Курс лекций по физике. Часть V. ФИЗИКА АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА (презентация)

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ ГАПОУ ТО «ТОБОЛЬСКИЙ МНОГОПРОФИЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ» Техническое отделение Курс лекций по физике. Часть V . Физика атома и атомного ядра

авторы: Руфина Манзуровна Алиева Ильяс Манзурович Алиев

ISBN 978-5-6041288-5-5

Литература (основная)

• Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений начального и среднего профессионального образования/В.Ф.Дмитриева. – 3-е изд.,стер. М., 2017. – 448 с.
• Касьянов В. А., Физика 10 класс. Углубленный уровень: учеб. для общеобразовательных учреждений/ М.: Дрофа, 2018. – 448 с.
• Касьянов В. А., Физика 11 класс. Углубленный уровень: учеб. для общеобразовательных учреждений/ М.: Дрофа, 2018. – 464 с.
• Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. (под ред. Парфентьевой Н.А.), Физика 10 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразова-тельных учреждений/ М.: Просвещение, 2018. – 416 с.
• Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. (под ред. Парфентьевой Н.А.), Физика 11 класс. Базовый уровень: учеб. для общеобразовательных учреждений/ М.: Просвещение, 2018. – 432 с.
• Самойленко П. И. Физика для профессий и специальностей социально–экономического и гуманитарного профилей/ П. И. Самойленко. 7-е изд., стер. М.: Изд-во «Академия», 2014. – 496 с.

Литература (дополнительная)

• Кабардин О. Ф. Физика: учебник справочное пособие/ О. Ф. Кабардин. – М.: АСТ: Астрель, 2006. – 573 с.
• Кошкин Н. И., Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике – 5-е изд. перераб. и доп. М.: Изд-во «Наука», 1972. – 256 с.
• Физика. 7 – 11 кл.: Словарь школьника/Авт.-сост. Ю. И. Дик. – М.:Дрофа, 1997. – 192 с.
• Енохович А. С. Справочник по физике и технике: Учеб. Пособие для учащихся. – 3-е изд., перераб и доп. – М.:Просвещение, 1989. – 224 с.:ил.

Содержание

Предисловие

Введение в физику атома и атомного ядра

Лекция № 1. Строение атома

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

§ 1.2. Квантовые постулаты Бора

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры

§ 1.4. Лазеры

Вопросы для закрепления материала

Лекция № 2. Атомное ядро

§ 2.1. Состав атомных ядер

§ 2.2. Энергия связи ядер

§ 2.3. Радиоактивность

§ 2.4. Слияние и деление ядер

Вопросы для закрепления материала

Лекций № 3. Элементарные частицы

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

§ 3.2. Классификация элементарных частиц

§ 3.3. Регистрация элементарных частиц

Вопросы для закрепления материала

Предисловие

Материал учебного пособия разделен на лекции. Каждая лекция имеет глоссарий и вопросы для закрепления материала.

Курс лекций по физике состоит из пяти частей.

• Часть I. Классическая механика.
• Часть II. Молекулярная физика и термодинамика.
• Часть III. Электричество и магнетизм.
• Часть IV. Оптика.
• Часть V. Физика атома и атомного ядра.

Введение в физику атома и атомного ядра

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества возникло еще в античные времена.

Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д. И. Менделеев, разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов, в которой впервые был поставлен вопрос о единой природе атомов.

В 1896 г. А. Беккерель обнаружил явление испускания атомами невидимых проникающих излучений, названное радиоактивностью .

В 1897 году Дж. Томсон открыл электрон и измерил отношение заряда электрона к массе. Опыты Томсона подтвердили вывод о том, что электроны входят в состав атомов.

Введение в физику атома и атомного ядра

В декабре 1938 года их физики О. Ган и Ф. Штрассман впервые в мире осуществили искусственное расщепление ядра атома урана.

24 апреля в 1939 г. нацистская Германия приступила к созданию атомного оружия как победу в войне.

17 сентября 1943 г. в США приступили к проекту Манхэттен по созданию атомной бомбы под руководством Р. Оппенгеймера.

29 августа 1949 года первая советская атомная бомба, разработанная под руководством ученого, была взорвана на Семипалатинском полигоне. Под руководством И. В. Курчатова в 1946 году был запущен второй в мире и первый в Европе атомный реактор.

