11 класс
Электродинамика
Электромагнитная индукция
Явление электромагнитной индукции состоит в возникновении ЭДС индукции в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.
Магнитный поток
Магнитным потоком Ф (потоком магнитной индукции) через поверхность площадью S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь и на косинус угла а между векторами и :
Ф = В • S-сов а, Ф = Вп • S, где Вп — проекция вектора магнитной индукции на нормаль к плоскости контура. Единицей магнитного потока является вебер (I Вб).
Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным потоком противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
Закон электромагнитной индукции
Сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в последнем появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемой ЭДС индукции. Обозначают ее .
Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:
случая возникновения ЭДС индукции
ЭДС индукции возникает в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющееся во времени поле. Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле, называемое вихревым электрическим полем. Линии напряженности представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля.
Работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника не равна нулю, она численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.
ЭДС индукции в проводниках, движущихся в постоянном магнитном поле, возникает за счет действия на свободные заряды проводника силы Ленца.
Электродинамический микрофон
Микрофоны широко применяются в радиовещании, звукозаписи, для телефонной связи и т.д. Их действие основано на электромагнитной индукции. Звуковая волна вызывает колебания диафрагмы из тонкой пленки или фольги и связанной с ней катушки. Витки катушки движутся в магнитном поле, и в них возникает переменная ЭДС индукции. В результате на зажимах катушки появляется переменное напряжение, вызывающее колебания электрического тока в цепи микрофона. Эти колебания после усиления могут быть поданы на громкоговоритель, записаны на магнитофонную ленту.
Самоиндукция. Индуктивность
Важным частным случаем электромагнитной индукции является самоиндукция. При самоиндукции изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС в том самом проводнике, по которому течет ток, создающий это поле. При замыкании цепи, содержащей источник постоянной ЭДС, определенное значение силы тока устанавливается не сразу, а с течением времени. При отключении источника ток в замкнутых контурах прекращается не мгновенно. Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике.
ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в проводнике:
где I — индуктивность контура, или коэффициент самоиндукции.
Индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с. Зависит от размеров проводника и его формы. Единица индуктивности — генри (1 Гн).
Энергия магнитного поля тока
Энергия магнитного поля тока равна той работе, которую должен совершить источник, чтобы создать данный ток:
Электромагнитное поле
Дж. Максвеллом был сделан вывод о порождении вихревого электрического поля переменным магнитным полем. Затем Максвелл предположил, что аналогичным образом переменное вихревое поле порождает вихревое магнитное поле. Электрические и магнитные поля — проявление единого целого — электромагнитного поля.
Колебания и волны
Электромагнитные колебания
Виды электромагнитных колебаний
При электромагнитных колебаниях происходят периодические изменения электрического заряда, силы тока и напряжения. Свободными колебаниями называются колебания в системе, которые возникают после выведения ее из положения равновесия (например, при разрядке конденсатора через катушку индуктивности).
Вынужденными колебаниями называются колебания в цепи под действием внешней периодической электродвижущей силы.
Колебательный контур
Простейшей системой, в которой наблюдаются свободные электромагнитные колебания, является колебательный контур. Он состоит из проволочной катушки и конденсатора. Полная энергия электромагнитного поля контура:
Уравнение колебательного контура
Уравнение, описывающее электромагнитные колебания, имеет вид:
где q — заряд конденсатора, — вторая производная заряда по времени, = — постоянная величина, зависящая от параметров колебательного контура: индуктивности L и емкости С.
Точно такое же по форме уравнение описывает колебания тела, скрепленного с пружиной, или математического маятника.
Амплитуда, период и частота колебаний
Электрический заряд (или ток) при свободных колебаниях меняется с течением времени по закону синуса или косинуса. Колебания, происходящие по закону синуса или косинуса, называются гармоническими.
Максимальное значение заряда называется амплитудой колебаний заряда. Вообще, амплитудой называется модуль наибольшего значения колеблющейся величины.
Решение уравнения, описывающего свободные колебания, выражается либо через косинус, либо через синус:
Минимальный промежуток времени, через который процесс повторяется полностью, называют периодом колебаний.
Частота колебаний — это число колебаний в единицу времени:
v=
= 2v
где — это число колебаний за 2 секунд, она называется циклической или круговой частотой. Частоту свободных колебаний называют собственной частотой колебательной системы.
Период свободных колебаний в контуре равен:
— формула Томсона
Фаза колебаний
Величину, стоящую под знаком синуса или косинуса, называют фазой колебаний. Выражается она в угловых единицах — радианах. Фаза определяет состояние колебательной системы в произвольный момент времени при заданной амплитуде колебаний.
Вынужденные колебания, т.е. переменный электрический ток, возникают в цепи под действием внешнего периодического напряжения. Сила тока в любой момент времени определяется:
где — амплитуда силы тока, — разность фаз между колебаниями силы тока и напряжением.
Активное сопротивление
В проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока по фазе совпадают с колебаниями напряжения.
— амплитуда силы тока
Величина, равная квадратному корню из среднего значения квадрата силы тока, называется действующим значением силы переменного тока:
Средняя мощность в цепи переменного тока определяется действующими значениями силы тока и напряжения.
Конденсатор
Колебания силы тока опережают колебания напряжения на конденсаторе на :
где Хс — емкостное сопротивление.
Сопротивление цепи с конденсатором обратно пропорционально произведению частоты на электроемкость.
Катушка индуктивности
Колебания силы тока отстают от колебаний напряжения на :
где — индуктивное сопротивление, равное произведению частоты на индуктивность.
Резонанс в электрической цепи
При совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура наступает резонанс — резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний силы тока. Резонанс выражен отчетливо лишь при малом активном сопротивлении контура.
Одновременно с возрастанием силы тока происходит резкое увеличение напряжения на конденсаторе и катушке. Явление электрического резонанса используется при радиосвязи.
Автоколебания
Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями. Автоколебания возбуждаются в колебательном контуре генератора на транзисторе за счет энергии источника постоянного напряжения. В генераторе используется транзистор, т.е. полупроводниковое устройство, состоящее из эмиттера, базы и коллектора и имеющее два р-п перехода. Колебания тока в контуре вызывают колебания напряжения между эмиттером и базой, которые управляют силой тока в цепи колебательного контура. От источника напряжения в контуре поступает энергия, компенсирующая потери энергии в контуре на резисторе.
Производство, передача и использование электрической энергии
Производство
Электрический ток вырабатывается преимущественно электромеханическими индукционными генераторами. Эти генераторы превращают механическую энергию в энергию электрического тока. Их действие основано на электромагнитной индукции. Основные составляющие части:
электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле;
обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС.
Передача
Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз без потерь мощности, осуществляется с помощью трансформаторов.
Трансформатор имеет две обмотки, надетые на стальной сердечник. Одна обмотка, первичная, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая, к которой присоединяют приборы, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.
Получаемое изменение напряжения определяется отношением числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке:
Таким образом, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).
Передачу электрической энергии по проводам выгодно осуществлять при высоком напряжении и малой силе тока. Трансформаторы на электростанциях повышают напряжение перед передачей энергии на большие расстояния. На конце линии электропередач напряжение понижают с помощью трансформаторов, и электрический ток поступает к потребителю.
Электромагнитные волны
Волновые явления
Волной называют колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Скорость волны конечна. Если колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны, то волны называются поперечными. Волна называется продольной, если колебания происходят вдоль направления распространения волны. Основное свойство всех волн состоит в переносе ими энергии без переноса вещества. Расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны.
Скорость волны равна произведению длины волны на частоту колебаний:
Электромагнитные волны
Электромагнитные волны возникают благодаря тому, что переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое в свою очередь порождает переменное электрическое поле. В окружающем заряд пространстве возникает система взаимно перпендикулярных, периодически изменяющихся электрических и магнитных полей. Образуется электромагнитная волна. В ней происходят колебания напряженности электрического поля и индукции магнитного поля. Векторы и перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны. Электромагнитные волны являются поперечными. Излучение электромагнитных волн происходит при быстрых колебаниях электрических зарядов, движущихся с ускорением. Энергетической характеристикой излучения служит плотность потока излучения, или интенсивность волны.
Плотностью потока электромагнитного излучения I называют отношение электромагнитной энергии , проходящей за время через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади Sна время :
где — плотность электромагнитной энергии, с — скорость ее распространения (с 300000 км/с).
Плотность потока электромагнитного излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника и прямо пропорциональна четвертой степени частоты колебаний:
Впервые электромагнитные волны получил Г.Герц. Для их излучения нужно создать электромагнитные колебания высокой частоты в открытом колебательном контуре. Основываясь на опытах Герца, А.С. Попов изобрел радио.
Принципы радиосвязи
Радиотелефонная связь осуществляется следующим образом. Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро изменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, моделируются колебаниями низкой (звуковой) частоты. Антенна передающей станции излучает модулированную электромагнитную волну. В радиоприемнике модулированные высокочастотные колебания преобразуются в колебания низкой частоты. Этот процесс называется детектированием.
Свойства электромагнитных волн
Электромагнитные волны поглощаются, отражаются и преломляются подобно всем другим видам волн. При использовании электромагнитных волн для радиосвязи как источник, так и приемник радиоволн чаще всего располагают вблизи земной поверхности. Форма и физические свойства земной поверхности, а также состояние атмосферы сильно влияют на распространение радиоволны. Также оно существенно зависит от длины волны. Короткие волны (= 10—100 м) многократно отражаются от ионосферы (слоев ионизированного газа) и поверхности Земли. Длинные волны ( 100 м) «скользят» вдоль поверхности Земли. Ультракороткие радиоволны (Я
В современной технике отражение радиоволн различными препятствиями находит широкое применение. Обнаружение и точное определение местонахождения объектов с помощью радиоволн называется радиолокацией.
Понятие о телевидении
Радиоволны используются и для передачи изображения. Принцип передачи изображения состоит в следующем. На передающей станции производится преобразование изображения в последовательность электрических сигналов. Затем этими сигналами модулируют колебания, вырабатываемые генератором высокой частоты. Модулированная электромагнитная волна переносит информацию на большие расстояния. В приемнике производится обратное преобразование. Высокочастотные модулированные колебания детектируются, а полученный сигнал преобразуется в видимое изображение.
Оптика
Световые волны
Скорость света
Скорость света в вакууме определена экспериментально. Она равна приблизительно 300000 км/с. Особое значение скорость света имеет потому, что ни одно тело в мире не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.
Принцип Гюйгенса. Закон отражения
Согласно принципу Гюйгенса каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн. Этот принцип позволяет с помощью простых геометрических построений находить волновую поверхность в любой момент времени по известной волновой поверхности в предшествующий момент.
Волна называется плоской, если поверхности равной формы (волновой поверхности) представляют собой плоскости.
Из построения Гюйгенса вытекает, что падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости; угол падения равен углу отражения.
Закон преломления света
Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред, также меняя при этом направление распространения. Это явление называется преломлением.
Падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред:
где а — угол падения, — угол преломления.
Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды.
Преломление света на границе двух сред обусловлено изменением скорости при переходе света из одной среды в другую. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению скоростей света в этих средах.
Полное отражение
Угол падения а0, соответствующий углу преломления 90°, называют предельным углом полного отражения.
Дисперсия света
Показатель преломления света, как впервые установил И. Ньютон, зависит от его цвета. Цвет света определяется частотой колебаний (или длиной световой волны). Зависимость показателя преломления света от частоты колебаний называется дисперсией. Дисперсия приводит к тому, что призма разлагает белый свет на спектр. Скорость света и длина волны уменьшаются при переходе из вакуума в среду. Частота колебаний остается неизменной.
Интерференция механических волн
Световые волны одинаковой длины волны, имеющие постоянную разность фаз, называются когерентными.
При наложении когерентных волн друг на друга наблюдается интерференция света. Волны усиливают или ослабляют друг друга.
Условие максимумов:
Амплитуда колебаний среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн.
Условие минимума:
Амплитуда колебаний среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн.
Интерференция света
Волны от разных источников света некогерентны из-за того, что разность фаз волн не остается постоянной. Когерентные волны образуются при отражении световых волн от двух поверхностей тонкой пленки. Так как разность фаз колебаний интерферирующих волн зависит не только от толщины пленки, но и от длины волны, то при освещении пленки белым светом образуется цветная интерференционная картина. Для красного света измерения дают кр. = 8 • м, а для фиолетового ф. = 4 • м. При переходе света из одной среды в другую длина волны изменяется.
Применение интерференции
Проверка качества обработки поверхностей.
Просветление оптики.
Дифракция света
Световые волны огибают препятствия, сравнимые по размерам с длиной световой волны. В этом состоит явление дифракции света. Звуковые волны также имеют способность огибать препятствия. Вторичные волны, испускаемые участками среды, проникают за края препятствия, расположенного на пути распространения волн. Так как длина световой волны очень мала, то наблюдение дифракции света затруднено и требует специальных приспособлений. Дифракция света налагает предел на разрешающую способность микроскопа и телескопа. Законы геометрической оптики выполняются приближенно при условии, что размеры препятствий на пути световых волн много больше длины волны.
Принцип Гюйгенса-Френеля
Волновая поверхность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат их интерференции.
Дифракционная решетка
На явлении дифракции основано устройство дифракционной решетки — совокупности большого числа щелей, разделенных узкими промежутками.
Значение углов , определяющих направления на дифракционные максимумы спектра, получаемого с помощью решетки, находят из равенства:
— период решетки.
Решетка разлагает белый свет на спектр и позволяет очень точно измерять длины световых волн.
Поперечность световых волн
Световые волны поперечны. Это доказано экспериментально при наблюдении прохождения света через анизотропные среды — кристаллы. Световая волна, в которой колебания происходят в определенной плоскости, называется поляризованной. Свет, создаваемый обычными источниками (естественный свет), не поляризован. Колебания в световой волне происходят по всем направлениям в плоскости, перпендикулярной к направлению ее распространения.
Согласно электромагнитной теории света, свет представляет собой поперечную электромагнитную волну. Доказательство поперечности световых волн явилось важным этапом в признании справедливости электромагнитной теории света.
Элементы теории относительности
Законы электродинамики и принцип относительности
Когда Дж.Максвелл сформулировал основные законы электродинамики, возник вопрос, распространяется ли принцип относительности, справедливый для механических явлений, и на электромагнитные явления. Иными словами, зависят ли электромагнитные процессы (взаимодействие зарядов и токов) от системы отсчета? В ходе поиска ответа обнаружились определенные противоречия между механикой Ньютона и электродинамикой. Возникшие препятствия пытались преодолеть тремя способами:
Объявить принцип относительности несостоятельным в применении к электромагнитным явлениям. Эту точку зрения защищал голландский физик Х. Лоренц.
Считать уравнения Максвелла неправильными. Г. Герц пытался изменить их, чтобы они при переходе от одной инерциальной системы к другой не менялись.
Отказаться от классических представлений о пространстве и времени, по которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчета. Изменять нужно законы механики, а не законы электродинамики Максвелла.
Правильной оказалась третья возможность. Развивая ее, А. Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени.
Постулаты теории относительности
Специальная теория относительности Эйнштейна основывается на двух постулатах.
Принцип относительности — главный постулат этой теории. Он гласит: все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
Согласно второму постулату, скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.
Инерциальная система отсчета — это система, относительно которой свободные (т.е. ни с чем не взаимодействующие) тела движутся с постоянной скоростью.
Относительность одновременности
Одновременность пространственно разделенных событий относительна. Представить себе это наглядно мы не можем из-за того, что скорость света много больше тех скоростей, с которыми движемся мы. Теория относительности представляет собой новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым классическим представлениям. Согласно теории относительности одновременности событий, расстояния и промежутки времени являются не абсолютными, а относительными. Они зависят от системы отсчета. Из теории относительности вытекает то, что скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.
Основные следствия, вытекающие из постулатов теории относительности
Относительность расстояний
где 10 — длина стержня в системе отсчета, относительно которой стержень покоится; l — длина этого стержня в системе, относительно которой стержень движется со скоростью (1 l0). В этом состоит релятивистское сокращение размеров тела в движущихся системах отсчета.
Относительность промежутков времени
где 0 — интервал времени между двумя событиями, происходящими в одной и той же точке инерциальной системы К; — интервал между этими же событиями в системе отсчета , движущейся относительно системы К со скоростью ( ). В этом состоит релятивистский эффект замедления времени в движущихся системах отсчета.
Релятивистский закон сложения скоростей
где — скорость движения системы отсчета относительно К; — скорость тела относительно ; — скорость тела относительно К. Если , то получим классический закон сложения скоростей:
Зависимость массы от скорости
При увеличении скорости тела его масса т не остается постоянной, а растет в соответствии с формулой:
где т0 — масса покоящегося тела.
Релятивистский импульс тела выражается формулой:
С учетом этого выражения для импульса можно основной закон релятивистской динамики записать в той же форме, что и второй закон Ньютона:
При увеличении скорости движения масса тела увеличивается. При с масса тела неограниченно возрастает (т оо).
Связь между массой и энергией
При увеличении внутренней энергии газа масса газа в сосуде увеличивается. Между массой газа и его энергией существует связь.
Энергия Е тела или системы тел равна массе, умноженной на квадрат скорости света:
Заметные изменения массы возможны только при очень больших изменениях энергии. Выражение Е0 = т0* с2 представляет собой энергию покоя (при скорости = 0). Любое тело благодаря факту своего существования обладает энергией, которая пропорциональна массе покоя т0.
Излучение и спектры
Виды излучений
Излучение света (электромагнитные волны) возможно при ускоренном движении заряженных частиц, которые входят в состав атомов. Чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенное количество энергии.
Виды излучений
Тепловое излучение. Потери атомами энергии при излучении света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов излучающего тела. Тепловые источники: Солнце, электрические лампы накаливания, пламя.
Электролюминесценция. Энергия может заимствоваться из нетепловых источников. При разряде в газах электроном создается кинетическая энергия. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн (северное сияние).
Катодолюминесценция. Свечение вызывается бомбардировкой твердых тел электронами (электронно-лучевая трубка телевизора).
Хемилюминесценция. При некоторых химических реакциях выделение энергии расходуется на излучение света. Свойством свечения обладают бактерии, насекомые, рыбы.
Фотолюминесценция. Тела начинают светиться под воздействием падающего на него излучения.
Спектры
Важнейшая характеристика излучения — распределение его энергии по частотам или длинам волн. Это распределение характеризуется спектральной плотностью интенсивности излучения — ). )— интенсивность излучения, приходящегося на небольшой спектральный интервал.
Спектральную плотность потока излучения можно найти экспериментально. Нужно получить с помощью призмы спектр излучения и измерить плотность потока излучения, приходящегося на небольшие спектральные интервалы . Очень черное тело почти полностью поглощает свет всех длин волн. Энергия излучения вызывает нагревание тела. Нужно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощенной в единицу времени энергии. Перемещая тело вдоль спектра, мы увидим, что большая часть энергии приходится на красную часть спектра. Спектры излучения исследуются с помощью спектральных аппаратов (спектрографы, спектроскопы). Основным элементом спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка. Эти приборы дают четкий спектр, хорошо разделяют волны различной длины и не допускают перекрытия отдельных участков спектра.
Виды спектров
Непрерывные спектры. Излучение, испускаемое твердыми, жидкими телами, сильно сжатыми газами, а также высокотемпературной плазмой, имеет непрерывный спектр. В непрерывном спектре представлены с различной интенсивностью все длины волн. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.
Линейчатые спектры. Излучение, испускаемое веществом в газообразном состоянии, имеет линейчатый спектр. Это самый фундаментальный, основной тип спектров. Длины волн линейчатого спектра зависят только от свойств атомов вещества и не зависят от способов возмущения атомов. На этом факте основан спектральный анализ. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах).
Полосатые спектры. Спектр излучения, которое испускают молекулы, состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Такой спектр называют полосатым. Для наблюдения молекулярных (т.е. полосатых) и атомарных (линейчатых) спектров обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.
Спектры поглощения. Поглощение света веществом зависит от длины волны. Вещество наиболее интенсивно поглощает свет как раз тех длин волн, на которых оно интенсивно испускает энергию в сильно нагретом состоянии. По линиям поглощения определяют химический состав Солнца и звезд. Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.
Спектральный анализ
Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго определенный набор длин волн. На этом основан спектральный анализ, т.е. метод определения химического состава вещества по его спектру. Линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и т.д. Спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии, с его помощью определяют химический состав руд и минералов, анализируется состав сложных органических смесей по их молекулярным спектрам.
Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения
Свет — это электромагнитные волны с длинами волн от 4 * до 8 • м. Излучение с длинами волн, превышающими длину волны красного света (8 • м), называют инфракрасным. Инфракрасные лучи испускает любое нагретое тело. Поэтому инфракрасные волны называют тепловыми. Инфракрасное излучение применяют для сушки лаковых покрытий, овощей и т.д. Изготовляются бинокли и оптические прицелы, позволяющие видеть в темноте.
Электромагнитные волны с длинами волн, меньшими 4* м, называют ультрафиолетовыми. Ультрафиолетовые лучи отличаются большой химической активностью. Действие их на кожу и сетчатку глаза очень разрушительно. Но в малых дозах ультрафиолетовые лучи производят целебное действие, лучи способствуют росту и укреплению организма, убивают болезнетворные бактерии. Обнаружить ультрафиолетовое излучение можно с помощью экрана, покрытого люминесцирующим веществом.
