Файл: Н. Ельцина А. А. Повзнер, А. Г. Андреева, К. А. Шумихина Физика Базовый курс. Часть ii.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.12.2023
Просмотров: 271
Скачиваний: 9
СОДЕРЖАНИЕ
1.1. Опыты Фарадея. Явление электромагнитной индукции
1.2. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Природа сторонних сил. Правило Ленца.
2.1. Незатухающие механические колебания
2.2. Сложение гармонических колебаний
2.4. Вынужденные механические колебания
2.6. Свободные незатухающие электромагнитные колебания.
2.7. Затухающие электромагнитные колебания
4.4. Природа электромагнитного излучения. Корпускулярно-волновой дуализм
5. Элементы квантовой механики
5.1. Идея де Бройля. Опыты, подтверждающие волновые свойства микрочастиц
5.2. Соотношения неопределенностей Гейзенберга
5.3. Волновая функция. Стандартные условия. Уравнение Шредингера.
6.2. Ядерные реакции
Под ядерной реакцией понимают процесс взаимодействия ядер или ядра и элементарной частицы, приводящий к их взаимному превращению. Общая схема ядерной реакции выглядит таким образом:
, (6.6)
или в краткой форме
, (6.7)
где − обозначают исходное и образующееся в результате реакции ядро; известные частицы, которые часто встречаются в различных ядерных реакциях, – это электрон ( ), позитрон ( ), протон (p), нейтрон (n), -частица ( ) и т.д.
При протекании любой ядерной реакции выполняются следующие законы сохранения:
1) энергии ( ); 2) импульса ( ); 3) момента импульса ( ); 4) электрического заряда ( ); 5) массового числа А ( ).
Можно также отметить выполнение законов сохранения, введенных для описания взаимодействий между элементарными частицами. Это законы сохранения лептонного заряда, изоспина (только в сильном взаимодействии), четности (за исключением реакций, происходящих с участием слабого взаимодействия, это -распады) и т.д.
Энергия ядерной реакции - это энергия, которая выделяется или поглощается при протекании ядерной реакции. По определению она равна разности энергий покоя исходных ядер (частиц) и ядер (частиц), образующихся в результате ядерной реакции
(6.8)
Учитывая закон сохранения энергии и разделение полной энергии на энергию покоя и кинетическую энергию ( ), можно записать следующую формулу:
. (6.9)
Согласно выражению (6.9) энергия при ядерной реакции выделяется ( ) в виде кинетической энергии продуктов реакции. Если же , то энергия при протекании ядерной реакции поглощается.
6.3. Явление радиоактивности
6.3.1. Виды радиоактивного распада ядер
Явление радиоактивности (р-а) заключается в самопроизвольном распаде ядер с испусканием элементарных частиц. Выделяют бета ( )- и альфа ( )-распады, они сопровождаются испусканием гамма ( )-лучей. Атомное ядро, испытывающее р-а распад, называют материнским, а образующееся при этом ядро – дочерним.
Для того чтобы определить параметры ядра, получаемого при р-а распаде, применяют правила смещения, они позволяют правильно установить изменение таких параметров ядра, как его заряд и массовое число.
Выделяют три вида -распада - это -распад (из ядра вылетает электрон ), -распад (из ядра вылетает позитрон ) и электронный захват (e-захват, ядро захватывает один электрон с К-слоя, L - слоя, M – слоя и т.д.). При - распаде из ядра вылетает -частица, представляющая собой ядро атома гелия (спин и магнитный момент -частицы равны нулю).
Для этих видов распада правила смещения записываются следующим образом:
-распад: , (6.10)
-распад: , (6.11)
e-захват: , (6.12)
-распад: . (6.13)
Из этих правил следует, что все радиоактивные ядра объединяются в р-а семейства, число которых равно четырем - это семейства (или ряды) тория ( ), нептуния ( ), урана ( ) и актиния ( ). Для них массовое число определяется следующим образом:
, , , , (6.14)
где число принимает целочисленные значения.
Каждый член ряда получается из предыдущего путем – или –распадов. Поэтому у соседних членов ряда массовые числа либо одинаковы (они являются изобарами) или отличаются на четыре.
6.3.2. Основной закон радиоактивного распада. Активность радиоактивного вещества
1. Основной закон радиоактивного распада. Для любого радиоактивного вещества нельзя предсказать момент времени распада того или иного ядра, известна лишь вероятность его распада. Причем на распад ядра не влияет тип вещества, его нагрев, сжатие - ядро распадается само по себе, независимо от других ядер.
Все это свидетельствует о том, что все процессы р-а распада подчиняются общим законам, согласно которым вероятность распада одного ядра в единицу времени является для данного типа ядра постоянной величиной. Ее принято называть постоянной распада , она дает вероятность распада одного ядра за единицу времени. Если обозначить число ядер, не распавшихся в радиоактивном веществе к моменту времени , через , а число распавшихся за время ( ) ядер через ( ), то для вероятности распада ядра за единицу времени можно записать
,
откуда следует основной закон радиоактивного распада
. (6.15)
В выражении (6.15) через обозначено начальное число радиоактивных ядер в веществе.
2. Период полураспада Т. Среднее время жизни радиоактивного ядра. Для количественного описания явления р-а вводят понятия периода полураспада и среднего времени жизни ядра.
Период полураспада - это время, за которое распадается половина первоначального количества ядер: . Он связан с постоянной распада формулой
. (6.16)
Получим формулу для среднего времени жизни ядра. За время ( ) распадается ядер, их время жизни можно считать одинаковым и равным , это связано с малостью интервала . Суммарное время жизни этих ядер будет равно (- ). Суммируя время жизни ядер по всем интервалам от нуля до бесконечности и деля эту сумму на первоначальное количество частиц , получим
,
. (6.17)
3. Активность радиоактивного вещества. Для описания интенсивности протекания процессов распада в радиоактивном веществе вводят понятие активности радиоактивного вещества. Активность радиоактивного вещества определяет число распадов в р-а веществе за единицу времени
, (6.18)
где начальная активность р-а вещества равна
. (6.19)
Единицей измерения активности в СИ является беккерель (Бк). При активности р-а вещества в 1 Бк в веществе происходит один распад за одну секунду (1Бк = 1 распад/с). Применяется более крупная единица, называемая кюри, она составляет .
6.3.3. b-распад ядер
Как известно, электроны и позитроны не входят в состав ядра, поэтому они образуются в момент вылета из ядра при распаде нуклонов за счет слабого взаимодействия. Следовательно, b – распад это внутринуклонный процесс. При этом протекают следующие реакции:
- распад: , (6.20)
- распад: , (6.21)
e – захват: . (6.22)
Реакция (6.20) протекает с выделением энергии, поэтому она может протекать и для нейтрона, находящегося в свободном состоянии. Реакция (6.21) происходит с поглощением энергии и поэтому протекает только внутри ядра, где протон может получить необходимую для протекания такой реакции энергию от других нуклонов.
Электронный захват сопровождается характеристическим рентгеновским излучением, вызванным переходами электронов на освободившееся место либо в К-слое, либо в L-слое и т.д.
Нужно отметить, что исторически нейтрино (антинейтрино) были открыты в реакциях -распада ядер. На существование этих частиц указывали сплошной спектр энергий вылетающих из атома электронов, а также нарушение законов сохранения импульса и момента импульса в этих реакциях. Так, энергетический спектр электронов (он дает распределение числа электронов по кинетическим энергиям ) оказался сплошным кинетическая энергия вылетающих электронов изменялась непрерывно от нуля до максимального значения (рис. 6.3). Этот факт можно было объяснить тем, что при такой реакции образуется еще одна частица (антинейтрино), которая и забирает у электрона часть освобождающейся при реакции энергии (такое предположение сделал Паули, а название частице было дано Ферми).
Р
ис. 6.3
Причем распределение энергии между этими частицами будет различным для отдельных актов распада. Для случая электрон забирает практически всю энергию.