Введение в физику атома и атомного ядра

Антуан Лоран Лавуазье (1743 – 1794) – французский естествоиспытатель, основатель современной химии .

Введение в физику атома и атомного ядра

Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765) – русский учёный-естествоиспытатель, энциклопедист, химик и физик; он вошёл в науку как первый химик, который дал физической химии определение, весьма близкое к современному, и предначертал обширную программу физико-химических исследований; его молекулярно-кинетическая теория тепла во многом предвосхитила современное представление о строении материи и многие фундаментальные законы, в числе которых одно из начал термодинамики; заложил основы науки о стекле.

Введение в физику атома и атомного ядра

Майкл Фарадей (1791 – 1867) – английский физик-экспериментатор и химик. Его именем названа единица электроемкости (Фарад).

Введение в физику атома и атомного ядра

Дмитрий Иванович Менделеев (1834 – 1907) – учёный-энциклопедист: химик, физикохимик, физик, метролог, экономист, технолог, геолог, метеоролог, нефтяник, педагог, преподаватель, воздухоплаватель, приборостроитель.

Введение в физику атома и атомного ядра

Иоганн Якоб Бальмер (1825 – 1898) – швейцарский математик и физик. Известность получил благодаря открытию в 1885 спектральной серии водорода, названной в его честь.

Введение в физику атома и атомного ядра

Антуан Анри Беккерель (1852 – 1908) – французский физик. Один из первооткрывателей радиоактивности.

Введение в физику атома и атомного ядра

Мария Склодовская-Кюри (1867 – 1934) – французская и польская учёная-экспериментатор (физик, химик), педагог, общественная деятельница.

Введение в физику атома и атомного ядра

Пьер Кюри (1859 – 1906) – французский учёный-физик, один из первых исследователей радиоактивности. Муж Марии Склодовской-Кюри.

Введение в физику атома и атомного ядра

Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) – британский физик новозеландского происхождения. Известен как «отец» ядерной физики.

Введение в физику атома и атомного ядра

Джозеф Джон Томсон (1856 – 1940) – английский физик. Исследование «катодных лучей» (электронных пучков), в результате которого было показано, что они имеют корпускулярную природу и состоят из отрицательно заряженных частиц субатомного размера. Эти исследования привели к открытию электрона.

Введение в физику атома и атомного ядра

Отто Ган (1879 – 1968) – немецкий химик, учёный-новатор в области радиохимии, открывший ядерную изомерию (Уран Z) и расщепление урана.

Введение в физику атома и атомного ядра

Фриц Штрассман (1902 – 1980) – немецкий химик и физик. Научные труды посвящены ядерной химии, радиохимии. Изучал процессы ядерного деления, свойства радиоактивных изотопов урана и тория.

Введение в физику атома и атомного ядра

Джулиус Роберт Оппенгеймер (1904 – 1967) – американский физик-теоретик, профессор физики. Широко известен как научный руководитель Манхэттенского проекта, в рамках которого в годы Второй мировой войны разрабатывались первые образцы ядерного оружия; из-за этого Оппенгеймера часто называют «отцом атомной бомбы». Атомная бомба была впервые испытана в Нью-Мексико в июле 1945 г.; позже Оппенгеймер вспоминал, что в тот момент ему пришли в голову слова из Бхагавадгиты: «Я – смерть, разрушитель миров».

Введение в физику атома и атомного ядра

Игорь Васильевич Курчатов (1903 – 1960) – советский физик. Известен как «отец» советской атомной бомбы. Главный научный руководитель атомной проблемы в СССР, один из основоположников использования ядерной энергии в мирных целях.

Лекция № 1. Строение атома

Структура лекции:

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома.

§ 1.2. Квантовые постулаты Бора.

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры.

§ 1.4. Лазеры. 

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

План:

• Модель атома Томсона и Резерфорда.
• Опыты Томсона и Резерфорда.

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

В 1904 г. Появились первые публикации о строении атома, одна из которых принадлежит Х. Нагаока, другие Дж. Томсону.

Х. Нагаока представил, что модель атома, была построена аналогично с расчетами устойчивости колец Сатурна.

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

Хантаро Нагаока (1865 – 1950) – японский физик, один из основоположников японской физики начала Периода Мэйдзи, основатель научной школы. Автор ряда трудов по электричеству и магнетизму, атомной физике и спектроскопии.