Рентгеновские лучи
Рентгеновские лучи были открыты в 1895 году немецким физиком В. Рентгеном. Длины волн рентгеновских лучей порядка размеров атомов. Большая проникающая способность рентгеновских лучей связывается именно с малой длиной волны. Рентгеновские лучи возникают при резком торможении электронов, прошедших ускоряющее напряжение в несколько киловольт. Для определения длины волны узкий пучок рентгеновских лучей был направлен на кристалл. Кристалл — это естественное устройство, которое должно вызвать дифракцию волн, если их длина близка к размерам атомов. На рисунке возникли небольшие пятнышки вокруг центрального пятна. Их появление объясняется дифракцией рентгеновских лучей. Длина волны рентгеновских лучей по порядку величины равна размерам атома ( см).
Эти лучи слабо поглощаются веществом. Их используют в медицине (рентгенодиагностика и рентгенотерапия); в технике (рентгенодефектоскопия — метод обнаружения раковин в отливках, трещин в рельсах, проверки качества сварных швов. Он основан на изменении поглощения рентгеновских лучей в изделии при наличии в нем полости или инородных включений).
В настоящее время рентгеновские лучи получают с помощью рентгеновских трубок. Катод представляет собой вольфрамовую спираль, испускающую электроны за счет термо-электронной эмиссии. Поток электронов затем соударяется с металлическим электродом (анодом). При этом рождаются рентгеновские лучи. Напряжение между анодом и катодом составляет десятки киловольт. В трубке при этом создается вакуум.
Шкала электромагнитных излучений
Шкала электромагнитных волн простирается от длинных радиоволн ( 1 км) до гамма-лучей (
Квантовая физика
Световые кванты
В начале XX века зародилась квантовая теория — теория движения и взаимодействия элементарных частиц и состоящих из них систем.
Для объяснения закономерностей теплового излучения М. Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Энергия каждой порции определяется формулой:
Е=h*,
где h = 6,63 • 1034 Дж • с — постоянная Планка, — частота света.
Фотоэффект
Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света. Для обнаружения фотоэффекта к электрометру присоединяют цинковую пластину'. При положительном заряде пластины освещение не влияет на быстроту разрядки электрометра. При отрицательном заряде световой пучок разряжает электрометр очень быстро. Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если пластина заряжена положительно, то вырванные светом электроны притягиваются к пластине и оседают на ней.
Законы фотоэффекта
Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны, т.е. число вырванных электронов пропорционально интенсивности излучения.
При изменении интенсивности света (плотности потока излучения) кинетическая энергия электронов не меняется. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты , то фотоэффект не происходит.
Теория фотоэффекта
Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 году А. Эйнштейном. В законах фотоэффекта он увидел доказательство, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Энергия Е каждой порции излучения по гипотезе Планка пропорциональна частоте:
Е=h*, где h — постоянная Планка.
Согласно представлениям Эйнштейна, поглощенная порция энергии Ь идет на совершение работы выхода А по вырыванию электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии:
Скорость электронов определяется частотой света и работой выхода, которая зависит от рода металла и состояния его поверхности. От интенсивности света скорость не зависит. Чтобы вырвать электрон из металла, даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Для наблюдения фотоэффекта энергия кванта должна быть больше этой работы: А.
Предельную частоту называют красной границей фотоэффекта:
Предельная частота фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна. Пользуясь уравнением Эйнштейна, можно найти постоянную Планка h:
h= 6,6 3* 1034 Дж*с
Фотоны
Фотон — элементарная частица, лишенная массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом. Это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодействие между заряженными частицами. При излучении и поглощении свет обнаруживает корпускулярные свойства. Фотон обладает определенной порцией энергии . Ее часто выражают не через частоту , а через циклическую частоту .
Е =, где h (читается «аш с чертой»)
= 1,05-* Дж*c
Импульс р фотона определяется формулой:
Направлен импульс фотона по световому лучу.
Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем отчетливее выражены корпускулярные свойства света.
В процессе распространения свет обнаруживает волновые свойства (явления интерференции и дифракции), а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпускулярные. Свет обладает дуализмом (двойственностью) свойств. Впоследствии было установлено существование корпускулярно-волнового дуализма у всех элементарных частиц.
Применение фотоэффекта
Фотоэффект широко используется в технике. С помощью специальных приборов — фото-элементов — энергия света управляет энергией электрического тока или превращается в нее. Фотоэлементы применяются в различных «видящих» автоматах. При попадании света на катод фотоэлемента в цепи возникает электрический ток, который включает или выключает реле. Одним из таких автоматов является автомат в метро. На явлении фотоэффекта основано устройство солнечных батарей.
Давление света
Из теории Максвелла следовало, что свет оказывает давление на препятствия. Давление это очень мало. Оно было впервые обнаружено и измерено П.Н. Лебедевым.
Давление света, согласно электродинамике Максвелла, возникает из-за действия силы Лоренца на электроны среды, колеблющиеся под действием электрического поля электромагнитной волны. С точки зрения квантовой теории давление появляется благодаря передаче телу импульсов фотонов при их поглощении. Согласно закону сохранения импульса импульс тела равен импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает, согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила. При обычных условиях световое давление очень мало, но внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин давление электромагнитного излучения достигает огромного значения.
Химическое действие света
Поглощение света веществом сопровождается химическим действием света. В зеленых листьях растений и во многих микроорганизмах важнейшие химические реакции происходят под действием света. Углекислый газ поглощается из атмосферы листьями и расщепляется на углерод и кислород. В этом состоит процесс фотосинтеза. Фотосинтез может протекать только под действием света определенного спектрального состава.
Химическое действием света лежит в основе фотографии. При обработке фотопластинки первая операция состоит в проявлении. Пластинка погружается в раствор веществ, под действием которых происходит выделение металлического серебра. На пластинке получается негативное изображение объекта, в котором место светлых участков занимают темные и наоборот. Следующая операция — закрепление. Благодаря этому пластинка становится нечувствительной к свету. После накладывают негатив на фотобумагу и получают после освещения и химической обработки позитивное изображение, на котором правильно передается распределение светлых и темных тонов.
Атомная физика
Строение атома. Опыты Резерфорда
Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Томсоном. По его мысли, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Атом водорода представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого находится электрон.
Э. Резерфорд, исследуя рассеяния -частиц веществом, установил существование атомного ядра. Положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в атомном ядре, размеры которого составляют 10—12—10—13 см (это в 10—100 тысяч раз меньше размеров атома). Заряд атомного ядра равен порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, умноженному на модуль заряда электрона.
На основе своих опытов Резерфорд выдвинул планетарную модель атома. Электроны в этой модели обращаются вокруг ядра подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Однако такой атом согласно законам классической физики не может быть устойчивым. Электроны должны излучать, теряя энергию, и упасть на ядро. В действительности же атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.
Вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение — это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы.
Квантовые постулаты Бора
Выход из этих трудностей был найден Н. Бором на пути дальнейшего развития квантовой теории. Бор выдвинул два постулата, идущие вразрез с классической механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Законы классической физики им не отвергались, новые постулаты налагали лишь некоторые ограничения на допускаемые классической физикой движения.
Первый постулат Бора гласит: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия ; в стационарном состоянии атом не излучает.
Согласно второму постулату Бора излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией Еп . Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний:
Модель атома водорода по Бору
На основании двух постулатов и правила квантования Бор определил радиус атома водорода и энергии стационарных состояний атома. Это позволило вычислить частоты излучаемых и поглощаемых атомом электромагнитных волн. Все частоты излучений атома водорода составляют ряд серий, каждая из которых образуется при переходах атома в одно из энергетических состояний со всех верхних энергетических состояний (состояний с большей энергией). Переходы в первое возбужденное состояние с верхних уровней образуют серию Бальмара. Поглощая свет, атом из низших энергетических состояний переходит в высшие.
Трудности теории Бора
Теория Бора не была логически последовательной. На ее основе не удалось построить количественную теорию более сложных атомов (атома гелия и др.). На самом деле движение электрона в атоме имеет очень мало общего с движением планет по орбитам. Большую часть времени электрон проводит на определенном расстоянии от ядра. Атом водорода представляет собой облака с переменной плотностью. Введение квантовых представлений требовало радикальной перестройки механики и электродинамики. Была создана квантовая механика и квантовая электродинамика.
Лазеры
На основе квантовой теории излучения были построены квантовые генераторы радиоволн и квантовые генераторы видимого света — лазеры. Лазеры создают когерентное излучение очень большой мощности. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения. На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.
Принцип действия
При прохождении волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет этой энергии часть атомов возбуждается, т.е. переходит в высшее энергетическое состояние.
Допустим, мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитная волна будет не ослабляться, а усиливаться за счет индуцированного излучения. Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной. Двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Выход был найден в использовании трех энергетических уровней. Эти необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, т.е. вся запасенная энергия выделяется за короткое время. Существуют также лазеры непрерывного действия — газовые и полупроводниковые. В газовых лазерах атомы возбуждаются электрическим разрядом, в полупроводниковых — энергия для излучения заимствуется от электрического тока.
Применение лазеров
В космическом пространстве.
В медицине (хирургические операции).
В светокамерах (измерение расстояний до предметов).
При химических реакциях.
Осуществление управляемой термоядерной реакции.
Физика атомного ядра
Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц
В ядерной физике изучается структура и превращение ядер. Для регистрации и изучения столкновений или взаимных превращений атомных ядер и элементарных частиц используют специальные устройства. Регистрирующий прибор представляет собой сложную систему, которая находится в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в более устойчивое состояние. Это позволяет зарегистрировать частицу.
Газоразрядный счетчик Гейгера
Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица, пролетая в газе, отрывает от атомов электроны, создавая положительные ионы и свободные электроны. Вследствие электрического поля возникает лавина электронов, и ток через счетчик резко возрастает. Счетчик Гейгера применяется для регистрации электронов.
Камера Вильсона
В камере Вильсона заряженная частица оставляет свой след, который можно сфотографировать. Действие камеры основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Их создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица. Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами спирта или воды, близкими к насыщению. Это неустойчивое состояние пара: пар легко конденсируется. Когда частица проникает в камеру, то на ее пути возникают капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы — трек. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оценивается ее скорость.
Пузырьковая камера
В перегретой жидкости на ионах, образующихся при движении быстрой заряженной частицы, возникают пузырьки пара, дающие видимый грек. Жидкость в камере находится под высоким давлением. Это предохраняет жидкость от закипания. При резком понижении давления жидкость окажется перегретой и будет находиться в неустойчивом состоянии. Пролетающие заряженные частицы вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара.
Метод толстослойных фотоэмульсий
Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристаллов бромида серебра. Заряженная частица отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении образуется трек частицы.
Открытие радиоактивности
В конце прошлого века А. Беккерель открыл явление радиоактивности. В результате опытов он обнаружил, что соли урана самопроизвольно, без каких-либо внешних влияний создают какое-то излучение. Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана и не зависит от того, в какие соединения он входит. Он сделал вывод, что свойство самопроизвольного излучения относится именно к атомам урана. В дальнейшем ученые обнаружили излучение тория. Исследование руд, содержащих уран и торий, позволило супругам Кюри выделить новые неизвестные химические элементы — полоний и радий. Было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.
Альфа-, бета- и гамма-излучения
На опыте было обнаружено, что при радиоактивном распаде рождаются -лучи, -лучи, -лучи. Эти три вида излучения очень сильно отличаются друг от друга тем, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами. Наименьшей проникающей способностью обладают -лучи, наибольшей — -лучи.
Гамма-лучи
Представляют собой электромагнитные волны малой длины (10-10—м). На шкале электромагнитных волн у-лучи следуют за рентгеновскими. Скорость распространения такая же, как у всех электромагнитных волн, — 300000 км/с.
Бета-лучи
Во время опытов было замечено, что -лучи сильно отклоняются и в магнитном, и в электрическом полях. При исследовании этого свойства было установлено, что -частицы представляют собой электроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. При этом встречаются частицы с самыми различными скоростями.
Альфа-частицы
Резерфорд провел ряд опытов по выяснению природы -частиц. Используя счетчик Гейгера, он определил число частиц, испускавшихся радиоактивным препаратом за определенное время; затем электрометром измерил заряд а- частиц, испущенных за такое же время. Отношение этих величин равно заряду одной -частицы. Такой же заряд и относительную массу имеет ядро гелия. Следовательно, - частица - это ядро атома гелия. Резерфорд затем еще доказал, что при радиоактивном -распаде образуется гелий.
Радиоактивное превращение
Сразу после открытия радиоактивности выяснилось, что излучение сопровождается выделением энергии. На протяжении суток, месяцев и лет интенсивность излучения заметно не изменялась, и энергия продолжала непрерывно выделяться. Было сделано предположение, что атомы претерпевают какие-то превращения. Проводя опыты с торием, Резерфорд смог выделить радиоактивный газ. Проводя его исследования, он нашел, что газ не вступает ни в какие реакции, т.е. является инертным газом. В дальнейшем газ был назван радоном.
Таким образом, радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных
Закон радиоактивного распада. Период полураспада
Согласно закону радиоактивного распада для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого его активность убывает в 2 раза. Этот интервал носит название периода полураспада. Период полураспада Т — это то время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов. В зависимости от вещества период полураспада меняется в широких пределах: от миллиардов лет до долей секунды.
Основной закон радиоактивного распада:
где — число радиоактивных атомов в начальный момент времени t = 0; t— время; Т — период полураспада; N — число нераспавшихся атомов спустя время I.
Чем меньше период полураспада, тем меньше времени живут атомы, тем быстрее происходит распад. Закон радиоактивного распада определяет среднее число атомов, распадающихся за определенный интервал времени. Но всегда имеются неизбежные отклонения от среднего значения. Чем меньше количество атомов в препарате, тем больше эти отклонения.
Изотопы
В результате наблюдений выяснилось, что существуют вещества одинаковые по своим химическим свойствам, но имеющие различные радиоактивные свойства. Эти элементы решили поместить в одну и ту же клетку периодической системы Д.И. Менделеева и назвали их изотопами (т.е. занимающими одинаковые места). У изотопов заряды атомных ядер одинаковы, но массы ядер различны. Ядра могут быть как радиоактивными, так и стабильными. В настоящее время установлено существование изотопов у всех химических элементов.
Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет лишь химические и некоторые физические свойства. Масса атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице.
Открытие нейтрона
Резерфорд впервые произвел искусственное превращение атомных ядер, бомбардируя их -частицами, испускаемыми радиоактивными веществами. Первое ядро, которое он использовал в опыте, было ядро атома азота. В результате Резерфорд обнаружил появление протонов — ядер атома водорода.
В 1932 году Д. Чедвик с помощью подобных опытов открыл новую элементарную частицу — нейтрон. Заряд нейтрона равен нулю, а масса приблизительно равна массе протона (лишь незначительно превышая ее).
Нейтрон — нестабильная частица: свободный нейтрон за время около 15 минут распадается на протон, электрон и нейтрино — частицу, лишенную массы покоя.
Строение атомного ядра. Ядерные силы
В. Гейзенберг и Д. Иваненко предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно атомному номеру элемента Z в периодической системе Д.И. Менделеева. Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают А:
A = Z + N
Изотопы представляют собой ядра с одним значением Z, но с различными массовыми числами А, т.е. с различным числом нейтронов N.
Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра короткодействующими силами. Эти силы называются ядерными. Они примерно в 100 раз превосходят электрические силы. Это самые мощные силы из всех, которые есть в природе. Взаимодействия ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями. Ядерные силы заметно проявляются лишь на расстояниях, равных по порядку величины размерам ядра ( см).
Энергия связи атомных ядер
Важнейшим для всей ядерной физики является понятие энергии связи. Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. Можно также утверждать, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.
Измерения масс ядер показывают, что масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов:
Мя Z* тр + N* тп
Существует дефект масс:
М = Z* тр + N* тп — Мя
= (Z*тр + N*тп- Мя) • с2
Частицы при образовании ядра за счет действия ядерных сил устремляются друг к другу с огромным ускорением. Излучаемые при этом -кванты как раз обладают энергией . и массой
М =
Удельной энергией связи называют энергию связи, приходящуюся на один нуклон ядра. Ее определяют экспериментально. Энергия связи ядер в миллионы раз превышает энергию ионизации атомов.
Ядерные реакции
Ядерными реакциями называют изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. Они происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и начинают действовать ядерные силы. Сближение положительно заряженных частиц с ядрами затруднено, так как одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, поэтому сближение возможно, если этим частицам сообщена большая кинетическая энергия. В соответствии с законом сохранения энергии изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц.
Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции. Из этого следует, что при ядерных реакциях происходит выделение или поглощение энергии. Нейтроны лишены заряда, и они беспрепятственно проникают в атомные ядра и вызывают их изменения, т.е. нейтроны могут вызывать ядерные реакции при небольших энергиях.
Деление ядер урана
Ядра урана, тория и других тяжелых элементов способны делиться под влиянием нейтронов. При этом выделяется в каждом акте деления энергия порядка 200 МэВ. Деление атомных ядер тяжелых элементов возможно благодаря тому, что удельная энергия связи этих ядер меньше удельной энергии связи ядер элементов середины периодической системы Д.И. Менделеева.
Механизм деления ядра
Между протонами действуют ядерные силы притяжения. Эти силы удерживают ядро от распада. Захватив лишний нейтрон, ядро возбуждается, деформируется, приобретая вытянутую форму. Когда силы отталкивания начинают преобладать над силами притяжения, ядро разрывается на две части. Эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света. Практическое использование внутриядерной реакции оказалось возможным благодаря испусканию в процессе деления 2-3 нейтронов.
Цепные ядерные реакции
Любой из нейтронов, вылетающий из ядра в процессе деления, может вызвать деление другого ядра, испускающего нейтроны. Число делящихся ядер быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой реакции. При цепных реакциях выделяется огромная энергия. Для осуществления цепной реакции пригодны ядра изотопа урана с массовым числом 235, т.е. .
Коэффициентом k размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения». Если к 1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным и цепная реакция идет. При k 1 число нейтронов убывает и цепная реакция невозможна.
Изотопы урана после захвата нейтронов образуют радиоактивный изотоп с периодом полураспада 23 минуты. При распаде возникает нептуний . Нептуний -радиоактивен с периодом полураспада около двух дней. В процессе распада образуется плутоний:
С помощью плутония также может быть осуществлена цепная реакция, сопровождаемая выделением громадной энергии.
Ядерный реактор
Ядерным (атомным) реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер. Основные элементы ядерного реактора: ядерное горючее (уран-235, плутоний), замедлитель нейтронов (вода, графит), теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий) и устройство регулировки скорости реакции (стержни, которые содержат кадмий и бор, для поглощения нейтронов). Снаружи реактор окружен оболочкой, задерживающей у-излучение и нейтроны.
Коэффициент размножения k может стать равным 1 при условии, что размеры реактора и масса урана превышают некоторые критические значения. Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция. Построены реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. Их преимущество в том, что при их работе образуется значительное количество плутония, который используется в качестве ядерного топлива. Эти реакторы называются реакторами-размножителями.
Термоядерные реакции
Термоядерные реакции — это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре. При этом выделяется значительная энергия. За счет термоядерных реакций Солнце и звезды выделяют энергию на протяжении миллиардов лет. Для слияния ядер необходимо, чтобы они попали в зону действия ядерных сил. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер, которое зависит от температуры.
Температура нагревания реагирующих веществ должна быть порядка сто миллионов кельвин. Такие температуры могут быть достигнуты путем создания в плазме электрических разрядов. Но невозможно удержать плазму такой температуры в установке на протяжении 0,1-1 секунды. Единственная возможность удержать плазму в ограниченном объеме с помощью сильных магнитных полей еще никем не воплощена.
В нашей стране построена первая в мире атомная электростанция. После аварии на Чернобыльской АЭС приняты дополнительные меры по безопасности атомных реакторов.
Ядерное оружие
Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом размножения нейтронов осуществляется в атомной бомбе. При взрыве бомбы температура достигает десятков миллионов кельвин. Резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции сильно радиоактивны и опасны для жизни.
Получение радиоактивных изотопов. Их применение
С помощью ядерных реакций возможно получение радиоактивных изотопов всех химических элементов, существующих в природе только в стабильном состоянии. Также были получены элементы: америций (I = 95), кюрий (Z= 96), берклий (Z = 97), калифорний (Z= 98), эйнштейний (Z= 99), фермий (Z = 100), менделевий (Z= 101), нобелий (Z= 102), лоуренсий (Z= 103) и т.д.
Радиоактивные изотопы широко применяются в науке, медицине, технике как компактные источники у-лучей. Главным образом используется радиоактивный кобальт.
Радиоактивные изотопы позволяют судить о диффузии металлов, процессах в доменных печах. Мощное у-излучение радиоактивных препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.
Облучение семян растений небольшими дозами у- лучей приводит к заметному увеличению урожая, у-излучение радиоактивных изотопов используется для борьбы с вредными насекомыми и для консервации продуктов.
Биологическое действие радиоактивных излучений
Излучения радиоактивных веществ оказывают сильное воздействие на все живые организмы. Механизм поражающего излучения сводится к ионизации атомов и молекул, что приводит к изменению их химической активности. Облучение оказывает сильное влияние на наследственность, поражая гены в хромосомах. Но в то же время у-лучами возможно подавление раковой опухоли.
Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения. Поглощенной дозой излучения называется отношение поглощенной энергии Е ионизирующего излучения к массе т облучаемого вещества:
Поглощенную дозу выражают в грэях (1 Гр). На практике широко используется внесистемная единица дозы излучения — рентген.
При работе с любым источником радиации необходимо принимать меры по радиационной защите людей. Простой метод защиты — это удаление от источника излучения на достаточное расстояние, а также использование для защиты от излучения преграды из поглощающих материалов.
1 358
50 917 
