[Закрываем эфир!] Образовательный интенсив «Педагог 2.0: инструменты и технологии» Трансляция→
Конкурс разработок «Пять с плюсом» сентябрь 2020
Добавляйте свои материалы в библиотеку и получайте ценные подарки
Конкурс проводится с 1 сентября по 30 сентября

Курс лекций по физике. Часть V. Физика атома и атомного ядра

Учебное пособие представляет собой первую из пяти частей курса лекций по физике по разделу «Физика атома и атомного ядра». В пособии изложены темы по основным разделам изучаемых в рамках СПО. Содержание соответствует Федеральное Государственному образовательному стандарту среднего профессионального образования. Пособие может быть использовано при изучении курса физики студентами всех специальностей и всех форм обучения, так же для преподавателей.
Просмотр
содержимого документа

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 

ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное автономное профессиональное  образовательное учреждение Тюменской области

«ТОБОЛЬСКИЙ МНОГОПРОФИЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ»

 

 

 

Техническое отделение

 

 

 

 

 

Алиева Р. М., Алиев И. М.

 

 

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ФИЗИКЕ

 

Часть V

 

ФИЗИКА АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА 

 

 

 

 

 

 

учебное пособие для студентов

направлений программы подготовки специалистов среднего звена

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тобольск

ТМТ 

2018

УДК 53

ББК 22.3

     К 93

 

Рецензенты:

 

У. М. Маллабоев доктор физико-математических наук, профессор кафедры Электроэнергетики

Тобольского индустриального института (филиал) ФГБОУ ВО Тюменского индустриального университета.

 

А. К. Алексеевнина кандидат педагогических наук, доцент  кафедры Физики, математики, информатики и методик преподавания 

Тобольского педагогического института им. Д. И. Менделеева (филиал)

ФГАОУ ВО Тюменского государственного университета

 

 

К 93 Курс лекций по физике. V. Физика атома и атомного ядра: Учебное пособие. – Алиева Р. М., Алиев И. М. – Тобольск: ТМТ, 2018. – 67 с.

 

 

ISBN 978-5-6041288-5-5

 

 

Учебное пособие представляет собой первую из пяти частей курса лекций по физике по разделу «Физика атома и атомного ядра». В пособии изложены темы по основным разделам изучаемых в рамках СПО.

Содержание соответствует Федеральное Государственному образовательному стандарту среднего профессионального образования.

Пособие может быть использовано при изучении курса физики студентами всех специальностей и всех форм обучения, так же для преподавателей.

 

ISBN 978-5-6041288-5-5

 

 

© Государственное автономное профессиональное   образовательное учреждение Тюменской области

«Тобольский многопрофильный техникум», 2018

© Алиева Руфина Манзуровна,

© Алиев Ильяс Манзурович, 2018.


Содержание

Предисловие................................................................................................. 4

Введение в физику атома и атомного ядра................................................... 5

Лекция № 1. Строение атома........................................................................ 7

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома........................................... 7

§ 1.2. Квантовые постулаты Бора................................................................ 10

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры............................................... 12

§ 1.4. Лазеры............................................................................................... 18

Вопросы для закрепления материала.......................................................... 24

 

Лекция № 2. Атомное ядро ............................................................................... 25

§ 2.1. Состав атомных ядер .............................................................................. 25

§ 2.2. Энергия связи ядер .................................................................................. 29

§ 2.3. Радиоактивность ...................................................................................... 33

§ 2.4. Слияние и деление ядер .......................................................................... 41

Вопросы для закрепления материала .............................................................. 47

Лекций № 3. Элементарные частицы .............................................................. 48

§ 3.1. Развитие физики элементарных частиц ................................................ 48

§ 3.2. Классификация элементарных частиц .................................................. 50

§ 3.3. Регистрация элементарных частиц ........................................................ 55

Вопросы для закрепления материала .............................................................. 59

Список использованной литературы ............................................................... 60

Приложение ....................................................................................................... 61

Предисловие

 

Учебное пособие «Курс лекций по физике» написан в соответствии с действующими в настоящее время стандартами по дисциплине «Физика» и учебными программами, для подготовки направлений подготовки специалистов среднего звена.

Материал учебного пособия разделен на лекции. Каждая лекция имеет глоссарий и вопросы для закрепления материала.