Для того чтобы определить параметры ядра, получаемого при р-а распаде, применяют правила смещения, они позволяют правильно установить изменение таких параметров ядра, как его заряд и массовое число. Эти правила были введены задолго до открытий частиц нейтрино и антинейтрино. Однако, в связи с тем, что массовое число и электрический заряд нейтрино и антинейтрино равны нулю, их присутствие в реакциях распада не сказывается на правилах смещения. Необходимо помнить, что отсутствие нейтрино (антинейтрино) в реакциях (6.10) и (6.11) приводит к невыполнению закона сохранения лептонного заряда, вводимого для частиц, вступающих в слабые взаимодействия.
При прохождении b-излучения через вещество большая часть энергии тратится на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды. Присутствуют также и радиационные потери (при столкновениях изменяется скорость частицы и происходит излучение фотонов). Интенсивность пучка электронов за счет этих процессов плавно убывает до нуля.
Пробег b – частиц в средах различен и зависит от энергии частиц и плотности среды. b-частицы с энергией меньше 0,1 МэВ проходят в воздухе путь, равный 10 см, в биологических тканях 0,16 мм, а b-частицы с энергией больше 1 МэВ соответственно 11 и 17, 5 мм.
6.3.4. -распад ядер
-распад наблюдается для ядер, содержащих большое число нуклонов ( ), число таких ядер превышает 200 , имеется также около 20 -радиоактивных ядер среди лантанидов. Среднее время жизни р-а ядер колеблется в широких пределах от с ( ) до лет ( , ). Энергия -частиц, испускаемых тяжелыми ядрами составляет порядка ( ) МэВ, а ядрами лантанидов – ( ) МэВ.
Широкие пределы изменения среднего времени жизни (периода полураспада ) р-а ядер при сравнительно малых изменениях энергии вылетающих -частиц находят свое отражение в экспериментально установленной формуле (Гейгер и Неттолла,1911 г.)
, (6.23)
из нее, в частности, следует, что
. (6.24)
В формуле (6.23) постоянные величиныb, c определяются из опыта. Из выражения (6.24) видно, что малые изменения энергии -частицы (показателя экспоненты) приводят к существенному изменению периода полураспада , т.е. самой экспоненты.
Теоретическое объяснение -распад получил на основе туннельного эффекта. -частица, которая образуется в момент вылета из ядра, встречает на границе ядра высокий потенциальный барьер, который она преодолевает за счет туннельного эффекта (см. 5.3.2). Для вероятности выхода -частицы из ядра, т.е. для коэффициента прозрачности Dможно получить следующую формулу:
. (6.25)
Из формулы (6.24) можно получить формулу Гейгера – Неттолла (6.23), если учесть, что коэффициент прозрачности прямо пропорционален постоянной распада .
Отметим, что для р-а ядер одного семейства, испытывающих -распад, энергия вылетающих -частиц изменяется незначительно относительно определенного значения : . В соответствии с формулой (6.24) малые изменения энергии -частиц должны привести к существенным изменениям периодов полураспада (на несколько порядков), что также подтверждается экспериментом.
Энергия, выделяемая при –распаде, делится между -частицей и дочерним ядром обратно пропорционально их массам. Если дочернее ядро образуется в возбужденном состоянии, то кинетическая энергия -частицы уменьшается на энергию возбуждения и, напротив, возрастает, если распадается возбужденное ядро.
Дискретность энергетических уровней энергии ядра приводит к тому, что возникают несколько групп -частиц, имеющих одну и ту же кинетическую энергию. Следовательно, тонкая структура спектров -частиц позволяет определить энергию возбужденных состояний ядер.
Проходя через вещество, -частицы вызывают ионизацию и возбуждение атомов и молекул, а также диссоциацию молекул. Потери энергии -частиц на образование ядер отдачи и тормозное излучение будут незначительными.
Большая начальная скорость -частиц ( ) приводит к тому, что до остановки они успевают образовать на своем пути примерно пар ионов.
