Явище фотоефекту. Формула Ейнштейна для фотоефекту.

Фотоефе́кт — явище «вибивання» світлом електронів із металів. Щоб вивільнити електрон із металу йому необхідно передати енергію, більшу за роботу виходу.

Теоретичне пояснення явища дав Альберт Ейнштейн, за що отримав Нобелівську премію. Ейнштейн використав гіпотезу Макса Планка про те, що світло випромінюється порціями (квантами) із енергією, пропорційною частоті.

Припустивши, що світло і поглинається такими ж порціями, він зміг пояснити залежність швидкості вибитих електронів від довжини хвилі опромінення.

,

де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.

Робота Ейнштейна мала велике значення для розвитку ідей квантової механіки взагалі та квантової оптики зокрема.

185. Закони Столєтова для фотоефекту.

Фотоефект відкрив Герц, дослідив О.Г.Столєтов, а пояснив Ейнштейн.

У 1887 році німецький фізик Герц, помітив, що електричний розряд між двома електродами виникав при менших напругах, якщо мі електродний проміжок опромінювати ультрафіолетовими променями.

Це пояснювалось іонізацією газу.

Якщо на електрометр помістити цинкову пластину і зарядити позитивно, то під дією ультрафіолетового світла вона розряджатись не буде, а якщо зарядити негативно, то розрядиться. Це означає, що з поверхні речовими під дією світла вириваються електрони.

Виривання електорів з речовини під дією світла називається фотоефектом.

У 1888 р. російський фізик Олександр Іванович Столєтов виконав ряд дослідів по вивченню фотоефекту.

Пристій Столєтова:

Скляний балон з кварцовим віконцем і розміщеними двома електродами, до яких прикладалась регульована напруга.

Під час опромінення електрони відриваються від катода і летять до анода створюють фотострум.

При сталому світловому потоці при збільшенні напруги фотострум теж зростає, але до певного значення.

Найбільший фотострум, який можна одержати при незмінному світловому потоці наз.фотострумом насичення.

При збільшенні світлового потоку Ф струму насичення зростає.

.Перший закон фотоефекту.

Сила фотоструму насичення прямопропорційна падаючому на електрод світловому потоку.

Щоб струм не протікав, потрібно прикласти затримуючу (гальмуючу) напругу, за якою можна визначити кінетичну енергію фотоелектронів.

Змінюючи частоту подаючого світла, Столєтов визначив кінетичну енергію фотоелектронів і встановив другий закон:

Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.

Найменша частота хвилі, при якій ще можливий фотоефект, наз. червоною межею фотоефекту. Або:

Найбільша довжина хвилі, при якій ще можна спостерігати фотоефект, наз. червоною межею фотоефекту.

Третій з-н фотоефекту:

Поріг фотоефекту (червона межа) визначається тільки матеріалом електрода і не залежить від інтенсивності випромінювання.

186. Тиск світла

Фотон, маючи енергію hn, має й імпульс (кількість руху): , , . Поглинаючись перешкодою або відбиваючись від неї, фотони передають перешкоді імпульс, створюючи тиск на неї (як і молекули газу).

Тиск світла в звичайних умовах дуже малий: близько 4,5 мкПа (атмосферний тиск дорівнює 100 кПа). Його вимірювання утруднялося ще й тим, що молекули газів, які ще залишилися у відкачаній колбі, створювали на крильця тиск, набагато більший за тиск світла. Однак Лебедєву вдалося досить точно (як показали пізніше інші дослідники) виміряти тиск світла.

Одним з підтверджень наявності у фотонів маси та імпульсу є світловий тиск. У 1901 році П.М.Лебедєв вперше експериментально виявив і виміряв тиск світла на тверді тіла і гази, за допомогою підвішеної у вакуумі на тонкій кварцовій нитці легкої «крильчатки», одне крильце якої було відбиваючим (дзеркало), інше — поглинаючим (зачорненим).

Тиск світла на відбиваюче крильце був удвічі більшим, ніж на поглинаюче (у першому випадку під час падіння-відбивання перешкода одержує імпульс , у другому — тільки ).

Прилад Лебедєва – це досить чутливі крутильні терези, рухома система яких складається з легкого каркаса із закріпленими на ньому тонкими кружками, які розміщені симетрично відносно осі підвісу. Деякі крильця були дзеркальними, а поверхня інших була затемнена.

Згідно теорії світла Максвелла тиск чинить електромагнітна хвиля, що падає на поверхню:

р = , де Ее =

- енергетична освітленість поверхні, с- швидкість світла у вакуумі.

ρ- коефіцієнт відбивання.

187. Хвилі де Бройля

Хвилі де Бройля, хвилі, пов'язані з будь-якою рухомою мікрочасткою, відображають їх квантову природу

Хвилі де Бройля - основний компонент корпускулярно- хвильового дуалізму Луї де Бройля, котрий в середині 20-х років 20- го століття спробував побудувати альтернативну аксіоматичну квантову теорію відмінну від концепції, що базується на рівнянні Шредінгера. Основна думка де Бройля полягає в розповсюдженню основних законів квантової теорії світла (вірніше випромінювання Планка - Ейнштейна) на рух матеріальних частинок певної маси.

В 1924 р. Луі де Бройль (французький фізик) дійшов висновку, що подвійність світла повинна бути поширена й на частки речовини - електрони. Гіпотеза де Бройля полягала в тому, що електрон, корпускулярні властивості якого (заряд, маса) вивчаються давно, має ще й хвильові властивості, тобто за певних умов поводиться як хвиля.

Кількісні співвідношення, що зв'язують корпускулярні й хвильові властивості часток, такі ж, як для фотонів.

Ідея де Бройля полягала в тому, що це співвідношення має універсальний характер, слушний для будь-яких хвильових процесів. Будь-якій частці, що володіє імпульсом р, відповідає хвиля, довжина якої обчислюється по формулі де Бройля.

- хвиля де Бройля

p =mv-імпульс частки, h - постійна Планка.

Хвилі де Бройля, які іноді називають електронними хвилями, не є електромагнітними.

В 1927 році Дэвиссон і Джермер ( амер. фізик ) підтвердили гіпотезу де Бройля виявивши дифракцію електронів на кристалі нікелю. Дифракційні максимуми відповідали формулі Вульфа - Брегів 2dsinj = nl, а брегівська довжина хвилі виявилася в точності рівної .

Подальше підтвердження гіпотези де Бройля в досвідах Л.С. Тартаковського й Г. Томсона, що спостерігали дифракційну картину при проходженні пучка швидких електронів (Е» 50 кеВ) через фольгу з різних металів. Потім була виявлена дифракція нейтронів, протонів, атомних пучків і молекулярних пучків. З'явилися нові методи дослідження речовини - нейтронографія й електронографія й виникла електронна оптика.

Макротіла також повинні мати всі властивості (m = 1кг, отже, l = 6.62·10-31 м – неможливо визначити сучасними методами - тому макротіла розглядаються тільки як корпускули).

188. . Співвідношення невизначеностей Гейзенберга

Мікрочастинки в одних випадках проявляють себе як хвилі, в інших як корпускули. До них не застосовні закони класичної фізики часток і хвиль. У квантовій фізиці доводиться, що до мікрочастинки не можна застосовувати поняття траєкторії, але можна сказати, що частка перебуває в даному об'ємі простору з деякою ймовірністю Р. Зменшуючи об'єм, ми будемо зменшувати ймовірність виявити частку в ньому. Імовірнісний опис траєкторії (або положення) частки приводить до того, що імпульс і, отже, швидкість частки може бути визначена з якоюсь певною точністю.

Далі, не можна говорити про довжину хвилі в даній точці простору й звідси випливає, що якщо ми точно задаємо координату x, то ми нічого не зможемо сказати про імпульс частки, тому що .

Тільки розглядаючи протяжну ділянку D x ми зможемо визначити імпульс частки. Чим більше D x, тем точніше Dр і навпаки, чим менше D x, тим більше невизначеність у знаходженні Dр.

Співвідношення невизначеностей Гейзенберга встановлює границю в одночасному визначенні точності канонічно спряжених величин, до яких відносяться координата й імпульс, енергія й час.

Співвідношення невизначеностей Гейзенберга: добуток невизначеностей значень двох спряжених величин не може бути за порядком величини менше постійної Планка h ( іноді записують)

Таким чином. для мікрочастинки не існує станів, у яких її координата й імпульс мали б одночасно точні значення. Чим менше невизначеність однієї величини, тим більше невизначеність іншої.

Співвідношення невизначеностей є квантовим обмеженням застосовності класичної механіки до мікрооб'єктів.

отже, чим більше m, тем менше невизначеності у визначенні координати й швидкості. При m = 10-12 кг, ? = 10-6 і Δx = 1% ? = 10-8 м, Δv = 6,62·10-14 м/с, т.т. не буде проявлятися при усіх швидкостях, з якими пилинки можуть рухатися, т.т. для макротіл їх хвильові властивості не грають ні якої ролі.

Нехай електрон рухається в атомі водню. Допустимо Δx »10-10 м (порядку розмірів атома, тобто електрон належить даному атому). Тоді Δv = 7,27·106 м/с. По класичній механіці при русі по радіусу r » 0,5·10-10 м v = 2,3·10-6 м/с. Т.т. невизначеність швидкості на порядок більше величини швидкості, звідси, неможливо застосовувати закони класичної механіки до мікросвіту.

Зі співвідношення випливає, що система, що має час життя Dt, не може бути охарактеризована певним значенням енергії. Розкид енергії зростає зі зменшенням середнього часу життя. Отже, частота випромененого фотона також повинна мати невизначеність Dn = DE/h, тобто спектральні лінії будуть мати деяку ширину n±DE/h, будуть розмиті. Вимірявши ширину спектральної лінії можна оцінити порядок часу існування атома в збудженому стані.

189. Рівняння Шредингера

Рівняння Шредингера, як і інші основні рівняння фізики (рівняння Ньютона, Максвелла), не виводиться, а постулюються. Його слід розглядати як вихідне основне припущення, справедливість якого доводиться тим, що всі наслідки, що випливають із нього, точно узгодяться з експериментальними даними.