Курс лекций по физике состоит из пяти частей.

ü  Часть I. Классическая механика.

ü  Часть II. Молекулярная физика и термодинамика.

ü  Часть III. Электричество и магнетизм.

ü  Часть IV. Оптика.

ü  Часть V. Физика атома и ядра.

Чтобы проверить себя, студенту после внимательного изучения теории необходимо ответить на вопросы для самоконтроля после каждой лекции.

Непосредственно на лекционном занятии идѐт обсуждение материала лекции, с использованием заранее подготовленных студентами конспектов с одной стороны и презентацией лекции с другой.

Приведенные в пособии материалы будут полезны на практических занятиях по решению задач, при выполнении индивидуальных домашних заданий, при подготовке к коллоквиумам, семинарам, зачетам и экзамену.

 

ВНИМАНИЕ! ПОСОБИЕ ОБЛЕГЧАЕТ РАБОТУ СТУДЕНТУ,  НО НЕ ЗАМЕНЯЕТ САМИ ЛЕКЦИИ!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение в физику атома и атомного ядра

 

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества возникло еще в античные времена, но только в XVIII в., трудами А. Лавуазье[1], М. В. Ломоносова[2] и других ученых была доказана реальность существования атомов. Но вопрос об их внутреннем устройстве даже не возникал, и атомы по-прежнему считались неделимыми частицами. В XIX в. изучение атомистического строения вещества существенно продвинулось вперед. В 1833 г. при исследовании явления электролиза М. Фарадей[3] установил, что ток в растворе электролита это упорядоченное движение заряженных частиц – ионов. Фарадей определил минимальный заряд иона, который был назван элементарным электрическим зарядом. Его приближенное значение оказалось равным 𝑒 = 1,6 × 10–19 Кл.

На основании исследований Фарадея можно было сделать вывод о существовании внутри атомов электрических зарядов.

Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д. И. Менделеев[4], разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов, в которой впервые был поставлен вопрос о единой природе атомов.

В начале XIX в. были открыты дискретные спектральные линии в излучении атомов водорода в видимой части спектра. Впоследствии, в 1885 г. И. Бальмером[5] были установлены математические закономерности, связывающие длины волн этих линий.

В 1896 г. А. Беккерель[6] обнаружил явление испускания атомами невидимых проникающих излучений, названное радиоактивностью. В последующие годы явление радиоактивности изучалось многими учеными

(М. Склодовская-Кюри[7], П. Кюри[8], Э. Резерфорд9 и др.). Было обнаружено, что [9][10]атомы радиоактивных веществ испускают три вида излучений различной физической природы (альфа-, бета- и гамма-лучи). Альфа-лучи оказались потоком ионов гелия, бета-лучи – потоком электронов, а гамма-лучи – потоком квантов жесткого рентгеновского излучения.

В 1897 году Дж. Томсон10 открыл электрон и измерил отношение 𝑒/𝑚 заряда электрона к массе. Опыты Томсона подтвердили вывод о том, что электроны входят в состав атомов.

В декабре 1938 года их физики О. Ган[11] и Фриц Штрассман[12] впервые в мире осуществили искусственное расщепление ядра атома урана.

24 апреля в 1939 г. нацистская Германия приступила к созданию атомного оружия как победу в войне.

17 сентября 1943 г. в США приступили к проекту Манхэттен по созданию атомной бомбы под руководством Р. Опенгеймера13.

29 августа 1949 года первая советская атомная бомба, разработанная под руководством ученого, была взорвана на Семипалатинском полигоне. Под руководством И. В. Курчатова[13] в 1946 году был запущен второй в мире и первый в Европе атомный реактор. Он послужил своеобразной экспериментальной площадкой, на базе которой получили массу интересных результатов, которые в дальнейшем применялись в развитии ядерной физики.

XX век принес много неожиданностей и вряд ли сегодня мы можем предсказать, что готовит нам век XXI.

 

 

 

 

 

 

Лекция № 1. Строение атома

 

Структура лекции:

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома.

§ 1.2. Квантовые постулаты Бора.

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры.

§ 1.4. Лазеры.

 

§ 1.1. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома План:

1.            Модель атома Томсона и Резерфорда.

2.            Опыты Томсона и Резерфорда.

 

В 1904 г. Появились первые публикации о строении атома, одна из которых принадлежит Х. Нагаока[14], другие Дж. Томсону.

Х. Нагаока представил, что модель атома, была построена аналогично с расчетами устойчивости колец Сатурна.

Дж. Томсон считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 1.1.1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом.

 

 

Рис. 1.1.1. Модель атома Дж. Томсона

 

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом[15] и Х. Гейгером17 в 1909 – 1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью альфа-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса – частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал альфа-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света), альфа-частицы – полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 г. при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию альфа-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения альфа-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

 

 

Рис. 1.1.2. Схема опыта Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э –экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.

 

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, альфа-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных альфа-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами 𝜑 к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство альфа-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие

 

других металлов, установив, что некоторая незначительная часть 𝛼-частиц рассеивается на значительные углы (более 90°). Результаты этих опытов привели Резерфорда к созданию планетарной модели атома.

17 Ханс Вильгельм Гейгер (1882 – 1945) – немецкий физик, первым создавший детектор альфа-частиц и других ионизирующих излучений. Изобрѐл в 1908 году счѐтчик Гейгера. В 1911 году с Дж. Нэттолом открыл закон Гейгера-Нэттола.

30°. Очень редкие альфа-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Полученный результат противоречил экспериментам Дж. Томсона. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить альфа-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на альфа-частицу, по закону Кулона возросла бы в 𝑛2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n альфа-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 1.1.3 иллюстрирует рассеяние альфа-частиц в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.

 

Рис. 1.1.3. Рассеяние альфа-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b).

 

Опыты Резерфорда и его коллег привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14 ÷ 10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95% его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 1.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

 

 

Рис. 1.1.4. Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов.

 

По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию.

За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

 

§ 1.2. Квантовые постулаты Бора План:

1.            Теория Н. Бора.

2.            Квантовые постулаты Н. Бора.

 

Планетарная модель атома, Резерфорда – попытка применения классических представлений о движении тел к явлениям атомных масштабов. Она оказалась несостоятельной. Классический атом неустойчив. Электроны, движущиеся по орбите с ускорением, должны неизбежно упасть на ядро, растратив всю энергию на излучение электромагнитных волн (рис.

1.2.1).

 

 Рис. 1.2.1. Неустойчивость классического атома.

 

В развитии представлений об устройстве атома в 1913 г. сделал выдающийся датский физик Н. Бор[16].

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия 𝐸𝑛. В стационарных состояниях атом не излучает.

Сформулированный постулат противоречит классической механике (согласно которой энергия движущегося электрона может быть любой) и электродинамикой (так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн).

 

Рис. 1.2.2. Энергетические уровни атома и условное изображение процессов поглощения и испускания фотонов.

 

Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному стационарному состоянию (рис. 1.2.2). Механическая энергия электрона, движущегося по замкнутой траектории вокруг положительно заряженного ядра, отрицательна. Поэтому всем стационарным состояниям соответствуют значения энергии 𝐸𝑛 < 0. При 𝐸𝑛 ≥ 0 электрон удаляется от ядра, т.е. происходит ионизация. Величина |𝐸1| называется энергией ионизации. Состояние с энергией 𝐸1 называется основным состоянием атома.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией 𝐸𝑛 в другое стационарное состояние с энергией 𝐸𝑚 излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний: 𝑛𝑚 = 𝐸𝑛 − 𝐸𝑚

где h – постоянная Планка (ℎ = 6,62 × 10−34 Дж ∙ с).

 

Отсюда можно выразить частоту излучения: .

Второй постулат Бора также противоречит электродинамике Максвелла, так как частота излучения определяется только изменением энергии атома и никак не зависит от характера движения электрона.

Теория Бора при описании поведения атомных систем не отвергла полностью законы классической физики. В ней сохранились представления об орбитальном движении электронов в кулоновском поле ядра. Исходя из этого теорию Бора иногда называют полуклассической.

 

§ 1.3. Атом водорода. Линейчатые спектры План:

1.            Теория Бора для атома водорода.

2.            Спектральные линии и энергетические уровни атома водорода.

 

Простейший из атомов, атом водорода явился своеобразным тестобъектом для теории Бора. Ко времени создания теории он был хорошо изучен экспериментально. Было известно, что он содержит единственный электрон. Ядром атома является протон – положительно заряженная частица, заряд которой равен по модулю заряду электрона, а масса в 1836 раз превышает массу электрона. Еще в начале XIX в. были открыты дискретные спектральные линии в видимой области излучения атома водорода (так называемый линейчатый спектр). Впоследствии закономерности, которым подчиняются длины волн (или частоты) линейчатого спектра, были хорошо изучены количественно (И. Бальмер, 1885 г.). Совокупность спектральных линий атома водорода в видимой части спектра была названа серией Бальмера. Позже аналогичные серии спектральных линий были обнаружены в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. В 1890 г.

Й. Ридберг[17] получил эмпирическую формулу для частот спектральных линий:

 

где  – постоянная Ридберга (Гц)

 

Для серии Бальмера . Для ультрафиолетовой серии (серия Лаймана) .

Правило квантования, приводящее к согласующимся с опытом значениям энергий стационарных состояний атома водорода, Бором было угадано. Он предположил, что момент импульса электрона, вращающегося вокруг ядра, может принимать только дискретные значения, кратные постоянной Планка. Для круговых орбит правило квантования Бора записывается в виде:

 

где  – масса электрона,  – его скорость,  – радиус стационарной круговой орбиты.

 

Правило квантования Бора позволяет вычислить радиусы стационарных орбит электрона в атоме водорода и определить значения энергий. Скорость электрона, вращающегося по круговой орбите некоторого радиуса  в кулоновском поле ядра, как следует из второго закона Ньютона, определяется соотношением:

 

где  – элементарный заряд,  – электрическая постоянная.

 

Скорость электрона  и радиус стационарной орбиты  связаны правилом квантования Бора. Радиусы стационарных круговых орбит определяются выражением:

 

Самой близкой к ядру орбите соответствует значение . Радиус первой орбиты, который называется боровским радиусом, равен:

 

Радиусы последующих орбит возрастают пропорционально n2.

Полная механическая энергия E системы из атомного ядра и электрона, обращающегося по стационарной круговой орбите радиусом , равна:

 

Следует отметить, что , так как между электроном и ядром действуют силы притяжения. Подставляя в эту формулу выражения для  и , получим:

 

где целое число . называется в квантовой физике атома главным квантовым числом.

 

Согласно второму постулату Бора, при переходе электрона с одной стационарной орбиты с энергией  на другую стационарную орбиту с энергией  атом испускает квант света, частота  которого равна

:

 

Эта формула в точности совпадает с эмпирической формулой Ридберга для спектральных серий атома водорода, если положить постоянную

 равной:

Гц

 

Рис. 1.3.1. Стационарные орбиты атома водорода и образование спектральных серий.

 

Рис. 1.3.1 иллюстрирует образование спектральных серий в излучении атома водорода при переходе электрона с высоких стационарных орбит на более низкие.

На рис. 1.3.2. изображена диаграмма энергетических уровней атома водорода и указаны переходы, соответствующие различным спектральным сериям.

 

Рис. 1.3.2. Диаграмма энергетических уровней атома водорода. Показаны переходы, соответствующие различным спектральным сериям. Для первых пяти линий серии Бальмера в видимой части спектра указаны длины волн.

 

Боровская теория атома подходит только для атома водорода

Бор не смог дать физическую интерпретацию правилу квантования. Позже де Бройлем на основе представлений о волновых свойствах частиц. Де Бройль предложил, что каждая орбита в атоме водорода соответствует волне, распространяющейся по окружности около ядра атома. Стационарная орбита возникает в том случае, когда волна непрерывно повторяет себя после каждого оборота вокруг ядра. Другими словами, стационарная орбита соответствует круговой стоячей волне де Бройля на длине орбиты (рис. 1.3.3). Это явление очень похоже на стационарную картину стоячих волн в струне с закрепленными концами.

В стационарном квантовом состоянии атома водорода на длине орбиты должно укладываться по идее де Бройля целое число длин волн , т.е:

𝑛 𝑛 = 2 𝑟𝑛

Соотношение длину волны де Бройля = ℎ/𝑝, где 𝑝 = 𝑚𝑒𝑣 – импульс электрона, получим:

 

Боровское правило квантования связано с волновыми свойствами электронов.

 

Рис. 1.3.3. Иллюстрация идеи де Бройля возникновения стоячих волн на стационарной орбите для случая 𝑛 = 4.

 

Атомы – это квантовые системы, а энергетические уровни стационарных состояний атомов дискретны.

Дискретность энергетических состояний атома была продемонстрирована в 1913 г., в опыте Д. Франка и Г. Герца, в котором исследовалось столкновение электронов с атомами ртути. Оказалось, что если энергия электронов меньше 4,9 эВ, то их столкновение с атомами ртути происходит по закону абсолютно упругого удара. Если же энергия электронов равна 4,9 эВ, то столкновение с атомами ртути приобретает характер неупругого удара, т.е. в результате столкновения с неподвижными атомами ртути электроны полностью теряют свою кинетическую энергию. Это означает, то атомы ртути поглощают энергию электрона и переходят из основного состояния в первое возбужденное состояние: 𝐸2– 𝐸1 = 4,9 эВ.

Согласно боровской концепции, при обратном самопроизвольном переходе атома ртуть должна испускать кванты с частотой:

Гц

Спектральная линия с такой частотой действительно была обнаружена в ультрафиолетовой части спектра излучения атомов ртути.

Представление о дискретных состояниях противоречит классической физике.

Квантовая физика не отменила фундаментальных классических законов сохранения энергии, импульса, электрического разряда и т.д. Согласно сформулированному Н. Бором принципу соответствия, квантовая физика включает в себя законы классической физики, и при определенных условиях можно обнаружить плавный переход от квантовых представлений к классическим. Это можно видеть на примере энергетического спектра атома водорода (рис. 1.3.2). При больших квантовых числах  дискретные уровни постепенно сближаются, и возникает плавный переход в область непрерывного спектра, вытекающего из классической физики.

Физический смысл имеет только вероятность обнаружить электрон в том или ином месте, описываемая квадратом модуля волновой функции

. Волновая функция  является решением основного уравнения квантовой механики – уравнения Шредингера. Оказалось, что состояние электрона в атоме характеризуется целым набором квантовых чисел. Главное квантовое число  определяет квантование энергии атома. Для квантования момента импульса вводится так называемое орбитальное квантовое число . Проекция момента импульса на любое выделенное в пространстве направление (например, направление вектора  магнитного поля) также принимает дискретный ряд значений. Для квантования проекции момента импульса вводится магнитное квантовое число m. Квантовые числа  связаны определенными правилами квантования. Например, орби-

тальное квантовое число  может принимать целочисленные значения от 0 до (). Магнитное квантовое число  может принимать любые целочисленные значения в интервале . Таким образом, каждому значению главного квантового числа , определяющему энергетическое состояние атома, соответствует целый ряд комбинаций квантовых чисел  и . Каждой такой комбинации соответствует определенное распределение вероятности  обнаружения электрона в различных точках пространства («электронное облако»).

Состояния, в которых орбитальное квантовое число , описываются сферически симметричными распределениями вероятности. Они называются s-состояниями (). При значениях  сферическая симметрия электронного облака нарушается. Состояния с  называются p-состояниями, с -состояниями и т.д.

На рис. 1.3.4 изображены кривые распределения вероятности  обнаружения электрона в атоме водорода на различных

расстояниях от ядра в состояниях  и .

Как видно из рис. 1.3.4, электрон в состоянии  (основное состояние атома водорода) может быть обнаружен на различных расстояниях от ядра. С наибольшей вероятностью его можно обнаружить на расстоянии, равном радиусу  первой боровской орбиты. Вероятность обнаружения электрона в состоянии  максимальна на расстоянии  от ядра. В обоих случаях атом водорода можно представить в виде сферически симметричного электронного облака, в центре которого находится ядро.

 

 

Рис. 1.3.4. Распределение вероятности обнаружения электрона в атоме водорода в состояниях 1𝑠 и 2𝑠. 𝑟1 = 5,29 × 10–11 м – радиус первой боровской орбиты.

 

§ 1.4. Лазеры

План:

1.            Оптические квантовый генератор.

2.            Устройство квантовых генераторов.

 

Лазеры или оптические квантовые генераторы – современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств.

К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 1012– 1013 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т.д.

Одним из важнейших свойств лазерного излучения является чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.

Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями 𝐸1, 𝐸2 и т.д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом в отсутствие внешних возмущений может находиться бесконечно долго, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10–3 с. Такие уровни называются метастабильными.

Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.

Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.

В 1916 г. А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным.

Индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

На рис. 1.4.1 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта света.

 

 

                                а)                                                                    б)                                                               в)

Рис. 1.4.1. Условное изображение процессов (a) поглощения, (б) спонтанного испускания  и (в) индуцированного испускания кванта.

 

Рассмотрим слой прозрачного вещества, атомы которого могут находиться в состояниях с энергиями 𝐸1 и 𝐸2 > 𝐸1. Пусть в этом слое распространяется излучение резонансной частоты перехода = 𝛥𝐸/ℎ. Согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии большее количество атомов вещества будет находиться в нижнем энергетическом состоянии. Некоторая часть атомов будет находиться и в верхнем энергетическом состоянии, получая необходимую энергию при столкновениях с другими атомами. Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через 𝑛1 и 𝑛2 < 𝑛1. При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рис. 1.4.1. Эйнштейн показал, что процесс (a) поглощения фотона невозбужденным атомом и процесс (в) индуцированного испускания кванта возбужденным атомом имеют одинаковые вероятности. Так как 𝑛2 < 𝑛1 поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание. В результате прошедшее через слой вещества излучение будет ослабляться. С появление темных фраунгоферовских линий в спектре солнечного излучения. Излучение, возникающее в результате спонтанных переходов, некогерентно, распространяется во всевозможных направлениях и не дает вклада в проходящую волну.

Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых 𝑛2 > 𝑛1, т.е. создать инверсную населенность уровней. Такая среда является термодинамически неравновесной. Идея использования неравновесных сред для получения оптического усиления впервые была высказана В. А. Фабрикантом[18] в 1940 г. В 1954 г. Н. Г. Басов[19] и А. М. Прохоров[20] и независимо от них Ч. Таунс23 использовали явление индуцированного испускания для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны = 1,27 см.

Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной. Она может служить резонансным усилителем светового сигнала. Чтобы возникала генерация света, необходимо использовать обратную связь. Для этого активную среду нужно расположить между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад так, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней, которая называется накачкой.

Начало лавинообразному процессу в такой системе при определенных условиях может положить случайный спонтанный акт, при котором возникает излучение, направленное вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации. Это и есть лазер. Лазерное излучение выводится наружу через одно (или оба) из зеркал, обладающее частичной прозрачностью. На рис. 1.4.2 схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере.

 Рис. 1.4.2. Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.

 

Существуют различные способы получения среды с инверсной населенностью уровней. В рубиновом лазере используется оптическая накачка, атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но для этого недостаточно только двух уровней. Каким бы мощным не был свет лампы – накачки, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. В рубиновом лазере накачка производится через выше расположенный третий уровень (рис. 1.4.3).

 

Рис. 1.4.3. Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны «времена жизни» уровней 𝐸2 и 𝐸3. Уровень 𝐸2 – метастабильный. Переход между уровнями 𝐸3 и 𝐸2

безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями 𝐸2 и 𝐸1. В кристалле рубина уровни 𝐸1, 𝐸2 и 𝐸3 принадлежат примесным атомам хрома.

 

После вспышки мощной лампы, расположенной рядом с рубиновым стержнем, многие атомы хрома, входящего в виде примеси в кристалл рубина (около 0,05%), переходят в состояние с энергией E3, а через промежуток 𝜏 ≈ 10–8 с они переходят в состояние с энергией 𝐸2. Перенаселенность возбужденного уровня E2 по сравнению с невозбужденным уровнем E1 возникает из-за относительно большого времени жизни уровня 𝐸2.

Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694 мм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать

106– 109 Вт в импульсе. Исторически это был первый действующий лазер, построенный американским физиком Т. Майманом[21] в 1960 г.

