Квантовая физика билеты

Квантовая физика.

Билет № 93. Гипотеза Планка. Фотоны.

Макс Планк выдвинул гипотезу, согласно которой свет излучается атомом не непрерывно, а отдельными порциями (квантами). В дальнейшем Резерфорд установил, что свет поглощается веществом тоже квантами.

Е = hν – энергия кванта света, где ν – частота излучаемого света, h = 6,63 ·10-34 Дж ·с – постоянная Планка.

Квант света обычно называют фотоном. Фотон ведет себя подобно частице.

Билет № 97. Естественная радиоактивность. Ядерная модель атома

Радиоактивность как свидетельство сложного строения атома.

Естественной радиоактивностью называют самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождающееся испусканием различных частиц.

Открыто в 1896 году французским физиком Беккерелем. Он заметил, что уран излучает неизвестные в то время невидимые лучи. Французские ученые Пьер Кюри и Мария – Склодовская Кюри обнаружили еще ряд химических элементов, обладающих радиоактивностью: торий, радий, полоний. В настоящее время известно, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.

Альфа, бета, и гамма излучения.

В 1908 году Резерфорд установил, что невидимое излучение, при прохождении через магнитное или электрическое поле разделяется на три составляющие: α-, β-,γ- лучи.

Схема опыта Резерфорда.

Было установлено, что α- лучи – это альфа частицы – поток ядер гелия; β- лучи – бета частицы – поток быстрых электронов; γ- лучи – это электромагнитные волны с частотой 1021Гц.

1.  α- лучи –обладают наименьшей проникающей способностью, их задерживает даже слой бумаги толщиной 0,1 мм.

2.  β- лучи имеют большую проникающую способность, они задерживаются слоем металла толщиной в несколько мм.

3.  γ- лучи обладают огромной проникающей способностью, их задерживает только слой синца в 5 — 10 см.

Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома.

Открытие радиоактивности свидетельствовало о сложном строении атома.

Резерфорд провел опыт по зондированию атомов тяжелых элементов альфа частицами. α – частица — ядро атома гелия

Узкий пучок α – частиц из свинцовой коробочки попадал на золотую фольгу. Прошедшие через фольгу α – частицы попадали на полупрозрачный экран, покрытый люминесцирующим веществом. Столкновение α – частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было увидеть в микроскоп.

В отсутствии фольги все частицы попадали в центральную часть экрана, где и давали вспышки. При наличии фольги большая часть частиц по — прежнему попадала в центр экрана, но часть регистрировалась на периферии экрана, а небольшая часть была отброшена обратно.

Тот факт, что большинство α – частиц, проходило сквозь фольгу, не отклоняясь, свидетельствовало о том, что атом не является сплошным образованием. Частицы, отклоненные на периферию и отброшенные обратно, свидетельствовали о том, что в атоме должна находится массивная положительная частица, которая своим электрическим полем, меняла траекторию движения α – частиц и которую они не могли сдвинуть с места.

Таким образом согласно Резерфорду в центре атома находится массивная положительно заряженная частица, названная ядром. Электроны же, по мнению Резерфорда, движутся по круговым орбитам вокруг ядра. Предложенная Резерфордом модель атома была названа планетарной (ядерной )моделью. Диаметр ядра примерно 10-14 — 10-15 м. Диаметр самого атома, т. е. диаметр самой удаленной орбиты примерно 10-9 — 10-10 м.

Атом в целом нейтрален, следовательно суммарный отрицательный заряд всех электронов равен заряду ядра. Число электронов в атоме (Ne) совпадает с порядковым номером элемента Z (зарядовое число) в таблице Менделеева. Тогда заряд ядра qя = Ze, где е = 1,6 ·10-9Кл – элементарный заряд, равный по модулю заряду электрона.

Билет № 98. Методы регистрации частиц в ядерной физике. Правило смещения.

Экспериментальные методы наблюдения и регистрации частиц.

Счетчик Гейгера – при попадании частицы в который возникает самостоятельный газовый разряд. Изобретен немецким ученым Гейгером в 1908 году. Его применяют для регистрации электронов, альфа частиц и гамма квантов.

Камера Вильсона – прибор, для наблюдения треков заряженных частиц. Изобретена английским ученым Вильсоном в 1912 году. По пути следования частица создаст цепочку ионов, которые станут центрами кондесации пара. На них появятся капельки жидкости и трек станет видимым. Этот трек фотографируют через стекло (3).

По фотографии можно судить о природе частицы, её энергии и скорости. Помещая камеру Вильсона в однородное магнитное поле, можно по кривизне трека определить импульс частицы и знак ее заряда (используя силу Лоренца). Этот метод был предложен советским физиком Капицей и Скобельцыным.

Камеры Вильсона часто называют окном в микромир.

Пузырьковая камера – трековый прибор для регистрации треков частиц с большой энергией. Создана американским физиком Глейзером в 1952 году. Устройство аналогично камере Вильсона. Позволяет регистрировать очень быстрые частицы.

Радиоактивные превращения атомных ядер. Правило смещения.

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение ядер одних химических элементов в ядра других элементов, сопровождающееся, испусканием различных частиц.

В 1913 году английский химик Содди, сформулировал правило смещения при радиоактивном распаде.

Пусть Х – ядро исходное радиоактивное ядро. А – массовое число, равное атомной массе химического элемента, округленной до целых. Z – зарядовое число, равно порядковому номеру в таблице Менделеева (равно заряду ядра, выраженному в элементарных электрических зарядах)

z AX → A-4z-2 Y + 42He – правило смещения при альфа распаде. В результате альфа распада образуется новое ядро, смещенное на две клеточки к концу таблицы Менделеева.

z AX → Az+1Y + 0-1e – правило смещения при бета распаде. В результате бета распада образуется новое ядро, смещенное на одну клеточки к началу таблицы Менделеева.

При радиоактивном распаде выполняются законы сохранения электрического заряда(зарядового числа),относительной атомной массы(массового числа), импульса и энергии.

Закон радиоактивного распада.

Период полураспада Т – это время, в течении которого распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер. Турана = 4,5 млрд. лет, Тброма = 1 час, Тполония = 1,5 ·10-4с.

Пусть N0 – первоначальное число радиоактивных ядер. N – число оставшихся радиоактивных ядер спустя время t.

N = N0 2-t/T – закон радиоактивного распада.

Билет № 99. Протонно–нейтронная модель ядра.

Строение ядра.

В 1919 году Резерфорд открыл протон. m = 1,0072765 а. е.м. q = + 1,6 ·10 Кл.

В 1932 году Чедвик (англ) открыл нейтрон – нейтральную частицу. m = 1,0086649а. е.м.

В 1932 году советский физик Иваненко и немецкий физик Гейзенберг предложили нейтронно-протонную модель ядра. Согласно этой модели, атомное ядро любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов.

Заряд протона по модулю равен заряду электрона, т. к. атом нейтрален, то следовательно число протонов в ядре равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра.

Nр = Z. Nn = А –Z.

Частицы, входящие в ядро называют нуклонами. Nнукл. = А

Изотопы.

Изотопы – это ядра с одним и тем же числом протонов в ядре, но отличающиеся числом нейтронов т. е. отличающиеся массой ядра. Изотопы данного химического элемента занимают одну клеточку в таблице Менделеева.

Химические свойства изотопов одинаковы, но физические свойства у них различны. В настоящее время определено, что изотопы есть у всех химических элементов.

Например, у водорода три изотопа: 11 Н – легкий водород; 12 Н (Д)– тяжелый водород – дейтерий; 13 Н – сверхтяжелый водород – тритий. Д2О – тяжелая вода. Её температура кристаллизации 3,8 0С, температура кипения 101,2 0С.

Ядерные силы.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называют ядерными силами.

Свойства ядерных сил:

Они короткодействующие, т. е. их действие проявляется только на расстояниях сравнимых с размером ядра (10-15 м). Это силы притяжения. Они самые большие по модулю среди известных человеку сил.

Энергия связи атомных ядер.

Энергия связи атомного ядра (Есв.) – равна той энергии, которую надо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны.

Из закона сохранения следует, что при образовании ядра из отдельных нуклонов выделится точно такая же энергия.

