Различные виды электромагнитных излучений и их практическое применение

Электромагнитное излучение подразделяется на:
- радиоволны (начиная со сверхдлинных),
- инфракрасное излучение,
- видимый свет,
- ультрафиолетовое излучение,
- рентгеновское излучение и жесткое (гамма-излучение).

Применение: 1) Радиосвязь; 2) Медицина, безконтактный нагрев; 3) трудно сказать где оно не ипользуется; 4) искуственный загар, искуственное освещение для растений; 5) медицина, дефектоскопия.

Билет №22

Строение атома является сложным. Это подтверждают открытия таких явлений, как электрон, рентгеновские лучи и радиоактивность. В результате теоретических исследований и многочисленных опытов была построена теория строения атома. Особенно важный вклад в создание теории строения атома внёс английский физик Эрнест Резерфорд (1871 – 1937), который проводил опыты по изучению прохождения альфа-частиц через тонкие металлические пластины золота и платины.

Резерфорд в 1906 году предложил провести зондирование атомов тяжёлых элементов альфа-частиц с энергией 4,05 МэВ, которые испускались ядром урана или радия. Таким образом предлагалось изучить рассеяние (изменение направления движения) альфа-частиц в веществе.

Масса альфа-частицы примерно в 8000 раз больше массы электрона. Положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона 2е. Скорость альфа-частицы составляет 1/15 скорости света или 2 * 10⁷ м/с. Альфа-частица – это полностью ионизированный атом гелия.

Упрощенная схема опытов Резерфорда изображена на рис. 1.1. Альфа-частицы испускались радиоактивным источником 1, помещённым внутри свинцового цилиндра 2 с узким каналом 3. Узкий пучок альфа-частиц из канала падал на фольгу 4 из исследуемого материала, перпендикулярно к поверхности фольги. Из свинцового цилиндра альфа-частицы проходили только через канал, а остальные поглощались свинцом. Прошедшие сквозь фольгу и рассеянные ею альфа-частицы попадали на полупрозрачный экран 5, который был покрыт люминесцирующим веществом (сульфатом цинка). Это вещество было способно светиться при ударе об него альфа-частицы. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света. Эта вспышка называется сцинтилляция (от латинского scintillation – сверкание, кратковременная вспышка света). За экраном находился микроскоп 6. Чтобы не происходило дополнительного рассеяния альфа-частиц в воздухе, весь прибор размещался в сосуде с достаточным вакуумом.

Рис. 1.1. Упрощённая схема опытов Резерфорда.

В отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком альфа-частиц. Но когда на пути движения альфа-частиц помещали тонкую золотую фольгу толщиной примерно 0,1 мк (микрон), то наблюдаемая на экране картинка сильно менялась: отдельные вспышки появлялись не только за пределами прежнего кружка, но их можно было даже наблюдать с противоположной стороны золотой фольги.

Подсчитывая число сцинтилляций в единицу времени в разных местах экрана, можно установить распределение в пространстве рассеянных альфа-частиц. Число альфа-частиц быстро убывает с увеличением угла рассеяния.

Наблюдаемая на экране картина позволила заключить, что большинство альфа-частиц проходит сквозь золотую фольгу без заметного изменения направления их движения. Однако некоторые частицы отклонялись на большие углы от первоначального направления альфа-частиц (порядка 135^о…150^о) и даже отбрасывались назад. Исследования показали, что при прохождении альфа-частиц сквозь фольгу примерно на каждые 10000 падающих частиц только одна отклоняется на угол более 10^о от первоначального направления движения. Лишь в виде редкого исключения одна из огромного числа альфа-частиц отклоняется от своего первоначального направления.

Тот факт, что многие альфа-частицы проходили сквозь фольгу, не отклоняясь от своего направления движения, говорит о том, что атом не является сплошным образованием. Так как масса альфа-частицы почти в 8000 раз превосходит массу электрона, то электроны, входящие в состав атомов фольги, не могут заметно изменить траекторию альфа-частиц. Рассеяние альфа-частиц может вызывать положительно заряженная частица атома – атомное ядро.

Атомное ядро – это тело малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и почти весь положительный заряд атома.

Чем ближе альфа-частица подходила к ядру, тем больше была сила электрического взаимодействия и тем на больший угол частица отклонялась. На малых расстояниях от ядра положительно-заряженная альфа-частица испытывает значительную силу отталкивания F от ядра, которую определяют по закону Кулона:

F =

•

где r – расстояние от ядра до альфа-частицы; ε₀ – электрическая постоянная в единицах измерения СИ; p – число протонов в ядре; е = 1,6*10-19 Кл – абсолютное значение элементарного электрического заряда (заряда электрона); 2e – заряд альфа-частицы

На рисунке 1.2 показаны траектории альфа-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.

Резерфорд смог ввести формулу, связывающую количество рассеянных на определённый угол альфа-частиц с энергией альфа-частиц и протонов р в ядре атома. Опытная проверка формулы подтвердила её справедливость и показала, что количество протонов в ядре равно числу внутриатомных электронов Z и определяется атомным номером химического элемента (то есть порядковым номером элемента в периодической системе Д.И.Менделеева):

p = Z

Рис. 1.2. Траектории альфа-частиц.

Подсчитывая количество альфа-частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить линейные размеры ядра. Чтобы положительное ядро могло отбросить альфа-частицу назад, потенциальная энергия электростатического (кулоновского) отталкивания у границ ядра атома должна равняться кинетической энергии альфа-частицы:

=

•

Оказалось, что ядро имеет диаметр:

d_я = 10^-13…10^-12 см = 10^-15…10^-14 м

Линейный диаметр самого атома:

d_a = 10^-8 см = 10^-10 м

Планетарная модель атома

После анализа многочисленных опытов, Резерфордом в 1911 году была предложена планетарная модель атома (ядерная модель атома).

Согласно этой модели в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Электроны движутся вокруг ядра на относительно больших расстояниях, подобно тому, как планеты вращаются вокруг солнца. Из совокупности этих электронов образуется электронная оболочка или электронное облако.

Атом в целом нейтрален, следовательно, абсолютное значение суммарного отрицательного заряда электронов равно положительному заряду ядра: число Z*e протонов в ядре равно числу электронов в электронном облаке и совпадает с порядковым номером (атомным номером) Z атома данного химического элемента в периодической системе Д.И.Менделеева.

Например, атом водорода имеет порядковый номер Z = 1, следовательно, атом водорода состоит из положительного ядра с зарядом, равным абсолютному значению заряда электрона. Вокруг ядра вращается один электрон. Ядро атома водорода названо протоном. Атом лития имеет порядковый номер Z = 3, следовательно, вокруг ядра атома лития вращаются 3 электрона.

Почему атомы каждого химического элемента имеют свой строго индивидуальный набор спектральных линий? Почему совпадают линии излучения и поглощения в спектре данного элемента? Чем обусловлены различия в спектрах атомов разных элементов?

Ответы на эти и многие другие вопросы удалось найти только в начале XX в. благодаря возникновению новой физической теории — квантовой механики. Одним из основоположников этой теории был датский физик Нильс Бор.

Бор пришёл к заключению, что свет излучается атомами вещества.

В связи с этим в 1913 г. он сформулировал два постулата.

• 1. Атом может находиться только в особых, стационарных состояниях. Каждому состоянию соответствует определённое значение энергии — энергетический уровень. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает и не поглощает

Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Номера стационарных орбит и энергетических уровней (начиная с первого) в общем случае обозначаются латинскими буквами: п, k и т. д. Радиусы орбит, как и энергии стационарных состояний, могут принимать не любые, а определённые дискретные значения. Первая орбита расположена ближе всех к ядру.

• 2. Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Е_к в стационарное состояние с меньшей энергией Е_n

Согласно закону сохранения энергии, энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний:

hv = E_k - E_n.

Лазерами называются устройства, преобразующие различные виды энергии в энергию светового излучения в результате вынужденного излучения или вынужденного рассеяния света.

Спектры бывают сплошные, линейчатые и полосатые.

Билет№23

Квантовые свойства света в том, что он испускается квантами, т. е. порциями, фотонами.

Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.
Законы фотоэффекта:
Формулировка 1-го закона фотоэффекта:

Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока.
Согласно 2-му закону фотоэффекта,

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

для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света V0 (или максимальная длина волны 0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v

Применение фотоэффекта:

фотоаппарат (цифровой ессно), телекамера, сканер, оптические датчики всего и вся: положения, перемещения,..вплоть до концентрации углекислого газа, инфракрасные датчики охранной сигнализации, инфракрасные барьеры, пожарные датчики, оптроны и оптронные развязки, приёмники волоконно-оптической (и атмосферной лазерной) связи, стабилизаторы лазеров,..измерители оптических величин и дистанционные - температуры.

Билет№24

Ядро атома состоит из нуклонов, которые подразделяются на протоны и нейтроны.

