Тепловое излучение

1. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Задача «о равновесном тепловом излучении» возникла в конце 19 века и явилась
краеугольным камнем для хорошо разработанной к тому времени классической
термодинамики и электродинамики. Невозможность решения этой задачи с точки
зрения классической физики привело к появлению гипотезы о квантовом характере
излучения.
Свечение тел вследствие нагревания называется тепловым излучением. Тепловое
излучение совершается за счет внутренней энергии тела.
Тепловое излучение — единственный вид излучения, которое может быть
равновесным.
Идея равновесия между веществом и излучением:
сколько тело излучает, столько и поглощает, при этом
температура тела и интенсивность излучения постоянны.
Свойства теплового излучения.
1) оно однородно, т.е. имеет одинаковую плотность во всех
точках внутри полости;
2) оно изотропно, т.е. все возможные направления распространения излучения внутри
полости равновероятны;
3) оно неполяризовано.

2. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Характеристики теплового излучения
Интегральной характеристикой является энергетическая светимость
R(Т) [Вт/м2]
– поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела по всем направлениям во
всем диапазоне длин волн. Энергетическая светимость зависит от температуры тела.
Распределение энергии по длинам волн характеризует спектральная плотность
энергетической светимости тела (СПЭС или испускательная способность) —
функция
r(λ,T) [Вт/м3].
Если СПЭС умножить на dλ то получится мощность излучаемая с единицы площади
поверхности тела в интервале частот от λ до λ+dλ: dR(λ,T) = r(λ,T)∙dλ.
Энергетическая светимость и СПЭС связаны между собой следующим образом

3.

Абсолютно черное тело (АЧТ)
Определим спектральную поглощательную способность тела как отношение
поглощенного телом потока энергии в диапазоне длин волн от λ до λ+dλ к падающему
потоку
Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него
излучение любой частоты, называется абсолютно черным (Г. Кирхгоф, 1862).
Следовательно, спектральная поглощательная способность черного тела для всех
частот и температур тождественно равна единице a(λ,T)≡1.
Модель АЧТ
т
Серое тело — тело, поглощательная способность которого
меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит
только от температуры, материала и состояния поверхности.
Таким образом, для серого тела
a(T) = const<l.

4.

Закон Кирхгофа. Задача Кирхгофа
Г. Кирхгоф (1860) установил связь между спектральной плотностью энергетической
светимости и спектральной поглощательной способностью тел:
«Отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральной
поглощательной способности не зависит от природы тела; оно является для всех тел
универсальной функцией длины волны и температуры».
Сами величины r(λ,T) и a(λ,T) могут меняться, отношение же оказывается одинаковым
для всех тел. Это означает, что тело, сильнее поглощающее какие-либо лучи, будет эти
лучи сильнее и излучать.
Для АЧТ по определению a(λ,T)≡1, поэтому из закона Кирхгофа вытекает, что r(λ,T) для
черного тела равна
. Таким образом, универсальная функция Кирхгофа
есть не что иное, как спектральная плотность энергетической светимости а.ч.т.
Следствия закона Кирхгофа:
1) Излучательная способность АЧТ при данной
температуре максимальна (по сравнению с серыми телами);
2) Излучательная способность серого тела
;
3) При данной температуре тело излучает ту длину волны,
которую и поглощает.

5.

Законы Стефана — Больцмана и закон смещения Вина
Разлагая излучение АЧТ в спектр с помощью ,дифракционной решетки и измеряя
интенсивность излучения в зависимости от длины волны, можно экспериментально
найти вид функции f(λ,T).
Долгое время попытки получить теоретически f(λ,T). не давали общего решения задачи.
В 1884 г. был получен закон Стефана-Больцмана
R = σ∙T4,
где — постоянная Стефана — Больцмана.
В. Вин (1893), опираясь на законы термо- и электродинамики, установил зависимость
длины волны max, соответствующей максимуму спектральной плотности
энергетической светимости от температуры Т. Согласно закону смещения Вина,
,
b — постоянная Вина.

6.

