как электроны связывают атомы в молекулу так и обмен пи-мезонами соединяет нуклоны в ядро. Существует три типа пи-мезонов: π⁺, π⁻, π⁰ . Протон, испуская π+-мезон превращается в нейтрон, а нейтрон, поглотив этот π⁺-мезон, – в протон. Аналогично, кварки обмениваются глюонами. Существует 8 различных видов глюонов и, испуская глюон, кварк изменяет свой тип (цвет).Слабое взаимодействие обнаруживается в процессах, связанных с испусканием или поглощением нейтрино. Например, бета-распад. Слабое взаимодействие обеспечивается обменом частицами W⁺, W⁻ и Z⁰ .

 вернуться назад