(1)

- часове рівняння Шредингера.

- набла - оператор Лапласа

- потенційна функція частки в силовому полі,

Ψ(y,z,t) -шукана функція

Якщо силове поле, у якому рухається частка, стаціонарно ( тобто не змінюється із часом), то функція U не залежить від часу й має сенс потенційної енергії. У цьому випадку розв'язок рівняння Шредингера (тобто Ψ - функція) може бути презентовано у вигляді добутку двох співмножників - один залежить тільки від координат, інший - тільки від часу:

(2)

Е - повна енергія частки, постійна у випадку стаціонарного поля.

Підставивши (2) → (1):

(3)

рівняння Шредингера для стаціонарних станів.

Є нескінченно багато розв'язків. За допомогою накладення граничних умов відбирають розв'язку, що мають фізичний зміст.

Граничні умови:

хвильові функції повинні бути регулярними, тобто

1) кінцевими;

2) однозначними;

3) безперервними.

Розв'язки, що задовольняють рівнянню Шредингера, називаються власними функціями, а відповідні їм значення енергії - власними значеннями енергії. Сукупність власних значень називається спектром величини. Якщо Еn приймає дискретні значення, то спектр - дискретний, якщо безперервні - суцільний або безперервний.

190. Будова атома. Досліди Резерфорда.

А́том — найменша частинка хімічного елемента, яка зберігає всі його хімічні властивості. Атом складається з щільного ядра з позитивно заряджених протонів та електрично нейтральних нейтронів, яке оточене набагато більшою хмарою негативно заряджених електронів. Коли число протонів відповідає числу електронів, атом електрично нейтральний; в іншому випадку це є іон, з певним зарядом. Атоми класифікують відповідно до числа протонів та нейтронів: число протонів визначає хімічний елемент, а число нейтронів визначає нуклід елементу.

За цією моделлю:

· Атоми складаються із елементарних частинок (протонів, електронів, та нейтронів). Маса атома в основному зосереджена в ядрі, тому більша частина об'єму відносно порожня. Ядро оточене електронами. Атоми одного елемента з різною кількістю нейтронів називаються ізотопами.

· У центрі атома знаходиться крихітне, позитивно заряджене ядро, що складається з протонів та нейтронів.

· Ядро оточене електронною хмарою, яка займає більшу частину його об'єму.

o Кожна орбіталь може містити до двох електронів, що характеризуються трьома квантовими числами: основним, орбітальним і магнітним.За пропозицією і під керівництвом Резерфорда його учні провели дослідження розсіяння α-частинок за допомогою листів тонкої металевої фольги. В їх дослідах паралельний пучок α-частинок спрямовувався у вакуумі на тонку металеву фольгу і розсіювався нею. Було виявлено, що переважна більшість α-частинок розсіювались на кути 1-30. Проте спостерігались окремі α-частинки , які зазнавали відхилень на значні кути, близько 1500. На основі цього Резерфорд зробив висновок, що кожне таке велике відхилення є наслідком одиничного акту взаємодії якогось практично точкового силового центра з α-частинкою, яка досить близько пролітає біля цього центру. Таким силовим центром він вважав позитивно заряджене ядро атома На основі експериментальних даних Резерфорд і Чедвік встановили, що позитивний заряд атома дорівнює добутку порядкового номера елемента Z в таблиці Менделеєва на електричний заряд електрона е.Після відкриття ядра була запропонована модель будови атома, за якою атом складається з позитивно зарядженого ядра. Навколо ядра нейтрального атома по замкнутих орбітах рухається Z електронів. Така модель будови атома називається ядерною(планетарною).

Постулати Бора.

Постулати Бора — сформульовані данським фізиком Нільсом Бором основні положення будови атома, що враховують квантований характер енергії, випромінюваної електронами.

1. Атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних, або квантових станах, кожному з яких відповідає певна енергія E_n. У стаціонарному стані атом енергію не випромінює.

2. Перехід атома з одного стаціонарного стану в інший супроводжується випромінюванням чи поглинанням фотонів, енергію яких hν визначають за формулою:

hν_kn = E_k − E_n,

де k і n - цілі числа (номери стаціонарних станів), якщо E_k > E_n фотон з частотою ν_kn випромінюється, якщо E_k < E_n - поглинається.

3. Радіуси r_n стаціонарних станів задовольняють умову:

Поглинаючи світло, атом переходить із стаціонарного стану з меншою енергією в стаціонарний стан з більшою енергією. Усі стаціонарні стани, крім одного, є умовно стаціонарними. Нескінченно довго кожен атом може знаходитись лише в стаціонарному стані з мінімальним запасом енергії. Цей стан атома називається основним, всі інші - збудженими.

Виходячи з постулатів Бора, можна пояснити процес поглинання і випромінювання енергії атомами. Якщо атом поглинає енергію, то при цьому він переходить у збуджений стан. Його електрон може підніматися на вищу орбіту. Якщо існують вакансії для електрона ближче до ядра, то з часом електрон займає їх, переходячи на більш низький енергетичний рівень. Енергія, яка при цьому вивільняється, випромінюється атомом у вигляді кванта світла.

192. Серії випромінювання, квантування енергії.

Спектр випромінювання розбивається на серії. Найбільш короткохвильова з цих серій позначається літерою K, а окремі лінії в цій серії грецькими літерами. Так, К-серія складається із трьох ліній K_α, K_β, K_γ. Наступні серії позначаються літерами L, M та N. K-серія зумовлена переходами на оболонки, найближчі до ядра атома. Окремі лінії в K-серії зумовлені переходами із різних зовнішніх електронних оболонок.

Квантува́ння— дія, перетворення якоїсь величини з неперервною шкалою значень на величину з дискретною шкалою значень (напр., К. енергії частинок, К. сигналів). Напр., операція перетворення сигналу, при якій здійснюється його дискретизація за рівнем чи за часом або водночас і за рівнем, і за часом.

В різних галузях цей термін набуває специфічного значення, зокрема див.:

· у квантовій механіці

· в Інформатиці

Першим відмовився від класичних уявлень при вирішенні проблеми випромінювання абсолютно чорного тіла М. Планк .У 1900 р. він запропонував принципово новий метод розрахунку функції r_λ,_T, який ґрунтується на квантових уявленнях. В основу методу було покладено гіпотезу про те, що тіла випромінюють енергію не неперервно, а окремими порціями, які дістали назву квантів. Енергія в кванта пропорційна частоті випромінювання (обернено пропорційна довжині хвилі):

де h = 6,626 ∙ 10^-34 Дж ∙ с — стала Планка. В механіці величину, що має розмірність добутку енергії на час, називають дією. У зв’язку з цим сталу Планка іноді називають квантом дії. Нові уявлення Планка про кванти енергії докорінно змінили погляди фізиків на елементарні процеси випромінювання світла, а також на всі інші процеси в мікросвіті. Так виникла нова епоха у вченні про будову матерії та її рух.

Керуючись уявленнями про квантовий характер теплового випромінювання, М. Планк дістав такий вираз для випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла:

де с — швидкість світла у вакуумі; k — стала Больцмана; Т — абсолютна температура; е — основа натуральних логарифмів.

Згідно з формулою Планка (13.11) для кожної довжини хвилі λ з підвищенням температури зменшується величина е^hс/kλТ, що стоїть у знаменнику, r_λ,_T зростає. Отже, з підвищенням температури збільшується випромінювальна здатність на всіх ділянках спектра, причому це зростання різне для різних інтервалів довжин хвиль. Саме така залежність r_λ,_T від температури спостерігається на досліді.

Отже, в 1900 р. Макс Планк запропонував концепцію квантування енергії для того, щоб отримати правильну формулу для енергії випромінювання абсолютно чорного тіла

Атомне ядро.

Ядро́ — центральна частина атома, в якій зосереджена основна частина маси атома (більш ніж 99,9%). Ядро має позитивний заряд, і саме від величини заряду ядра залежить, який хімічний елемент представлений атомом.

Ядерні сили в 100 разів сильніші від магнітних. Дуже короткі R=10^-13., заряово-нейтральні.

У порівнянні з розмірами атома, який визначається радіусом електронних орбіт, розміри ядра надзвичайно малі — 10^-15−10^-14 м, тобто приблизно в 10-100 тисяч разів менші від розміру самого атома.

Атомне ядро ​​складається з нуклонів — позитивно заряджених протонів та нейтральних нейтронів, близьких за масою та іншими властивостями частинок, які взаємодіють між собою через сильну взаємодію.

Ядро найпростішого атома — атома Гідрогену (ізотоп Протій) — є одним протоном.

Через різницю в кількості нейтронів ізотопи одного елемента можуть мати різну масу , яка є важливою характеристикою ядра. У ядерній фізиці масу ядер вимірюють в атомних одиницях маси (а. о. м.), за одну а. о. м. беруть 1/12 частину маси нукліду 12C, тобто 1/12 маси ізотопу вуглецю з масовим числом 12. Стандартна маса, яка зазвичай наводиться для нукліда — це маса нейтрального атома. Для визначення маси ядра потрібно від маси атома відняти суму мас всіх електронів (точніше значення вийде, якщо врахувати ще й енергію зв'язку електронів з ядром).

Енергія зв’язку – енергія яка потрібна для того щоб розділити ядро на окремі нуклони. Така ж енергія виділяється при утворенні ядра з окремих нуклонів. Сума мас окремих нуклонів завжди менша ніж маса ядра:

де c² = 931,5 .

Ядерні сили, що тримають ядро вкупі, в кілька раз сильніші ніж електромагнітні. Від'ємна потенціальна енергія нуклонів досягає значень, які роблять відчутним ефект внаслідок принципу еквівалентності маси та енергії - зв'язані нуклони мають меншу масу ніж вільні. Внаслідок того що ядерні сили короткодіючі, не може існувати великих ядер.

Заряд

Число протонів у ядрі безпосередньо визначає його електричний заряд, в ізотопів однакова кількість протонів, але різна кількість нейтронів. Ядерні властивості ізотопів (на відміну від хімічних властивостей), можуть значно відрізнятися.

