Контрольні питання

1. Дайте визначення явищу фотоефекта.

2. Виконання якої умови необхідно для виникнення зовнішнього фотоефекта?

3. Які властивості – хвильові чи корпускулярні – проявляє світло у явищі фотоефекту?

4. Сформулюйте закони фотоефекту та поясніть їх на основі квантової теорії світла.

5. Що таке „квант”?

6. Чому дорівнює відношення кванта енергії до частоти випромінювання?

7. Як ва розумієте корпускулярно-хвильовий дуалізм?

Література

1.Гончаренко С.У. Фізика. Підручник для 11-х кл.середньої загальноосвітньої школи.

К. : Освіта, 2002. .§§ 86-95...

2.Підручник. 2.Жданов Л. С. , Жданов Г. Л. Фізика для середніх спеціальних навчальних закладів. М., Наука, 1984.§§ 35.1-35.18.

Атом і атомне ядро План

1. Моделі атома

2. Досліди Резерфорда.

3. Постулати Бора.

4. Індуковане випромінювання. Принцип дії лазера.

5. Склад ядер атомів. Ізотопи.

6. Дефект мас. Енергія зв’язку

7. Ядерні реакції.

8. Радіоактивність. Реакції розпаду.

9. Закон радіоактивного розпаду.

10.Методи реєстрації іонізуючих випромінювань

11.Поділ ядер урану.

12.Термоядерні реакції.

Моделі атома

На початку 20-го століття визнаною була модель будови атома Томсонів (Уільяма і Джозефа), що образно називалась "пудинг з ізюмом".

Однак була і інша модель (автор її — Нагаока), що називалась "сатурніанський атом", у ній припускалось, що електрони по спільній орбіті (як по "кільцю Сатур­на") рухаються навколо ядра із зосеред­женим у ньому позитивним зарядом.

Досліди Резерфорда

Т аку назву одержали досліди, проведені в лабораторії Резерфорда його учнями Марсденом і Гейгером. На металеву фольгу F спрямовували потік -частинок (ядер гелію) і через мікроскоп спостерігали їх роз­сіювання фольгою (по спалахах світла на екрані S з сірчистого цинку). Було ви­явлено, що більшість частинок проходять крізь фольгу безперешкодно, але невели­ка кількість частинок відкидається май­же назад, відхиляючись ядром.

Таким чином, експерименти довели:

1) недостовірність моделі Томсонів;

2) існування ядер в атомах.

Постулати Бора

Нільс Бор запропонував "планетар­ну" модель атома. Недоліком мо­делі з електронами, що обертаються навколо ядра, є неминуча нестійкість такої системи: заряджена частинка, яка рухається по колу (тобто має прискорення), повинна випромінюва­ти, втрачаючи внаслідок цього енер­гію; тому траєкторією електрона була б спіраль, а не коло (електрон "давно упав би на ядро").

Рятуючи ситуацію, Бор сформулював постулати:

а) в атомі існує набір стаціонарних орбіт (цілком певних радіусів для кожного атома), рух по яких електронів не супроводжується зміною енергії;

б) при переході електрона з однієї такої орбіти на іншу його енергія змінюється стрибкоподібно.

Переходи електронів з ближніх орбіт на віддалені — результат погли­нання квантів світла, а при зворотних переходах відбувається випус­кання фотона:

.

Індуковане випромінювання. Принцип дії лазерів

Падаючи на речовину, атоми якої знаходяться у незбудженому стані, світло поглинається (а); зворотні переходи з випусканням фотона відбу­ваються самочинно (спонтанно), (б). Якщо ж атоми речовини були попе­редньо збуджені, то світло, проходячи через речовину, підсилюється за рахунок приєднання до нього фотонів вимушеного випромінювання (в).

Ефект вимушеного випромінювання ліг в основу дії оптичних кванто­вих підсилювачів (ОКП) і генераторів (ОКГ) світла. Теорію квантових генераторів розробили М. Г. Басов, О. М. Прохоров і Ч. Таунс. Перший ОКГ (названий лазером) сконструював Т. Мейман. Робочою речовиною першого лазе­ра був рожевий рубін (кристал Al₂О₃ з домішкою ≈0,05% Сr₂O₃).

Особливості випромінювання лазерів: висока когерентність, мале роз­ходження, велика інтенсивність.

