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

Глюон – бозон со спином 1, переносчик сильного взаимодействия.

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

Полное число переносчиков фундаментальных взаимодействий – бозонов – равно 13.

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

Радиоактивность

Виды радиоактивности

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

Электронное антинейтрино

Энергия радиоактивного распада

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

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

Кюри(см.ниже уч.11кл.стр.363-367)

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

Использование радиоактивного распада

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

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

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

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

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

Существует два вида радиоактивности:

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

- искусственная – радиоактивность изотопов, полученных искусственно при ядерных реакциях

Принципиального различия между ними нет.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Скорость распространения - около скорости света.

Ядра обладают способностью самопроизвольно распадаться. При этом устойчивыми являются только те ядра, которые обладают минимальной энергией по сравнению с теми, в которые ядро может самопроизвольно превратиться.

Ядра, в которых протонов больше, чем нейтронов, нестабильны, т.к. увеличивается кулоновская сила отталкивания .

Ядра, в которых больше нейтронов, тоже нестабильны, т.к. масса нейтрона больше массы протона , а увеличение массы приводит к увеличению энергии.

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

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

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

α -распаду подвержены все элементы тяжелее урана.

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

При α-распаде не вся энергия ядра превращается в кинетическую энергию движения ядра-продукта и α-частицы. Часть энергии может пойти на возбуждения атома ядра-продукта. Таким образом, через некоторое время после распада ядро продукта испускает несколько гамма-квантов и приходит в нормальное состояние.

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

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

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

β(минис)-распад представляет собой самопроизвольное превращение атомного ядра, в результате которого его заряд увеличивается на единицу за счет испускания электрона.

Но масса нейтрона превышает сумму масс протона и электрона.

Этот объясняется выделением еще одной частицы – электронного антинейтрино:

β(плюс)-распад

Не только нейтрон способен распадаться. Свободный протон стабилен, но при воздействии частиц он может распасться на нейтрон, позитрон и нейтрино.

Если энергия нового ядра меньше, то происходит позитронный β(плюс)-распад:

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

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

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

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

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

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

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

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.