Мерой энергии связи является дефект массы: ∆m = (Zmp + Nnmn) — mя, где: Z –число протонов в ядре (зарядовое число), mp – масса покоя протона, Nn – число нейтронов в ядре, mn – масса покоя нейтрона, mя – масса ядра.

Дефект масс показывает, на сколько сумма масс покоя частиц, входящих в ядро больше массы самого ядра.

Эйнштейн установил закон, связывающий массу и энергию: Е =mс2

Тогда: Есв = ∆m· с2 = (Zmp + Nnmn — mя) · с2 – энергия связи в Дж.

Т. к. массе в 1а. е.м. соответствует энергия в 931,5 МэВ, то:

Есв = ∆mа. е.м. · 931,5 = (Zmp + Nnmn — mя)а. е.м. · 931,5 – энергия связи в МэВ

Билет №100. Ядерные реакции

Ядерные реакция – это взаимодействие ядер различных химических элементов или взаимодействие ядер и элементарных частиц, в результате которого образуются ядра других химических элементов или другие частицы.

Первую ядерную реакцию провел Резерфорд, используя альфа – частицы:

7 14N + 2 4He → 8 17O + 1 1 H

Деление ядер урана.

В 1938 году немецкие учёные Ганн и Штрассман открыли деление ядер урана нейтронами. Ядро, захватив первичный нейтрон, деформируется, и делится на два более лёгких ядра. При этом выделяется огромное количество энергии, примерно 1 МэВ на нуклон ( 200 МэВ при делении одного ядра)

При делении ядра урана выделяются 2-3 вторичных нейтрона, которые могут вызвать развал следующих атомов, т. е. число делящихся атомов может нарастать лавинообразно ( в геометрической пропорции). Ядерная реакция, при которой число делящихся ядер нарастает лавинообразно, называется цепной ядерной реакцией. При ней выделяется огромное количество энергии.

Ядерным горючим называют вещество, в котором может идти цепная ядерная реакция.

К ядерному горючему относится 92 235U, который имеется в природе, 94 239Pu, а также 92 233U.

Чтобы в ядерном горючем началась цепная ядерная реакция коэффициент размножения нейтронов должен быть большим или равным единице.

к – коффициент размножения нейтронов – это отношение числа вторичных нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении.

Чтобы к ≥1, надо чтобы масса ядерного горючего была не меньше определённой ( критической). Для 92 235U — это 50 кг ( шарик радиусом 9 см). Используя отражатели нейтронов из бериллия удалось снизить критическую массу урана до 250 г.

При к >1 – реакция неуправляема ( взрыв) – используется в атомной бомбе. .В СССР первая бомба была создана в 1949 году под руководством академика Курчатова.

Ядерная энергетика.

При к = 1 – реакция управляема. Её используют в атомном реакторе. Центральная часть реактора заполнена графитом, в котором сделаны отверстия. В них вставляют стержни из ядерного горючего. Как только реакция начинает нарастать в центральную зону опускают стержни из бора или кадмия, которые поглощают вторичные нейтроны. Реакция затухают, поглощающие стержни поднимаю, реакция снова нарастает. Выделяющаяся при цепной реакции нагревает теплоноситель ( жидкий натрий). Теплоноситель в теплообменнике нагревает воду, превращая её в пар. Пар вращает турбину, которая вращает генератор переменного тока. В 1953 году в СССР была построена первая АЭС.

Билет № 101. Термоядерная реакция. Биологическое действие радиоакт. излучения

Термоядерная реакция

Термоядерная реакция – это реакция слияния ( синтеза) тяжелых ядер из лёгких, происходящая при высокой температуре ( 107 – 109 К ).

1 3 Н + 21H → 4 2 Не+ 1 0n

Высокая температура необходима, чтобы ядра имели достаточно большую скорость и смогли преодолеть кулоновское отталкивание.

При термоядерной реакции выделяется энергии на один нуклон в 3, 5 раза больше, чем при цепной ядерной реакции.

Термоядерная реакция идет на Солнце и других звёздах, там происходит превращение водорода в Не.

Биологическое действие радиоактивного излучения

Радиоактивные излучения оказывают сильное воздействие на живые ткани: вызывают мутацию клеток, изменяют наследственность, вызывают лучевую болезнь, раковые опухоли, поражают костный мозг, нарушают процесс образования крови.