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

Дж. Томсон считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него.

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909 – 1911 годах.

Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью альфа-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов.

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

Схема опыта Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

Эрнест Марсден (1889 – 1970) – новозеландский физик. Совместно с Х. Гейгером в 1909 – 1910 гг. исполнил экспериментальное исследование прохождения альфа-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов.

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

Ханс Вильгельм Гейгер (1882 – 1945) – немецкий физик, первым создавший детектор альфа-частиц и других ионизирующих излучений. Изобрёл в 1908 году счётчик Гейгера. В 1911 году с Дж. Нэттолом открыл закон Гейгера-Нэттола.

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

Рассеяние альфа-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b).

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

Выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости.

Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома . Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны.

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов

§ 1.2. Квантовые постулаты Бора

План:

• Теория Н. Бора.
• Квантовые постулаты Н. Бора.

§ 1.2. Квантовые постулаты Бора

Планетарная модель атома, Резерфорда – попытка применения классических представлений о движении тел к явлениям атомных масштабов. Она оказалась несостоятельной. Классический атом неустойчив.

В развитии представлений об устройстве атома в 1913 г. сделал Н. Бор

§ 1.2. Квантовые постулаты Бора

Нильс Хенрик Давид Бор (1885 – 1962) – датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики.

§ 1.2. Квантовые постулаты Бора

Первый постулат Бора ( постулат стационарных состояний ): атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарных состояниях атом не излучает.

Энергетические уровни атома и условное изображение процессов поглощения и испускания фотонов

§ 1.2. Квантовые постулаты Бора

Второй постулат Бора ( правило частот ): при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией в другое стационарное состояние с энергией излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний.

где h – постоянная Планка

Энергетические уровни атома и условное изображение процессов поглощения и испускания фотонов

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры

План:

• Теория Бора для атома водорода.
• Спектральные линии и энергетические уровни атома водорода.

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры

Простейший из атомов, атом водорода явился своеобразным тест-объектом для теории Бора . Было известно, что он содержит единственный электрон. Ядром атома является протон – положительно заряженная частица, заряд которой равен по модулю заряду электрона, а масса в 1836 раз превышает массу электрона. Еще в начале XIX в. были открыты дискретные спектральные линии в видимой области излучения атома водорода (так называемый линейчатый спектр ).

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры

Впоследствии закономерности, которым подчиняются длины волн (или частоты) линейчатого спектра, были хорошо изучены количественно (И. Бальмер, 1885 г.).

где R – постоянная Ридберга

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры

Правило квантования, приводящее к согласующимся с опытом значениям энергий стационарных состояний атома водорода, Бором было угадано. Он предположил, что момент импульса электрона, вращающегося вокруг ядра, может принимать только дискретные значения, кратные постоянной Планка. Для круговых орбит правило квантования Бора записывается в виде:

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры

Скорость электрона, вращающегося по круговой орбите некоторого радиуса в кулоновском поле ядра, как следует из второго закона Ньютона, определяется соотношением:

Радиусы стационарных круговых орбит определяются выражением:

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры

Стационарные орбиты атома водорода

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры

Диаграмма энергетических уровней атома водорода

§ 1.4. Лазеры

План:

• Оптические квантовый генератор.
• Устройство квантовых генераторов.

§ 1.4. Лазеры

Лазеры или оптические квантовые генераторы – современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств.

Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными .

§ 1.4. Лазеры

В 1916 г. А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным .

Индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

§ 1.4. Лазеры

Условное изображение процессов (a) поглощения, (б) спонтанного испускания и (в) индуцированного испускания кванта

Вопросы для закрепления материала На тему «Строение атома»

• Каковы результаты опытов Томсона и Резерфорда?
• Почему положительно заряженная часть атома должна иметь очень маленькие размеры?
• Почему с точки зрения классической электродинамики модель оказалась неустойчивой?
• Какие противоречия между первым постулатом Бора и классической механикой и классической электродинамикой?
• Как теория Бора объясняет стабильность и сходство атомов?
• При каком условии атом переходит в возбужденное состояние?
• При каком условии атом излучает?
• Как располагаются электроны вокруг ядра?
• В чем недостатки постулатов Бора?