«Ультрафиолетовая катастрофа» классической физики
Вывести теоретически формулу для спектральной плотности излучения АЧТ в рамках
представлений классической физики не привели к положительному результату.
Согласно классической термо и электродинамике, статистической физике, мощность
излучения в УФ области должна была бесконечно возрастать.

7.

ФОРМУЛА ПЛАНКА
Правильное выражение для спектральной плотности излучения черного тела было
найдено в 1900 г. М. Планком. Для этого ему пришлось отказаться от положения о
непрерывности излучения. Согласно выдвинутой Планком квантовой гипотезе,
атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а порциями — квантами,
причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания:
где h — постоянная Планка. Энергия осциллятора может принимать лишь
дискретные значения, кратные целому числу элементарных порций энергии 0:
Планк вывел для универсальной
функции Кирхгофа формулу
которая блестяще согласуется с экспериментальными данными.
Вывод этой формулы М. Планк изложил 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого
физического общества. Этот день считается датой рождения квантовой физики.

8.

Оптическая пирометрия
Методы измерения высоких температур, ,использующие законы излучения АЧТ
называются оптической пирометрией, а приборы - пирометрами. В зависимости от
того, какой закон теплового излучения используется, различают радиационную,
цветовую и яркостную температуры.
1. Радиационная температура — это такая температура черного тела, при которой его
энергетическая светимость Re равна энергетической светимости RT исследуемого тела.
В данном случае регистрируется энергетическая светимость исследуемого тела и по
закону Стефана — Больцмана вычисляется его радиационная температура:
Поскольку исследуемое тело является серым, радиационная температура Tр тела всегда
меньше его истинной температуры Т.
2. Цветовая температура. Для серых тел распределение энергии в спектре излучения
такое же, как и в спектре черного тела, имеющего ту же температуру, поэтому к серым
телам применим закон смещения Вина. Зная длину волны max, соответствующую
максимальной спектральной плотности энергетической светимости R ,T исследуемого
тела, можно определить его температуру
которая называется цветовой температурой. Для серых тел цветовая температура
совпадает с истинной.

9.

Шкала цветовых температур

10.

Оптическая пирометрия
Яркостная температура Тя — это температура черного тела, при которой для
определенной длины волны его спектральная плотность энергетической светимости
равна СПЭС исследуемого тела.
Taк как для нечерных тел а<1, то r ,Tя<r ,T и, следовательно, Tя<Т, т. е. истинная
температура тела всегда выше яркостной. Иными словами, серое тело, чтобы излучать
так же как черное тело должно иметь более высокую Т.
В случае теплового излучения Я.т. связана с термодинамической темп-рой
излучающего тела T соотношением:
где τ - оптическая толща. Если на данной длине волны излучающее тело непрозрачно
(τ >>1), то Я.т. равна T. Для прозрачных излучающих тел Tя < T.
Оптическая толща τ - безразмерная величина, характеризующая степень непрозрачности среды для проходящего сквозь неё излучения.

11.

Электрон. Открытие электрона
Датой открытия электрона считается 1897 год, когда Томсоном был поставлен
эксперимент по изучению катодных лучей.
Катодные лучи открыты в 1859 году Ю.Плюккером, название дано Эйгеном
Гольдштейном, который высказал волновую гипотезу: катодные лучи
представляют собой процесс в эфире. Английский физик Уильям Крукс высказал
идею, что катодные лучи это потоки частичек вещества. В 1895 году французский
физик Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток
отрицательно заряженных частиц, которые могут отклоняться магнитным полем.
С 1895 года Дж.Томсон в Кавендишской лаборатории Кембриджского
университета начинает методическое изучение отклонения катодных лучей в
электрических и магнитных полях. Обнаружено, что лучи отклонялись при
действии отдельно обоих полей, а при определенном соотношении между ними
пучки не изменяли прямой траектории, кроме того, скорость частиц гораздо ниже
скорости света. Итоги этой работы были опубликованы в 1897 г. Томсон доказал,
что частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и входят в
состав вещества. Суть опытов и гипотезу о существовании материи в состоянии
ещё более тонкого дробления, чем атомы, Томсон изложил на вечернем заседании
Королевского общества 29 апреля 1897 г. За это открытие Томсон в
1906 году получил Нобелевскую премию по физике. Далее было выдвинуто
предположение о наличии этих частиц в атомах и предложена модель атома,
впоследствии развитая в опытах Резерфорда.

