Файл: Конспект лекций по общей физики (1-4 семестр).pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 17.03.2025

Просмотров: 3955

Скачиваний: 2

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

360

6.7.5. Фотовольтаический эффект

В области p-n-перехода возникает электростатиче-

μA

ское поле, характеризуемое внутренней контактной

разностью потенциалов, однако в замкнутой цепи

i

ток не идёт, так как эта область обеднены носите-

–

+

лями тока.

При освещении p-области

благодаря

p

–

+

n

внутреннему

фотоэффекту образуются

свободные

–

+

электроны и дырки. Скатываясь с потенциальной

горки (см. РИС. 46.5Б), электроны создают ток. Для

дырок, образующихся в p-области, существует по-

λ

тенциальный барьер, поэтому их наличие лишь по-

вышает высоту горки.

Рис. 46.7

Фотовольтаический эффект – явление протекания электрического тока в замкнутой цепи, содержащей p-n-переход, при освещении одной из сторон p-n-перехода (РИС. 46.7).

Демонстрация: Применение фотоэффекта

361

Лекция 4781

7. Физика атомного ядра и элементарных частиц

7.1. Атомное ядро

7.1.1. Нуклон

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов – нуклонов одна частица в различных квантовых состояниях.

Характеристика

Протон

Электрический заряд

q

e

p

(ТАБЛ. 47.1). Нуклон – это

Таблица 47.1

Нейтрон

q

0

n

Масса покоя

m

27

кг

1836m 1,673 10

p

e

938,28 МэВ c

2

m 1838,5m 1,675 10

27

кг

n

e

939,55 МэВ c

2

Спин

s

1

2

Магнитный момент

μ

2,79μ

1,411 10

26 Дж

p

Б

Тл

Время жизни

T

(период полураспада)

p

s

1

2

μ

1,91μ

n

Б

9,647

27

Дж

10

Тл

T 12 мин

n

(в свободном состоянии)

W 0,77 МэВ

Здесь me = 9,110∙10–31 кг = 0,511 МэВ/c2 – масса электрона; μБ = 9,274·10–24 Дж/Тл; c

– скорость света в вакууме.

7.1.2. Состав ядра

Заряд ядра

Q Ze

,

где Z – число протонов в ядре (зарядовое число) – порядковый номер элемента в периодической системе.

Масса ядра

m Am1 ,

A Z N

где A – массовое число, N – число нейтронов в ядре;

m 12C

m

6

1 а. е. м. 1,6606

10 27кг 931,50 МэВ c2

1

12

81 Лекции 47-50 представлены в дополнительных материалах к настоящему ЭУМК в виде презентации.

362

– атомная единица массы.

Обозначение ядра:

ПРИМЕР

A

Z

X

Калий-40:

40K : 19

A

40

,

Z

19

,

N

40 19

21

.

Изотопы – ядра одного химического элемента, имеющие разную массу (разные массовые числа при одинаковом зарядовом числе).

ПРИМЕР

Изотопы водорода

1

1H – протий, T → ∞;

2

2

1H 1D – дейтерий, T → ∞;

3

3

1H 1T – тритий, T = 12 лет.

Изобары – ядра, имеющие одинаковое массовое число, но разный заряд.

ПРИМЕРЫ

15

15

3

7N и

8O,1H

и

3

He

2

7.1.3. Размер ядра

Радиус ядра

r

1,2 1,3

3

A

0

Для сравнения: размер атома

фм

.

10

м

r ~10

r0

5

r

10

.

Объём ядра

V

Плотность ядра

4πr03

3

45

3

9,2A 10

м

.

ρ 1,3 1017 мкг3 .

7.1.4. Спин ядра

Спин ядра I равен сумме спинов и орбитальных моментов нуклонов.

В основном состоянии стабильных ядер

нов в основном состоянии I = 0.

I

9 2

. У всех ядер с чётным числом нукло-

7.1.5. Масса и энергия связи ядра

Обозначения: mp – масса протона, mn – масса нейтрона, mя – масса ядра, m – масса атома, mH – масса атома водорода.

Масса ядра меньше суммарной массы нуклонов, из которых оно состоит: mя mp mn .

363

Энергия связи Wсв – работа, которую нужно совершить для полного разделения

ядра на свободные нуклоны.

Полная энергия ядра

W mc

2

;

W

m m c

m c

Zm

A Z

n

2

2

p

св

p

я

или, с учётом массы электронов,

W

Zm

A Z m m c

2

св

H

n

m m c

я

2

n

.

Дефект масс

Zm A Z m m

p

n

я

.

Удельная энергия связи – энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон:

w

W

св

св

A

.

График зависимости удельной энергии связи ядер от массового числа представлен на РИС. 47.1.

Тяжёлым ядрам выгодно делиться, а лёгким – сливаться.

ПРИМЕРЫ

При делении ядра урана

235

92U

При синтезе ядер гелия

выделяется около 17,6 МэВ.

выделяется около 200 МэВ.

2

3

4

He

1

n

1

D T

2

0

1

Рис. 47.1

364

7.1.6. Ядерные силы

Существование атомных ядер обусловлено сильным взаимодействием, описыва-

емым ядерными силами.

Свойства ядерных сил

1.Притяжение; ядерные силы притяжения намного больше кулоновских отталкивания.

2.Короткодействие (радиус действия ядерных сил r ~ 10–15 м). На расстояниях, много больших r, притяжение нуклонов сменяется кулоновским отталкиванием.

3.Зарядовая независимость: силы взаимодействия двух протонов, двух нейтронов и протона с нейтроном одинаковы.

4.Нецентральность: ядерные силы нецентральны.

5.Насыщение: каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом нуклонов.

6.Взаимодействие нуклонов наиболее эффективно, если их спины сонаправлены.

7.1.7. Виртуальные частицы

Частицы-переносчики сильного взаимодействия в ядрах – виртуальные

π-мезоны.

Виртуальные частицы – частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

Соотношение неопределённостей:

W t

2

– виртуальная частица с энергией W = mπc2 (mπ – масса π-мезона) может возникнуть ниоткуда и существовать в течение времени, не превышающего

t ~ W .

Получается, что mπ ≈ 270me.

Если поблизости от нуклона нет других сильновзаимодеи ствующих частиц, то все испущенные нуклоном π-мезоны поглощаются этим же нуклоном. Одиночныи нуклон окруже н тн. . мезонной шубой. Когда два нуклона сближаются и их мезонные шубы начинают соприкасаться, создаются условия для обмена виртуальными мезонами.

7.1.8. Модели атомного ядра

Атомное ядро – система многих частиц. Квантовомеханическая задача многих частиц сложна для решения. Поэтому были созданы модели атомного ядра.

1. Капельная модель

Ядро – капля заряженной несжимаемой жидкости с очень высокой плотностью. Эта модель позволяет вывести формулу для энергии связи ядра, обусловливает процесс деления ядра.

Смотрите также файлы