Траектория движения -частиц представляет собой отрезок прямой, причем интенсивность пучка -частиц остается постоянной, если пройденный ими путь меньше длины пробега R(это расстояние, проходимое в веществе частицей до ее полной остановки, т.е. до момента времени, когда она приходит в тепловое равновесие с окружающей средой). В воздухе длина пробега – частиц составляет несколько сантиметров, для плотных веществ – порядка 0,01мм.
6.3.5. -излучение ядер
-излучение не представляет собой самостоятельный вид радиоактивного распада. Оно сопровождает - и -распады, а также любые взаимные превращения ядер, при которых происходит переход ядра из возбужденных состояний в основное.
Установлено, что -излучение испускается дочерним (а не материнским) ядром при его переходе из возбужденного состояния в основное состояние.
-кванты не имеют электрического заряда, поэтому на них не действуют кулоновские силы. Масса покоя -квантов равна нулю, поэтому они могут двигаться только со скоростью света , т.е. они не могут замедляться в веществе, как -частицы и электроны.
Параллельный пучок -квантов при прохождении через вещество рассеивается за счет таких процессов, как фотоэффект, эффект Комптона и образование электронно-позитронной пары.
Для образования электронно-позитронной пары ( ) необходима энергия -кванта, равная , – это минимальная энергия, необходимая для образования электронно-позитронной пары. Поэтому этот процесс наблюдается при энергиях и является при таких энергиях практически единственным процессом поглощения -излучения в веществе.
6.3.6. Цепные реакции деления тяжелых ядер
Цепная реакция деления тяжелых ядер – это ядерная реакция, самопроизвольно поддерживающаяся в веществе за счет вовлечения в нее все нового и нового числа делящихся ядер. Среди изотопов урана ее можно осуществить для ядра . Под действием нейтрона, попадающего в ядро, оно возбуждается и делится на два радиоактивных осколка (ядра) разной массы, которые разлетаются с большими скоростями, и на два-три нейтрона (рис. 6.4).
Нейтроны, вылетающие в процессе деления из ядра, могут, в свою очередь, вызвать реакцию деления соседних ядер , которые также испускают нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление ядер. В итоге число делящихся ядер возрастает, возникает цепная реакция.
Исследования показали, что деление может происходить разными путями, наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3. Запишем одну из возможных реакций деления :
, (6.26)
, . (6.27)
Получаемые при делении урана осколки являются радиоактивными и после ряда превращений из них получаются стабильные изотопы церия и циркония (формула (6.109)).
Энергетический выход при делении ядра урана составляет примерно 1 МэВ на нуклон, причем основную часть энергии уносят осколки.
Основная характеристика ядерного реактора – его мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит актов деления в 1 с.
Состояние реактора характеризуется коэффициентом размножения нейтронов, он дает быстроту роста числа нейтронов, вызывающих деление ядер, и равен отношению числа нейтронов, вызвавших деление в данном поколении, к числу аналогичных нейтронов предыдущего поколения. Для цепной реакции, изображенной на рис. 6.31, коэффициент размножения нейтронов равен K = 3/2 =1,5. Если эффективный коэффициент размножения нейтронов в активной зоне больше единицы ( ), то цепная реакция нарастает во времени; если , то реакция затухает, а при идет стационарный процесс, число делений постоянно во времени. В качестве делящегося вещества в ядерном реакторе применяют , , . Если активная зона, кроме ядерного топлива содержит замедлитель нейтронов (графит, вода и другие вещества, содержащие легкие ядра), то основная часть делений происходит под действием тепловых нейтронов.
6.3.7. Термоядерные реакции
Термоядерные реакции. Существует еще одно перспективное направление в ядерной энергетике, это управляемый термоядерный синтез (УТС). Под ним понимают процесс слияния легких атомных ядер, проходящий с выделением энергии, при высоких температурах в регулируемых управляемых условиях.
Среди реакций синтеза легких ядер для УТС представляют интерес следующие термоядерные реакции:
, (6.28)
, (6.29)
, (6.30)
. (6.31)
В скобках указана энергия, которая выделяется при протекании реакции. Реакции синтеза легких ядер называют термоядерными, так как протекание таких реакций требует больших температур (порядка ), при которых смесь веществ превращается в плазму (ионизированный газ).