Вопросы для закрепления материала

• Что такое квантовые генераторы.
• Где применяются лазеры?
• Почему у отрицательно заряженные частицы атома не оказывают заметного влияния на рассеивание -частицы?
• Чем отличается излучение лазера от излучения лампы накаливания?
• Как возможны процессы взаимодействия атома с фотоном?
• Опишите принцип действия рубинового лазера. Охарактеризуйте основные особенности лазерного излучения.

Лекция № 2. Атомное ядро

Структура лекции:

§ 2.1. Состав атомных ядер.

§ 2.2. Энергия связи ядер.

§ 2.3. Радиоактивность.

§ 2.4. Ядерные реакции. 

§ 2.1. Состав атомных ядер

План:

• Строение атомного ядра.
• Характеристика элементарных частиц. Изотопы.

§ 2.1. Состав атомных ядер

К 20-м годам XX в. физики уже не сомневались в том, что атомные ядра, открытые Э. Резерфордом в 1911 г., также как и сами атомы, имеют сложную структуру.

Установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из частиц двух видов – протонов и нейтронов.

§ 2.1. Состав атомных ядер

Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником альфа-частиц,

Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп.

§ 2.1. Состав атомных ядер

Масса протона

В опыте Резерфорда было открыто явление расщепления ядер азота и других элементов при ударах быстрых – частиц и показано, что протоны входят в состав ядер атомов.

В 1920 г. Резерфорд высказал гипотезу о существовании в составе ядер жестко связанной компактной протон-электронной пары, представляющей собой электрически нейтральное образование – частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Даже придумал название этой гипотетической частице – нейтрон

§ 2.1. Состав атомных ядер

В 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия альфа-частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон.

При бомбардировке бериллия альфа-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием, возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как слой свинца толщиной в 10 – 20 см.

Масса нейтрона

§ 2.1. Состав атомных ядер

Схема установки для обнаружения нейтронов.

§ 2.1. Состав атомных ядер

Джеймс Чедвик (1891 – 1974) – английский физик, известный за открытие нейтрона и фотоядерной реакции.

§ 2.1. Состав атомных ядер

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze , где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N .

Общее число нуклонов (т.е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A:

§ 2.1. Состав атомных ядер

§ 2.2. Энергия связи ядер

План:

• Строение атомного ядра.
• Ядерные силы.

§ 2.2. Энергия связи ядер

Для удержания нуклонов в ядре, которое превосходит кулоновское отталкивание, удерживаются ядерными силами . Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов.

Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер.

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы.

§ 2.2. Энергия связи ядер

Масса любого ядра :

Дефект масс:

Энергия связи ядра:

§ 2.1. Состав атомных ядер

Удельная энергия связи ядер.

§ 2.2. Энергия связи ядер

Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется увеличением энергии кулоновского отталкивания протонов. В тяжелых ядрах связь между нуклонами ослабевает, а сами ядра становятся менее прочными.

§ 2.3. Радиоактивность

План:

• Радиоактивность. Распад атомных ядер.
• Период полураспада. Закон радиоактивного распада.

§ 2.3. Радиоактивность

Почти 90% из 2500 известных атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью . У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. А. Беккерелем, который обнаружил, что соли урана испускают неизвестное излучение, способное проникать через непрозрачные для света преграды и вызывать почернение фотоэмульсии. В 1898 г. М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний и радий.

§ 2.3. Радиоактивность

Антуан Анри Беккерель (1852 – 1908) – французский физик. Один из первооткрывателей радиоактивности.

§ 2.3. Радиоактивность

Мария Склодовская-Кюри (1867 – 1934) – французская и польская учёная-экспериментатор (физик, химик), педагог, общественная деятельница.

§ 2.3. Радиоактивность

Пьер Кюри (1859 – 1906) – французский учёный-физик, один из первых исследователей радиоактивности. Муж Марии Склодовской-Кюри.

§ 2.3. Радиоактивность

В последующие годы исследованием природы радиоактивных излучений занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его ученики. Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы альфа-, бета- и гамма-излучениями.

§ 2.3. Радиоактивность

§ 2.3. Радиоактивность

Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка, – магнитное поле

§ 2.3. Радиоактивность

Исследования показали, что:

• альфа-лучи представляют поток альфа-частиц – ядер гелия:
• бета-лучи – поток электронов
• гамма-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц – гамма-квантов

§ 2.3. Радиоактивность

Альфа-распад . При альфа-распаде из ядра вылетает гелий, превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z – 4 и нейтронов N – 2 . При этом испускается альфа-частица – ядро атома гелия. Примером такого процесса может служить альфа-распад радия.

§ 2.3. Радиоактивность

Схема альфа распада

§ 2.3. Радиоактивность

Энергетическая диаграмма альфа-распада

§ 2.3. Радиоактивность

Бета-распад . При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер электроны существовать не могут, они возникают при бета-распаде в результате превращения нейтрона в протон.

При бета-распаде зарядовое число увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным. Дочернее ядро оказывается ядром одного из изотопов элемента, порядковый номер которого в таблице Менделеева на единицу превышает порядковый номер исходного ядра.

§ 2.3. Радиоактивность

Гамма-распад . В отличие от альфа- и бета-радиоактивности, гамма-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при альфа-, так и при бета-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких гамма-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

§ 2.3. Радиоактивность

Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость процесса. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад .

§ 2.3. Радиоактивность

Закон радиоактивного распада: Число радиоактивных ядер, которые еще не распались убывает со временем, согласно закону:

Схема распада радиоактивной серии 238 урана

§ 2.3. Радиоактивность

По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает 55 % ионизирующей радиации за счет радона и только 11% за счет медицинских процедур. Вклад космических лучей составляет примерно 8%. Общая доза облучения, которую получает человек за жизнь, во много раз меньше предельно допустимой дозы (ПДД), которая устанавливается для людей некоторых профессий, подвергающихся дополнительному облучению ионизирующей радиацией.

§ 2.3. Радиоактивность

По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает 55 % ионизирующей радиации за счет радона и только 11% за счет медицинских процедур. Вклад космических лучей составляет примерно 8%. Общая доза облучения, которую получает человек за жизнь, во много раз меньше предельно допустимой дозы (ПДД), которая устанавливается для людей некоторых профессий, подвергающихся дополнительному облучению ионизирующей радиацией.

§ 2.4. Слияние и деление ядер

План:

• Управляемые и неуправляемые деление ядер.
• Управляемые и неуправляемые синтез ядер.

§ 2.4. Слияние и деление ядер

Ядерная реакция – процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или гамма-квантов.

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 г. в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота альфа-частицами:

Введение в физику атома и атомного ядра

Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) – британский физик новозеландского происхождения. Известен как «отец» ядерной физики.

§ 2.4. Слияние и деление ядер

Деление тяжелых ядер . В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием альфа- или бета-частиц, реакции деления – процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана

§ 2.4. Слияние и деление ядер

Отто Ган (1879 – 1968) – немецкий химик, учёный-новатор в области радиохимии, открывший ядерную изомерию (Уран Z) и расщепление урана.

§ 2.4. Слияние и деление ядер

Фриц Штрассман (1902 – 1980) – немецкий химик и физик. Научные труды посвящены ядерной химии, радиохимии. Изучал процессы ядерного деления, свойства радиоактивных изотопов урана и тория.

§ 2.4. Слияние и деление ядер

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т.д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

§ 2.4. Слияние и деление ядер

Схема развития цепной реакции

§ 2.4. Слияние и деление ядер

Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу.

Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов.

Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода . Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Тяжелая вода – изотопная разновидность воды, в молекулах которой атомы водорода заменены атомами дейтерия.

Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным ) реактором .

§ 2.4. Слияние и деление ядер

Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах

§ 2.4. Слияние и деление ядер

Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах

§ 2.4. Слияние и деление ядер

Главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой.

§ 2.4. Слияние и деление ядер

АЭС Три-Майл-Айленд (США), 1979 г.

§ 2.4. Слияние и деление ядер

АЭС Чернобыль (СССР), 1986 г.

§ 2.4. Слияние и деление ядер

Во время Второй мировой войны 6 августа 1945 года в 8.15 утра бомбардировщиком США B-29 «Энола Гей» была сброшена атомную бомбу на Хиросиму, Япония. Около 140 000 человек погибло во время взрыва и умерло в течение последующих месяцев . Тремя днями позже, когда Соединённые Штаты сбросили ещё одну атомную бомбу на Нагасаки, было убито около 80 000 человек.

Вопросы для закрепления материала На тему «Атомное ядро»

• Почему природу альфа излучения установить труднее, чем бета излучения?
• Из какого факта следует, что существуют ядерные силы?
• Как осуществить искусственные превращения ядер?
• Объясните, почему при центральном столкновении с протоном нейтрон передает ему всю энергию, а при столкновении с ядром азота только ее часть?
• Какими способами можно ускорить радиоактивный распад?
• Опишите механизм деления ядра урана и периода полураспада.
• Перечислите особенности ядерных сил.
• Что такое коэффициент размножения?
• Почему термоядерная реакция происходит только при высоких температурах?

Вопросы для закрепления материала На тему «Атомное ядро»

• В чем трудность получения управляемой термоядерной реакции?
• Опишите механизм поражения излучением живых клеток.
• Назовите способы защиты от излучения.
• Каким образом можно осуществить управляемый термоядерный синтез?
• При каком условии возникает неуправляемая цепная реакция делении ядер?
• Какое значение имеет коэффициент размножения числа нейтронов?

Лекция № 3. Элементарные частицы

Структура лекции:

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц.

§ 3.2. Классификация элементарных частиц.

§ 3.3. Регистрация элементарных частиц.

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

План:

• Гипотезы о существовании элементарных частиц.
• Открытие элементарных частиц.

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Этап первый. От электрона до позитрона: 1897 – 1932 гг. (Элементарные частицы «атомы Демокрита» на более глубоком уровне.).

Когда греческий философ Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает «неделимый»), то ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых, неизменных частиц.

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Демокрит (460 – 370 гг. до н.э) – дневрегреческий философ, один из основателей атомистики и материалистической философии.

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Этап второй. От позитрона до кварков: 1932 1964 гг. (Все элементарные частицы превращаются друг в друга.).

Ситуация привлекательной ясности длилась недолго.

Лишь частицы фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда, и его масса покоя, по-видимому, равна нулю).

Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения главный факт их существования.

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней. (Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.).

М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, – адроны – построены из более фундаментальных (или первичных) частиц – кварков .

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Мари Гелл-Ман (род. 1929 г.) – американский физик. Известен работами связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействия.

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Джорд Цвейг (род. 1934 г.) – американский физик и нейробилог.

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами . Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три вида нейтрино и еще две частицы мюон и тау-лептон с массами, значительно большими массы электрона).

§ 3.2. Классификация элементарных частиц

План:

• Структура элементарных частиц.
• Характеристики элементарных частиц.

§ 3.2. Классификация элементарных частиц

Фермионы. Бозоны. До 1932 г. были известны три элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон, а также фотон, переносящий электромагнитное воздействие.

Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части.

Фундаментальные частицы – бесструктурные элементарные частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

Фермионы – частицы с полуцелым спином: К фермионам относятся, например, электрон , протон , нейтрон , электронное нейтрино.

Бозоны – частицы с целым спином: К бозонам относятся, например, фотон , пи(+)-мезон.

§ 3.2. Классификация элементарных частиц

Принцип Паули: В одном и том же энергетическом состоянии могут находиться не более двух фермионов с противоположными спинами.

Античастица (элементарной частицы а) – элементарная частица, имеющая (по отношению к а) равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд.

Первая античастица была обнаружена в 1932 г. К. Андерсоном.

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Карл Дейвид Андерсон (1905 – 1991) – американский физик-экспериментатор. Известен открытием позитрона.

§ 3.2. Классификация элементарных частиц

Антивещество – вещество, построенное из антинуклонов и позитронов. Истинно нейтральной частицей является фотон, совпадающий со своей античастицей. При столкновении частицы и античастицы они исчезают (аннигилируют).

Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которого они превращаются в гамма-кванты (фотоны) электромагнитного поля или другие частицы.

Рождение пары – процесс, обратный аннигиляции.

Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.

Лептоны – фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии.

§ 3.2. Классификация элементарных частиц

Структура атома

§ 3.2. Классификация элементарных частиц

§ 3.3. Регистрация элементарных частиц

План:

• Приборы для обнаружения заряженных частиц .
• Устройство и принцип работы .

§ 3.3. Классификация элементарных частиц

Методы регистрации элементарных частиц основаны на использовании систем в долгоживущем неустойчивом состоянии, в которых под действием пролетающей заряженной частицы происходит переход в устойчивое состояние. Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называется детекторами ядерных излучений.

Регистрирующий прибор – более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванной пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние

§ 3.3. Классификация элементарных частиц

Газоразрядные счетчики. Счетчик Гейгера – детектор частиц, действие которого основано на возникновении самостоятельного электрического разряда в газе при попадании частицы в его объем.

§ 3.3. Классификация элементарных частиц

Камера Вильсона. Счетчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать её некоторые характеристики. В камере же Вильсон быстро заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или сфотографировать.

Капельки жидкости, осевшие на ионах, делают видимым след проле­тевшей частицы – трек, что дает возможность его сфотографировать. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека – оценить ее скорость. Помещение камеры в магнитное поле позволяет определить по кривизне трека отношение заряда частицы к ее массе (впервые предложено советскими физиками П. Л. Капицей и Д. В. Скобельцыным.

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Чарлз Томсон Риз Вильсон (1869 – 1959) – шотландский физик.

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Петр Леонидович Капица (1894 – 1984) – российский и советский физик, инженер и инноватор. Видный организатор науки. Основатель Института физических проблем (ИФП). Один из основателей Московского физико-технического института (МФТИ).

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Дмитрий Владимирович Скобельцын (1892 – 1990) – российский и советский физик-экспериментатор, специалист в области космических излучений и физики высоких энергий.

§ 3.3. Классификация элементарных частиц

Пузырьковая камера . В 1952 г. Д. Глейзером было предложено использовать для обнаружения частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах (центрах парообразования), образующихся при движении быстрой заряженной частицы, появляется пузырьки пара, дающие видимый трек.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере.

§ 3.3. Классификация элементарных частиц

Метод толстослойных фотоэмульсий. Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки.

Метод фотоэмульсии был развит советскими физиками Л. В. Мысовским, Г. Б. Ждановым и др.

.

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц

Лев Владимирович Мысовский (1888 – 1939) – российский и советский физик. Автор большинства теоретических и практических разработок. Известен как создатель гамма-дефектоскопии.

§ 3.3. Классификация элементарных частиц

Сцинтилляционный счетчик . Устройство для регистрации альфа-частиц – спинтарископ .

Основными деталями спинтарископа является экран 3, покрытый слоем сульфида финка и короткофокусная лупа 4. Альфа-радиоактивный препарат помещают на конце стержня 1 примерно против середины экрана. При попадании альфа-частицы в кристаллы сульфида финка возникает вспышка света.

Процесс преобразования кинетической энергии быстро заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией. сцинтилляция представляет собой одну из разновидностей явления люминесценции.

§ 3.3. Классификация элементарных частиц

Вопросы для закрепления материала На тему «Элементарные частицы»

• Дайте определения элементарных и фундаментальных частиц.
• Чем отличаются фермионы от бозонов?
• Как распределяются фермионы по энергетическим состояниям?
• Сформулируйте принцип зарядового сопряжения. Как была обнаружена первая античастица – позитрон?
• Охарактеризуйте такие процессы взаимопревращения частиц, как аннигиляция и рождение пары.
• Охарактеризуйте элементарные частицы – лептоны.
• На какие группы по спину делят адроны? На какие подруппы подразделяют барионы.
• В чем состояла кварковая гипотеза М. Геллмана и Д. Цвейга.

Вопросы для закрепления материала На тему «Элементарные частицы»

• Приведите расчет электрических возможных зарядов кварков. Как назвали эти кварки?
• Какие законы сохранения отражали сохранение в ядерных реакциях зарядового и массового числа. Сформулируйте закон о сохранении барионного заряда.
• Приведите важнейшие характеристики основных типов кварков. Как называют различные типы кварков.
• Можно ли с помощью счетчика Гейгера регистрировать незаряженные частицы.
• Можно ли с помощью камеры Вильсона регистрировать незаряженные частицы.
• Какие преимущества имеет пузырьковая камера по сравнению с камерой Вильсона.
• Объяснить принцип работы метод фотоэмульсий для регистрации частиц.