Символическое обозначение ядра атома:

А- число нуклонов, т.е. протонов + нейтронов (или атомная масса)
Z- число протонов (равно числу электронов)
N- число нейтронов (или атомный номер)

N = A – Z

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

- действуют между всеми нуклонами в ядре;
- силы притяжения;
- короткодействующие.

Нуклоны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые совершенно непохожи ни на гравитационные, ни на электростатические.. Ядерные силы очень быстро спадают с расстоянием. Радиус их действия порядка 0,000 000 000 000 001 метра.
Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение - 1 Фм (в честь итальянского физика Э. Ферми, 1901-1954). Все ядра имеют размеры нескольких ферми. Радиус ядерных сил равен размеру нуклона, поэтому ядра - сгустки очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях.
Ядерные силы - сильные взаимодействия. Они многократно превосходят кулоновскую силу (на одинаковом расстоянии). Короткодействие ограничивает действие ядерных сил. С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжелых ядер радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не могут существовать.
Конечное число элементов в природе - следствие короткодействия ядерных сил.

ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР

Ядра атомов представляют собой сильно связанные системы из большого числа нуклонов.
Для полного расщепления ядра на составные части и удаление их на большие расстояния друг от друга необходимо затратить определенную работу А.

Энергией связи называют энергию, равную работе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на свободные нуклоны.

Е связи = - А

По закону сохранения энергия связи одновременно равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных свободных нуклонов.

ДЕФЕКТ МАСС

Измерения масс ядер показывают, что масса ядра (Мя) всегда меньше суммы масс покоя слагающих его свободных нейтронов и протонов.

При делении ядра: масса ядра всегда меньше суммы масс покоя образовавшихся свободных частиц.

При синтезе ядра: масса образовавшегося ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных частиц, его образовавших.

Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра.

Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра:

где Мя – масса ядра (из справочника)
Z – число протонов в ядре
mp – масса покоя свободного протона (из справочника)
N – число нейтронов в ядре
mn – масса покоя свободного нейтрона (из справочника)

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

- это искусственные превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с частицами (протонами, нейтронами, альфа-частицами, гамма-частицами) или другими ядрами.

Условие, когда протекание ядерной реакции становится возможным:

- когда ядро и частица (или другое ядро) сближаются на расстояния, при которых начинают действовать ядерные силы.

Так как в реакцию могут вступать ядро и положительно заряженная частица (протон), то необходимо преодолеть возникающие между ними силы отталкивания. Это возможно при больших скоростях частиц.
Такие скорости достигаются в ускорителях элементарных частиц.

Источниками заряженных частиц для проведения ядерных реакций могут быть:

- естественные радиоактивные элементы
- ускорители элементарных частиц
- космическое излучение.

Ядерная энергетика является отраслью энергетики, которая использует атомную энергию (ядерную энергию) в целях выработки электрического тока и параллельно тепловой энергии. Источниками энергии АЭС (атомных электростанций) являются ядерные реакторы, в которых протекает контролируемая цепная реакция деления ядер в тяжелых элементах, в ходе которой (при делении ядер плутона или урана) производится тепловая энергия, которая путем преобразования превращается электрическую энергию (таким же образом, как и на тепловых электростанциях).

Билет№25

РАДИОАКТИВНОСТЬ – превращение атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц и электромагнитного излучения.

Например: уран, торий, радий, актиний и полоний…

а-Распад представляет собой излучение а-частиц (ядер гелия) высоких энергий. При этом масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд — на 2 единицы.

B-Распад — излучение электронов, заряд которых возрастает на единицу, массовое число не изменяется.

у-Излучение представляет собой испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра при у-излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идет до свинца. Свинец — конечный продукт распада.

Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества: газоразрядный счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера. Существует также метод фотоэмульсий, основанный на способности пролетающей частицы создавать в фотоэмульсии скрытое изображение. След пролетевшей частицы виден на фотографии после проявления.

Радиоактивные излучения оказывают сильное биологическое действие на ткани живого организма, заключающееся в ионизации атомов и молекул среды. Возбужденные атомы и ионы обладают сильной химической активностью, поэтому в клетках организма появляются новые химические соединения, чуждые здоровому организму. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и элементы клеточных структур. В человеческом организме нарушается процесс кроветворения, приводящий к дисбалансу белых и красных кровяных телец. Человек заболевает белокровием, или так называемой лучевой болезнью. Большие дозы облучения приводят к смерти.

Билет№26

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: