Сборник лекций по физике по разделу Квантовая физика

Пояснительная записка

Физика как наука о наиболее общих законах природы, выступая в качестве учебного предмета в школе, вносит существенный вклад в систему знаний об окружающем мире. Она раскрывает роль науки в экономическом и культурном развитии общества, способствует формированию современного научного мировоззрения. Для решения задач формирования основ научного мировоззрения, развития интеллектуальных способностей и познавательных интересов школьников в процессе изучения физики основное внимание следует уделять не передаче суммы готовых знаний, а знакомству с методами научного познания окружающего мира, постановке проблем, требующих от учащихся самостоятельной деятельности по их разрешению. Подчеркнем, что ознакомление школьников с методами научного познания предполагается проводить при изучении всех разделов курса физики, а не только при изучении специального раздела «Физика и методы научного познания»

Гуманитарное значение физики как составной части общего образовании состоит в том, что она вооружает школьника научным методом познания, позволяющим получать объективные знания об окружающем мире.

Знание физических законов необходимо для изучения химии, биологии, физической географии, технологии, ОБЖ.

Курс физики в программе среднего (полного) общего образования структурируется на основе физических теорий: механика, молекулярная физика, электродинамика, электромагнитные колебания и волны, квантовая физика.

Особенностью предмета физика в учебном плане образовательной школы является и тот факт, что овладение основными физическими понятиями и законами на базовом уровне стало необходимым практически каждому человеку в современной жизни.

Реализация данной рабочей программы предусматривает достижение следующих целей изучения физики:

·        освоение знаний о фундаментальных физических законах и принципах, лежащих в основе современной физической картины мира; наиболее важных открытиях в области физики, оказавших определяющее влияние на развитие техники и технологии; методах научного познания природы;

·        овладение умениями проводить наблюдения, планировать и выполнять эксперименты, выдвигать гипотезы и строить модели, применять полученные знания по физике для объяснения разнообразных физических явлений и свойств веществ; практического использования физических знаний; оценивать достоверность естественнонаучной информации;

·        развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в процессе приобретения знаний и умений по физике с использованием различных источников информации и современных информационных технологий;

·        воспитание убежденности в возможности познания законов природы; использования достижений физики на благо развития человеческой цивилизации; необходимости сотрудничества в процессе совместного выполнения задач, уважительного отношения к мнению оппонента при обсуждении проблем естественнонаучного содержания; готовности к морально-этической оценке использования научных достижений, чувства ответственности за защиту окружающей среды;

·        использование приобретенных знаний и умений для решения практических задач повседневной жизни, обеспечения безопасности собственной жизни, рационального природопользования и охраны окружающей среды.

Для достижения комплекса поставленных целей в процессе изучения физики предусмотрено формирование обще-учебных умений и навыков, универсальных способов деятельности и ключевых компетенций. Приоритетами для курса физики на этапе среднего (полного) общего образования являются:

Познавательная деятельность:

·        использование для познания окружающего мира различных естественнонаучных методов: наблюдение, измерение, эксперимент, моделирование;

·        формирование умений различать факты, гипотезы, причины, следствия, доказательства, законы, теории;

·        овладение адекватными способами решения теоретических и экспериментальных задач;

·        приобретение опыта выдвижения гипотез для объяснения известных фактов и экспериментальной проверки выдвигаемых гипотез.

Информационно-коммуникативная деятельность:

·        владение монологической и диалогической речью, развитие способности понимать точку зрения собеседника и признавать право на иное мнение;

·        использование для решения познавательных и коммуникативных задач различных источников информации.

Рефлексивная деятельность:

владение навыками контроля и оценки своей деятельности, умением предвидеть возможные результаты своих действий:

организация учебной деятельности: постановка цели, планирование, определение оптимального соотношения цели и средств.

Лекция 1. Гипотеза Планка о квантах.

Планк Макс (1858–1947) – немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой теории. Работы относятся к термодинамике, теории теплового излучения, теории относительности, квантовой теории, истории и методологии физики, философии науки. Вывел закон распределения энергии в спектре абсолютно черного тела. Ввел фундаментальную постоянную с размерностью действия. Формула Планка для теплового излучения сразу же получила экспериментальное подтверждение.

      В своих расчетах Планк выбрал наиболее простую модель излучающей системы (стенок полости) в виде гармонических осцилляторов (электрических диполей) со всевозможными собственными частотами. Здесь Планк следовал Рэлею. Но Планку пришла мысль связать с энергией осциллятора не его температуру, а его энтропию. Оказалось, что полученное выражение хорошо описывает экспериментальные данные (октябрь 1900 г.). Однако обосновать свою формулу Планк смог только в декабре 1900 года, после того, как более глубоко понял вероятностный смысл энтропии, на которую указал Больцман ( ).

Термодинамическая вероятность  – число возможных микроскопических комбинаций, совместимое с данным состоянием в целом.

      В данном случае это число возможных способов распределения энергии между осцилляторами. Однако, такой процесс подсчета возможен, если энергия будет принимать не любые непрерывные значения, а лишь дискретные значения, кратные некоторой единичной энергии. Эта энергия колебательного движения должна быть пропорциональна частоте.

      Итак, энергия осциллятора должна быть целым кратным некоторой единицы энергии, пропорциональной его частоте.                           

        где n = 1, 2, 3…

      Минимальная порция энергии   ,

 где  – постоянная Планка;  и .

       То, что   – это гениальная догадка Макса Планка.

      Принципиальное отличие вывода Планка от выводов Рэлея и других в том, что «не может быть и речи о равномерном распределении энергии между осцилляторами».

      Окончательный вид формулы Планка:              (1)    

или  (2)       

      Из формулы Планка можно получить и формулу Рэлея–Джинса, и формулу Вина, и закон Стефана–Больцмана.

В области малых частот, т.е. при , , поэтому  ,  отсюда получается формула Рэлея–Джинса:                         

 ·  

 В области больших частот, при  ,единицей в знаменателе можно пренебречь, и получается формула Вина:

.

Из (1) можно получить закон Стефана–Больцмана:          .        (3)

      Введем безразмерную переменную  , тогда                  

.

      Подставив в (3) эти величины и проинтегрировав, получим:          .

      То есть получили закон Стефана–Больцмана:   .

      Таким образом, формула Планка полностью объясняла законы излучения абсолютно черного тела. Следовательно, гипотеза о квантах энергии была подтверждена экспериментально, хотя сам Планк не слишком благосклонно относился к гипотезе о квантовании энергии. Тогда было совершенно не ясно, почему волны должны излучаться порциями.

      Для универсальной функции Кирхгофа Планк вывел формулу:       .         (4) 

        где с – скорость света.

      излучения черного тела во всем интервале частот и температур (рис. 1.3). Теоретически вывод этой формулы М. Планк представил 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого физического общества. Этот день стал датой рождения квантовой физики.

      Из формулы Планка, зная универсальные постоянные h, k и c, можно вычислить постоянную Стефана–Больцмана σ и Вина b. С другой стороны, зная экспериментальные значения σиb, можно вычислить h и k (именно так было впервые найдено числовое значение постоянной Планка).

      Таким образом, формула Планка не только хорошо согласуется с экспериментальными данными, но и содержит в себе частные законы теплового излучения. Следовательно, формула Планка является полным решением основной задачи теплового излучения, поставленной Кирхгофом. Ее решение стало возможным лишь благодаря революционной квантовой гипотезе Планка.

Лекция 2. Фотоэффект. Фотон.

Световые Кванты

В конце XIX в. было открыто явление, которое не могла объяснить классическая электродинамика Максвелла. Этим явлением оказался фотоэлектрический эффект.

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют явление испускания электронов веществом под действием света. Оно было открыто Г. Герцем в 1887 г., а первые экспериментальные исследования были выполнены русским ученым А. Г. Столетовым, который установил ряд закономерностей фотоэффекта.

Для решения проблемы излучения энергии абсолютно черным телом М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: излучение электромагнитных волн происходит порциями. Энергия порции излучения пропорциональна частоте излучения:

где h - постоянная Планка и равна h = 6,63 • 10^-34Дж*/с, v - частота излучения. Впоследствии эта порция излучения была названа квантом, фотоном.

В дальнейшем при изучении фотоэффекта различными учеными были открыты его законы. При этом использовалась установка, собранная по схеме (рис.110).

В стеклянный баллон, из которого выкачали воздух, помещали два электрода. Внутрь баллона через кварцевое стекло, которое пропускает ультрафиолетовые лучи, поступает свет. На электроды подается напряжение, причем освещаемый электрод подключается к отрицательному полюсу источника тока. Напряжение, подаваемое на электроды, можно изменять с помощью потенциометра и измерять вольтметром. Под действием света отрицательно заряженный электрод испускает электроны, которые, направляясь к положительно заряженному электроду, образуют электрический ток. Если, не меняя интенсивность излучения, изменять разность потенциалов между электродами, то можно получить вольт-амперную характеристику (зависимость I от U) (рис. 111).

При достижении максимального значения сила тока не меняется. Максимальное значение силы тока I_В называют током насыщения. Изменяя в опыте интенсивность излучения, удалось установить первый закон фотоэффекта: количество электронов, вырываемое с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощенной энергии световой волны.

Электроны, вылетающие с поверхности катода, имеют некоторую скорость и могут достичь анода. Чтобы ток стал равен нулю, необходимо изменить полярность батареи и подать напряжение U₃ (задерживающее напряжение), которое определяется выражением:

При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не меняется. Оно меняется с изменением частоты падающего света.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с его частотой и не зависит от интенсивности падающего света.

Если частота света меньше некоторой постоянной величины для данного вещества, то фотоэффект не наблюдается.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует "красная граница" - минимальная частота V_К(максимальная длина волны Л_к), при которой фотоэффект еще наблюдается.

Классическая электродинамика Максвелла не смогла объяснить второй и третий законы фотоэффекта и, кроме того, безынерционность этого явления. Квантовая теория легко объясняет все законы фотоэффекта.

1-й закон. Согласно квантовой теории свет испускается в виде потока квантов. Чем больше поток квантов, тем больше интенсивность света и тем большее число электронов будет выбито с поверхности металла. Если напряжение будет таким, что все электроны, выбитые фотонами, достигнут электрода (положительного), то ток насыщения будет зависеть от интенсивности света.

А. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается квантами, как это показал М. Планк, но и поглощается квантами. Энергия кванта света расходуется на сообщение электрону кинетической энергии и на работу его выхода из катода, т. е.

где hv - энергия поглощенного кванта, А_вых- работа выхода электронов из вещества,

- кинетическая энергия электрона. Уравнение А. Эйнштейна представляет собой закон сохранения энергии при фотоэффекте.

2-й закон. Примем условие, что один электрон поглощает один квант. Тогда его потенциальная и кинетическая энергия увеличивается, при этом совершается работа выхода (А) и приобретается скорость v. Энергия кванта света hv идет на совершение работы выхода А_вых, т. е. работы, которую надо совершить для вырывания электронов из металла и на сообщение ему кинетической энергии:

= hv - А. Так как работа выхода для данного вещества постоянна, то очевидно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов (выбитшьяад дейнявием свете) линейно зависит от частоты.

3-й закон. Как видно из уравнения А. Эйнштейна, фотоэффект будет наблюдаться, если hv > А_вых. При hv < А_вых фотоэффект не наблюдается. Если hv_кp = А, то электроны освобождаются с нулевой скоростью. Учитывая, что

Отсюда можно вычислить красную границу фотоэффекта v_кp

 

Фотон

В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц, которая обладает следующими свойствами:

1.    Фотон является электрически нейтральной частицей, т. е. его заряд равен нулю (q = 0).