Склад ядер атомів. Ізотопи

Ядро "звичайного" водню (протію) являє собою один протон. Ядра атомів інших елементів мають декілька протонів і нейтронів. Нейтрон не має заряду (хоча, за даними науки, всередині нього, як і всередині протона, є заряджені частинки, -мезони, або "піони", обох знаків. У нейтрона їх сумарний заряд дорівнює нулю).

І протон, і нейтрон — нуклони (ядерні частинки, від "писіеиз" — ядро). Більшість хімічних елементів може існувати у вигляді кількох ізотопів (речовин, у ядрах атомів яких міститься однакове число протонів N_р, але різне число нейтронів М_n).

Символічно ядро позначають , де Z = N_р (зарядове число), А = N_р + N_n (масове число).

Приклади ізотопів: а) ізотопи водню Н ("звичайний" водень або протій), Н = D (дейтерій), Н = Т (тритій); ізотопи урану U, U.

Дефект маси. Енергія зв'язку ядер

Маса готового ядра менше суми мас його складових:

.

Цьому дефекту маси відповідає енер­гія зв'язку нуклонів у ядрі (енергія, з якою вони утримуються там або яка потрібна для поділу всього ядра на окремі нуклони). Звичайно роз­глядають питому енергію зв'язку.

Нуклони утримуються в ядрі ядерними силами, які превищують куло-нівське відштовхування між протонами. Ядерні сили — обмінного типу, нуклони обмінюються Ж-мезонами (зарядженими позитивно, негатив­но і нейтральними); .

З графіка очевидні два способи звільнення внутрішньоядерної енергії:

а) поділ важких ядер на більш легкі;

б) злиття легких ядер у більш важкі (синтез більш важких).

Ядерні реакції

Це — зміни ядер при взаємодії між собою або з "елементарними" час­тинками (субатомними, тобто такими, з яких складаються атоми, або які утворюються при взаємодії субатомних частинок).

Радіоактивність

Це — самочинне перетворення ядер одних атомів у ядра інших з випусканням трикомпонентного випромінювання: ядер гелію ( -частинки), швид­ких електронів ( -частинки) і електромагнітних -променів типу рентгенівських. Як і в ядерних реакціях, в реакціях розпаду зберігається заряд та маса.

Рівняння розпаду:

- -розпад

- - розпад

Закон радіоактивного розпаду

де — число радіоактивних атомів у момент t = 0,

Т— період піврозпаду (час, за який розпадається ядер),

N — число атомів, що не розпались через час t.

Методи реєстрації іонізуючих випромінювань

Лічильник Гейзера

У наповненій аргоном трубці 2 про- І літаюча через газ частинка іонізує його, замикаючи коло між катодом (1) і анодом (3) і створюючи імпульс напруги на резисторі R.

Камера Вільсона

Камера заповнена сумішшю газу (ар­гон, азот) з насиченою парою води або спирту. Розширюючи газ поршнем, переохолоджують пару, пролітаюча досліджувана частинка іонізує атоми газу, на яких конденсується пара, створюючи краплинний трек (слід).

Бульбашкова камера

Дональд Глезер сконструював камеру, в якій можна досліджувати час­тинки значно більшої енергії, ніж у камері Вільсона, бо густина робочої речовини камери Глезера значно більша, ніж густина робочої речовини камери Вільсона. Бульбашкова камера містить легкокиплячу рідину (зріджений пропан, водень). У перегретій перед дослідженням рідині досліджувана частинка створює бульбашковий трек.

Поділ ядер урану

П оглинаючи нейтрон, ядро урану ви­довжується, розпадається на 2 фраг­менти (осколки, дочірні ядра), які ви­пускають по 2 чи 3 нейтрони (а). (*) Делкі з них в свою чергу ділять ядра і т, д. (розвивається ланцюгова ре­акція поділу (б)).

Приклади використання поділу ядер урану широко відомі (атомні елект­ростанції, теплоцентралі, двигуни криголамів).

(*) Ці "миттєві" нейтрони вилітають з осколків, а не із збудженого ядра, як це зображено в багатьох підруч­никах.

Термоядерні реакції

Так називають реакції синтезу ядер з більш легких, бо для об'єднання легких ядер вихідні речовини треба нагріти до дуже високої температу­ри, щоб кінетична енергія ядер перевищувала енергію відштовхування протонів. Наприклад, для злиття ядер дейтерію і тритію потрібна енергія близько 10⁸К. Поки що такі реакції йдуть тільки некеровано, у вод­невій бомбі, де вихідна речовина — дейтерид літію LiD; схеми реакцій: