Квантовая гипотеза Планка. Фотоны. Внешний фотоэлектрический эффект. Внутренний фотоэффект. Занятие 78

1.

ЛЕКЦИИ ПРЕЗЕНТАЦИИ
ПО РАЗДЕЛУ 7
«ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ»

2.

ЗАНЯТИЕ 78
КВАНТОВАЯ ГИПОТЕЗА ПЛАНКА.
ФОТОНЫ.
ВНЕШНИЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
ЭФФЕКТ.
ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ.
ТИПЫ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

3.

Электромагнитному излучению присущи
как волновые, так и квантовые свойства.
Чем больше длина волны излучения, тем
больше оно обнаруживает волновые
свойства. Чем меньше длина волны, тем
отчетливее проявляются квантовые
свойства излучения.

4.

Квантовая гипотеза Планка.
В 1900 г. немецкий физик М.Планк предположил
следующее: энергия испускается телом не
непрерывно, как это предполагалось в
классической физике, а отдельными
дискретными порциями — квантами, энергия Е
которых пропорциональна частоте ν
колебаний:
Е =hν
Здесь h = 6,626 ∙ 10-34 Дж ∙ с — постоянная Планка.
Каждый из атомов излучает электромагнитные
волны. Согласно гипотезе Планка, энергия атома
может изменяться лишь определенными порциями
— квантами, кратными некоторой энергии, т. е.
принимать значения Е, 2Е, ЗЕ,..., nЕ.

5.

Фотоны.
Кванты света получили название фотонов.
Согласно закону пропорциональности массы
и энергии и гипотезе Планка, энергия фотона
определяется по формулам:
Е = mсс2, Е= hν.
Приравнивая правые части этих уравнений,
получаем выражение для массы фотона:
m= hν/сс2,
или, учитывая, что сс = λ∙ν,
m = hν/λ.

6.

Импульс фотона — это произведение его
массы на скорость:
Р = mсс.
Подставив m, получим:
Р= hν/сс или Р = h /λ.
Масса покоя фотона равна нулю. Квант
электромагнитного излучения существует
только распространяясь со скоростью света,
обладая при этом конечными значениями
энергии и импульса. В монохроматическом
свете с частотой ν все фотоны имеют
одинаковую энергию, импульс и массу.

7.

Фотон — элементарная частица, лишенная
массы покоя и электрического заряда, но
обладающая энергией и импульсом. Это
квант электромагнитного поля, которое
осуществляет взаимодействие между
заряженными частицами.
Поглощение и излучение электромагнитной
энергии отдельными порциями —
проявление корпускулярных свойств
электромагнитного поля.

8.

ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ
Вылет электронов из вещества под
действием падающего на него излучения
называют внешним фотоэффектом.
Фотоэлектрический эффект
был открыт в 1887 году
немецким физиком
Г. Герцем.

9.

В 1888–1890 годах фотоэффект был
экспериментально исследован А. Г.
Столетовым. В экспериментах использовался
стеклянный вакуумный баллон с двумя
металлическими электродами,
поверхность которых была
тщательно очищена.
К электродам прикладывалось
некоторое напряжение U,
полярность которого можно
было изменять с помощью
двойного ключа.

10.

Один из электродов (катод K) через кварцевое
окошко освещался монохроматическим светом
некоторой длины волны λ. При неизменном
световом потоке снималась зависимость силы
фототока I от приложенного напряжения.
Зависимость силы фототока от приложенного
напряжения.

11.

Кривая 2 соответствует большей
интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 –
токи насыщения, Uз – запирающий
потенциал. Кривые показывают, что при
достаточно больших положительных
напряжениях на аноде A фототок достигает
насыщения, так как все электроны,
вырванные светом из катода, достигают
анода. Тщательные измерения показали, что
ток насыщения Iн прямо пропорционален
интенсивности падающего света. Когда
напряжение на аноде отрицательно,
электрическое поле между катодом и анодом
тормозит электроны.

12.

Анода могут достичь только те электроны,
кинетическая энергия которых превышает |
eUз|.
Если напряжение на аноде меньше, чем –Uз,
фототок прекращается.
Измеряя Uз, можно определить
максимальную кинетическую энергию
фотоэлектронов:
(mϑмакс2/2) = eUз
Величина Uз оказалась независящей от
интенсивности падающего светового потока.

13.

Основные закономерности фотоэффекта:
1. Фототок насыщения прямо
пропорционален падающему на электрод
световому потоку.
2. Максимальная кинетическая энергия
выбиваемых излучением электронов не
зависит от интенсивности излучения, а
определяется только его частотой (длиной
волны) и материалом электрода.
3. Красная граница фотоэффекта
определяется только материалом электрода
и не зависит от интенсивности излучения.

14.

УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ФОТОЭФФЕКТА
Приобретаемая электроном энергия hν частично
затрачивается на освобождение его из металла.
Ее излишек остается в форме кинетической
энергии освобожденного электрона.
Минимальную энергию Ав, необходимую для
освобождения электрона из металла, называют
работой выхода. Таким образом, для
фотоэлектронов, имеющих максимальную
скорость, закон сохранения энергии при
поглощении одного фотона (уравнение
Эйнштейна) можно записать:
hν = (mϑмакс2/2) + Ав
hсс/λ = (mϑмакс2/2) + Ав

15.

ОБЪЯСНЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
ФОТОЭФФЕКТА
1. Волновая теория: чем больше энергии,
тем больше число выбитых электронов, а
значит и фототок.
Квантовая теория: При увеличении
интенсивности излучения растет число
поглощенных квантов и число вылетающих
электронов (фототок).
Для объяснения второго и третьего законов
фотоэффекта электромагнитную волну
следует рассматривать как поток фотонов.

16.

2. Квантовая теория: из уравнения
Эйнштейна видно, что кинетическая
энергия электронов зависит только от рода
металла и от его частоты (длины волны).
3. Квантовая теория: Если энергия
фотонов меньше работы выхода, то при
любой интенсивности электроны вылетать
из металла не будут.
Красную границу фотоэффекта можно
найти приравняв кинетическую энергию
электронов нулю.
λк = hсс/Ав

17.

Вакуумный фотоэлемент представляет собой
электровакуумный прибор, внутри которого
находятся два электрода – анод А и катод К.
Свет, падающий на катод, вырывает из его
поверхности электроны, что приводит к
увеличению тока, протекающего в цепи и
напряжения на резисторе R. Изменение тока,
текущего через фотоэлемент при его
освещении можно использовать для
включения и выключения различных
устройств. Чтобы увеличить
чувствительность фотоэлемента,
поверхность его катода покрывают
веществом с малой работой выхода.

18.

19.

ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ
Генерация свободных носителей зарядов в
полупроводнике, происходящая
вследствие облучения полупроводника,
называется внутренним фотоэффектом.
Поглощение электромагнитного излучения
в полупроводниках приводит к росту их
электрической проводимости. Это явление,
называемое внутренним фотоэффектом,
используется при изготовлении
фоторезисторов, сопротивление которых
может уменьшаться в сотни и тысячи раз
при их освещении.

20.

Основной областью применения
фоторезисторов является автоматика, где
они в некоторых случаях с успехом
заменяют вакуумные фотоэлементы.
Фоторезисторы незаменимы в автоматах для
сортировки, счета и контроля качества
готовой продукции.
Они используются в полиграфической
промышленности при обнаружении обрывов
бумажной ленты и контроле за количеством
листов. Фоторезисторы применяются для
измерения высоких температур, для
регулировки температуры в различных
технологических процессах.

21.

Контроль за задымленностью различных
объектов, автоматические выключатели
уличного освещения и турникеты в
метрополитене - вот далеко не полный
перечень областей применения
фоторезисторов.

22.

Солнечная батарея (или батарея
солнечных элементов) является
полупроводниковым источником тока,
непосредственно преобразующим энергию
солнечного излучения в электрическую.
Действие солнечных элементов основано
на использовании явления внутреннего
фотоэффекта в области p-n перехода двух
полупроводников. Под
действием света по обе
стороны от p-n перехода
растёт концентрация
электронов и дырок.

23.

При этом электрическое поле в области p-n
перехода перемещает электроны из
полупроводника p-типа в полупроводник nтипа, а дырки – в противоположном
направлении. В результате, увеличивается
разность потенциалов между этими
полупроводниками, причём полупроводник
p-типа становится ещё более
электроположительным, и в цепи
появляется ток. ЭДС, возникающую в
области p-n перехода под действием света,
называют фото ЭДС.

24.

Чаще всего материалом для солнечных
элементов служит Si или GaAs. Солнечные
батареи обычно выполняют в виде плоской
панели из солнечных элементов,
защищённых прозрачными покрытиями. КПД
солнечных элементов может достигать 20%.
Чтобы солнечная батарея имела мощность,
достаточную для снабжения
электроэнергией семьи из нескольких
человек, площадь её панелей должна
составлять 10-20 м2.

25.

Солнечные батареи находят своё
применение не только на Земле, но и в
космосе, где служат основным источником
энергии для аппаратуры и системы
жизнеобеспечения спутников и
межпланетных кораблей.

26.

1. Определить работу выхода электронов из
натрия, если красная граница фотоэффекта
500 нм.
2. Работа выхода электронов из кадмия равна
4,08 эВ. Какой должна быть длина волны
излучения, падающего на кадмий, чтобы при
фотоэффекте максимальная скорость
фотоэлектронов была равна 2
106 м/с.
3. Определить максимальную кинетическую
энергию электронов, вылетающих из кадмия
при его освещении лучами с длиной волны
345 нм. Работа выхода электронов из кадмия
2,26 эв.

27.

ЗАНЯТИЕ №80
ДАВЛЕНИЕ СВЕТА. ПОНЯТИЕ О
КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ПРИРОДЕ
СВЕТА. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ В СПЕКТРЕ
АБСОЛЮТНО ЧЁРНОГО ТЕЛА

28.

29.

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА
Показательны слова русского ученого В.
Томсона, сказанные в беседе с
К.А. Тимерязьевым: «Вы, может быть,
знаете, что я всю жизнь воевал с
Максвеллом, не признавал его световое
давление, а вот ваш Лебедев заставил меня
сдаться перед его опытами».
Опыты П.Н. Лебедева подтвердили
материальность света, предвосхитив
замечательный вывод специальной теории
относительности о взаимосвязи массы и
энергии.

30.

31.

Согласно квантовой теории падая на тело
фотоны передают ему импульс. При
отражении света направление скорости и
импульса фотона изменяются на
противоположное. При этом тело
приобретает импульс, равный изменению
суммарного импульса фотона. Происходит
явление отдачи. Тело испытывает световое
давление. Световое давление на зеркальную
поверхность вдвое больше, чем на
зачерненную.
Зеркальная: Рф = -Рф+Рт; Рт = 2Рф.
Черная: Рт = Рф.

32.

33.

34.

Основной частью прибора Лебедева
служили плоские лёгкие крылышки
(диаметром 5 мм) из различных металлов
(платина, алюминий, никель) и слюды (рис.
1). Крылышки подвешивались на тонкой
стеклянной нити и помещались внутри
стеклянного сосуда G (рис. 2), из которого
выкачивался воздух. На крылышки с
помощью специальной оптической системы
и зеркал направлялся свет от сильной
электрической дуги В. Перемещение зеркал
S1, S4 давало возможность изменять
направление падения света на крылышки.

35.

Устройство прибора и методика измерения
позволили свести до минимума мешающие
радиометрические силы и обнаружить
давление света на отражающие или
поглощающие крылышки, которые под его
воздействием отклонялись и закручивали
нить. В 1907—1910 годах Лебедев
исследовал давление света на газы, что
было ещё труднее, так как давление света
на газы в сотни раз меньше, чем на твёрдые
тела.

36.

Результаты экспериментов Лебедева и
более поздних исследователей полностью
согласуются со значением давления света,
определённым на основе электромагнитной
теории света (Дж. К. Максвелл, 1873 г.), что
явилось ещё одним важным
подтверждением теории электромагнитного
поля Фарадея — Максвелла.

37.

38.

39.

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТА
В большей или меньшей степени свет
поглощается любым телом, что можно
обнаружить по нагреванию тела.
Тепловое излучение легко обнаружить на
опыте сфокусировав солнечные лучи с
помощью линзы.
В настоящее время разработаны новые
источники когерентного излучения очень
высокой интенсивности — лазеры, с
которыми при концентрации энергии на
малую поверхность можно получить
световое давление 106 атм.

40.

ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТА
Под действием света могут происходить
следующие процессы: присоединение
атомов к молекулам, диссоциация,
фотохимическая реакция, реакция синтеза.
Фотосинтез — процесс образования
углеводов под действием света с
выделением кислорода растениями и
некоторыми микроорганизмами.
Обеспечивает круговорот кислорода в
природе.
Многие вещества разлагаются под
действием света.

41.

Фотохимическая реакция разложения
бромистого серебра AgBr составляет основу
фотографии.
Глаз принадлежит к числу самых
чувствительных аппаратов, способных
регистрировать присутствие света.
Действие света на глаз сводится к
некоторому химическому процессу,
возникающему в чувствительной оболочке
глаза и вызывающему раздражение
зрительного нерва и соответствующих
центров головного мозга.

42.

Под влиянием света в палочках и колбочках
происходит распад зрительных пигментов
(родопсина и йодопсина). Палочки
функционируют при свете слабой
интенсивности, в сумерках; зрительные
ощущения, получаемые при этом,
бесцветны. Колбочки функционируют днём и
при ярком освещении; их функция
определяет ощущение цветности.

43.

44.

Излучение, обусловленное температурой
тела, называется тепловым излучением.
Тепловое излучение тела при данной
температуре определяется его
излучательной способностью.
Излучательная способность тела
измеряется энергией излучения,
испускаемого единицей площади
поверхности тела за единицу времени.
Различные тела при одной и той же
температуре излучают не одинаково.

45.

Поглощательная способность показывает,
какую долю падающего на тело излучения
оно поглощает.
Поглощательная способность зависит от
природы тела, состояния его поверхности, а
так же от длины волны излучения.
Абсолютно чёрное тело — физическое
тело, которое при любой
температуре поглощает всё падающее на
него электромагнитное излучение во всех
диапазонах.

46.

Таким образом, у абсолютно чёрного
тела поглощательная
способность (отношение поглощённой
энергии к энергии падающего излучения)
равна 1 для излучения всех частот,
направлений распространения и
поляризаций, у остальных тел
поглощательная способность меньше 1, у
идеального зеркала она равна 0.
Несмотря на название, абсолютно чёрное
тело само может испускать
электромагнитное излучение любой частоты
и визуально иметь цвет.

47.