2.    Во всех системах отсчета скорость фотона равна скорости света в вакууме (м = с).

3.    Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения, квантом которого он является (Е = hv).

4.    Импульс фотона равен отношению его энергии к скорости и обратно пропорционален длине волны

Применение фотоэффекта: телевидение; звуковое кино; энергетика (солнечные батареи); быстродействующие реле (автоматика), военная техника и др.

Лекция 3.  Волновые и корпускулярные свойства света.

         Первые  представления древних   ученых о том, что такое свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Эта точка зрения имела большое число последователей, среди которых был Эвклид,  Птолемей и многие другие ученые и философы. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались Лукреций, Демокрит.

 В это же время Эвклидом был сформулирован  закон прямолинейного распространения света. Он  писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”.

 Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эти точки зрения можно считать уже забытыми.

             В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа.

 Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая – с именем Гюйгенса.

             Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

             Согласно же представлениям Гюйгенса, свет – это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел.

             Обе теории  длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

             На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.

             Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния.

             Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

             Такое неопределенное положение относительно природы света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции света (огибания светом препятствий) и интерференция света (усиление или ослабление освещенности при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присуще исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу.

             Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX  века показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.

             После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось.

             Однако в нале XIX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности.

             При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

             Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения – считая свет потоком частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света в 30-х годах XX века удалось непротиворечивым образом  объединить в новой выдающейся физической теории – квантовой электродинамике.

1. Волновые свойства света

1.1 Дисперсия

 Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то что, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не »(слова из надписи на могиле Ньютона) Основной опыт Ньютона был гениально прост. Ньютон догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

 Закрывая отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрывая синим-синее и т.д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет цвета, а лишь разлагает его на составные части. Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью второй призмы, повернутой на 180 градусов относительно первой. Собрать все  пучки спектра, то опять получится белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зеленую, и заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски.

         Другой важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате по «Оптике» следующим образом: « Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости» Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других – красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета носит название дисперсии (от латинского слова Dispergo-разбрасываю).

       В дальнейшем Ньютон усовершенствовал свои наблюдения спектра, чтобы получить более чистые цвета. Ведь круглые цветные пятна светового пучка, прошедшего через призму, частично перекрывали друг друга. Вместо круглого отверстия использовалась узкая щель (А), освещенная ярким источником. За щелью располагалась линза (B), дающая на экране (D) изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму (C), то изображение щели растянется в спектр, окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Опыт Ньютона изображен на рис.1

  SHAPE  \* MERGEFORMAT А

B

C

D

Рис.1

 Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения . Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.

 Это важное заключение Ньютон проверил многими опытами. Важнейший из них состоял в определении и показателя преломления лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка.

 Таким образом, в основных опытах Ньютона заключались два важных открытия:

 1.Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в данном веществе (дисперсия).

 2. Белый цвет есть совокупность простых цветов.

         Зная, что белый свет  имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например, лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.

 Мы знаем в  настоящее время, что разным цветам соответствуют различные длины световых волн. Поэтому первое открытие Ньютона можно сформулировать следующим образом: показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. Обычно он увеличивается по мере уменьшения длины волны.

1.2 Интерференция

             Интерференцию света наблюдали очень давно, но только не отдавали себе в этом отчет. Многие видели интерференционную картину, когда в детстве развлекались пусканием мыльных пузырей или наблюдали за радужным переливом цветов тонкой пленки керосина на поверхности воды. Именно интерференция света делает мыльный пузырь столь достойным восхищения.

             Английский ученый Томас Юнг первым пришел к гениальной мысли о возможности объяснения цветов тонких пленок сложением двух волн, одна из которых (А) отражается от наружной поверхности пленки, а вторая (В)– от внутренней (рис.2)

В

А

Рис.2

 При этом происходит интерференция световых волн – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат интерференции (усиления или ослабление результирующих колебаний) зависит от толщины пленки и длины волны. Усиление света произойдет в том случае, если преломленная волна 2 (отражающаяся от внутренней поверхности пленки) отстанет от волны 1 (отражающейся от наружной поверхности пленки) на цело число длин волн. Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечетное число полуволн, то произойдет ослабление света.

             Для того чтобы при сложении волн образовалась устойчивая интерференционная картина, волны должны быть когерентными, т.е. должны иметь одинаковую длины волны и постоянную разность фаз. Когерентность волн, отраженных от наружной и внутренней поверхности пленки, обеспечивается тем, что обе они являются частями одного светового пучка. Волны же, испущенные двумя обычными независимыми источниками, не дают интерференционной картины из-за того, что разность фаз двух волн от таких источников не постоянна.

             Юнг также понял, что различие в цвете связано с различием в длине волны (или частоте световых волн). Световым потокам различного цвета соответствуют волны различной длины. Для взаимного усиления волн, различающихся друг от друга длиной, требуется различная толщина пленки. Следовательно, если пленка имеет неодинаковую толщину, то при освещении ее белым светом должны появиться различные цвета.

1.3 Дифракция. Опыт Юнга

         Дифракция света в узком смысле - явление огибания светом препятствий и попадание света в область геометрической тени; в широком смысле - всякое отклонение при распространении света от законов геометрической оптики. 

 Определение Зоммерфельда: под дифракцией света понимают всякое отклонение  от прямолинейного распространения, если оно не может быть объяснено  как результат отражения, преломления или изгибания световых лучей в средах с непрерывно меняющимся показателем преломления.

 В 1802г. Юнг, открывший интерференцию света, поставил классический опыт по дифракции (рис.3).

Рис.3

 В непрозрачной ширме, он проколол булавкой два маленьких отверстия B и C, на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим в свою очередь через малое отверстие А в другой ширме. Именно эта деталь, до которой очень трудно было додуматься в то время, решила успех опыта. Интерферируют только когерентные волны. Возникшая в соответствии с принципом Гюйгенса сферическая волна от отверстия А возбуждала в отверстиях В и С когерентные колебания. В следствии дифракции из отверстий В и С выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции световых волн на экране появлялись чередующиеся светлые и темные полосы. Закрывая одно из отверстий, Юнг обнаруживал, что интерференционные полосы исчезали. Именно с помощью этого опыта впервые Юнгом были измерены длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета, причем весьма точно.

         Исследование дифракции получило свое завершение в работах Френеля. Он детально исследовал различные функции дифракции на опытах и построил количественную теорию дифракции, позволяющую рассчитать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий.

 С помощью теории дифракции решают такие проблемы, как защита от шумов с помощью акустических экранов, распространение радиоволн над поверхностью Земли, работа оптических приборов (так как изображение, даваемое объективом, - всегда дифракционная картина), измерения качества поверхности, изучение строения вещества и многие другие.

1.4 Поляризация

 Новые свойства  о характере световых волн показывает опыт над прохождением света через кристаллы, в частности через турмалин.

 Возьмем две одинаковые прямоугольные пластинки турмалина, вырезанные так, что одна из сторон прямоугольника совпадает с определенным направлением внутри кристалла, носящим название оптической оси. Наложим одну пластинку на другую так, чтобы оси их совпадали по направлению, и пропустим через сложенную пару пластинок узкий пучок света от фонаря или солнца. Турмалин представляет собой кристалл буро – зеленого цвета, след прошедшего пучка на экране представится в виде тёмно – зеленого пятнышка. Начнем поворачивать одну из пластинок вокруг пучка, оставляя вторую неподвижной. Мы обнаружим, что след пучка становится слабее, и когда пластинка повернётся на 900, он совсем исчезнет. При дальнейшем вращении пластинки проходящий пучок вновь начнет усиливаться и дойдет до прежней интенсивности, когда пластинка повернется на 1800, т.е. когда оптические оси пластинок вновь расположатся параллельно. При дальнейшем вращении турмалина пучок вновь слабеет.

         Из данных явлений можно сделать следующие выводы:

 1. Световые колебания в пучке направлены перпендикулярно к линии распространения света (световые волны поперечны).

 2. Турмалин способен пропускать световые колебания только в том случае, когда они направлены определенным образом относительно его оси.

 3. В свете фонаря (солнца) представлены поперечные колебания любого направления и притом в одинаковой доле, так что ни одно направление не является преимущественным.

 Вывод 3 объясняет, почему естественный свет в одинаковой степени проходит через турмалин при любой его ориентации, хотя турмалин, согласно выводу 2, способен пропускать световые колебания только определенного направления. Прохождение естественного света через турмалин приводит к тому, что из поперечных колебаний отбираются только те, которые могут пропускаться турмалином. Поэтому свет, прошедший через турмалин, будет представлять собой совокупность поперечных колебаний одного направления, определяемого ориентацией оси турмалина. Такой свет мы будем называть линейно поляризованным, а плоскость, содержащую направление колебаний и ось светового пучка, - плоскостью поляризации.

 Теперь становится понятным опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина. Первая пластинка поляризует проходящий через неё пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т.е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут пропущены лишь частично.

2. Квантовые свойства света

2.1 Фотоэффект

 В 1887г. немецкий физик Герц объяснил явление фотоэффекта.  Основой этому  послужила Гипотеза Планка о квантах.

 Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться  отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы – электроны.

 Были сделаны попытки объяснить закономерности внешнего фотоэффекта на основе волновых представлений  о свете. Согласно этим представлениям, механизм фотоэффекта выглядит так. На металл падает световая волна. Электроны, находящиеся в его поверхностном слое, поглощают энергию этой волны, и их энергия постепенно увеличивается. Когда она становится больше работы выхода, электроны начинают вылетать из металла. Таким образом, волновая теория света будто бы способна качественно объяснить явление фотоэффекта.

 Однако расчеты показали, что при таком объяснении время между началом освещения металла и началом вылета электронов должно быть порядка десяти секунд. Между тем из опыта следует, что t<10-9c. Следовательно, волновая теория света не объясняет безинерционности фотоэффекта. Не может она объяснить и остальные законы фотоэффекта.

 Согласно волновой теории кинетическая энергия фотоэлектронов должна возрастать с увеличением интенсивности света, падающего на металл. А интенсивность волны определяется амплитудой колебаний напряжённости Е, а не частотой света. (От интенсивности падающего света зависит лишь число выбиваемых электронов и сила тока насыщения).

 Из волновой теории следует, что энергию, необходимую для вырывания электронов из металла, способно дать излучение любой длины волны, если его интенсивность достаточно велика, т.е. что фотоэффект может вызываться любым световым излучением. Однако существует красная граница фотоэффекта, т.е. получаемая электронами энергия зависит не от амплитуды волны, а от ее частоты.

 Таким образом, попытки объяснить закономерности фотоэффекта на основе волновых представлений о свете оказались несостоятельными.

2.2 Эффект Комптона

             Эффектом Комптона называется изменение частоты или длинны волны фотонов при их рассеянии электронами и нуклонами. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты.

 Эффект Комптона отличается от фотоэффекта тем, что фотон передает частицам вещества свою энергию не полностью. Частным случаем эффекта Комптона являются рассеяние рентгеновских лучей на электронных оболочках атомов и рассеяние гамма-лучей на атомных ядрах. В простейшем случае эффект Комптона представляет собой рассеяние монохроматических рентгеновских лучей легкими веществами (графит, парафин и др.) и при теоретическом рассмотрении этого эффекта в этом случае электрон считается свободным.

           Объяснение эффекта Комптона  дано на основе квантовых представлений о природе света. Если считать, как это делает квантовая теория, что излучение имеет корпускулярную природу.

           Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий.

            Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором – поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободными электронами, а фотоэффект – со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободными электронами не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, т.е. эффект Комптона.

Заключение

             Явления интерференции, дифракции, поляризации света от обычных источников света неопровержимо свидетельствует о волновых свойствах света. Однако и в этих явлениях при соответствующих условиях свет проявляет корпускулярные свойства. В свою очередь,  закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта и других неоспоримо свидетельствуют, что свет ведет себя не как непрерывная, протяженная волна, а как поток «сгустков» (порций, квантов) энергии, т.е. как поток частиц – фотонов.

 Таким образом, свет сочетает в себе непрерывность волн и дискретность частиц. Если учтем, что фотоны существуют только при движении (со скоростью с), то приходим к выводу, что свету одновременно присущи как волновые, так и корпускулярные свойства. Но в некоторых явлениях при определенных условиях основную роль играют или волновые, или корпускулярные свойства и свет можно рассматривать или как волну, или как частицы (корпускулы).

Лекция 4. Технические устройства, основанные на использовании фотоэффекта.

“Вакуумные фотоэлементы”.

Рисунок 1. 1 - анод; 2 - микроамперметр; 3 - фотокатод; 4 - фотоэлемент.

Рисунок 2.

Фотоэлектрический эффект нашел широкое применение в технике. На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный сосуд, в котором создан глубокий вакууме Половину баллона покрывают тонким слоем серебра (это подложка), на который насыпают светочувствительный слой из металла, оксида бария или соединения сурьмы с цезием и т.п. Этот электрод служит катодом. В центре фотоэлемента помещают анод в виде кольца или цилиндра. При включении в цепь фотоэлемента, ток в ней не возникает из-за отсутствия свободных электронов между катодом и анодом. Однако если катод осветить, то из него вылетают фотоэлектроны, и в цепи течёт ток. А так как сила фототока пропорциональна интенсивности света, то колебания освещенности катода вызывают колебания силы тока в цепи.

Сила фототока в вакуумных фотоэлементах мала. Для усиления тока используют иногда ударную ионизацию газа. С этой целью баллон заполняют инертным газом (чаще всего аргоном) под давлением около 1-10 Па. За счёт ударной ионизации сила тока возрастает в десятки раз. Вакуумные фотоэлементы применяются в схемах световой сигнализации, а также в звуковом кино для воспроизведения звука, записанного на кинопленке.

“Полупроводниковые фотоэлементы”.

Рисунок 3.

Освещение полупроводников может привести к появлению в них носителей тока. Если энергия поглощаемого фотона больше энергии, необходимой для освобождения электронов проводимости или дырок, то они участвуют в создании тока. Проводимость, обусловленную появлением дополнительных свободных зарядов, называют фотопроводимостью.

Не все заряды, освобожденные светом, участвуют в проводимости. Часть из них возвращается вновь на вакантные места, оставленные другими зарядами. Тем не менее, в результате облучения полупроводника светом с достаточно большой частотой концентрация свободных носителей тока возрастает и электропроводимость полупроводника увеличивается. Это явление называют внутренним фотоэффектом.

Существуют светочувствительные полупроводники, повышение электропроводимости которых вызывается излучением очень малых частот, приходящихся на далёкую инфракрасную область спектра. Такое тепловое излучение испускается нагретыми телами. Тем самым присутствие даже слабо нагретых тел может быть обнаружено на больших расстояниях по тому действию, которое оказывает их излучение: в электрической цепи со светочувствительным полупроводником возрастает электропроводимость. С помощью усилителей такой ток может быть доведен до значений, позволяющих обнаружить нагретое и излучающее тело.

На явлении фотопроводимости, или внутреннего фотоэффекта основано устройство и действие приборов, называемых фоторезисторами, и фотоэлементов с внутреннем фотоэффектом. Простейший фоторезистор представляет собой стеклянную пластинку, на которую нанесён тонкий слой полупроводника; на поверхности последнего укреплены токопроводящие электроды. Всё это покрыто прозрачным лаком. Недостатком фоторезисторов является зависимость их свойств от температуры. Для создания фоторезисторов, работающих в области видимого света, применяют сульфит кадмия, сульфит таллия, в инфракрасной области- селенид и теллурид свинца.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом обладают инерционностью. Фототок не сразу достигает максимума при начале освещения и не сразу спадает до тернового тока при прекращении освещения. Полупроводниковые фотоэлементы обладают рядом преимуществ (механическая прочность, высокая чувствительность к различным областям спектра).

Сообщение учащегося: “Вентильные фотоэлементы”.

Рисунок 4. 1- металл, 2 – окись металла, 3 – золотое напыление

Практически важным примером использования фотопроводимости являются вентильные фотоэлементы с запирающим слоем. Вентильный фотоэлемент представляет собой две соприкасающиеся друг с другом пластинки изготовленные из металла и его оксида (полупроводник). На полупроводниковую пластинку нанесён тонкий прозрачный слой металла. Пограничный слой между металлом и его оксидной плёнкой обладает выпрямляющим свойством (p-n переход), он позволяет электронам проходить лишь в направлении от оксида к металлу, например от оксида меди к меди. Под действие света возникает поток электронов, идущий только от полупроводника к металлу. Никакого внешнего источника напряжения для управления потоком электронов при этом не требуется. Вентильный фотоэлемент является устройством, которое превращает энергию световой волны в энергию электрического тока. Такие источники тока используют в солнечных батареях, устанавливаемых на всех космических кораблях. Они также являются частью люксметров- приборов для измерения освещённости.

Лекция 5. Строение атома: планетарная модель и модель Бора.

В этом и в следующем параграфах рассказывается о моделях электронной оболочки атома. Важно понимать, что речь идет именно о моделях. Реальные атомы, конечно, более сложны и мы пока знаем о них далеко не все. Однако современная теоретическая модель электронного стоения атома позволяет успешно объяснить и даже предсказать многие свойства химических элементов, поэтому широко используется в естественных науках.

Для начала рассмотрим более подробно "планетарную" модель, которую предложил Н. Бор (рис. 2-3 в).

Рис. 2-3 в. "Планетарная" модель Бора.

Как уже рассказывалось в этой главе, датский физик Н. Бор в 1913 году предложил модель атома, в которой электроны-частицы вращаются вокруг ядра атома примерно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца. Бор предположил, что электроны в атоме могут устойчиво существовать только на орбитах, удаленных от ядра на строго определенные расстояния. Эти орбиты он назвал стационарными. Вне стационарных орбит электрон существовать не может. Почему это так, Бор в то время объяснить не мог. Но он показал, что такая модель позволяет объяснить многие экспериментальные факты (подробнее об этом рассказывается в параграфе 2.7).

Электронные орбиты в модели Бора обозначаются целыми числами 1, 2, 3, … n, начиная от ближайшей к ядру. В дальнейшем мы будем называть такие орбиты уровнями. Для описания электронного строения атома водорода достаточно одних только уровней. Но в более сложных атомах, как выяснилось, уровни состоят из близких по энергии подуровней. Например, 2-й уровень состоит из двух подуровней (2s и 2p). Третий уровень состоит из 3-х подуровней (3s, 3p и 3d), как показано на рис. 2-6. Четвертый уровень (он не поместился на рисунке) состоит из подуровней 4s, 4p, 4d, 4f. В параграфе 2.7 мы расскажем, откуда взялись именно такие названия подуровней и о физических опытах, которые позволили "увидеть" электронные уровни и подуровни в атомах.

Рис. 2-6. Модель Бора для атомов более сложных, чем атом водорода. Рисунок сделан не в масштабе - на самом деле подуровни одного уровня находятся гораздо ближе друг к другу.

В электронной оболочке любого атома ровно столько электронов, сколько протонов в его ядре, поэтому атом в целом электронейтрален. Электроны в атоме заселяют ближайшие к ядру уровни и подуровни, потому что в этом случае их энергия меньше, чем если бы они заселяли более удаленные уровни. На каждом уровне и подуровне может помещаться только определенное количество электронов.

Подуровни, в свою очередь, состоят из одинаковых по энергии орбиталей (на рис. 2-6 они не показаны). Образно говоря, если электронное облако атома сравнить с городом или улицей, где "живут" все электроны данного атома, то уровень можно сравнить с домом, подуровень - с квартирой, а орбиталь - с комнатой для электронов. Все орбитали какого-нибудь подуровня имеют одинаковую энергию. На s-подуровне всего одна "комната"-орбиталь. На p-подуровне 3 орбитали, на d-подуровне 5, а на f-подуровне - целых 7 орбиталей. В каждой "комнате"-орбитали могут "жить" один или два электрона. Запрещение электронам находиться более чем по двое на одной орбитали называют запретом Паули - по имени ученого, который выяснил эту важную особенность строения атома. Каждый электрон в атоме имеет свой "адрес", который записывается набором четырех чисел, называемых "квантовыми". О квантовых числах будет подробно рассказано в параграфе 2.7. Здесь мы упомянем лишь о главном квантовом числе n (см. рис. 2-6), которое в "адресе" электрона указывает номер уровня, на котором этот электрон существует.

В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Например, видимый нашими глазами свет представляет собой электромагнитные волны. Ряд свойств таких волн есть и у электрона. Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений рассчитывается не траектория движения электрона внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра.

Общее у волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. В остальном эти модели не похожи друг на друга. В волновой модели орбиталь - это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%. Полученные с помощью математического расчета такие "области вероятности" нахождения в электронном облаке s- и p-электронов показаны на рис. 2-7.

Рис. 2-7. Примерно такую форму в волновой модели атома имеют "области вероятности" существования электронов: s- и p-орбитали (d-орбитали имеют более сложную форму).

Почему вообще пришлось вводить такое понятие, как вероятность нахождения электрона в той или иной точке пространства около ядра? Немецкий физик Гейзенберг в 1927 году сформулировал принцип неопределенности, являющийся одним из важнейших физических принципов для описания движения микрочастиц. Этот принцип вытекает из фундаментального отличия микрочастиц от обычных физических тел. В чем же это отличие?

В классической механике предполагается, что человек может наблюдать явление, не нарушая его естественного хода. Например, можно наблюдать движение небесных тел в телескоп, и это никак не отразится на их движении. Астроном может произвести измерения и составить точное математическое описание движения объекта. Используя полученные формулы, можно предсказать, куда движется данный объект и где он будет находиться в любой момент времени.

В микромире дело обстоит иначе. Например, исследуя движение электрона с помощью микроскопа (если бы такое было возможно), мы бы наблюдали отраженные от электрона волны света, энергия которых по величине сопоставима с энергией самих исследуемых частиц. Поэтому при выполнении измерений нами неизбежно вносились бы изменения в состояние электрона (местоположение, скорость, направление движения и т.д.). Значит, на основании наших измерений бессмысленно говорить о точном местоположении электрона в каждый момент времени.

Принцип неопределенности говорит о том, что не следует пытаться вычислить точную траекторию электрона вокруг ядра. Можно лишь указать вероятность нахождения электрона в том или ином участке пространства около ядра в любой момент времени. Эта вероятность поддается вычислению с помощью математических методов.