Моменти ядра

Як і нуклони, що входять до його складу, ядро має власний момент , що є сумою спіну й орбітального моменту . У ядерній фізиці повний момент теж називають спіном.

Спін

Оскільки нуклони належать до ферміонів, тобто мають спін , то і ядра повинні мати спіни. Крім того, нуклони беруть участь в ядрі в орбітальному русі, який також характеризується певним моментом кількості руху кожного нуклона. Орбітальні моменти набувають значення лише цілих чисел . Спіни нуклонів та їх орбітальні моменти, підсумовуються за квантовомеханічними правилами додавання моментів і складають спін ядра.

194. .Радіоактивність.

Радіоакти́вність— явище спонтанного перетворення нестійкого ізотопа хімічного елемента в інший ізотоп (зазвичай іншого елемента) (радіоактивний розпад) шляхом випромінювання гамма-квантів, елементарних частинок або ядерних фрагментів.

Радіоактивність відкрив Беккерель. Вчений працював із солями урану і загорнув свої зразки разом із фотопластинами в непрозорий матеріал. Фотопластини виявилися засвіченими, хоча доступу світла до них не було. Беккерель зробив висновок про невидиме оку випромінювання солей урану. Він дослідив це випромінювання і встановив, що інтенсивність випромінювання визначається тільки кількістю урану в препараті і абсолютно не залежить від того, в які сполуки він входить. Тобто ця властивість властива не сполукам, а хімічному елементу урану.

Встановлено, що всі хімічні елементи з порядковим номером, більшим за 83 — радіоактивні.

Природна радіоактивність — спонтанний розпад ядер елементів, що зустрічаються в природі.

Штучна радіоактивність — спонтанний розпад ядер елементів, отриманих штучним шляхом, через відповідні ядерні реакції.

Якщо в початковий момент часу (t= 0) було N_о радіоактивних ядер, то за період піврозпаду Т кількість їх стане вдвічі меншою ще через такий самий час Т їх уже буде і т.д. Тобто за n періодів піврозпаду радіоактивними залишаться лише N ядер:

Цей вираз є законом радіоактивного розпаду.

195. . Закон радіоактивного розпаду.

Радіоакти́вність— явище спонтанного перетворення нестійкого ізотопа хімічного елемента в інший ізотоп (зазвичай іншого елемента) (радіоактивний розпад) шляхом випромінювання гамма-квантів, елементарних частинок або ядерних фрагментів.

Радіоактивність відкрив Беккерель. Вчений працював із солями урану і загорнув свої зразки разом із фотопластинами в непрозорий матеріал. Фотопластини виявилися засвіченими, хоча доступу світла до них не було. Беккерель зробив висновок про невидиме оку випромінювання солей урану. Він дослідив це випромінювання і встановив, що інтенсивність випромінювання визначається тільки кількістю урану в препараті і абсолютно не залежить від того, в які сполуки він входить. Тобто ця властивість властива не сполукам, а хімічному елементу урану.

Встановлено, що всі хімічні елементи з порядковим номером, більшим за 83 — радіоактивні.

Природна радіоактивність — спонтанний розпад ядер елементів, що зустрічаються в природі.

Штучна радіоактивність — спонтанний розпад ядер елементів, отриманих штучним шляхом, через відповідні ядерні реакції.

Якщо в початковий момент часу (t= 0) було N_о радіоактивних ядер, то за період піврозпаду Т кількість їх стане вдвічі меншою ще через такий самий час Т їх уже буде і т.д. Тобто за n періодів піврозпаду радіоактивними залишаться лише N ядер:

Цей вираз є законом радіоактивного розпаду.

196. Радіоактивне випромінювання та взаємодія його з речовиною.

Всі види радіоактивних випромінювань, що супроводжують радіоактивність, називають йонізуючими випромінюваннями. Йонізуючі випромінювання – процес збудження та йонізації атомів речовини при проходженні крізь них гамма-квантів та частинок, що утворилися внаслідок α- та β-розпаду. При проходженні, наприклад, гамма-квантів крізь речовину, кванти перетворюються на пару електрон-позитрон за умови, що енергія гамма-кванту перевищує енергію цих двох частинок (>1 МеВ). α-частинки швидко втрачають всю енергію, оскільки збуджують всі атоми, що трапляються на їх шляху (1-10 см на повітрі, 0,01-0,2 мм у рідинах). β-частинки менш ефективно взаємодіють з речовинами (2-3 м на повітрі, 1-10 мм у рідинах). γ-кванти мають найбільшу проникну здатність. Нейтрони, що не мають електричного заряду, безпосередньо не йонізують атоми. Проте в результаті взаємодії нейтронів з ядрами виникають швидкі заряджені частинки та гамма-кванти, що є йонізуючими частинками. При тривалому перебуванню людини в зоні радіоактивного випромінювання відбувається йонізація та збудження її клітин. У результаті клітини вступають у нові хімічні реакції та утворюють нові хімічні речовини, що порушують нормальне функціонування організму. Мірою дії йонізуючих випромінювань є поглинута доза випромінювання (Грей), що дорівнює відношенню переданої йонізуючими випромінюваннями енергії до маси речовини (D=E/m). Потужність дози випромінювання вимірюється відношення поглинутої дози випромінювання до часу (Pв=D/t). Радіоактивне випромінювання використовують при рентгенологічному обстеженні.