Спектр излучения абсолютно чёрного тела
определяется только его температурой.
Среди тел Солнечной системы свойствами
абсолютно чёрного тела в наибольшей
степени обладает Солнце. Максимум
энергии излучения Солнца приходится
примерно на длину волны 450 нм, что
соответствует температуре наружных слоёв
Солнца около 6000 К (если рассматривать
Солнце как абсолютно чёрное тело).

48.

Закон теплового излучения Кирхгофа (1860 г.)
Отношение излучательной и поглощательной
способностей любого тела при данной
температуре не зависит от природы тела и
равно излучательной способности абсолютно
черного тела.
Наибольшей излучательной способностью при
данной температуре обладает абсолютно
черное тело.
При равновесном излучении с единицы
площади поверхности любого тела за единицу
времени исходит излучение с такой же
энергией, как и от абсолютно черного тела.

49.

Абсолютно чёрных тел в природе не
существует (чёрная дыра поглощает всё
падающее излучение, но её температуру
невозможно контролировать), поэтому в
физике для экспериментов
используется модель. Она представляет собой
непрозрачную замкнутую полость с небольшим
отверстием, стенки которой имеют одинаковую
температуру. Свет, попадающий внутрь сквозь
это отверстие, после многократных отражений
будет полностью поглощён, и отверстие
снаружи будет выглядеть совершенно чёрным.
Но при нагревании этой полости у неё появится
собственное видимое излучение.

50.

Закон Кирхгофа
Всякое тело поглощает преимущественно
те лучи, которые само может испускать, и
в спектрах поглощения и испускания
положения соответствующих линий
совпадают.
Закон Стефана — Больцмана
Излучательная способность абсолютно
черного тела прямо пропорциональна
четвертой степени его температуры.
еч = σ ,
где σ = 5,67х - постоянная СтефанаБольцмана.

51.

Закон Вина
Произведение длины волны,
соответствующей максимуму излучения в
спектре абсолютно черного тела, на его
абсолютную температуру есть величина
постоянная.
λмаксТ = b ,
где b = 2,898хм•К – постоянная Вина.
Длина волны, на которую приходится
наибольшая энергия излучения, тем меньше,
чем выше температура излучающего тела.

52.

53.

Длина волны, на которую приходится
наибольшая энергия излучения, тем
меньше, чем выше температура
излучающего тела.

54.

ЗАНЯТИЕ 81
РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА СТРОЕНИЕ
ВЕЩЕСТВА.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ В АТОМНЫХ
СПЕКТРАХ ВОДОРОДА.
ЯДЕРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА.
ОПЫТЫ РЕЗЕРФОРДА.
МОДЕЛЬ АТОМА ВОДОРОДА ПО Н. БОРУ.
ГИПОТЕЗА ДЕ БРОЙЛЯ.
СООТНОШЕНИЕ
НЕОПРЕДЕЛЁННОСТЕЙ ГЕЙЗЕНБЕРГА.
КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

55.

56.

Исторически планетарная модель
Резерфорда пришла на смену «модели
сливового пудинга» Джозефа Джона
Томсона, которая постулирует, что
отрицательно заряженные электроны
помещены внутрь положительно
заряженного атома.
К 1904 году японский физик Нагаока
разработал раннюю, ошибочную
«планетарную модель» атома («атом типа
Сатурна»). Модель была построена на
аналогии с расчётами устойчивости колец
Сатурна (кольца уравновешены из-за очень
большой массы планеты).

57.

Модель Нагаоки была неверна, но два
следствия из нее оказались пророческими:
- ядро атома действительно очень массивно;
- электроны удерживаются на орбите
благодаря электростатическим силам
(подобно тому, как кольца Сатурна
удерживаются гравитационными силами).
Новую модель строения атома Резерфорд
предложил в 1911 году как вывод из
эксперимента по рассеиванию альфа-частиц
на золотой фольге, проведённого под его
руководством.

58.

59.

60.

Расчёты Резерфорда показали, что
рассеивающий центр, заряженный
положительно или отрицательно, должен
быть по крайней мере в 3000 раз меньше
размера атома, который в то время уже
был известен и оценивался как примерно
10-10 м. Поскольку в то время электроны
уже были известны, а их масса и заряд
определены, то рассеивающий центр,
который позже назвали ядром, должен был
иметь противоположный электронам заряд.

61.

МОДЕЛЬ РЕЗЕРФОРДА.
Суть планетарной модели строения атома
(Э.Резерфорд, 1911 г.) можно
свести к следующим утверждениям:
1. В центре атома находится
положительно заряженное ядро,
занимающее ничтожную часть
пространства внутри атома.
2. Весь положительный заряд и почти вся
масса атома сосредоточены в его ядре
(масса электрона равна 1/1823 а.е.м.).
3. Вокруг ядра вращаются электроны. Их
число равно положительному заряду ядра.

62.

Недостатки планетарной модели атома
Резерфорда:
1. Электрон, двигаясь вокруг ядра с
ускорением (на него действует
центростремительная сила), должен был бы,
согласно электромагнитной теории,
непрерывно излучать энергию. Это привело
бы к тому, что электрон должен был бы
двигаться вокруг ядра по спирали и в конце
концов упасть на него (10-8 с ).
2. Спектр излучения атомов должен быть
сплошным, а он линейчатый.

63.

64.

65.

66.

ТЕОРИЯ БОРА.
В 1913 г. датский физик Н.Бор ввел элементы
квантования в планетарную модель атома
Рзерфорда, сформулировав постулаты:
1. Электрон может вращаться вокруг ядра не по
произвольным, а только по строго определенным
(стационарным) круговым орбитам. При этом
атом не излучает и не поглощает энергию.
2. Излучение или поглощение энергии
определяется переходом из одного
стационарного состояния, например с энергией
Е1, в другое — с энергией Е2, что соответствует
переходу электрона с одной стационарной
орбиты на другую.

67.

При таком переходе излучается или
поглощается энергия ∆E, величина которой
определяется соотношением:
∆E = E1 – E2 = hv,
где v - частота излучения, h=6,62∙10-34 Дж∙с.
Бор, используя данное уравнение,
рассчитал частоты линий спектра атома
водорода, которые очень хорошо
согласовывались с экспериментальными
значениями, но было обнаружено также и
то, что для других атомов эта теория не
давала удовлетворительных результатов.

68.

Стационарные орбиты атома водорода и
образование спектральных серий

69.

Диаграмма энергетических уровней атома
водорода.

70.

Согласно формуле Ридберга (1888 г.),
длина световой волны λ, которую излучает
атом водорода, определяется формулой:
1/λ = R (1/n12 – 1/n22)
где R — постоянная Ридберга, а n1 и n2 —
натуральные числа (при этом n1 < n2). В
частности, при n1 = 2 и n2 = 3, 4, 5, ...
наблюдаются линии видимой части спектра
излучения водорода (n2 = 3 — красная
линия; n2 = 4 — зеленая; n2 = 5 — голубая;
n2 = 6 — синяя) — это так называемая
серия Бальмера.

71.

При n1 = 1 водород дает спектральные линии
в ультрафиолетовом диапазоне частот (серия
Лаймана); при n1 = 3, 4, 5, ... излучение
переходит в инфракрасную часть
электромагнитного спектра. Значение R было
определено экспериментально.
Таким образом, источниками света являются
возбужденные атомы и молекулы, свет
генерируется при переходе атомов (молекул)
из одного возбужденного состояния в другое,
частота генерируемого света
пропорциональна разности энергий уровней,
свет излучается и поглощается в виде
квантов.

72.

В настоящее время для серии Бальмера
используют частный случай формулы
Ридберга:
1/λ = R (1/22 – 1/n2)
где λ — длина волны,
R ≈ 109737,3157 см-1 — постоянная Ридберга,
n — главное квантовое число исходного уровня
— натуральное число, большее или равное 3.
Первые 4 линии серии находятся в видимом
диапазоне, остальные — в ультрафиолетовом.

73.

КВАНТОВАЯ МОДЕЛЬ СТРОЕНИЯ АТОМА.
В последующие годы некоторые положения
теории Бора были переосмыслены и
дополнены. Наиболее существенным
нововведением явилось понятие об
электронном облаке, которое пришло на
смену понятию об электроне только как
частице. Теорию Бора сменила квантовая
теория, которая учитывает волновые
свойства электрона и других элементарных
частиц, образующих атом.

74.

В основе современной теории строения атома
лежат следующие основные положения:
1. Электрон имеет двойственную
(корпускулярно-волновую) природу. Он может
вести себя и как частица, и как волна, подобно
частице, электрон обладает определенной
массой и зарядом; в то же время, движущийся
электрон проявляет волновые свойства,
например, характеризуется способностью к
дифракции. Длина волны электрона λ и его
скорость ϑ связаны соотношением де Бройля:
λ = h /m ϑ,
где m — масса электрона.

75.

2. Для электрона невозможно
одновременно точно, измерить координату
и скорость. Чем точнее мы измеряем
скорость, тем больше неопределенность в
координате, и наоборот. Математическим
выражением принципа неопределенности
служит соотношение:
∆x∙m∙∆ϑ > ћ/2,
где ∆х — неопределенность положения
координаты, ∆ϑ — погрешность измерения
скорости.

76.

3. Электрон в атоме не движется по
определенным траекториям, а может
находиться в любой части около ядерного
пространства, однако вероятность его
нахождения в разных частях этого
пространства неодинакова. Пространство
вокруг ядра, в котором вероятность
нахождения электрона достаточно велика,
называют орбиталью.
4. Ядра атомов состоят из протонов и
нейтронов (общее название — нуклоны).
Число протонов в ядре равно порядковому
номеру элемента, а сумма чисел протонов и
нейтронов соответствует его массовому числу.

77.

78.

Природа линейчатых спектров объясняется
тем, что у атомов конкретного вещества
существуют только ему свойственные
стационарные состояния со своей
характерной энергией, а следовательно, и
свой набор пар энергетических уровней,
которые может менять атом, т. е. электрон в
атоме может переходить только с одних
определенных орбит на
другие, вполне определенные
орбиты для данного
химического вещества.

79.

Полосатые спектры возникают из-за
расщепления энергетических уровней на
подуровни в результате взаимодействия
между частицами, входящими в состав
молекул. Полосы образуются тесно
расположенными спектральными линиями с
близкими длинами волн, которые возникают
при переходе электрона между
расщепленными энергии уровнями (можно
рассмотреть тонкую структуру полос).

80.

Сплошные спектры возникают в результате
расщепления энергетических уровней на
зоны разрешенных энергетических
состояний в результате взаимодействия
молекул вещества. Переход электрона
происходит между зонами разрешенных
энергетических состояний и излучаемые
длины волн охватывают весь видимый
диапазон.

81.

КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ.

82.

Ла́зер или опти́ческий ква́нтовый генера́тор
— это устройство, преобразующее энергию
накачки (световую, электрическую, тепловую,
химическую и др.) в энергию когерентного,
монохроматического, поляризованного и
узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит
явление вынужденного (индуцированного)
излучения. Суть явления состоит в том, что
возбуждённый атом способен излучить фотон
под действием другого фотона без его
поглощения, если энергия последнего
равняется разности энергий уровней атома до
и после излучения.

83.

При этом излучённый фотон когерентен
фотону, вызвавшему излучение (является
его «точной копией»). Таким образом
происходит усиление света. Этим явление
отличается от спонтанного излучения, в
котором излучаемые фотоны имеют
случайные направления распространения,
поляризацию и фазу.

84.

85.

86.

87.

88.

89.

90.

91.

92.

93.

94.

95.

96.

97.

98.

99.

100.

101.

102.

103.

104.

105.

106.

107.

108.

109.

110.

111.

112.

113.

114.

115.

116.

ЗАНЯТИЕ 82
ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ.
СПОСОБЫ НАБЛЮДЕНИЯ И
РЕГИСТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.
ЭФФЕКТ ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА.
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ.
ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА.

117.

118.

119.

120.

121.

122.

ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ
1896 г. Французский физик А. Беккерель, изучая
явление люминесценции солей урана,
установил, что урановая соль испускает лучи
неизвестного типа, которые проходят через
бумагу, дерево, тонкие металлические пластины,
ионизируют воздух.
1897-98 г. Мария Склодовская-Кюри и Пьер
Кюри, исследуя урановые руды, обнаружила
новые химические элементы: полоний, радий.
Явление самопроизвольного превращения
неустойчивых изотопов в устойчивые,
сопровождающееся испусканием частиц и
излучением энергии, называется естественной

123.

Ядра, подверженные таким превращениям,
называют радиоактивными, а процесс
превращения – радиоактивным распадом.
Все химические элементы, начиная с
порядкового номера 83, являются
радиоактивными.
Радиоактивное излучение в магнитном поле
распадается на лучи трех видов.

124.

1898 г. подвергая радиоактивное излучение
действию магнитного поля, Э. Резерфорд
выделил два вида лучей: α-лучи — тяжелые
положительно заряженные частицы (ядра
атомов гелия) и β-лучи — легкие
отрицательно заряженные частицы
(тождественны электронам).
В 1900 г. П. Виллард при изучении распада
урана открыл нейтральные частицы
(γ-кванты – это электромагнитные волны с
длиной волны от 10-10 м до 10-13м).

125.

ЗАПИСЬ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ
В ядерных реакциях выполняются законы
сохранения заряда, массы, энергии,
импульса.
zХА + 1Н1 = 2Не4 + 11Na22
25Mg55 + 1Н1 = zХА + 0n1
7N14 + 0n1 = zХА + 6C14
4Ве9 +1Н2 = 0n1 + zХА
13Al27 + 0n1 = 2Не4 + zХА
5В10 + 0n1 = zХА + 6C14
3Li7 + 2Не4 = zХА + 2Не3

126.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
В органах и тканях биологических объектов
как и в любой среде при облучении в
результате поглощения энергии идут
процессы ионизации и возбуждения атомов.
Эти процессы лежат в основе
биологического действия излучений. Его
мерой служит количество поглощенной в
организме энергии.
Различные виды излучений характеризуются
различной биологической эффективностью.

127.

Альфа-излучение имеет малую длину
пробега частиц и характеризуется слабой
проникающей способностью. Оно не может
проникнуть сквозь кожные покровы. Пробег
альфа-частиц с энергией 4 Мэв в воздухе
составляет 2.5 см, а в биологической ткани
лишь 31 мкм. Альфа-излучающие нуклиды
представляют большую опасность при
поступлении внутрь организма через
органы дыхания и пищеварения, открытые
раны и ожоговые поверхности.

128.

Бета-излучение обладает большей
проникающей способностью. Пробег бетачастиц в воздухе может достигать
нескольких метров, а в биологической ткани
нескольких сантиметров. Так пробег
электронов с энергией 4 Мэв в воздухе
составляет 17,8 м, а в биологической ткани
2,6 см.
Гамма-излучение имеет еще более высокую
проникающую способность. Под его
действием происходит облучение всего
организма.

129.

130.

131.

132.

133.

134.

135.

136.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОСТИ И
ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
Вещества, способные создавать ионизирующие
излучения, различаются активностью (А), т.е.
числом радиоактивных превращений в единицу
времени. В системе СИ за единицу активности
принято одно ядерное превращение в секунду
(распад/с). Эта единица получила название
беккерель (Бк). Внесистемной единицей
измерения активности является кюри (Ки),
равная активности нуклида, в котором
происходит 3,7 · 1010 распадов в одну секунду,
т.е.
1 Ки = 3,7·1010Бк. Единице активности кюри
соответствует активность 1 г радия (Rа).

137.

Резерфордом называется активность,
соответствующая 106 рас/с.
1Рд=106Бк
Внесистемной единицей поглощенной дозы
рентгеновского и гамма-излучения является
рентген (Р).
Рентген равен соответствует радиационной
энергии, поглощение которой в 1 см³
воздуха, находящегося при нормальных
условиях, создает ионы с общим зарядом
каждого знака 1/(3 х 109 ).

138.

При кратковременном облучении человека
доза 20-50 Р вызывает изменения крови,
100-250 Р – лучевую болезнь, 600 Р –
смертельна.
При долгом облучении или больших дозах
радиация может разрушать клетки,
повреждать ткани органов, быть причиной
злокачественных новообразований (рак,
саркома), а также скорой гибели организма.
Радиоактивное излучение называют
ионизирующим излучением, а
радиоактивные частицы - ионизирующими
частицами.

139.

При больших дозах облучения возникает
комплекс болезненных явлений в органах и
системах организма, называемый лучевой
болезнью.
Соматические последствия облучения
проявляются через много месяцев или лет
после облучения. Это лейкемия (рак крови),
сокращение продолжительности жизни,
катаракта, стерильность, рак различных
органов.

140.

Опасность заключается ещё и в том, что
генетические изменения, полученные в
результате облучения, могут передаваться
от поколения к поколению.
Наиболее чувствительны к излучениям
ядра клеток, особенно клеток, которые
быстро делятся. Поэтому в первую очередь
излучения поражают костный мозг, из-за
чего нарушается процесс образования
крови. Далее наступает поражение клеток
пищеварительного тракта и других органов.

141.

Облучение живых организмов может
оказывать и определенную пользу.
Быстроразмножающиеся клетки в
злокачественных (раковых) опухолях более
чувствительны к облучению, чем нормальные.
На этом основано подавление раковой
опухоли γ-лучами радиоактивных препаратов,
которые для этой цели более эффективны,
чем рентгеновские лучи. Лечение
злокачественных опухолей производится
изотопами кобальта-60. Для лечения болезней
крови применяется изотоп фосфора-32, для
лечения кожных и глазных заболеваний
изотопы фосфора-32 и стронция-90 и т.п.

142.

143.

На верхней центральной шкале указано
излучение, которое можно наблюдать в
эпицентре взрыва атомной и водородной
бомб через определенные промежутки
времени — час, день и т. д. На левой
нижней шкале приведены мощности
радиоактивных источников, с которыми мы
сталкиваемся в обыденной жизни.
Естественный радиоактивный фон
образуется за счет космических лучей,
излучения почвы, содержащей
радиоактивные вещества, и от выпавших
радиоактивных осадков.

144.

На правой шкале приведены средние
смертельные дозы для различных животных.
Если человек за короткое время, скажем,
час, получает дозу облучения 400 рентген,
то с вероятностью 50% можно утверждать,
что она смертельна. Если доза облучения
повысится до 600 рентген, то вероятность
летального исхода увеличится до 98%.

145.

Когда взорвался реактор на Чернобыльской
атомной электростанции, то мощность
излучения из провала достигала 30000
рентген/час, а осколки реактора, попавшие
на крышу четвертого блока, «светили» с
мощностью 20 000 рентген/час. Нетрудно
подсчитать, что достаточно было
проконтактировать с ними всего полторы
минуты, чтобы получить смертельную дозу
облучения,

146.

147.

148.

ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
Закон радиоактивного распада, показывает
как со временем t изменяется (в среднем)
число N радиоактивных ядер в образце
N(t) = N02-t/T,
где N0 – число исходных ядер в начальный
момент (момент их образования или начала
наблюдения), а T – период полураспада.
Период полураспада наглядно характеризует
скорость распада, показывая за какое время
число радиоактивных ядер в образце
уменьшится вдвое (Ra – 1620 лет, Rn – 3,82
дня, U - 3,5 млрд. лет) .

149.

Период полураспада меняется в широких
пределах: от долей секунды до миллиардов
лет. Среди долгоживущих изотопов,
выброшенных в атмосферу в результате
взрыва АЭС в Чернобыле, есть стронций-90
и цезий-137, периоды полураспада которых
около 30 лет, поэтому
зона Чернобыльской
АЭС еще многие
десятилетия будет
непригодна для
нормальной жизни.

150.

ЗАНЯТИЕ 83
СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА.
ДЕФЕКТ МАССЫ, ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ И
УСТОЙЧИВОСТЬ АТОМНЫХ ЯДЕР.
СВЯЗЬ МАССЫ И ЭНЕРГИИ.

151.

ПРОТОННО – НЕЙТРОННАЯ МОДЕЛЬ ЯДРА.
После открытия нейтрона была создана
протонно – нейтронная модель ядра атома,
она была предложена одновременно двумя
физиками: советским – Иваненко Д. Д. и
немецким В. Гейзенбергом.
Согласно этой модели ядра атомов состоят
из элементарных частиц: протонов и
нейтронов.
Число электронов в оболочке атома равно
числу протонов в ядре, поэтому атом
нейтрален.

152.

Число протонов – Z равно атомному номеру
в периодической системе. Обозначим N –
число нейтронов в ядре.
А = Z+N – массовое число.
mp = 1,007276 а.е.м.
mn = 1,008665 а.е.м.

153.

Изотопы – это ядра с одним и тем же
значением Z, но разным значением N.
Например: 1Н1, 1Н2, 1Н3, 92U235, 92U238.

154.

Для разделения изотопов служат массспектрометры и масс-спектрографы.
Ионы разделяемых веществ, двигаясь в
сильном магнитном поле, закручиваются с
радиусами, пропорциональными их массам
и попадают в приёмники, где и
накапливаются.

155.

ОСНОВНЫЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ
ИЗОТОПОВ
- Электромагнитное разделение
- Газовая диффузия
- Жидкостная термодиффузия
- Газовое центрифугирование
- Аэродинамическая сепарация
AVLIS (испарение с использованием лазера)
- Химическое обогащение
- Дистилляция
- Электролиз

156.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ.
1. Откуда берутся электроны при β- распаде,
если в ядре электронов нет?
2. Чем объясняется устойчивость ядра, если
внутри него действуют колоссальные силы
кулоновского отталкивания между протонами?
1. В ядрах с избыточной энергией могут
происходить процессы превращения одних
нуклонов в другие:
̰
0n1
1Н1 + -1е0 + νе
1Н1
0n1 + +1е0 + νе

157.

2. Внутри ядра действуют чрезвычайно
большие силы притяжения между
нуклонами. Это не гравитационные и не
электромагнитные силы.
Так как силы действуют внутри ядра, их
назвали ядерными. Нуклоны (общее
название протонов и нейтронов)
удерживаются внутри ядра этими силами.
Ядерные силы, примерно в 100 раз больше
электрических (кулоновских), поэтому их
называют еще сильными взаимодействиями.
Ядерные силы действуют только на
расстояниях равных размеру ядра –10-14м.

158.

Взаимодействие двух нуклонов внешне
напоминают взаимодействие двух молекул.
Поверхностные нуклоны односторонне
связаны с внутренними и под действием сил
поверхностного натяжения, ядро, как и капля
должно принимать сферическую форму. В
возбужденном ядре нуклоны колеблются
подобно молекулам в нагретой капле и
вылет нуклона из ядра можно сравнить с
испарением молекул жидкости.
Капельная модель позволяет рассчитать
радиусы ядер и объяснить некоторые
свойства.

159.

Наиболее прочные ядра с равным числом
протонов и нейтронов. При большом числе
протонов ядра менее прочны. Более
устойчивы ядра, в которых нейтронов
больше, чем протонов.
Нуклоны в ядре связаны между собой
третьей частицей, ее масса в 270 раз
больше массы электрона – это π-мезоны.
Протон-протон и нейтрон-нейтрон
обмениваются нейтральными π-мезонами.
Протон перебрасывает нейтрону
положительный π-мезон, а нейтрон протону
– отрицательный π-мезон.

160.

Вывод: ядра состоят из протонов и
нейтронов; удерживаются они в ядре атома
ядерными силами.
Свойства ядерных сил:
1.Это самые сильные взаимодействия.
2. Они короткодействующие (радиус их
действия R ~10-15м).
Ядерные силы являются силами
притяжения на расстояниях ~10-15м, но на
существенно меньших
расстояниях между нуклонами
переходят в силы отталкивания.

161.

4. Силы зарядонезависимы т. е. силы,
действующие между нейтроном и
нейтроном, между протоном и протоном, а
также между нейтроном и протоном,
одинаковы.
5. Не являются центральными.
6. Нуклоны взаимодействуют только с
ближайшими соседями (обладают свойством
насыщения: каждый нуклон в ядре
притягивает к себе лишь небольшое число
своих соседей, отталкивая при этом
остальные частицы.
7. Являются обменными.

162.

1. Определить число протонов и нейтронов
в ядре: 88Ra224, 84Ро216, 3Li7, 2Не4, 6С13, 92U238.

163.

Для перехода вещества из жидкого состояние
в газообразное ему необходимо сообщить
энергию. Аналогично для разделения ядра на
составляющие его протоны и нейтроны
необходимо затратить большую энергию.
Энергия связи атомного ядра – это
минимальная энергия, которая необходима
для полного расщепления ядра на отдельные
нуклоны.
Разность между суммой масс нуклонов
(протонов и нейтронов) и массой состоящего
из них ядра, умноженная на квадрат скорости
света в вакууме, и есть энергия связи
нуклонов в ядре.

164.

Есв. = ∆m х cc2
∆m = (Zmp + (A-Z)mn) – mя
∆m - дефект массы;
mя – масса ядра.
Есв. а.е.м. = 1,66 х10-27 кг (3 х108 м/с)2 =
= 14,94 х10-11 Дж / 1,6 х10-19 Кл = 931,5 Мэв
Энергия связи, приходящаяся на один
нуклон, называется удельной энергией связи
(Есв./ A). Чем больше удельная энергия
связи, тем сильнее связаны нуклоны в ядре
(у ядер средней массы А = 50-60,
Есв./ A = 8,6 Мэв, они наиболее прочные).

165.

Зависимость удельной энергии связи
(ЕСВ/А) атомных ядер от их массового
числа A.

166.

Если сумма масс конечных продуктов
меньше суммы масс исходных, то энергия
выделяется в ядерной реакции.
В реакциях деления тяжелых ядер, синтеза
легкого или среднего ядра из более легких,
получаются ядра прочнее исходных, значит
в них выделяется энергия.
Пример расчета энергии связи ядра гелия
2Не4 (масса ядра 4,001523 а.е.м.).
∆m = (2х1,007276 + 2х1,008665 – 4,001523) =
= 0,030359 а.е.м.
Есв. = 0,030359 х 931,5 Мэв = 28,3 Мэв.

167.

ЗАНЯТИЕ 85
ДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ АТОМНЫХ ЯДЕР.
ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ.
УПРАВЛЯЕМАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ.
ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР.

168.

ТРАНСУРАНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Все изотопы с Z > 93 являются
радиоактивными. Среди этих изотопов
относительно высокую распространенность
на Земле имеют 232Th (T1/2 = 1,4·1010лет) и
235U (T1/2 = 4,468·109 лет), которые
сохранились на Земле с момента
образования Солнечной системы. Все
химические элементы тяжелее урана
получены на Земле искусственно в
различных ядерных реакциях.

169.

Химические элементы с Z > 92 называют
трансурановыми элементами. Все они были
получены искусственным путем. Химические
элементы с Z = 93 и 94 были получены в
результате облучения 238U нейтронами. В
результате β- распада изотопа 239U (Z = 93)
образуется изотоп нептуния 239Np, который
затем, распадаясь, образует изотоп
плутония 239Pu (Z = 94).
92U238+0n1 = 92U239+-1е0 = 93Np239+-1е0=94Pu239
Период полураспада 94Pu239 составляет
2,4·104 лет.

170.

ДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ АТОМНЫХ ЯДЕР
Деление ядра — процесс расщепления
́
́
атомного ядра на два (реже три) ядра с
близкими массами, называемых осколками
деления. В результате деления могут
возникать и другие продукты реакции:
лёгкие ядра (в основном альфа-частицы),
нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает
спонтанным (самопроизвольным) и
вынужденным (в результате
взаимодействия с другими частицами,
прежде всего, с нейтронами).

171.

Деление тяжёлых ядер — экзотермический
процесс, в результате которого
высвобождается большое количество
энергии в виде кинетической энергии
продуктов реакции, а также излучения.
При этом энерговыделение составляет
величину 1 МэВ на один нуклон делящегося
вещества или 1014Дж/кг. Деление ядер
природного урана было приписано изотопу
235U. Ядра 238U тоже могут делиться, но для
этого нужны быстрые нейтроны.
Деление ядер служит источником энергии в
ядерных реакторах и ядерном оружии.

172.

Описание деления ядер на
основе капельной модели
Если ядро находится в возбуждённом
состоянии, то оно совершает
колебательные движения, связанные с
отклонениями его формы от сферической.
Максимальная деформация увеличивается
с ростом энергии возбуждения и при
некотором её значении может превысить
критическое значение, что приведёт к
разрыву исходной капли и образованию
двух новых.

173.

Колебательные движения возможны под
действием сил поверхностного натяжения
(аналог ядерных сил в капельной модели
ядра) и кулоновских.

174.

ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ
Деление ядра может быть вызвано
получением извне энергии, которую можно
передать ядру различными способами
(облучение гамма-квантами, нейтронами;
бомбардировка частицами и др.). Из всех
возможных способов практическое
применение нашёл лишь один —
образование возбуждённого составного ядра
путём присоединения к исходному ядру
нейтрона.

175.

Рисунок – различные моменты деления
ядра (сверху-вниз, капельная модель); (б) –
схема цепной ядерной реакции (слеванаправо).

176.

Реакция деления ядра протекает за время
не более, чем 10-12 сек и сопровождается
испусканием трёх нейтронов. Увеличение
числа нейтронов в процессе деления
открывает возможность протекания цепной
ядерной реакции деления (управляемая
цепная реакция, если число нейтронов
вызывающих деление поддерживается на
одном уровне). Если число нейтронов
уменьшается, реакция затухает. Если число
делящихся ядер лавинообразно нарастает,
развивается неуправляемая цепная реакция,
которая заканчивается ядерным взрывом.

177.

Цепная ядерная реакция может
осуществляться на изотопах 235U, 233U и 239Pu.
Эти изотопы получили название ядерного
горючего или расщепляющихся материалов.
Деление этих ядер вызывают любые
нейтроны, в том числе и медленные.
В природе имеются: 232Th, 235U, 238U.
Природный уран содержит примерно 99,3 %
238U и лишь 0,7 % 235U. Другие делящиеся
ядра, 233U и 239Pu, могут быть получены
искусственным путём из 232Th, 238U, которые
называются ядерным сырьем.

178.

Для каждого типа ядерного горючего
существует критическая масса
(минимальная масса делящегося вещества,
при которой поддерживается цепная реакция
деления). Если масса вещества ниже
критической, то слишком много нейтронов,
необходимых для реакции деления, теряется,
и цепная реакция не идёт. При массе больше
критической цепная реакция может
лавинообразно ускоряться, что приводит к
ядерному взрыву. Критическая масса зависит
от размеров и формы делящегося образца,
так как они определяют утечку нейтронов из
образца через его поверхность.

179.

Минимальную критическую массу имеет
образец сферической формы, так как
площадь его поверхности наименьшая.
Критическая масса чистого металлического
плутония-239 сферической формы 11 кг
(диаметр такой сферы 10 см), урана-235 –
50 кг (диаметр сферы 17 см). Критическая
масса также зависит от химического
состава образца. Отражатели и
замедлители нейтронов, окружающие
делящееся вещество, могут существенно
снизить критическую массу (например, у
235U до четверти килограмма).

180.

И.В.Курчатов
А.И.Алиханов И.К.Кикоин
И.В. Курчатов – создание уран-графитового реактора и
выделение плутония;
А.И. Алиханов – постройка реактора на тяжелой воде;
И.К. Кикоин – практическая разработка разделения
изотопов урана газодиффузией;
Л.А. Арцимович – разделение изотопов под действием
магнитных полей;
Ю.Б. Харитон и К.И. Щелкин – разработка конструкции
урановой и плутониевой
бомб.
Ю.Б.Харитон
Л.А.Арцимович
К.И.Щелкин

181.

ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
Ядерными реакторами называются
установки, в которых осуществляются
управляемые цепные ядерные реакции.

182.

Основные элементы ядерного реактора:
ядерное горючее, замедлитель (графит,
вода), отражатель нейтронов (графит, окись
бериллия), теплоноситель для отвода тепла
(вода, жидкий натрий), образующегося в
реакторе, регуляторы скорости развития
цепной реакции деления.
Управление реактором осуществляется при
помощи стержней, содержащих кадмий или
бор. Вдвигая стержни внутрь активной зоны,
можно в любой момент времени
приостановить развитие цепной реакции.

183.

Поскольку ядерный реактор является
мощным источником нейтронного и гамма
излучения, его помещают в толстую
защитную оболочку (бетон, вода).
Управление ядерными реакторами
осуществляется дистанционно с помощью
ЭВМ.
Первый ядерный реактор пущен в 1942 г. в
США (в СССР в 1946). Деление ядер
происходит в активной зоне реактора, в
которой сосредоточено ядерное топливо, и
сопровождается высвобождением
значительного количества энергии.

184.

Ядерные реакторы различают: по энергии
нейтронов, вызывающих деление ядер
(ядерные реакторы на тепловых, быстрых и
промежуточных нейтронах); по
используемому замедлителю (графитовые,
водо-водяные и др.); по назначению
(энергетические, исследовательские) и т. д.
Используют для выработки электрической
энергии на атомных электростанциях и в
ядерных силовых установках атомных судов,
для научных исследований,
воспроизводства ядерного топлива.

185.

Монтаж одного из
первых энергетических реакторов,
весьма маломощного
по современным
меркам (60 МВт).
АЭС с 4-мя
энергоблоками во
Франции,

186.

Ядерное оружие — оружие массового
поражения взрывного действия, основанного
на использовании ядерной энергии,
освобождающейся при цепной ядерной
реакции деления тяжёлых ядер. Это
мощнейший вид оружия, созданный
человеком, уступающий по силе взрыва
лишь термоядерному оружию, и обладающий
множеством поражающих факторов.
Находящиеся в атомной бомбе куски
делящегося вещества, по массе меньше
критической, приводятся в соприкосновение
при помощи обычного взрывателя.

187.

При превышении критической массы
развивается неуправляемая цепная реакция.
При взрыве атомной бомбы успевает произойти
расщепление примерно 5% ядерного горючего.
Первое испытание
атомной бомбы в СССР
Первое испытание
атомной бомбы в США

188.

189.

ЗАНЯТИЕ 86
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ.
ИСКУССТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ.
ПОЛУЧЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ
ИЗОТОПОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

190.

В качестве первого приближения можно
понимать под элементарными частицами
такие микрочастицы, внутреннюю структуру
которых на современном уровне развития
физики нельзя представить как объединение
других частиц. Во всех наблюдавшихся до
сих пор явлениях каждая такая частица
ведёт себя как единое целое. Элементарные
частицы могут превращаться друг в друга
(протон в нейтрон и наоборот, γ-квант в и
наоборот и т.д.). В настоящее время общее
число известных элементарных частиц
(вместе с античастицами) приближается к
400.

191.

Классификация элементарных частиц
произведена по их массам и спинам.
Все элементарные частицы разделяют на
три основные группы. Первую составляют
так называемые бозоны - переносчики
электрослабого взаимодействия. Сюда
относится фотон, или квант
электромагнитного излучения.
Масса покоя фотона равна нулю, поэтому
скорость распространения
электромагнитных волн в вакууме (в т. ч.
световых волн) представляет собой
предельную скорость распространения сс.

192.

Вторая группа элементарных частиц лептоны, участвующие в электромагнитных
и слабых взаимодействиях. Известно 6
лептонов: электрон, электронное нейтрино,
мюон, мюонное нейтрино, тяжелый τ-лептон
и соответствующее нейтрино. Электрон
(символ e) считается материальным
носителем наименьшей массы в природе
me, равной 9,1×10-31 кг (в энергетических
единицах ≈ 0,511 МэВ) и наименьшего
отрицательного электрического заряда
e = 1,6×10-19Кл.

193.

Мюоны (символ μ-) - частицы с массой
около 207 масс электрона (105,7 МэВ) и
электрическим зарядом, равным заряду
электрона; тяжелый τ-лептон имеет массу
около 1,8 ГэВ. Соответствующие этим
частицам три типа нейтрино - электронное
(символ νe), мюонное (символ νμ) и τнейтрино (символ ντ) - легкие (возможно,
безмассовые) электрически нейтральные
частицы.
Все лептоны имеют спин ½ћ (ћ - постоянная
Планка), т.е. по статистическим свойствам
являются фермионами.

194.

Каждому из лептонов соответствует
античастица, имеющая те же значения
массы, спина и других характеристик, но
отличающаяся знаком электрического
заряда. Существуют позитрон (символ e+) античастица по отношению к электрону,
положительно заряженный мюон (символ
μ+) и три типа антинейтрино (символы νe, νμ,
ντ), которым приписывают противоположный
знак особого квантового числа, называемого
лептонным зарядом.
Стабильными являются: электрон, протон,
фотон и нейтрино.

195.

Третья группа элементарных частиц адроны, они участвуют в сильном, слабом и
электромагнитном взаимодействиях.
Адроны представляют собой "тяжелые"
частицы с массой, значительно
превышающей массу электрона. Это
наиболее многочисленная группа
элементарных частиц. Адроны делятся на
барионы - частицы со спином ½ћ, мезоны частицы с целочисленным спином (0 или 1);
а также так называемые резонансы короткоживущие возбужденные состояния
адронов.

196.

К барионам относят протон (символ p) ядро атома водорода с массой, в ~ 1836 раз
превышающей me и равной 1,672648×10-27кг
(≈938,3 МэВ), и положительным
электрическим зарядом, равным заряду
нейтрон (символ n) - электрически
нейтральная частица, масса которой
немного превышает массу протона.
Барионы включают и гипероны элементарные частицы с массой больше
нуклонной: Λ-гиперон имеет массу 1116
МэВ, Σ-гиперон - 1190 МэВ, Θ-гиперон 1320 МэВ, Ω-гиперон - 1670 МэВ.

197.

Мезоны имеют массы, промежуточные
между массами протона и электрона (πмезон, K-мезон). Существуют мезоны
нейтральные и заряженные (с
положительным и отрицательным
элементарным электрическим зарядом). Все
мезоны по своим статистическим свойствам
относятся к бозонам.
У лептонов и барионов внутри классов
действует закон сохранения числа частиц.
Фотоны и лептоны не участвуют в ядерных
взаимодействиях, а мезоны и барионы
участвуют.

198.

199.

200.

Античастицы существуют у всех
элементарных частиц кроме фотона, π0, η.
В 1955 году был получен антипротон, а в
1956 году – антинейтрон, это говорит о
существовании антивещества.
Античастицы распадаются на
соответствующие античастицы. Гамма квант
в сильном электрическом поле вблизи ядра
превращается в пару электрон-позитрон,
если его энергия больше 1,02 Мэв.
γ
+ e + -e

201.

При встрече электрон и позитрон
аннигилируют с испусканием двух или трех
гамма квантов с общей энергией 1,02 Мэв.
+ e + -e
2γ
Материя существует в виде вещества и
поля и эти два вида материи могут
превращаться друг в друга.

202.

ПОЛУЧЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Гамма излучение применяют для измерения
большой толщины предметов, обнаружения
внутренних дефектов. Бетта излучение
применяют для измерения малых толщин.
Ионизирующее действие излучений
используют для нейтрализации статического
электричества, например в текстильной
промышленности, в медицине для разрушения
злокачественных опухолей, стерилизации
инструментов и одежды, для предохранения
овощей, фруктов, мяса от порчи.

203.

При поглощении радиоактивного излучения
выделяется тепло, которое можно
использовать для обогрева (на «Луноходе 1»).
Большинство применений радиоактивных
изотопов основано на искусственной
радиоактивности (1934 г. супруги Кюри).
13Al27 + 2Не4 = 15P30 + 0n1
15P30 = 14Si30 + +1e0
Искусственно можно получить радиоактивные
изотопы у всех элементов, при облучении
ядер альфа частицами, протонами,
дейтронами, гамма квантами большой
энергии.

204.

Радиоактивные изотопы используют в качестве
меченых атомов.
1. Добавляя к металлу радиоактивный изотоп и
измеряя радиоактивность смазочных масел,
можно установить, насколько быстро
снашиваются трущиеся поверхности и
подобрать материал для деталей и смазочные
масла; используют для контроля износа
поршневых колец в двигателях внутреннего
сгорания; позволяют судить о процессах в
доменных печах; исследование внутренней
структуры металлических отливок.
2. В химии для определения растворимости
очень мало растворимых веществ.

205.

206.

3. Для изучения фотосинтеза в растениях.
4. Для определения действия на растения
удобрений.
5. Определение скорости обмена веществ в
тканях живого организма.

207.

6. Для наблюдения за кровообращением,
усвоением питательных веществ и лекарств.
7. Для исследования деятельности
внутренних органов диагностики и лечения.

208.

209.

Так, состояние сердечного
кровообращения, скорости кровотока,
изображение полостей сердца определяют
с помощью соединений, включающих
изотопы натрия, иода, технеция; для
изучения лёгочной вентиляции и
заболеваний спинного мозга применяют
изотопы технеция, ксенона; макроагрегаты
альбумина человеческой сыворотки с
изотопом иода используют для диагностики
различных воспалительных процессов в
легких, их опухолей и при различных
заболеваниях щитовидной железы.

210.

Концентрационную и выделительную
функции печени изучают при помощи
краски бенгал-роз с изотопом иода, золота.
Изображение кишечника, желудка получают,
используя изотоп технеция, селезёнки
применяя эритроциты с изотопом технеция
или хрома; с помощью изотопа селена
диагностируют заболевания поджелудочной
железы. Все эти данные позволяют
поставить правильный диагноз
заболевания.

211.

8. В археологии для определения возраста
древних предметов органического
происхождения (дерева, древесного угля,
египетских мумий, доисторических костров).
В верхних слоях атмосферы образуется
радиоактивный углерод:
7N14 + 0n1 = 6C14 + 1Н1,
который окисляется, перемешивается с
атмосферным углекислым газом и участвует в
круговороте углерода. В тканях растений и
живых организмов поддерживается равновесная
концентрация изотопа 6C14. Эта концентрация
начинает падать, когда прекращается обмен
веществ.

212.

213.

214.

ЗАНЯТИЕ 88
ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ.

215.

Термоядерные реакции – это реакции для
протеканиям которых необходима высокая
температура.
При образовании ядра гелия из ядер
дейтерия и трития:
1Н2 + 1Н3 = 2Не4 + 0n1 +17,6 Мэв
выделяется энергия 28,3-(8,5+2,2)=17,6 Мэв
В расчете на один нуклон, участвующий в
реакции, получается 17,6/ 5=3,5 Мэв, что в 4
раза больше, чем в реакции деления ядер
урана.

216.

В центре Солнца температура достигает
13 млн. градусов. В недрах Солнца
происходит цикл термоядерных реакций, в
результате которого ядра водорода
превращаются в ядра гелия:
41Н1 = 2Не4 + 2+1е0 +26,7 Мэв
Приблизительный состав Солнца: 70%
водорода, 29% гелия, 1% более тяжелые
элементы. Масса Солнца – 2х1030 кг,
ежесекундно Солнце излучает 4х1026 Дж,
то водорода хватит на 1011 лет.

217.

По мере выгорания водорода в центре звезды
образуется гелиевое ядро, в котором при
температуре 100 млн. градусов могут
происходить превращения:
3 2Не4 = 6С12+7,65 Мэв
6С12 + 2Не4 = 8О16+7,1 Мэв
и другие термоядерные реакции.
Первая термоядерная реакция в земных
условиях была осуществлена при взрыве
водородной бомбы. Необходимая высокая
температура была получена при взрыве
атомной бомбы.
Ведутся работы по осуществлению
управляемой термоядерной реакции.