Итак, в волновой модели существуют орбитали разных видов: s-орбитали (сферической формы), p-орбитали (похожие на веретено или на объемные восьмерки), а также d- и f-орбитали еще более сложной формы. Они очерчивают область 95%-ной вероятности найти s-, p-, d- или f-электроны именно в том месте электронного облака, которое ограничено этими фигурами. Области вероятности нахождения s, p, d, f-электронов в атоме могут пересекаться - объяснение этому вы найдете в §2.7. Впрочем, к необычным свойствам волновой модели следует относиться спокойно, поскольку она является не столько физической, сколько абстрактной математической моделью электронной оболочки. Однако, как мы увидим в дальнейшем, такая модель обладает хорошей предсказательной силой в отношении химических свойств атомов и молекул.

Во всех моделях атома электроны называют s-, p-, d- и f-электронами в зависимости от подуровня, на котором они находятся. Элементы, у которых внешние (то есть наиболее удаленные от ядра) электроны занимают только s-подуровень, принято называть s-элементами. Точно так же существуют p-элементы, d-элементы и f-элементы.

Чем выше (то есть чем дальше от ядра) находится электронный уровень, тем больше на нем может разместиться электронов за счет того, что число подуровней и орбиталей на удаленных уровнях постоянно увеличивается (это удалось выяснить экспериментально - см. параграф 2.7). Можно посчитать, что на n-м уровне помещается в сумме n2 различных орбиталей, а электронов - вдвое больше: 2n2, потому что любая орбиталь способна вмещать не более двух электронов.

Таблица 2-4. Наибольшее возможное число электронов на первых 4-х электронных уровнях.

Электронный уровень (n)	Сколько может разместиться электронов на данном уровне (2n2)
1	2
2	8
3	18
4	32

Эти сведения нам нужны для того, чтобы научиться “расселять” электроны по уровням в атоме любого элемента. А химические свойства элемента, как мы увидим чуть позже, определяются электронами самого последнего (наиболее удаленного от ядра) заселенного уровня.

Лекция 6. Испускание и поглощение света атомами.

1. Виды спектров.

2. Спектральный анализ и его применение.

3. Распространенные ошибки.

Совокупность частот электромагнитных волн, которые присутствуют в излучении любого тела, называется спектром излучения.

 Спектры бывают сплошные, линейчатые и полосатые.

Сплошные спектры дают все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот видимого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый («Каждый охотник желает знать, где сидит фазан»).

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. Изолированные атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только для него спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определенных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.

Полосатые спектры создаются молекулами не связанными или слабо связанными друг с другом. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы, разделенные темными промежутками.

 Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и поглощается, т.е. спектры излучения по набору излучаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует способ определения химического состава вещества методом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава атмосфер планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.

 Спектральный анализ электромагнитного излуче-ния звезд — единственный способ определения их химического состава. Кроме этого анализ спектров позволяет определять температуру звезд, скорость их движения.

Распространенные ошибки

1. Обычно абитуриенты правильно отвечают, что спектральный анализ — это метод определения химического вещества по его спектру. Но вот экзаменатор задает вопрос: «Имеется образец некоторого твердого вещества ,например стали. Как получить линейчатый спектр для определения химического состава этой стали?» Экзаменующиеся часто отвечают так: «Нужнор этот образец сильно нагреть, раскалить добела, чтобы он светился, а затем через спектроскоп рассматривать его спектр и сравнивать с известными спектрами.»

Такой ответ ошибочен, потому что нагретые тела дают не линейчатый, а сплошной спектр. Линейчатый спектр дают вещества в газообразном атомарном состоянии. Для получения линейчатого спектра твердого вещества нужно это вещество перевести в газообразное состояние (парообразное) и заставить этот газ испускать свет. Обычно с той целью используют дуговой разряд. Проба исследуемого вещества в измельченном виде, помещенная в плазму дуги, превращается в пар, происходит возбуждение и ионизация атомов.

Лекция 7. Принцип действия и использование лазера.

  Одним  из  самых  замечательных  достижений  физики   второй   половины

двадцатого века было открытие физических явлений,  послуживших  основой  для создания  удивительного  прибора  -оптического  квантового  генератора,  илилазера.

    Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово “лазер”  составлено  из первых  букв  английского  словосочетания,  означающего  усиление  света   в результате вынужденного   излучения”.

      Действительно, основной  физический  процесс,  определяющий  действие лазера,  -  это  вынужденное  испускание  излучения.  Оно   происходит   при взаимодействии        фотона с возбужденным  атомом  при  точном  совпадении энергии   фотона   с   энергией    возбуждения    атома    (или    молекулы).

          В результате этого взаимодействия  атом  переходит  в  невозбужденное состояние, а избыток  энергии излучается в виде нового фотона с точно  такой же  энергией,  направлением   распространения   и  поляризацией,  как  и   у первичного  фотона.  Таким  образом, следствием  данного  процесса  является наличие  уже  двух  абсолютно    идентичных    фотонов.   При     дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами,  аналогичными   первому атому, может  возникнуть “цепная реакция”  размножения  одинаковых  фотонов, “летящих” абсолютно точно в одном  направлении,  что  приведет  к  появлению узконаправленного светового  луча.  Для  возникновения   лавины   идентичных фотонов необходима среда, в  которой   возбужденных  атомов было бы  больше, чем невозбужденных, поскольку  при взаимодействии фотонов с  невозбужденными атомами  происходило бы поглощение фотонов. Такая  среда называется   средой  с        инверсной        населенностью        уровней       энергии.

       Итак,   кроме   вынужденного   испускания   фотонов    возбужденными

атомами   происходят   также     процесс    самопроизвольного,   спонтанного

испускания  фотонов  при переходе  возбужденными  атомами  в  невозбужденное состояние  и   процесс   поглощения   фотонов   при   переходе   атомов   из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три  процесса,  сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были  постулированы   А.Эйнштейном в 1916 г.

       Если  число  возбужденных  атомов  велико  и  существует   инверсная

выделенность уровней (в верхнем, возбужденном состоянии атомов  больше,  чем в нижнем,  невозбужденном), то первый  же  фотон,  родившийся  в  результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину  появления   идентичных фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения.

    На  возможность  усиления  света  в  среде с инверсной населенностью за

счет  вынужденного  испускания   впервые   указал   в   1939   г.  советский

физии  В.А.Фабрикант,  предложивший  создавать   инверсную    населенность   в электрическом разряде в газе.

    При  одновременном  рождении ( принципиально   это  возможно)  большого числа  спонтанно  испущенных  фотонов   возникнет  большое   число   лавин, каждая   из  которых   будет   распространяться   в    своем    направлении, заданном     первоначальным  фотоном  соответствующей лавины. В   результате мы  получим   потоки    квантов   света  ,но   не   сможем   получить    ни направленного   луча,  ни высокой   монохроматичности,   так   как    каждая лавина инициировалась  собственным   первоначальным   фотоном.   Для   того чтобы  среду  с  инверсной населенностью можно   было    использовать    для

  генерации    лазерного  луча,  т.  е.   направленного   луча  с    высокой монохроматичностью, необходимо  “снимать” инверсную  населенность с  помощью  первичных   фотонов,   уже   обладающих  одной  и   той     же    энергией

,совпадающей  с   энергией  данного перехода  в  атоме.  В  этом случае   мы

будем           иметь          лазерный           усилитель           света.

  Существует,   однако,   и   другой    вариант    получения  лазерного

луча,   связанный   с   использованием  системы обратной  связи.   Спонтанно

родившиеся     фотоны,     направление     распространения     которых    не

перпендикулярно плоскости зеркал,  создадут  лавины  фотонов,  выходящие  за пределы  среды.   В  то   же  время   фотоны,  направление   распространения которых перпендикулярно  плоскости  зеркал,  создадут   лавины,  многократно усиливающиеся  в среде  вследствие многократного отражения от  зеркал.  Если одно из  зеркал будет      обладать небольшим пропусканием,  то  через  него будет выходить  направленный   поток    фотонов   перпендикулярно  плоскости зеркал. При  правильно подобранном пропускании зеркал, точной  их  настройке относительно   друг   друга   и  относительно   продольной  оси    среды   с инверсной   населенностью   обратная  связь   может   оказаться    настолько эффективной, что  излучением “вбок” можно  будет  полностью  пренебречь   по сравнению  с излучением,  выходящим  через  зеркала.   На   практике   это,

действительно,  удается  сделать.   Такую  схему обратной   связи   называют

оптическим  резонатором,  и  именно   этот  тип   резонатора  используют   в

большинстве существующих лазеров.

       В 1955 г. одновременно и независимо Н.Г. Басовым и А. М.  Прохоровым

в  СССР  и  Ч.  Таунсом в  США был  предложен принцип  создания   первого  в мире генератора  квантов    электромагнитного    излучения   на    среде   с

инверсной    населенностью,    в    котором    вынужденное    испускание   в

результате   использования    обратной   связи   приводило    к    генерации

чрезвычайно                   монохроматического                  излучения.

Спустя несколько лет, в 1960 г.,  американским физиком  Т.  Мейманом

был  запущен первый  квантовый генератор оптического диапазона  -  лазер,  в котором  обратная   связь   осуществлялась   с  помощью    описанного   выше оптического  резонатора,   а   инверсная    населенность   возбуждалась    в кристаллах   рубина,   облучаемых   излучением   ксеноновой   лампы-вспышки. Рубиновый  кристалл  представляет  собой кристалл  оксида алюминия  АL2О3  с небольшой   добавкой   =   О,05%   хрома.   При   добавлении  атомов   хрома прозрачные   кристаллы   рубина   приобретают  розовый  цвет   и   поглощают излучение в   двух  полосах   ближней   ультрафиолетовой  области   спектра.

Всего кристаллами   рубина   поглощается  около   15%  света  лампы-вспышки.

При   поглощении   света    ионами   хрома  происходит   переход   ионов   в

возбужденное  состояние  В  результате  внутренних   процессов  возбужденные

ионы  хрома  переходят   в  основное   состояние  не  сразу,  а  через   два

возбужденных  уровня. На  этих уровнях  происходит   накопление   ионов,   и при  достаточно мощной  вспышке   ксеноновой  лампы    возникает   инверсная населенность между  промежуточными     уровнями  и  основным  уровнем  ионовхрома.

       Торцы   рубинового   стержня     полируют,   покрывают   отражающими

интерференционными      пленками,    выдерживая     при     этом     строгую

параллельность торцов  друг другу.

    При   возникновении   инверсии   населенностей  уровней ионов  хрома  в

  рубине   происходит   лавинное  нарастание  числа   вынужденно   испущенных фотонов,и обратной связи на оптическом  резонаторе,  образованном  зеркалами на торцах рубинового стержня,  обеспечивает  формирование  узконаправленного луча красного света.  Длительность  лазерного  импульса==0.0001  с,  немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы.  Энергия  импульса  рубинового лазера около 1ДЖ.

        С  помощью   механической   системы   (вращающееся   зеркало)   или

быстродействующего электрического затвора можно “включить “  обратную  связь (настроить одно  из  зеркал)  в  момент  достижения  максимальной   инверсии населенностей и, следовательно, максимального  усиления  активной  среды.  В  этом случае мощность индуцированного излучения будет  чрезвычайно  велика  и инверсия населенности “снимется” вынужденным излучением  за  очень  короткое время.

       В  этом  режиме  модулированной  добротности  резонатора  излучается

гигантский  импульс  лазерного  излучения.  Полная  энергия  этого  импульса останется приблизительно на  том  же  уровне,  что  и  в  режиме  “свободной генерации”, но вследствие  сокращения  в  сотни  раз  длительности  импульса также  в  сотни  раз  возрастает  мощность  излучения,   достигая   значения=100000000Вт.

        Рассмотрим  некоторые  уникальные  свойства  лазерного   излучения.

    При спонтанном излучении атом излучает спектральную  линию  конечной

ширины. При лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных фотонов  в среде с инверсной населенностью интенсивность излучения  этой  лавины  будет возрастать  прежде всего  в центре спектральной   линии   данного   атомного перехода,  и  в  результате  этого   процесса  ширина   спектральной   линии первоначального  спонтанного  излучения  будет   уменьшаться.  На   практике в специальных  условиях удается сделать  относительную  ширину  спектральной

линии лазерного излучения в 1*10000000-1*100000000 раз  меньше,  чем  ширина самых   узких   линий   спонтанного   излучения,  наблюдаемых   в   природе.

      Кроме   сужения   линии   излучения   в    лазере   удается  получить

расходимость луча менее 0,00001 радиана, т.  е. на  уровне  угловых  секунд.

      Известно,  что  направленный  узкий   луч   света  можно  получить  в

принципе от  любого  источника,   поставив  на  пути  светового  потока  ряд

экранов с   маленькими  отверстиями,   расположенными   на   одной   прямой.

Представим себе, что мы взяли нагретое черное  тело и   с  помощью  диафрагм получили  луч  света,  из  которого   посредством   призмы    или    другого спектрального    прибора     выделили    луч     с     шириной      спектра, соответствующей   ширине  спектра  лазерного   излучения.   Зная    мощность лазерного излучения, ширину  его   спектра  и   угловую  расходимость  луча, можно  с   помощью  формулы   Планка  вычислить  температуру   воображаемого черного   тела,  использованного  в  качестве источника  светового    луча, эквивалентного лазерному лучу. Этот расчет  приведет  нас  к  фантастической цифре:  температура  черного   тела  должна быть порядка десятков  миллионов  градусов!  Удивительное  свойство   лазерного   луча    -   его    высокая эффективная температура (даже   при  относительно   малой  средней  мощности лазерного   излучения  или  малой  энергии лазерного   импульса)   открывает перед  исследователями  большие   возможности,   абсолютно    неосуществимые без использования лазера.

    Лазеры    различаются:    способом   создания    в    среде   инверсной

населенности,  или, иначе  говоря, способом накачки   (оптическая   накачка,

возбуждение  электронным ударом,  химическая  накачка  и  т.  п.);   рабочей

средой  (газы,   жидкости,  стекла,   кристаллы,  полупроводники  и   т.д.);

конструкцией     резонатора; режимом работы    (импульсный,    непрерывный).

 Эти различия определяются   многообразием  требований   к   характеристикам лазера в связи  с его  практическими применениями.

                                           Полупроводниковые лазеры.

       Основным примером работы полупроводниковых лазеров является магнитно-оптический накопитель(МО).

   а) Принципы работы МО накопителя.

        МО накопитель  построен  на  совмещении  магнитного  и  оптического

принципа  хранения  информации.  Записывание  информации  производится   при помощи луча лазера и магнитного поля, а считование при помощи одного  только лазера.

       В   процессе   записи   на   МО   диск   лазерный    луч   нагревает

определенные   точки   на   диски,    и    под    воздейстием    температуры

сопротивляемость изменению полярности, для нагретой  точки,   резко  падает, что позволяет магнитному полю  изменить  полярность   точки.После  окончания нагрева сопротивляемость снова  увеличивается  нополярность  нагретой  точки остается  в  соответствии   с   магнитным  полем   примененным   к   ней   в момент  нагрева.  В  имеющихся   на  сегодняшний  день  МО  накопителях  для записи информации применяются два цикла, цикл стирания  и  цикл  записи.   В процессе   стирания  магнитное   поле   имеет   одинаковую     полярность, соответствующую двоичным  нулям.  Лазерный  луч  нагревает   последовательно  весь стираемый  участок    и    таким    образом   записывает    на    диск последовательность нулей.  В  цикле   записи   полярность   магнитного  поля меняется  на  противоположную,   что   соответствует   двоичной  единице.  В этом цикле  лазерный  луч  включается  только   на   тех  участках,  которые должны содержать двоичные единицы,  и  оставляя участки с  двоичными  нулями

без изменений.

       В процессе  чтения   с   МО   диска   используется   эффект   Керра,

заключающийся  в  изменении  плоскости  поляризации   отраженного  лазерного луча,  в   зависимости   от   направления   магнитного    поля   отражающего элемента.  Отражающим  элементом  в  данном   случае является  намагниченная при записи  точка   на   поверхности   диска,  соответствующая  одному  биту хранимой информации.  При  считывании используется  лазерный  луч  небольшой интенсивности,  не   приводящий  к  нагреву  считываемого   участка,   таким образом  при  считывании хранимая информация не разрушается.

       Такой способ в отличии от обычного применяемого в  оптических дисках

не деформирует  поверхность   диска   и   позволяет   повторную  запись  без

дополнительного оборудования. Этот способ также  имеет  преимущество   перед традиционной   магнитной   записью     в     плане   надежности.   Так   как перемагничеваниие   участков   диска   возможно   только    под    действием высокой    температуры,    то    вероятность  случайного    перемагничевания очень   низкая,   в   отличии   от традиционной магнитной записи,  к  потери которой  могут  привести случайные магнитные поля.

б) Область применения МО

    Область   применения   МО   дисков    определяется     его     высокими

характеристиками по надежности, объему  и  сменяемости.  МО  диск  необходим для задач, требующих  большого  дискового  объема,  это такие  задачи,   как САПР,  обработка  изображений  звука.  Однако небольшая   скорость   доступа к   данным,   не    дает    возможности  применять  МО  диски  для  задач  с критичной   реактивностью   систем.Поэтому  применение  МО  дисков  в  таких задачах сводится к  хранению на них временной или резервной информации.  Для  МО  дисков  очень выгодным использованием является  резервное   копирование  жестких дисков или баз данных. В отличии от традиционно   применяемых   для этих целей стримеров, при хранение  резервной  информации   на   МО  дисках, существенно увеличивается скорость восстановления  данных после  сбоя.   Это  объясняется   тем,   что    МО     диски     являются   устройствами     с

произвольным    доступом,     что     позволяет  восстанавливать  только  те

данные   в   которых   обнаружился   сбой.Кроме  этого  при  таком   способе

восстановления   нет   необходимости  полностью  останавливать  систему   до полного восстановления данных.Эти  достоинства   в   сочетании   с   высокой надежностью   хранения информации делают применение МО дисков при  резервном копировании выгодным, хотя и более дорогим по сравнению со стримерами.

       Применение   МО   дисков,   также   целесообразно   при   работе   с

приватной информацией больших объемов. Легкая сменяемость  дисков  позволяет использовать их только во время работы, не заботясь  об охране компьютера  в нерабочее  время,  данные  могут  хранится  в отдельном,  охраняемом  месте.

Это же   свойство   делает   МО   диски  незаменимыми   в   ситуации   когда

необходимо  перевозить  большие объемы с места на место, например  с  работы домой и обратно.

      в) Перспективы развития.

       Основные перспективы развития МО  дисков  связанны  прежде  всего  с

увеличением  скорости  записи   данных.   Медленная   скорость  определяется в первую очередь  двухпроходным  алгоритмом  записи. В этом  алгоритме  нули и единицы пишутся за разные проходы,  из-за  того,   что   магнитное   поле, задающие  направление   поляризации конкретных точек  на  диске,  не   может изменять  свое  направление достаточно быстро.

        Наиболее  реальная  альтернатива   двухпроходной   записи   -   это

технология, основанная на  изменение  фазового   состояния.   Такая  система

уже  реализована   некоторыми   фирмами    производителями.  Существуют  еще несколько  разработок  в  этом   направлении,   связанные   с    полимерными красителями   и   модуляциями   магнитного   поля    и  мощности   излучения лазера.

        Технология   основанная   на   изменении    фазового     состояния,

основана на способности вещества переходить  из  кристаллического  состояния в аморфное. Достаточно  осветить  некоторую  точку   на  поверхности   диска лучом   лазера   определенной    мощности,    как  вещество  в  этой   точке перейдет  в   аморфное   состояние.    При    этом   изменяется   отражающая способность   диска   в   этой    точке.    Запись   информации   происходит значительно  быстрее,  но  при   этом   процессе  деформируется  поверхность диска, что  ограничивает  число  циклов перезаписи.

         Технология   основанная   на    полимерных    красителях,    также

допускает  повторную  запись.  При   этой   технологии   поверхность   диска

покрывается    двумя     слоями     полимеров,     каждый     из     которых

чувствителен    к     свету     определенной     частоты.     Для     записи

используется частота, игнорируемая верхним слоем, но  вызывающая  реакцию  в нижнем.  В  точке  падения  луча  нижний   слой    разбухает    и   образует выпуклость,  влияющую  на  отражающие  свойства   поверхности  диска.    Для стирания  используется   другая   частота,   на   которую  реагирует  только верхний слой полимера,  при  реакции  выпуклость  сглаживается.  Этот  методкак  и  предыдущий  имеет  ограниченное число циклов записи,  так  как   при записи  происходит  деформация поверхности.

       В настоящие время уже разрабатывается технология  позволяющая менять полярность  магнитного  поля   на   противоположную   всего   за   несколько наносекунд.   Это   позволит   изменять   магнитное     поле   синхронно   с поступлением данных на запись. Существует  также   технология    построенная  на   модуляции излучения лазера. В этой технологии  дисковод  работает   в трех режимах - режим чтения с  низкой  интенсивностью,  режим   записи   со средней интенсивностью и режим записи с  высокой  интенсивностью.  Модуляция интенсивности  лазерного  луча  требует  более  сложной структуры     диска,  и     дополнения     механизма      дисковода  инициализирующим  магнитом, установленным   перед   магнитом    смещения   и   имеющим   противоположную

полярность. В самом  простом  случае  диск  имеет   два   рабочих   слоя   -

инициализирующий  и   записывающий. Инициализирующий    слой    сделан    из такого   материала,   что инициализирующий   магнит   может   изменять   его полярность   без дополнительного    воздействия    лазера.    В     процессе

записи инициализирующий слой  записывается   нулями,   а   при   воздействии лазерного     луча     средней     интенсивности     записывающий       слой намагничивается   инициализирующим,   при    воздействии    луча     высокой интенсивности,  записывающий  слой   намагничивается   в   соответствии    с полярностью  магнита  смещения.  Таким  образом    запись    данных    может происходить за один проход, при переключении мощности лазера.

        Безусловно   МО   диски   перспективные   и   бурно   развивающиеся

устройства, которые могут решать назревающие проблемы с   большими  объемами информации. Но их дальнейшее  развитие  зависит  не   только  от  технологии записи на них, но и от прогресса в области  других носителей  информации.  И если не будет изобретен более эффективный  способ  хранения  информации,  МО диски возможно займут доминирующие роли.

Лекция 8. Строение атомного ядра.

       Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в электронном облаке электроны несут отрицательный электрический заряд. Протоны, входящие в состав ядра, несут положительный заряд.

        В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом – нейтральная частица, не несущая заряда.

        Атом может потерять один или несколько электронов или наоборот – захватить чужые электроны. В этом случае атом приобретает положительный или отрицательный заряд и называется ионом.

        Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, так как масса электрона составляет всего лишь 1/1836 часть массы протона. Плотность вещества в ядре фантастически велика – порядка 1013 - 1014 г/см3. Спичечный коробок, наполненный веществом такой плотности, весил бы 2,5 миллиарда тонн!

      Внешние размеры атома – это размеры гораздо менее плотного электронного облака, которое примерно в 100000 раз больше диаметра ядра.

      Кроме протонов, в состав ядра большинства атомов входят нейтроны, не несущие никакого заряда. Масса нейтрона практически не отличается от массы протона. Вместе протоны и нейтроны называются нуклонами (от латинского nucleus – ядро).

     Электроны, протоны и нейтроны являются главными "строительными деталями" атомов и называются субатомными частицами. Их заряды и массы в кг и в специальных “атомных” единицах массы (а.е.м.) показаны в таблице 2-1.

Таблица 2-1. Субатомные частицы.

Частица	Заряд	Масса:
		кг	а.е.м.
Протон	+1	1,67·10-27	1,00728
Нейтрон	0	1,67·10-27	1,00867
Электрон	-1	9,11·10-31	0,000549

                                           Из таблицы 2-1 видно, что массы субатомных частиц чрезвычайно малы. Показатель степени (например, десять в минус двадцать седьмой степени) показывает, сколько нулей после запятой нужно записать, чтобы получилась десятичная дробь, выражающая массу субатомной частицы в килограммах. Это ничтожнейшая часть килограмма, поэтому массу субатомных частиц удобнее выражать в атомных единицах массы (сокращенно – а.е.м.). За атомную единицу массы принята ровно 1/12 часть массы атома углерода, в ядре которого содержится 6 протонов и 6 нейтронов. Схематическое изображение такого "эталонного" атома углерода приведено на рис. 2-5 (б). Атомную единицу массы можно выразить и в граммах: 1 а.е.м. = 1,660540·10-24 г.

Рис. 2-5. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронного облака. а) В состав ядра атома водорода входит только 1 протон, а электронное облако заполняется одним электроном. б) В ядре атома углерода 6 протонов и 6 нейтронов, а в электронном облаке – 6 электронов. в) Существует также изотопный углерод, ядре которого на 1 нейтрон больше. Содержание этого изотопа в природном углероде составляет чуть более 1% (об изотопах см. ниже). Линейные размеры атомов очень малы: их радиусы составляют от 0,3 до 2,6 ангстрема (1 ангстрем = 10–8 см). Радиус ядра около 10–5 ангстрема, то есть 10–13 см. Это в 100000 раз меньше размеров электронной оболочки. Поэтому правильно показать относительные пропорции ядер и электронных оболочек на рисунке невозможно. Если бы атом увеличился до размеров Земли, то ядро имело бы всего около 60 м в диаметре и могло бы поместиться на футбольном поле.

       Масса атома, выраженная в килограммах или граммах, называется абсолютной атомной массой. Чаще пользуются относительной атомной массой, которая выражается в атомных единицах массы (а.е.м.). Относительная атомная масса представляет собой отношение массы какого-нибудь атома к массе 1/12 части атома углерода. Иногда говорят более коротко: атомный вес. Последний термин вовсе не устаревший, как иногда пишут в учебниках – он широко используются в современной научной литературе, поэтому мы тоже будем его применять. Относительная атомная масса и атомный вес, фактически, безразмерные величины (масса какого-либо атома делится на массу части атома углерода), поэтому обозначение "а.е.м." после численного значения обычно опускают (но можно и написать, в этом не будет ошибки). Термины “относительная атомная масса”, “атомная масса”, “атомный вес” в научном химическом языке обычно используются равноправно и между ними просто не делают различий. В Международном союзе химиков (IUPAC) существует Комиссия по относительной распространенности изотопов и атомным весам (Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights или сокращенно – CIAAW), но не "Комиссия по относительным атомным массам". Однако все химики прекрасно понимают, что речь идет об одном и том же.

      В российских учебниках и заданиях ЕГЭ пользуются термином относительная атомная масса, которую обозначают символом Ar. Здесь "r" – от английского "relative" – относительный. Например, Ar = 12,0000 – относительная атомная масса углерода 126C равна 12,0000. В современной научной литературе относительная атомная масса и атомный вес – синонимы.

     Из курса физики вы помните, что вес физического тела является переменной величиной. Например, на Земле и на Луне одно и то же физическое тело имеет разный вес, но масса тела – величина постоянная. Поэтому термин “относительная атомная масса” считается более строгим. Для многих вычислений удобно массы протона и нейтрона в шкале а.е.м. считать округленно равными единице.

    На рис. 2-5 показаны атомы двух разных видов. Может возникнуть вопрос: почему двух, а не трех видов – ведь на рисунке изображены три атома? Дело в том, что атомы (б) и (в) относятся к одному и тому же химическому элементу углероду, в то время как атом (а) – совсем другой элемент (водород). Что же такое химические элементы и чем они отличаются друг от друга?

   Водород и углерод отличаются числом протонов в ядре и, следовательно, числом электронов в электронной оболочке. Число протонов в ядре атома называют зарядом ядра атома и обозначают буквой Z. Это очень важная величина. Когда мы перейдем к изучению Периодического закона, то увидим, что число протонов в ядре совпадает с порядковым номером атома в Периодической таблице Д.И.Менделеева.

     Как мы уже говорили, заряд ядра (число протонов) совпадает с числом электронов в атоме. Когда атомы сближаются, то в первую очередь они взаимодействуют друг с другом не ядрами, а электронами. Число электронов определяет способность атома образовывать связи с другими атомами, то есть его химические свойства. Поэтому атомы с одинаковым зарядом ядра (и одинаковым числом электронов) ведут себя в химическом отношении практически одинаково и рассматриваются как атомы одного химического элемента.

     ЭЛЕМЕНТОМ называется вещество, состоящее из атомов с одинаковым ЗАРЯДОМ ЯДРА.

     На рис. 2-5 водород (один протон в ядре) и углерод (шесть протонов в ядре) – это разные химические элементы. А вот атомы (б) и (в), у которых по 6 протонов в ядре (хотя и разное количество нейтронов!), принадлежат одному и тому же химическому элементу (углероду).

     Слово "элемент" существовало в обиходе химиков задолго до того, как стало что-нибудь известно о строении атома. Средневековые алхимики и ученые-химики до начала XIХ века ничего не знали об атомном ядре и, тем более, о протонах и электронах. Но о существовании элементов естествоиспытатели догадывались давно и затратили немало сил для того, чтобы выяснить – что же считать элементом?

    Очень хорошее (и вполне современное!) определение элемента дал еще древнегреческий философ Аристотель (384-322 до н.э.):

    "Все окружающее представляет собой элементы либо состоит из элементов... Элемент представляет собой то, на что можно разложить другие тела, но не может быть разложено само ни на что более простое или отличное от самого себя".

     Эта догадка опиралась на здравый смысл и у большинства химиков не вызывала сомнений, но при ответе на вопрос – что же считать элементом – возникало чисто практическое затруднение. Если какое-либо вещество не разлагается на более простые вещества, то не ясно – является ли оно элементом, или мы просто не умеем его разложить? В 1857 году немецкий химик Юстус Либих написал: "Элементы рассматриваются как простые вещества не потому, что мы знаем это, а лишь потому, что не знаем о них противоположного".

      Например, долгое время воду считали элементом, и только в 1784 году англичанин Генри Кавендиш показал, что вода состоит из более простых веществ – водорода и кислорода. Водород, кстати, был открыт Г.Кавендишем, но вместо своего нынешнего названия имел гораздо более длинное: "воспламеняемый, горючий воздух из металлов" (дело в том, что водород получали, действуя кислотами на цинк, железо и некоторые другие металлы). Название ВОДО-РОД (то есть – рождающий воду) просто еще не могло существовать, поскольку никто не догадывался, что этот легкий газ и вода имеют друг к другу близкое отношение.

      Однажды другой английский исследователь – Джозеф Пристли – в присутствии Кавендиша провел простой, хотя и небезопасный опыт – взорвал смесь водорода с кислородом. Пристли (он является первооткрывателем кислорода) впоследствии вспоминал об этом, как о "случайном эксперименте для развлечения нескольких философствующих друзей". Наблюдательный Кавендиш повторил этот опыт, но уже не взрывая, а сжигая водород в кислороде. Ему удалось довольно точно измерить объем взаимодействующих газов (объем водорода в этом опыте относился к объему кислорода как 2 : 1) и показать, что вода является продуктом реакции между этими двумя газами. Отсюда следовало, что вода – не элемент, а химическое соединение водорода и кислорода.

    Более практическое определение элементу дал английский физик и химик Роберт Бойль:

Элемент – это вещество, которое при химическом превращении всегда увеличивает свой вес.

     Например, при ржавлении куска железа его вес всегда увеличивается. Ржавление – это химическая реакция железа с водой и кислородом воздуха, поэтому в массу ржавого железа включается и масса прореагировавших с ним веществ. Химикам были известны и другие реакции, в которых железо увеличивало вес, но не существовало ни одной реакции, в которой железо разлагалось бы на более легкие продукты. Из этого заключалось, что железо, вероятно, является элементом.Образцы пяти химических элементов из книги П.Эткинса "Молекулы". Желтая глыба – сера (S). Правее – медь (Cu). Красная жидкость в колбе – бром (Br2). В часовых стеклах – элементы иод (фиолетовые кристаллы I2) и ртуть (жидкий металл Hg).

      Можно представить себе те трудности, с которыми сталкивались естествоиспытатели до появления теории строения атома. Тем не менее, еще до XIX века были правильно установлены многие элементы: углерод, сера, медь, золото, серебро, железо, свинец, олово, ртуть, цинк, мышьяк, сурьма, висмут, платина, фосфор, кобальт, никель, водород, кислород, азот, марганец.

     Сумма тяжелых частиц (нейтронов и протонов) в ядре атома какого-либо элемента называется массовым числом и обозначается буквой А. Из названия этой величины видно, что она тесно связана с округленной до целого числа атомной массой элемента.

A = Z + N

Здесь A – массовое число атома (сумма протонов и нейтронов), Z – заряд ядра (число протонов в ядре), N – число нейтронов в ядре.

    Природа устроена так, что один и тот же элемент может существовать в виде двух или нескольких изотопов. Изотопы отличаются друг от друга только числом нейтронов в ядре (числом N). Поскольку нейтроны практически не влияют на химические свойства элементов, все изотопы одного и того же элемента химически неотличимы. На рис. 2-5б показан изотоп углерода с массовым числом 12 (6 протонов + 6 нейтронов = 12), а на рис. 2-5в – изотоп углерода с массовым числом 13 (6 протонов + 7 нейтронов = 13).

     Изотопами называются вещества, состоящие из атомов с одинаковым зарядом ядра (то есть с одинаковым числом протонов), но с разным числом нейтронов в ядре. Изотопы отличаются друг от друга только массовым числом. Все элементы состоят из одного или нескольких изотопов.

    Например, алмаз состоит из элемента углерода. Если бы удалось изготовить два совершенно одинаковых брильянта из углерода с массовым числом 12 и углерода с массовым числом 13, то оба кристалла в химическом отношении были бы одним и тем же элементом углеродом (заряд ядра + 6), но их масса была бы немного разной. Правда, стоимость брильянтов из чистого углерода-12 и чистого углерода-13 была бы во много раз выше, чем у обычных. Дело в том, что разделять изотопы чрезвычайно трудно из-за того, что их химические и физические свойства очень близки.