197. Взаємозв'язок маси та енергії матерії.

Енергія тіла залежить від системи відліку, тобто неоднакова для різних спостерігачів. Якщо тіло рухається зі швидкістю v відносно якогось спостерігача, то для іншого спостерігача, який рухається з тою ж швидкістю, воно здаватиметься нерухомим. Відповідно, для першого спострерігача кінетична енергія тіла буде дорівнювати (виходячи із законів класичної механіки) mv² / 2, де m - маса тіла, а для іншого - нулю.

Енергія тіла залежить від швидкості вже не так як у Ньютонівській фізиці, а інакше:

,

де m - інваріантна маса.

Спектри α- і γ-випромінювань переривисті («дискретні»), а спектр β-випромінювання — неперервний.

β-розпад

Беккерель довів, що β-промені є потоком електронів. β-розпад - прояв слабкої взаємодії.

β-розпад — внутрішньонуклонний процес, тобто відбувається перетворення нейтрона в протон із вильотом електрона й антинейтрино з ядра:

+ γ.

Правило зсуву Содді для β-розпаду:

+ γ.

Приклад:

+ γ.

α-розпад

α-розпадом називають мимовільний розпад атомного ядра на ядро-продукт і α-частинку (ядро атома ).

α-розпад є властивістю важких ядер з масовим числом А≥200. Одночасно на α-частинку менше впливає ядерне міжнуклонне притягання за рахунок сильної взаємодії, ніж на решту нуклонів.

Правило зсуву Содді для α-розпаду:

.

Приклад:

.

γ-розпад

Гамма промені це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі, меншою за розміри атома. Вони утворюються зазвичай при переході ядра атома із збудженого стану в основний стан. При цьому кількість нейтронів чи протонів у ядрі не змінюється, а отже ядро залишається тим самим елементом. Однак випромінювання гамма-променів може супроводжувати й інші ядерні реакції.

Ланцюгова реакція — реакція, продукти якої, своєю чергою, вступають у взаємодію з початковими продуктами. Це хімічні і ядерні реакції, у яких поява проміжної активної частки (радикала, атома або збудженої молекули — у хімічних, нейтрона — у ядерних процесах) викликає велику кількість (ланцюг) перетворень початкових молекул або ядер внаслідок регенерації активної частки в кожному елементарному акті реакції (у кожній ланці).

Оскільки частина нейтронів, утворених під час поділу, втрачається, поглинаючись без поділу іншими ядрами або вилітаючи за межі реактора, ланцюгову реакцію характеризують ефективним коефіцієнтом розмноження k - кількістю новостворених нейтронів під час одиничного акту поділу, які в свою чергу викликають поділ інших ядер. Якщо ефективний коефіцієнт розмноження більший за одиницю, то число актів поділу збільшується, реакція розганяється, вивільнюючи дедалі більше енергії і може завершитися вибухом. Така реакція називається надкритичною. Якщо k менший від одиниці, реакція згасає з часом. Такий режим називається підкритичним. Для k = 1 перебіг реакції залишається незмінним. Саме такий критичний режим використовується в ядерних реакторах.

Ядерний розпад.

Енергія тіла залежить від системи відліку, тобто неоднакова для різних спостерігачів. Якщо тіло рухається зі швидкістю v відносно якогось спостерігача, то для іншого спостерігача, який рухається з тою ж швидкістю, воно здаватиметься нерухомим. Відповідно, для першого спострерігача кінетична енергія тіла буде дорівнювати (виходячи із законів класичної механіки) mv² / 2, де m - маса тіла, а для іншого - нулю.

Енергія тіла залежить від швидкості вже не так як у Ньютонівській фізиці, а інакше:

,

де m - інваріантна маса.

Спектри α- і γ-випромінювань переривисті («дискретні»), а спектр β-випромінювання — неперервний.

β-розпад

Беккерель довів, що β-промені є потоком електронів. β-розпад - прояв слабкої взаємодії.

β-розпад — внутрішньонуклонний процес, тобто відбувається перетворення нейтрона в протон із вильотом електрона й антинейтрино з ядра:

+ γ.

Правило зсуву Содді для β-розпаду:

+ γ.

Приклад:

+ γ.

α-розпад

α-розпадом називають мимовільний розпад атомного ядра на ядро-продукт і α-частинку (ядро атома ).

α-розпад є властивістю важких ядер з масовим числом А≥200. Одночасно на α-частинку менше впливає ядерне міжнуклонне притягання за рахунок сильної взаємодії, ніж на решту нуклонів.

Правило зсуву Содді для α-розпаду:

.

Приклад:

.

γ-розпад

Гамма промені це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі, меншою за розміри атома. Вони утворюються зазвичай при переході ядра атома із збудженого стану в основний стан. При цьому кількість нейтронів чи протонів у ядрі не змінюється, а отже ядро залишається тим самим елементом. Однак випромінювання гамма-променів може супроводжувати й інші ядерні реакції.

Ланцюгова реакція — реакція, продукти якої, своєю чергою, вступають у взаємодію з початковими продуктами. Це хімічні і ядерні реакції, у яких поява проміжної активної частки (радикала, атома або збудженої молекули — у хімічних, нейтрона — у ядерних процесах) викликає велику кількість (ланцюг) перетворень початкових молекул або ядер внаслідок регенерації активної частки в кожному елементарному акті реакції (у кожній ланці).

Оскільки частина нейтронів, утворених під час поділу, втрачається, поглинаючись без поділу іншими ядрами або вилітаючи за межі реактора, ланцюгову реакцію характеризують ефективним коефіцієнтом розмноження k - кількістю новостворених нейтронів під час одиничного акту поділу, які в свою чергу викликають поділ інших ядер. Якщо ефективний коефіцієнт розмноження більший за одиницю, то число актів поділу збільшується, реакція розганяється, вивільнюючи дедалі більше енергії і може завершитися вибухом. Така реакція називається надкритичною. Якщо k менший від одиниці, реакція згасає з часом. Такий режим називається підкритичним. Для k = 1 перебіг реакції залишається незмінним. Саме такий критичний режим використовується в ядерних реакторах.

199. Ланцюгова реакція.

Ланцюгова реакція — реакція, продукти якої, своєю чергою, вступають у взаємодію з початковими продуктами. Це хімічні і ядерні реакції, у яких поява проміжної активної частки (радикала, атома або збудженої молекули — у хімічних, нейтрона — у ядерних процесах) викликає велику кількість (ланцюг) перетворень початкових молекул або ядер внаслідок регенерації активної частки в кожному елементарному акті реакції (у кожній ланці).

Оскільки частина нейтронів, утворених під час поділу, втрачається, поглинаючись без поділу іншими ядрами або вилітаючи за межі реактора, ланцюгову реакцію характеризують ефективним коефіцієнтом розмноження k - кількістю новостворених нейтронів під час одиничного акту поділу, які в свою чергу викликають поділ інших ядер. Якщо ефективний коефіцієнт розмноження більший за одиницю, то число актів поділу збільшується, реакція розганяється, вивільнюючи дедалі більше енергії і може завершитися вибухом. Така реакція називається надкритичною. Якщо k менший від одиниці, реакція згасає з часом. Такий режим називається підкритичним. Для k = 1 перебіг реакції залишається незмінним. Саме такий критичний режим використовується в ядерних реакторах.

Термоядерний синтез.

Ядерний синтез — це процес, під час якого два атомних ядра об'єднуються, формуючи важче ядро. Зазвичай цей процес супроводжується виділенням енергії. Ядерний синтез є джерелом енергії в зірках та водневій бомбі.

Для зближення атомних ядер на відстань, достатню для того, щоб відбулася ядерна реакція, навіть для найлегшого елементу, водню, потрібна дуже значна кількість енергії. Але, у випадку легких ядер, внаслідок об'єднання двох ядер із утворенням важчого ядра виділяється значно більше енергії, ніж іде на подолання кулонівського відштовхування між ними. Завдяки цьому ядерний синтез - дуже перспективне джерело енергії і є одним із основних напрямків дослідження сучасної науки.

Кількість енергії, що виділяється в більшості ядерних реакцій набагато більша, ніж у хімічних реакціях, тому що енергія зв'язку нуклонів у ядрі значно більша, ніж енергії зв’язку електронів у атомі. Наприклад, енергія іонізації, яка отримується при зв'язуванні електрона з протоном із утворенням атому водню, складає 13.6 електрон-вольт — менше, ніж одну мільйонну від 17 МеВ, що виділяються під час реакції дейтерію із тритієм, що описана нижче.

Термоядерний синтез.

Ядерний синтез — це процес, під час якого два атомних ядра об'єднуються, формуючи важче ядро. Зазвичай цей процес супроводжується виділенням енергії. Ядерний синтез є джерелом енергії в зірках та водневій бомбі.

Для зближення атомних ядер на відстань, достатню для того, щоб відбулася ядерна реакція, навіть для найлегшого елементу, водню, потрібна дуже значна кількість енергії. Але, у випадку легких ядер, внаслідок об'єднання двох ядер із утворенням важчого ядра виділяється значно більше енергії, ніж іде на подолання кулонівського відштовхування між ними. Завдяки цьому ядерний синтез - дуже перспективне джерело енергії і є одним із основних напрямків дослідження сучасної науки.

Кількість енергії, що виділяється в більшості ядерних реакцій набагато більша, ніж у хімічних реакціях, тому що енергія зв'язку нуклонів у ядрі значно більша, ніж енергії зв’язку електронів у атомі. Наприклад, енергія іонізації, яка отримується при зв'язуванні електрона з протоном із утворенням атому водню, складає 13.6 електрон-вольт — менше, ніж одну мільйонну від 17 МеВ, що виділяються під час реакції дейтерію із тритієм, що описана нижче.