Действительно, для того чтобы началась ядерная реакция, необходимо сблизить ядра до расстояний, на которых вступают в игру ядерные силы (порядка ). Для этого необходимо преодолеть кулоновское отталкивание ядер, что можно сделать, сообщая ядрам большую начальную скорость их сближения, т.е. нагревая плазму до высокой температуры.
Разогрев плазмы до высоких температур является первым препятствием на пути осуществления термоядерного синтеза. Для нагрева плазмы свыше температуры применяют высокочастотный нагрев или ввод энергии в плазму с помощью потока быстрых нейтральных частиц.
Вторым препятствием для осуществления УТС является необходимость удержания плазмы длительное время вне контакта со стенками рабочей камеры, так как любой контакт приводит к резкому снижению температуры плазмы и прекращению термоядерных реакций.
6.3.8. Типы фундаментальных взаимодействий
Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Каждое из них можно охарактеризовать приведенными ниже параметрами.
1. Константа взаимодействия характеризует максимальное значение силы взаимодействия или энергии взаимодействия, она является безразмерной величиной.
2. Радиус взаимодействия - расстояние, на котором эти взаимодействия являются наиболее интенсивными.
3. Длительность протекания процессов взаимодействия частиц за счет данного вида взаимодействия.
Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет значение 10. Максимальное расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r), не превышает 10─15м.
Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь частиц (тел), имеющих электрический заряд. Константа взаимодействия равна 1/13710─2. Радиус действия не ограничен ( = ).
Слабое взаимодействие ответственно:
-
за все виды -распада ядер (включая е-захват),
-
за многие распады элементарных частиц,
-
за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом.
Константа взаимодействия равна 1014. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим (радиус действия r
10
за все виды -распада ядер (включая е-захват),
за многие распады элементарных частиц,
за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом.
18 м).
Гравитационное взаимодействие – присуще всем частицам (телам). Константа взаимодействия имеет значение порядка 1039. Радиус действия неограничен ( = ). Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. В процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет.
Библиографический список
1. Валишев, М.Г. Физика. Часть 3. Электромагнетизм : учебное пособие / М.Г. Валишев, А.А. Повзнер. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. – 55с.
2. Малышев, Л.Г. Избранные главы курса физики. Электромагнетизм : учебное пособие / Л.Г. Малышев, А.А. Повзнер. – Екатеринбург: изд-во Урал. ун-та, 2014. – 169с.
3. Валишев, М.Г. Физика. Часть 4. Колебания и волны : учебное пособие / М.Г. Валишев, А.А. Повзнер. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. – 90с.
4. Валишев, М.Г. Курс общей физики : учебное пособие / М.Г. Валишев, А.А. Повзнер. – СПб : Лань, 2010. – 576с.
5. Валишев, М.Г. Физика. Часть 5. Волновая оптика : учебное пособие / М.Г. Валишев, А.А. Повзнер. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. – 61с.
6. Малышев, Л.Г. Основные законы классической физики в примерах и задачах / Л.Г. Малышев, К.А. Шумихина, А.В. Мелких [и др.]; под ред. Ф.А. Сидоренко. – Екатеринбург: УрФУ, 2013. – 404с.
Учебное издание
Повзнер Александр Александрович
Андреева Анна Григорьевна
Шумихина Кямаля Арифовна
ФИЗИКА
БАЗОВЫЙ КУРС. ЧАСТЬ II
Редактор
Компьютерная верстка
Подписано в печать 30.09.2016. Формат 70´100 1/16.
Бумага писчая. Плоская печать. Усл. печ. л. 10,0
Уч.-изд. л. 10,0. Тираж 100 экз. Заказ №_____
Издательство Уральского университета
Редакционно-издательский отдел ИПЦ УрФУ
620002, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5
E-mail: rio@ustu.ru
Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ
620000, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4
Тел.: +7 (343) 350-56-64, 350-90-13
Факс: +7 (343) 358-93-06
E-mail.: press.info@usu.ru