12.

Внешний фотоэффект. Законы Столетова
Внешний фотоэффект - испускание электронов веществом под
действием света. Наблюдается в твердых телах. Фотоэффект
обнаружен в1887 г. Г. Герцем.
Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены
А. Г. Столетовым.
Законы Столетова: 1. при фиксированной частоте падающего
света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу
времени, пропорционально интенсивности света (фототок
насыщения пропорционален освещенности катода).
2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит
от интенсивности падающего света, а определяется только его
частотой :
Начальная скорость может быть определена по задерживающей
разности потенциалов – отрицательному напряжению на аноде,
при котором прекращается фототок.
2
m m
eU З
2
3. Существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная
частота 0 света, ниже которой фотоэффект невозможен.
Объяснение законов фотоэффекта только с волновой точки
зрения невозможно.

13.

Внешний фотоэффект. Уравнение Эйнштейна
А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта может быть объяснено на
основе квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет частотой не только
испускается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом
отдельными порциями (квантами), энергия которых 0=h .
Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.
2
Уравнение Эйнштейна имеет вид:
hc
m МАХ
h
AВЫХ
2
энергия фотона hν затрачивается на совершение работы выхода Авых и на сообщение
электрону кинетической энергии К.
Уравнение Эйнштейна объясняет все законы фотоэффекта.
1. Ток насыщения зависит только от освещённости катода и не зависит от длины
волны падающего света (энергии кванта). Действительно, чем больше квантов падает
на катод – тем больше электронов выбивается - 1 фотон выбивает 1 электрон.
2. Начальная скорость ф.э. зависит от разности между энергией кванта и работой
выхода.
3. Фототок прекращается, если длина волны больше λКГ . Значит, энергии квантов света
hν недостаточно, чтобы совершить работу выхода Авых. Кинетическая энергия
фотоэлектронов = 0. Длина волны λКГ и соответствующая ей частота νКГ = с /λКГ
называются длиной волны и частотой красной границы фотоэффекта и могут быть
найдены из уравнения Эйнштейна при условии К(инетическая энергия) = 0:
h КГ
hc
КГ
AВЫХ

14.

Фотон. Энергия и импульс фотона
Согласно гипотезе Планка и Эйнштейна, свет испускается, поглощается и
распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами.
Энергия фотона h
hc
0
,
λ0 – длина волны света в вакууме; h = 6.6 10 -34 Дж × с - постоянная Планка.
Фотон - особая безмассовая частица, движущихся всегда со скоростью с,
равной скорости света в вакууме, хотя скорость света в веществе в n
(n – показатель преломления) раз меньше. Фотоны в веществе движутся от
одной частицы вещества (атома, молекулы) до другой как бы в вакууме, а
«попадая» в частицу, поглощаются и вновь переизлучаются через
некоторое время.
Импульс фотона находится из закона взаимосвязи массы и энергии:
p
h
h
c
0

15.

Давление света

16.

Давление света с квантовой точки зрения
Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на
него давление.
Рассчитаем давление, оказываемое на поверхность тела потоком монохроматического
излучения (частота ), падающего перпендикулярно поверхности.
Если в единицу времени на единицу площади падает N фотонов, то при коэффициенте
отражения света от поверхности тела N фотонов отразится, а (1– )N — поглотится.
Каждый поглощенный фотон передаст поверхности импульс p=h /c, а каждый
отраженный — 2p=2h /c.
Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности в 1 с N
фотонов:
Nh =Ee есть энергия всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу
времени, т. е. энергетическая освещенность поверхности, a Ee/c=w — объемная
плотность энергии излучения. Поэтому давление, производимое светом при нормальном
падении на поверхность
Эта формула совпадает с выражением, получаемым из электромагнитной (волновой)
теории Максвелла.

17.

Рентгеновская трубка.
Тормозное рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение было открыто В.
Рентгеном. Изучая экспериментально катодные
лучи, 8 ноября 1895 года он заметил, что
находившийся вблизи катодно-лучевой трубки
картон, покрытый платиносинеродистым барием,
начинает светиться в тёмной комнате. В течение
нескольких следующих недель он изучил все
основные свойства вновь открытого излучения,
названного им X-лучами ("икс-лучами"). 22
декабря 1895 года Рентген сделал первое
публичное сообщение о своём открытии в
Физическом институте Вюрцбургского
университета. 28 декабря 1895 года в
журнале Вюрцбургского физико-медицинского
общества была опубликована статья Рентгена под
названием «О новом типе лучей».
Катодно-лучевая трубка, которую Рентген
использовал в своих экспериментах, была
разработана Й. Хитторфом и В. Круксом. При
работе этой трубки возникают рентгеновские лучи.

18.

Рентгеновская трубка.
Тормозное рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение возникает вследствие
торможения электронов в материале анода
(антикатода). Спектр тормозного излучения
сплошной и имеет четкую коротковолновую
границу, зависящую от приложенного анодного
напряжения.
Существование коротковолновой границы
необъяснимо с волновой точки зрения.
Наоборот, с квантовой точки зрения
eU h 0
hc
0
hc
откуда 0
.
eU
Постоянная Планка наиболее точно может быть
измерена именно по коротковолновой границе
тормозного спектра.

19.

Волна де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества
Предположение де Бройля заключалась в
следующем: если свет обладает
корпускулярными свойствами, то возможно
и частицы обладают волновыми?
Инвертируем формулу для импульса
фотона
p
h
0 и получим
h
h
p
m
формулу для длины волны де Бройля.
Эта гипотеза была выдвинута де Бройлем в
1923 г. и получила название корпускулярноволнового дуализма вещества и излучения.
Согласно де Бройлю, с каждым
микрообъектом связываются, с одной
стороны, корпускулярные характеристики
— энергия Е и импульс p, а с другой —
волновые характеристики — частота ν и
длина волны λ.

20.

Дифракция электронов – экспериментальное подтверждение к.-в.
дуализма свойств вещества
h
h
p
m

21.

Соотношение неопределенностей Гейзенберга
В классической механике частица движется по
определенной траектории, так что в любой момент времени
точно фиксированы ее координата и импульс.
Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств
существенно отличаются от классических частиц. Нельзя
говорить о движении микрочастицы по определенной
траектории и неправомерно говорить об одновременных
точных значениях ее координаты и импульса. Это следует из
корпускулярно-волнового дуализма.
Понятие «длина волны в данной точке» лишено смысла, а
поскольку импульс выражается через длину волны, то
отсюда следует, что микрочастица с определенным
импульсом имеет полностью неопределенную координату.
В. Гейзенберг пришел в 1927 г. к выводу, что объект
микромира невозможно одновременно с любой наперед
заданной точностью характеризовать и координатой и
импульсом. Согласно соотношению неопределенностей
Гейзенберга, микрочастица не может иметь одновременно и
определенную координату (х, у, z), и определенную
соответствующую проекцию импульса (рх, pу, pz).

22.

Атом. Модели атома

23.

Опыты Резерфорда

24.

Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома (1911 г.)
Основное уравнение: второй закон Ньютона для электрона,
движущегося по окружности под действием кулоновской силы
где тe, и υ — масса и скорость электрона на орбите радиуса r,
0 — электрическая постоянная.
Противоречия планетарной модели
1) Неустойчива электродинамически. Электрон, движущийся с
ускорением обязан излучать ЭМВ, терять скорость и упасть
на ядро.
2) Спектр излучения должен быть сплошной, поскольку
возможны любые r и υ. Экспериментальные спектры газов –
линейчатые и полосатые.

25.

Постулаты Бора. Модель атома водорода
Первая попытка построить качественно новую — квантовую —
теорию атома была предпринята в 1913 г. Н. Бором.
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний):
в атоме существуют стационарные состояния и стационарные
орбиты, в которых он не излучает энергии.
В стационарном состоянии момент импульса электрона, имеет
квантованные значения, удовлетворяющие условию
Второй постулат Бора (правило частот): при переходе
электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается
(поглощается) один фотон с энергией
равной разности энергий стационарных состояний Еn и Em. При
Еm<Еn происходит излучение фотона (переход атома из
состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией,
т. е. переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на
более близлежащую), при Еm>Еn — его поглощение (переход
атома в состояние с большей энергией, т. е. переход электрона на
более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных
частот = (En—Em)/h квантовых переходов и определяет
линейчатый спектр атома.

26.

Спектр атома водорода по Бору
Следуя Бору, рассмотрим движение электрона в атоме водорода. Решая совместно
уравнения
и
можно получить выражение для радиуса n-й орбиты:
Для атома водорода (Z = 1) радиус первой орбиты электрона при n = 1 - первый
боровский радиус (а), равен 0,52 ∙10-10 м.
Полная энергия электрона складывается из его кинетической энергии и потенциальной
энергии в электростатическом поле ядра (–Ze2/(4 0r)):
Учитывая выражения для радиуса n-й орбиты, получим, что энергия электрона может
принимать только дискретные значения:

27.

Излучение атома водорода по Бору
Придавая n различные значения, получим возможные уровни энергии, представленные
на рисунках. Энергия атома водорода с увеличением n возрастает и энергетические
уровни сближаются к границе, соответствующей значению n = . Атом водорода
обладает, таким образом, минимальной энергией (E1 = –13,55 эВ) при n = 1 и
максимальной (Е = 0) при n = . Следовательно, значение Е = 0 соответствует
ионизации атома. Согласно второму постулату Бора, при переходе атома водорода из
стационарного состояния n в стационарное состояние т с меньшей энергией
испускается квант

28.

29.

Атомное ядро. Состав и масса ядра
Атомные ядра имеют размеры примерно 10–14 — 10–15 м
(линейные размеры атома примерно 10–10 м).
Атомное ядро состоит из элементарных частиц —
протонов и нейтронов (Д.Д. Иваненко В. Гейзенберг).
Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду
электрона, и массу 1836 тe, где тe — масса электрона.
Нейтрон (n) — нейтральная частица с массой 1839 тe.
Протоны и нейтроны называются нуклонами.
Общее число нуклонов в атомном ядре - массовое число А.
Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z —
зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и
совпадающее с порядковым номером химического элемента
в Периодической системе элементов Менделеева.
Ядра с одинаковыми Z, но разными А (с разными числами
нейтронов N=A–Z) называются изотопами, а ядра с
одинаковыми А, но разными Z—изобарами.
Радиус ядра задается эмпирической формулой
где R0=(1,3 1,7)10–15 м.

30.

Дефект массы и энергия связи ядра
Масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов.
Всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии, то,
следовательно, при образовании ядра должна выделяться определенная энергия.
Верно и обратное: для разделения ядра на составные части необходимо затратить
такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия,
которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны,
называется энергией связи ядра:
где тp, тn, тя — соответственно массы протона, нейтрона и ядра.
Величина
называется дефектом массы ядра.
Часто рассматривают удельную энергию связи Eсв — энергию связи, отнесенную
к одному нуклону. Она характеризует прочность атомных ядер - чем больше Eсв,
тем устойчивее ядро. Удельная энергия связи зависит от массового числа А
элемента. Наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра
средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это
означает, что энергетически выгодны следующие процессы: 1) деление тяжелых
ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер друг с другом в более тяжелые.

31.

Ядерные силы. Модели ядра
Между нуклонами действуют особые ядерные силы.
Свойства ядерных сил:
1) ядерные силы являются силами притяжения;
2) ядерные силы являются короткодействующими — их действие проявляется
только на расстояниях примерно 10–15 м. При увеличении расстояния между
нуклонами ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях,
меньших их радиуса действия, оказываются примерно в 100 раз больше
кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии;
3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость: ядерные силы,
действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или, наконец,
между протоном и нейтроном, одинаковы по величине. Отсюда следует, что
ядерные силы имеют неэлектрическую природу;
4) ядерным силам свойственно насыщение, т. е. каждый нуклон в ядре
взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов.
Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре (если
не учитывать легкие ядра) при увеличении числа нуклонов не растет, а остается
приблизительно постоянной;

32.

Радиоактивность. Радиоактивные (ионизирующие) излучения
Радиоактивность - способность некоторых атомных ядер самопроизвольно
(спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов
радиоактивных излучений и элементарных частиц.
Ионизирующие – вредные для биоорганизмов излучения.

33.

Закон радиоактивного распада
Радиоактивный распад – естественное самопроизвольное превращение ядер. Ядро,
испытывающее распад, называется материнским, возникающее ядро — дочерним.
Теория радиоактивного распада строится на предположении, что распад является
спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики.
Так как ядра распадаются независимо друг от друга, то можно считать, что число
ядер dN, распавшихся в среднем за время от t до t+dt, пропорционально интервалу dt
и числу N нераспавшихся ядер к моменту времени t:
где — постоянная распада, характерная для данного вещества.
Разделяем переменные и интегрируем:
после потенцирования получаем
где N0 — начальное число нераспавшихся ядер при t=0, N—число нераспавшихся
ядер в момент времени t. Это закон радиоактивного распада, согласно которому
число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.

34.

Закон радиоактивного распада
Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины:
период полураспада Т1/2 и среднее время жизни радиоактивного ядра.
Период полураспада Т1/2 — время, за которое исходное число радиоактивных ядер в
среднем уменьшается вдвое. Тогда, согласно закону распада
откуда
Активностью А нуклида называется число распадов, происходящих за 1 с:
Единица активности в СИ — беккерель (Бк). Применяется и внесистемная единица
активности нуклида в радиоактивном источнике — кюри (Ки): 1 Ки= 3,7 1010 Бк.

35.

36.

Радиоактивные (ионизирующие) излучения
Воздействие ионизирующего излучения на вещество характеризуют дозой
ионизирующего излучения. Различаются:
Поглощенная доза излучения — физическая величина, равная отношению энергии
излучения к массе облучаемого вещества. Единица поглощенной дозы излучения —
грей (Гр): 1 Гр= 1 Дж/кг — доза излучения, при которой массе 1 кг передается
энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж.
Экспозиционная доза излучения — физическая величина, равная отношению
суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами,
освобожденными в облученном воздухе, к массе этого воздуха.
Единица экспозиционной дозы излучения — кулон на килограмм (Кл/кг);
внесистемной единицей является рентген (Р): 1 Р=2,58 10–4 Кл/кг.
Биологическая доза — величина, определяющая воздействие излучения на
организм. Единица биологической дозы — биологический эквивалент рентгена
(бэр): 1 бэр — доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же
биологическое действие, как и доза рентгеновского или - излучения в 1 Р (1 бэр=
10–2 Дж/кг).
Мощность дозы излучения — величина, равная отношению дозы излучения к
времени облучения.
Различают: 1) мощность поглощенной дозы (единица — грей на секунду (Гр/с));
2) мощность экспозиционной дозы (единица — ампер на килограмм (А/кг)).

37.

Основные радиологические величины и единицы
Величина
Наименование и обозначение
единицы измерения
Внесистемные
Соотношения между
единицами
Си
Активность нуклида, Кюри (Ки, Ci)
А
Беккерель (Бк, Bq) 1 Ки = 3.7·1010Бк
1 Бк = 1 расп/с
1 Бк=2.7·10-11Ки
Экспозиционная
доза, X
Рентген (Р, R)
Кулон/кг
(Кл/кг, C/kg)
1 Р=2.58·10-4 Кл/кг
1 Кл/кг=3.88·103 Р
Поглощенная доза, Рад (рад, rad)
D
Грей (Гр, Gy)
1 рад-10-2 Гр
1 Гр=1 Дж/кг
Эквивалентная доза, Бэр (бэр, rem)
Н
Зиверт (Зв, Sv)
1 бэр=10-2 Зв
1 Зв=100 бэр
Интегральная доза Рад-грамм (рад·г,
излучения
rad·g)
Грей - кг (Гр·кг,
Gy·kg)
1 рад·г=10-5 Гр·кг
1 Гр·кг=105 рад·г

38.

39.

Нейтрон. Реакции с участием нейтрона

40.

Открытие деления ядра урана
К началу 40-х годов работами многих ученых—Э. Ферми, О. Гана, Ф. Штрассмана, О.
Фриша, Л. Мейтнер, Г.Н. Флерова, К.Н. Петржака — было доказано, что при облучении
урана нейтронами образуются элементы из середины Периодической системы —
лантан и барий. Этот результат положил начало ядерным реакциям совершенно нового
типа — реакциям деления ядра, заключающимся в том, что тяжелое ядро под
действием нейтронов, а как впоследствии оказалось и других частиц делится на
несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.
Замечательной особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается
испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления.
Большинство нейтронов при делении испускается мгновенно (t 10–14 с), а часть
(около 0,7%) испускается осколками спустя некоторое (0,05 с t 60 с). Первые из них
называются мгновенными, вторые — запаздывающими. В среднем на каждый акт
деления приходится 2,5 испущенных нейтронов.
При делении ядра освобождается энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон.

41.

Реакция деления ядра урана

42.

Цепная реакция деления ядра урана
Испускаемые при делении вторичные
нейтроны могут вызвать новые акты
деления, что делает возможным
осуществление
цепной
реакции
деления. Цепная реакция деления
характеризуется
коэффициентом
размножения k нейтронов, который
равен отношению числа нейтронов в
данном поколении к их числу в
предыдущем поколении. Необходимым
условием для развития цепной реакции
деления является требование k 1.
Коэффициент размножения зависит от
количества, а также размеров и формы
активной зоны.
Минимальные размеры активной зоны,
при которых возможно осуществление
цепной
реакции,
называются
критическими
размерами,
а
минимальная
масса
делящегося
вещества, называется критической
массой.

43.

Цепная реакция деления ядра урана
Цепные реакции делятся на управляемые
и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы,
например,
является
неуправляемой
реакцией. Чтобы атомная бомба при
хранении не взорвалась, в ней U (или Pu)
делится на две удаленные друг от друга
части с массами ниже критических. Затем с
помощью обычного взрыва эти массы
сближаются, общая масса делящегося
вещества становится больше критической и
возникает взрывная цепная реакция,
сопровождающаяся
мгновенным
выделением огромного количества энергии
и большими разрушениями. Взрывная
реакция начинается за счет имеющихся
нейтронов спонтанного деления или
нейтронов
космического
излучения.
Управляемые
цепные
реакции
осуществляются в ядерных реакторах

44.

Реакции синтеза атомных ядер
Источником огромной энергии может служить реакция синтеза атомных ядер —
образование из легких ядер более тяжелых. Удельная энергия связи ядер резко
увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия Н и трития Н) к
литию Li и особенно к гелию Нe, т. е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые
должны сопровождаться выделением большого количества энергии, что
действительно подтверждается расчетами. В качестве примеров рассмотрим
реакции синтеза:
Реакции синтеза атомных ядер обладают той особенностью, что в них энергия,
выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых
ядер. В самом деле, если при делении ядра U выделяется энергия примерно 200
МэВ, что составляет на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то в реакции (3) эта
величина равна 17,6/5 МэВ 3,5 МэВ.

45.

Типы взаимодействий
Существуют четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное,
электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное, или ядерное - связь нуклонов в ядрах.
Электромагнитное взаимодействие.
Слабое взаимодействие — ответственно за взаимодействие частиц,
происходящих с участием нейтрино или антинейтрино.
Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам.
Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в
1014 раз — слабое. Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью
протекают процессы.
Как сильное, так и слабое взаимодействия — короткодействующие. Радиус
действия сильного взаимодействия составляет примерно 10–15 м, слабого — не
превышает 10–19 м. Радиус действия электромагнитного взаимодействия
практически не ограничен.

46.

Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры
Атомы могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретными
значениями энергии Е1, Е2, Е3, ... Если атом находится в основном
состоянии 1, то под действием внешнего излучения может
осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние 2,
приводящий к поглощению излучения. Находясь в возбужденном
состоянии 2, атом через некоторый промежуток времени спонтанно, без
каких-либо внешних воздействий, переходит в состояние с низшей
энергией, излучая квант (фотон с энергией h =E2–Е1). Такое излучение
называется спонтанным. Так как спонтанные переходы взаимно не
связаны, то излучение некогерентно.
В 1916 г. А. Эйнштейн постулировал, что помимо поглощения и
спонтанного излучения должен существовать третий, качественно иной
тип взаимодействия. Если на атом, находящийся в возбужденном
состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей
условию hv=E2–E1, то возникает вынужденный (индуцированный)
переход в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии
hv=E2–E1. При подобном переходе происходит излучение атомом
фотона, дополнительно к тому фотону, под действием которого
произошел переход. Возникающее в результате таких переходов
излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением.
Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два
фотона: первичный фотон и вторичный, испущенный атомом.
Существенно, что вторичные фотоны неотличимы от первичных,
являясь точной их копией.

47.

Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры
Чтобы среда усиливала излучение, необходимо создать
неравновесное состояние системы, при котором число атомов
в возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в
основном
состоянии.
Такие
состояния
называются
состояниями с инверсией населенностей. Процесс создания
неравновесного состояния вещества (перевод системы в
состояние с инверсией населенностей) называется накачкой.
Накачку можно осуществить оптическими, электрическими и
другими способами.
В средах с инверсными состоящими вынужденное излучение
может превысить поглощение, вследствие чего падающий
пучок света при прохождении через эти среды будет
усиливаться (эти среды называются активными).
Впервые на возможность получения сред, в которых свет может
усиливаться, указал в 1939 г. В. А. Фабрикант,
экспериментально обнаружив вынужденное излучение паров
ртути, возбужденных при электрическом разряде. Открытие
явления усиления электромагнитных волн и изобретенный
способ их усиления (В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский, ф. А.
Бугаева; 1951) легли в основу квантовой электроники,
положения которой позволили впоследствии осуществить
квантовые усилители и квантовые генераторы света.

48.

Оптические квантовые генераторы лазеры
Лазер обязательно имеет три основных компонента:
1) активную среду, в которой создаются состояния с
инверсией населенностей;
2) систему накачки (устройство для создания инверсии
в активной среде);
3) оптический резонатор (устройство, выделяющее в
пространство избирательное направление пучка фотонов
и формирующее выходящий световой пучок).
Первым твердотельным лазером (1960; США),
работающим в видимой области спектра (длина волны
излучения 0,6943 мкм), был рубиновый лазер (Т.
Мейман). В нем инверсная населенность уровней
осуществляется по трехуровневой схеме, предложенной
в 1955 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым.

49. Контрольные вопросы

1) Что такое тепловое излучение? Как зависит спектральная плотность
энергетической светимости от длины волны. Нарисовать график для случая
нескольких температур абсолютно черного тела.
2) Записать формулы для энергии и импульса фотона.
3) Записать формулу для длины волны де Бройля.
4) В чем заключается корпускулярно-волновой дуализм частицы и волны.
5) Сформулировать постулаты Бора.
6) Состав ядра.
7) Радиоактивность – дать определение.
8) Перечислить виды ионизирующих излучений. Распределить их по
ионизирующей способности (вредности) и проникающей способности.
9) Почему возможна цепная реакция деления ядра урана?