     Лишь немногие изотопы в природе неустойчивы и поэтому постепенно распадаются с излучением субатомных частиц и электромагнитных волн. Это явление называется радиоактивностью, о которой мы уже упоминали в этой главе. Вопреки распространенному мнению термин изотоп совсем не обязательно связан с радиоактивностью – большинство природных (но не искусственных!) изотопов устойчиво и мы просто не замечаем их присутствие в том или ином элементе, поскольку не различаем их химические и физические свойства. Таковы изотопы железа, меди, хлора, кальция и многих других элементов, с которыми мы познакомимся немного позже.

Лекция 9.Энергия связи. Связь массы и энергии.

    Важнейшее следствие теории относительности, играющее одну из главных ролей в ядерной физике и физике элементарных частиц - универсальная связь между энергией и массой.

    Связь между энергией и массой неизбежно следует из закона сохранения энергии и того факта, что масса тела зависит от скорости его движения. Это видно из простого примера. При нагревании газа в сосуде ему сообщается определенная энергия. Скорость хаотического теплового движения молекул зависит от температуры, и увеличивается с нагреванием газа. Увеличение скорости движения молекул согласно формуле  означает увеличение массы всех молекул. Следовательно, масса газа в сосуде увеличивается при увеличении его внутренней энергии. Между массой газа и его энергией существует связь.

    Формула Эйнштейна. С помощью» теории относительности Эйнштейн  установил замечательную по своей простоте и общности формулу связи между энергией и массой: E=mc2

   Энергия тела или системы тел  равна массе, умноженной на квадрат скорости света.

    Если изменяется энергия системы, то изменяется и ее масса.

    Так как коэффициент  очень мал, то заметные изменения массы возможны лишь при очень больших изменениях энергии. При химических реакциях или при нагревании  в обычных условиях изменения энергии настолько малы, что соответствующие изменения масс не удается обнаружить на опыте. Лишь при превращениях атомных ядер и элементарных частиц изменения энергии оказываются настолько большими, что изменение массы уде заметно.

    При взрыве водородной бомбы выделяется около 1017 Дж. Эта энергия превышает выработку электроэнергии на всем земном шаре за несколько дней. Выделяющаяся энергия уносится вместе с излучением. Излучение наряду с энергией обладает массой, которая составляет 0,1% массы исходных материалов.

Энергия покоя.

  Согласно формуле (6.9) тело обладает энергией и при скорости, равной нулю. Это энергия покоя Ео: E0 = m0c2

    Любое тело уже только благо факту своего существования обладает энергией, которая пропорциональна массе покоя то.

   При превращениях элемента частиц, обладающих массой покоя в частицы, у которых  mо=0, энергия покоя целиком превращается в кинетическую энергию вновь  образовавшихся частиц. Этот факт  является наиболее очевидным экспериментальным доказательством существования энергии покоя.

Релятивистские эффекты

        Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905г А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютановской механике, предполагается что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория часто называется релятивистской, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистским эффектом.

       Движение тел со скоростью, близкой к скорости света, принято называть релятивистским.

      Длина тела в направлении движения со скоростью v относительно системы отсчета связана с длиной  L0 покоящегося тела соотношением, где с — скорость света в вакууме.

     Промежугок времени t; в системе, движущейся со скоростью v по отношению к наблюдателю, связан с промежутком времени tо в неподвижной для наблюдателя системе соотношением

    Зависимость массы тела от скорости его движения определяется по формуле где m0, — масса покоя тела.

 Кинетическая энергия движущегося тела W = mc2 – m0c2,

где т — масса движущегося тела со скоростью v.

Закон сложения скоростей:

Симметрия пространства-времени, законы сохранения.

ИНВАРИАНТНОСТЬ - неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, напр., преобразованиям координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой (релятивистская инвариантность).

СИММЕТРИЯ (от греч. symmetria — соразмерность) - в широком смысле — инвариантность (неизменность) структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований (т. е. изменений ряда физических условий). Симметрия лежит в основе законов сохранения.

      Весьма важным для понимания законов природы является принцип инвариантности относительно  сдвигов в пространстве и во времени, т. е. Параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.

      Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, т. е. изменения ряда физических условий.

     В широком смысле симметрия означает инвариантность как неизменность свойств системы при некотором изменении (преобразовании) ее параметров. Наглядным примером пространственных симметрий физических систем является кристаллическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов — закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов, заключающаяся в том, что кристалл может быть совмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований симметрии. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения. Например, как следует из математического моделирования, процесс взаимодействия свободного электрона с изотопами кристаллической решетки имеет симметричный характер.

Орнамент — наверное, самое древнее отображение идеи симметрии, лежащей в основе многих фундаментальных законов.

     Из сформулированного принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью пространства и времени.

    Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.

     Из свойства симметрии пространства — его однородности следует закон сохранения импульса, импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Закон сохранения импульса справедлив не только в классической физике, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Эксперименты доказывают, что он выполняется и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сила равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.

      Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать.

     Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т. е. не изменяется со временем. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений. Если же работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной; например сила трения.

     Механические системы, на тела которых действуют только консервативные силы (внутренние и внешние), называются консервативными системами. Закон сохранения механической энергии можно сформулировать еще и так: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется.

     В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энергии. Этот процесс называется диссипацией, или рассеянием энергии. Строго говоря, все реальные системы в природе диссипативные.

     В консервативных системах полная механическая энергия остается постоянной, могут происходить лишь превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах.

    Закон сохранения и превращения энергии — фундаментальный закон природы; он справедлив как для систем макроскопических тел, так и для микросистем.

    В системе, в которой действуют консервативные и диссипативные силы, например силы трения, полная механическая энергия системы не сохраняется. Следовательно, для такой системы закон сохранения механической энергии не выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии — сущность неуничтожения материи и ее движения, поскольку энергия, по определению, — универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.

     Закон сохранения энергии — результат обобщения многих экспериментальных данных. Идея этого закона принадлежит М.В. Ломоносову (1711—1765), изложившему закон сохранения материи и движения, а количественная его формулировка дана немецкими учеными — врачом Ю. Майером (1814—1878) и естествоиспытателем Г. Гельмгольцем (1821—1894).

      Обратимся еще к одному свойству симметрии пространства — его изотропности. Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол).

     Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы — закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени.

Симметрия и процесс познания

     Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нётер (1882—1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, названную ее именем, из которой следует, что из однородности пространства и времени вытекают законы сохранения соответственно импульса и энергии, и из изотропности пространства — закон сохранения момента импульса.

     Выявление различных симметрий в природе, а иногда и постулирование их стало одним из методов теоретического исследования свойств микро-, макро- и мегамира. Возросла в связи с этим роль весьма сложного и абстрактного математического аппарата — теории групп — наиболее адекватного и точного языка для описания симметрии. Теория групп — одно из основных направлений современной математики. Значительный вклад в ее развитие внес французский математик Эварист Галуа (1811— 1832), жизнь которого рано оборвалась: в возрасте 21 года он был убит на дуэли.

    С помощью теории групп русский минералог и кристаллограф Е.С. Федоров (1853—1919) решил задачу классификации правильных пространственных систем точек — одну из основных задач кристаллографии. Это исторически первый случай применения теории групп непосредственно в естествознании.

     Существенное ограничение об однородном и изотропном пространственном распределении материи во Вселенной, налагаемое на уравнения общей теории материи и составляющее основу космологического принципа, позволило А.А-Фридману (1888—1925) предсказать расширение Вселенной.

    Анализируя роль принципов инвариантности современный американский физик-теоретик Э. Вигнер (р. 1902), лауреат Нобелевской премии 1963 г., показавший эффективность применения теории групп в квантовой механике, выделил ряд ступеней в познании, поднимаясь на которые мы глубже и дальше обозреваем природу, лучше ее понимаем. Вначале в хаосе повседневных фактов человек замечает некоторые эмпирические закономерности. Затем, выделяя общие свойства природных явлений и анализируя их связи, он формулирует математические законы природы, учитывая при этом начальные условия, которые могут иметь любой, даже случайный характер. Например, в классической механике в качестве начальных условий могут выступать координаты и скорость тела в некоторый начальный момент времени. Наконец, синтезируя уже известные законы, находят ряд принципов, позволяющих дедуктивным путем определить уже известные и пока неизвестные утверждения, предсказывающие те или иные физические явления и процессы.

     Функция, которую несут принципы симметрии, по утверждению Э. Вигнера, состоит в наделении структурой законов природы или установлении между ними внутренней связи, так как законы природы устанавливают структуру или взаимосвязь в мире явлений. Так создаются теории, охватывающие широкий круг физических явлений и процессов. Следующая ступень — анализ самих принципов границ или условий и выявление тех, при которых они выполняются.

     Идею выявления основополагающих принципов и их последовательное применение при описании и объяснении природных явлений впервые предложил и реализовал с применением математического аппарата Исаак Ньютон еще в начале развития классической физики и задолго до появления современных представлений об инвариантности и симметрии. В своем труде "Оптика" он писал:

     Вывести из явлений два или три общих принципа движения и затем изложить, как из этих ясных принципов вытекают свойства и действия всех вещественных предметов, вот что было бы очень большим шагом в философии, хотя причины этих принципов и не были еще открыты.

Лекция 10. Ядерная энергетика.

      Энергетика - важнейшая отрасль народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии. Это основа экономики государства.

     В мире идет процесс индустриализации, который требует дополнительного расхода материалов, что увеличивает энергозатраты. С ростом населения становится больше энергозатрат на обработку почвы, уборку урожая, производство удобрений и т.д.

     В настоящее время многие природные легкодоступные ресурсы планеты исчерпываются. Добывать сырье приходится на большой глубине или на морских шельфах. Ограниченый мировые запасы нефти и газа, казалось бы, ставят человечество перед перспективой энергетического кризиса. Однако использование ядерной энергии и угля дает человечеству возможность избежать этого, результаты фундаментальных исследований физики атомного ядра позволяют отвести угрозу энергетического кризиса путем использования энергии, выделяемой при некоторых реакциях атомных ядер.

Атомное ядро

   Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, массой М, спином J, магнитным и электрическим квадрупольным моментом Q, определенным радиусом R, изотопическим спином Т и состоит из нуклонов - протонов и нейтронов.

   Число нуклонов А в ядре называется массовым числом. Число Z называют зарядовым числом ядра или атомным номером. Поскольку Z определяет число протонов, а А - число нуклонов в ядре, то число нейронов в атомном ядре N=A-Z. Атомные ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. В среднем на каждое значение Z приходится около трех стабильных изотопов. Например, 28Si, 29Si, 30Si являются стабильными изотопами ядра Si. Кроме стабильных изотопов, большинство элементов имеют и нестабильные изотопы, для которых характерно ограниченное время жизни.

     Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами, а с одинаковым числом нейтронов-изотонами.

    Все атомные ядра разделяются на стабильные и нестабильные. Свойства стабильных ядер остаются неизменными неограниченно долго. Нестабильные же ядра испытывают различного рода превращения .

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР

    Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные с большой точностью, показывают, что масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов.

   Энергия связи - это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны.

   Энергия связи, отнесенная к массовому числу А, называется средней энергией связи нуклона в атомном ядре ( энергия связи на один нуклон ).

   Энергия связи приблизительно постоянна для всех стабильных ядер и примерно равна 8 МэВ. Исключением является область легких ядер, где средняя энергия связи растет от нуля (А=1) до 8 МэВ для ядра 12С.