202. Загальні відомості про елементарні частинки.

Елементарні частинки – найдрібніші суб’ядерні частинки речовини або фізичного поля. Це дискретні структурні елементи, що можуть існувати в неасоційованому стані. Найхарактернішою особливістю елементарних частинок є їхня здатність до перетворень і взаємодії. При цьому дочірні частинки - це не структурні складові материнських, вони народжуються при актах перетворення. За властивостями елементарні частинки поділяють на такі групи: фотони, лептони, мезони й баріони (нуклони й гіперони). Майже всі елементарні частинки нестабільні (за винятком електрона, протона, нейтрона, нейтрино, фотона). Основні характеристики елементарних частинок: електричний заряд, маса, тривалість життя, спін, лептонний і баріонний заряди, дивність (квантове число).Починаючи з 1932 року було відкрито понад 400 елементарних частинок і це число зростає й надалі.Дослідження останніх десятиліть ХХ ст. показали відносність вживання терміну “елементарні” до ряду частинок. Зокрема виявлено внутрішню структуру протона, нейтрона, інших частинок. Вони складаються з кварків, пар “кварк-антикварк” та глюонів (кванти поля). В свою чергу кварки, можливо, теж мають свою структуру, хоча на сучасному рівні знань вони є фундаментальними складовими адронів.Сучасний нам набір елементарних частинок не був таким протягом всього існування Всесвіту. На самих його початках у момент часу 10-33 c після Великого вибуху існували частинки-прабатьки, так звані преони, з енергією понад 1015 ГеВ. Прямими “нащадками” преонів стали кварки, що близько 10-6 с після Великого вибуху утворили вже згадані протони і нейтрони. За цими уявленнями через приблизно 3 хв. після початку процесу утворилася більша частина ядер гелію, які існують у Всесвіті.

За величиною спіну всі елементарні частинки поділяють на два класи:

ферміони — частинки з напівцілим спіном (наприклад, електрон, протон, нейтрон, нейтрино);

бозони — частинки з цілим спином (наприклад, фотон).

За видами взаємодій елементарні частинки поділяють на такі групи:

адрони — частинки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків і поділяються, у свою чергу, на:

мезони (адрони з цілим спіном, тобто бозони);

баріони (адрони з напівцілим спіном, тобто ферміони). До них, зокрема, відносяться частинки, що становлять ядро атома, — протон і нейтрон.

лептони — ферміони, які мають вид точкових частинок (тобто, що не складаються ні з чого) аж до масштабів порядку 10−18 м. Не беруть участь в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалася тільки для заряджених лептонів (електрони, мюони, тау-лептони) і не спостерігалася для нейтрино. Відомі 6 типів лептонів.

кварки — дробовозаряджені частинки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися. Як і лептони, діляться на 6 типів і є безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.

калібрувальні бозони — частинки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:

фотон — частинка, що переносить електромагнітну взаємодію;

вісім глюонів — частинок, що переносять сильну взаємодію;

три проміжні векторні бозони W+, W- і Z0, що переносять слабку взаємодію;

гравітон — частинка, що переносить гравітаційну взаємодію. Існування гравітонів, хоча поки не доведено експериментально, у зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком імовірним.

Адрони і лептони утворюють речовину. Калібрувальні бозони — це кванти різних видів випромінювання.Крім того, в Стандартній Моделі з необхідності присутній бозон Хігса, який, втім, поки що не знайдений експериментально.Спочатку термін «елементарна частинка» мав на увазі щось абсолютно елементарне, першоцеглинка матерії. Проте, коли в 1950-х і 1960-х роках були відкриті сотні адронів зі схожими властивостями, стало ясно, що принаймні адрони мають внутрішні ступені свободи, тобто не є в строгому значенні слова елементарними. Ця підозра надалі підтвердилася, коли з'ясувалося, що адрони складаються з кварків.Таким чином, наука просунулася ще трошки вглиб будови речовини: найелементарнішими, точковими частинами речовини зараз вважаються лептони і кварки. Саме щодо них (разом із калібрувальними бозонами) застосовується термін «фундаментальні частинки».

203.

204.

205. Динамічні методи дослідження сировини і матеріалів

Механічні властивості і їхні показники характеризують матеріа-ли, що у процесі переробки піддаються розтягненню, стисканню, зги-нанню й іншим впливам. При механічній обробці матеріалів на нихдіють різні навантаження: періодичні й постійні, статичні й динаміч-ні. Такі навантаження приводять матеріал до руйнування. Наванта-ження, при якому матеріал руйнується, називається руйнуванням.Під впливом навантаження в матеріалі виникають внутрішні напру-ження, значення яких є мірою сил пружності матеріалу й дорівнюютьвідношенню навантаження до одиниці площі Властивість матеріалу опиратися руйнуванню під дією зовнішніхнавантажень називають міцністю. Вона обумовлена силами взаємодіїатомних часток, що складають матеріал, змінами в будові й розташу-ванні молекул. Зміни відносного розташування часток у матеріалівідбувається в результаті деформування. Найбільш простими вида-ми деформування є розтягання, стиск, вигин, зрушення, крутіння.

206.