   Аналогично энергия связи на один нуклон можно ввести энергию связи ядра относительно других составных его частей.

   В отличие от средней энергии связи нуклонов количество энергии связи нейрона и протона изменяется от ядра к ядру.

   Часто вместо энергии связи используют величину, называемую дефектом массы и равную разности масс и массового числа атомного ядра.

Лекция 11. Радиоактивные излучения и их воздействие на живые организмы.

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Общие сведения.

        Явление радиоактивности, или спонтанного распада ядер, была открыта французским физиком А. Беккерелем в 1896 г. Он обнаружил, что уран и его соединения испускают лучи или частицы, проникающие сквозь непрозрачные тела и способные засвечивать фотопластинку, Беккерель установил, что интенсивность излучения пропорциональна только концентрации урана и не зависит от внешних условий (температура, давление) и от того, находится ли уран в каких-либо химических соединениях.

    Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения, сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало, что оно разделяется на a-частицы (ядра гелия), b- частцы (электроны) и g- лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны ).

    Атомное ядро, испускающее g-кванты, a-, b- или другие частицы, называется радиоактивным ядром. В природе существует 272 стабильных атомных ядра. Все остальные ядра радиоактивны и называются радиоизотопами.

Альфа-распад.

    Энергия связи ядра характеризует его устойчивость к распаду на составные части. Если энергия связи ядра меньше энергии связи продуктов его распада, то это означает, что ядро может самопроизвольно (спонтанно) распадаться. При альфа-распаде альфа-частицы уносят почти всю энергию и только 2 % ее приходится на вторичное ядро. При альфа-распаде массовое число изменяется на 4 единицы, а атомный номер на две единицы.

Начальная энергия альфа-частицы составляет 4-10 МэВ. Поскольку альфа-частицы имеют большую массу и заряд, длина их свободного пробега в воздухе невелика. Так, например, длина свободного пробега в воздухе альфа-частиц, испускаемых ядром урана, равна 2,7 см, а испускаемых радием, - 3,3 см.

Бета-распад.

    Это процесс превращения атомного ядра в другое ядро с изменением порядкового номера без изменения массового числа. Различают три типа b-распада: электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным ядром. тип Последний распада принято также называть К-захватом, поскольку при этом наиболее вероятно поглощение электрона с ближайшей к ядру К оболочки. Поглощение электронов с L и М оболочек также возможно, но менее вероятно. Период полураспада b -активных ядер изменяется в очень широких пределах.

    Число бета-активных ядер, известных в настоящее время, составляет около полутора тысяч, но только 20 из них являются естественными бета-радиоактивными изотопами. Все остальные получены искусственным путем.

     Непрерывное распределение по кинетической энергии испускаемых при распаде электронов объясняется тем обстоятельством, что наряду с электроном испускается и антинейтрино. Если бы не было антинейтрино, то электроны имели бы строго определенный импульс, равный импульсу остаточного ядра. Резкий обрыв спектра наблюдается при значении кинетической энергии, равной энергии бета-распада. При этом кинетические энергии ядра и антинейтрино равны нулю и электрон уносит всю энергию, выделяющихся при реакции.

     При электронном распаде остаточное ядро имеет порядковый номер на единицу больше исходного при сохранении массового числа. Это означает, что в остаточном ядре число протонов увеличилось на единицу, а число нейтронов, наоборот, стало меньше: N=A-(Z+1).

Позитронный бета-распад.

     При позитронном распаде сохраняется полное число нуклонов, но в конечном ядре на один нейтрон больше, чем в исходном. Таким образом, позитронный распад может быть интерпретирован как реакция превращения внутри ядра одного протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.

Электронный захват.

    К электронному захвату относится процесс поглощения атомом одного из орбитальных электронов своего атома. Поскольку наиболее вероятен захват электрона с орбиты, наиболее близко расположенных к ядру, то с наибольшей вероятность поглощаются электроны К-оболочки . Поэтому этот процесс называется также К-захватом.

     С гораздо меньшей вероятностью происходит захват электронов с L-,M-оболочек. После захвата электрона с К-оболочки происходит ряд переходов электронов с орбиты на орбиту, образуется новое атомное состояние испускается рентгеновский квант.

Гамма-распад.

    Стабильные ядра находятся в состоянии, отвечающем наименьшей энергии. Это состояние называется основным. Однако путем облучения атомных ядер различными частицами или высокоэнергитическими протонами им можно передать определенную энергию и, следовательно, перевести в состояния, отвечающие большей энергии. Переходя через некоторое время из возбужденного состояния в основное, атомное ядро может испустить или частицу, если энергия возбуждения достаточно высока, или высокоэнергетическое электромагнитное излучение - гамма-квант.

     Поскольку возбужденное ядро находится в дискретных энергетических состояниях, то и гамма-излучение характеризуется линейчатым спектром. 

ДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР

Общие сведения.

    Явление деления тяжелых атомных ядер на два осколка было открыто Ганом и Штрассманом в 1939 г. При изучении взаимодействия нейтронов различных энергий и ядер урана. Несколько позже, в 1940 г. Советские физики К.А.Петржак и Г.И. Флеров обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана. При спонтанном деление и делении, вызванном нейронами, как правило, образуется асимметричные осколки, отношение масс которых примерно равно 3 : 2.

     При реакции деления выделяется очень большая энергия. Энергия деления высвобождается в виде кинетической энергии ядер-осколков, кинетической энергии испускаемых ядрами-осколками электронов, гамма-квантов, нейтрино, нейтронов.

    Основная часть энергии деления приходится на энергию ядер-осколков, поскольку под действием кулоновских сил отталкивания они приобретают большую кинетическую энергию. Основная часть энергии деления выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков.

   Замечательным и чрезвычайно важным свойством реакции деления является то, что в результате деления образуется несколько нейтронов. Это обстоятельство позволяет создать условия для поддержания стационарной или развивающейся во времени цепной реакции деления ядер. Действительно, если в среде, содержащей делящиеся ядра, один нейтрон вызывают реакцию деления, то образующиеся в результате реакции нейтроны могут с определенной вероятностью вызвать деление ядер, что может привести при соответствующих условиях к развитию неконтролируемого процесса деления. Число вторичных нейтронов не постоянно для всех тяжелых ядер и зависит как от энергии вызвавшего деление нейтрона, так и от свойств ядра-мишени. Среди нейтронов деления кроме так называемых мгновенных нейтронов,испускаемых за 10-15 с после процесса деления, есть также и запаздывающие нейтроны. Они испускаются в течении нескольких минут с постепенно убывающей интенсивность. Мгновенные нейтроны составляют более 99% полного числа нейтронов деления, а их энергия заключена в широком диапазоне: от тепловой энергии и до энергии приблизительно равной 10 МэВ.

Запаздывающие нейтроны испускаются возбужденными ядрами образующихся после бета-распада продуктов деления - ядер-предшественников. Поскольку испускание нуклонов возбужденным ядром происходит мгновенно, то во время испускания запаздывающего нейтрона после акта деления будет определяться постоянной распада ядра-предшественника.

Продукты деления.

     В результате деления тяжелых ядер образуются, как правило, два ядра-осколка с различной массой. В среднем отношение масс легких и тяжелых осколков равно 2 : 3. Как правило, ядра-осколки имеют большой избыток нейтронов и поэтому неустойчивы относительно вета-распада. Массовые числа А продуктов деления меняются от 72 до 161, а атомные номера от 30 до 65. Вероятность симметричного деления на два осколка с приблизительно равными массами составляет всего 0,04%. Доля симметричного деления возрастает по мере увеличения энергии первичного нейтрона, вызывающего деление атомного ядра.

    ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С АТОМНЫМИ ЯДРАМИ

    Различные частицы (нейтроны, протоны, электроны, гамма-кванты и т.д.) могут взаимодействовать с атомными ядрами. Характер взаимодействия зависит от энергии частиц, их типа и свойств атомного ядра. Для оценки вероятности взаимодействия вводится величина, называемая микроскопическим сечением взаимодействия. Физический смысл ее состоит в следующем. Пусть пучок нейтронов интенсивностью No падает на мишень, состоящую из одного слоя ядер. Число ядер на единице поверхности равно М. Предположим, что при прохождении пучка через такой слой часть нейтронов поглотиться в нем и через слой прошло N`. Тогда вероятность взаимодействия одного нейтрона с одним атомным ядром:

s= No-N`

NoM

Это и есть микроскопическое сечение, представляющее собой эффективную площадь поперечного сечения атомного ядра, попав в которое налетающая частица вызывает ядерную реакцию или испытывает рассеяние.

    В процессе экспериментальных исследований энергетической зависимости сечения взаимодействия частиц и различных атомных ядер было обнаружено, что при определенных энергиях значения сечений резко возрастают, а при дальнейшем увеличении энергии снова уменьшаются. Это явление называется резонансом.

     В практике реактостроения нейтроны по энергии принято делить на следующие группы: быстрые нейтроны с энергией 0,10 - 10 МэВ, тепловые нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии с ядрами среды и имеющие энергию 0,005 - 0,2 эВ , и промежуточные (2 - 102 эВ) и надтепловые (0,2 - 2 эВ).

   При взаимодействии нейтрона и ядер могут протекать следующие реакции: упругое рассеяние, неупругое рассеяние, радиационный захват, деление. Вероятность протекания определенной реакции характеризуется микроскопическими сечениями. В зависимости от энергии нейтрона сечения могут изменятся. Так, в области быстрых нейтронов сечение радиационного захвата примерно в 100 раз меньше сечения захвата тепловых нейтронов. Сечение упругого рассеяния, как правило, почти постоянное для энергии выше 1 эВ.

       Наряду с микроскопическими сечениями на практике используются также макроскопические сечения, под которыми понимают вероятность взаимодействия частицы в единице объема вещества. Если в единице объема число ядер определенного типа есть N, то макроскопическое сечение = микроскопическое сечение S=sN. Как и микроскопическое, макроскопическое сечение также характеризует определенный тип ядерной реакции.

Литература

1.     Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика. Учебник для 10, 11 классов средней школы. М.: Просвещение, 2008.

2.     Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. М.: ФОРУМ-ИНФРА, 2006.

3.     Рымкевич А.П., Рымкевич П.А. Сборник задач по физике для 8-10 классов средней школы. М., 1998.

4.     Каменецкий С.Е., Орехов В.П. Методика решения задач по физике. М., 1974.

5.     Сборник задач по физике 10-11, под редакцией С.М. Козела, Москва, «Просвещение», 1995.

6.      

СОДЕРЖАНИЕ

Пояснительная записка………………………………………………………..1

Лекция 1. Гипотеза Планка о квантах………………………………………..4

Лекция 2. Фотоэффект. Фотон………………………………………………..8

Лекция 3. Волновые и корпускулярные свойства света…………………...13

Лекция 4. Технические устройства, основанные на использовании фотоэффекта…………………………………………………………………..26

Лекция 5.Строение атома: планетарная модель и модель Бора…………...31

Лекция 6. Поглощение и испускание света атомом………………………..38

Лекция 7. Принцип действия и использование лазера……………….........41

Лекция 8. Строение атомного ядра…………………………………….........52

 Лекция 9. Энергия связи. Связь массы и энергии…………………………60

Лекция 10. Ядерная энергетика………………………………………..........68

Лекция 11. Радиоактивные излучения и их воздействие на живые организмы…………………………………………………………………......70

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………..76

Содержание…………………………………………………………………...77