Одним из самых распространенных в настоящее время является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее давление в смеси составляет порядка 102 Па при соотношении компонент 𝐻𝑒 и 𝑁𝑒 примерно 10:1. Активным газом, на котором в непрерывном режиме возникает генерация на длине волны 632,8 нм (ярко-красный свет), является неон. Гелий – буферный газ, он участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона. Излучение 𝐻𝑒– 𝑁𝑒 лазера обладает исключительной, непревзойденной монохроматичностью. Расчеты показывают, что спектральная ширина линии генерации 𝐻𝑒– 𝑁𝑒 лазера составляет примерно 𝛥 ≈ 5 × 10–4 Гц. Это фантастически малая величина. Время когерентности такого излучения оказывается порядка 𝜏 ≈ 1/𝛥 ≈ 2 × 103 с, а длина когерентности 𝑐𝜏 ≈ 6 × 1011 м, т.е. больше диаметра земной орбиты!

На практике многие технические причины мешают реализовать столь узкую спектральную линию 𝐻𝑒– 𝑁𝑒 лазера. Путем тщательной стабилизации всех параметров лазерной установки удается достичь относительной ширины 𝛥 / порядка 10–14– 10–15, что примерно на 3 – 4 порядка хуже теоретического предела. Но и реально достигнутая монохроматичность излучения 𝐻𝑒– 𝑁𝑒 лазера делает этот прибор совершенно незаменимым при решении многих научных и технических задач. Первый гелийнеоновый лазер был создан в 1961 г. На рис. 1.4.4 представлена упрощенная схема уровней гелия и неона и механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.

Рис. 1.4.4. Механизм накачки 𝐻𝑒– 𝑁𝑒 лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона.

 

Накачка лазерного перехода 𝐸4 → 𝐸3 в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в верхнее метастабильное состояния 𝐸2. Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. Уровень 𝐸4 неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня 𝐸2 гелия. Недостаток энергии компенсируется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне 𝐸4 неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню 𝐸3, который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов. Если кювета со смесью газов помещена между высокоотражающими зеркалами, то возникает лазерная генерация. На рис. 1.4.5 изображена схема гелий-неонового лазера.

 

Рис. 1.4.5. Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1%; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1–2%.

 

Современные высокостабильные гелий-неоновые лазеры производятся в моноблочном исполнении. Для этого используется стеклообразное вещество – ситалл, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения. В куске ситалла в форме прямоугольного параллелепипеда просверливается канал, к торцам которого на оптическом контакте приклеиваются лазерные зеркала. Канал заполняется смесью гелия и неона. Катод и анод вводятся через дополнительные боковые каналы. Такая моноблочная конструкция обеспечивает высокую механическую и тепловую стабильность.

 

Вопросы для закрепления материала

На тему «Строение атома»

 

1)           Каковы результаты опытов Томсона и Резерфорда?

2)           Почему положительно заряженная часть атома должна иметь очень маленькие размеры?

3)           Почему с точки зрения классической электродинамики модель оказалась неустойчивой?

4)           Какие противоречия между первым постулатом Бора и классической механикой и классической электродинамикой?

5)           Как теория Бора объясняет стабильность и сходство атомов?

6)           При каком условии атом переходит в возбужденное состояние?

7)           При каком условии атом излучает?

8)           Как располагаются электроны вокруг ядра?

9)           В чем недостатки постулатов Бора?

10)       Что такое квантовые генераторы.

11)       Где применяются лазеры?

12)       Почему у отрицательно заряженные частицы атома не оказывают заметного влияния на рассеивание -частицы?

13)       Чем отличается излучение лазера от излучения лампы накаливания?

14)       Как возможны процессы взаимодействия атома с фотоном?

15)       Опишите принцип действия рубинового лазера. Охарактеризуйте основные особенности лазерного излучения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Приложение Таблица № 4.

Множители и приставки в СИ для образования десятичных кратных и дольных единиц

Наименование  приставки

Обозначение приставки

Множитель

Наименование  множителя

экса

Э 

1 000 000 000 000 000 000=1018

квинтиллион

пета

П

1 000 000 000 000 000=1015

квадриллион

тера

Т 

1 000 000 000 000=1012

триллион

гига

Г 

1 000 000 000=109

миллиард

мега

М 

1 000 000=106

миллион

кило

к

1000=103

тысяча

гекто

г

100=102

сто

дека

да

10=101

десять

деци

д

0,1=10-1

одна десятая

санти

с

0,01=10-2

одна сотая

милли

м

0,001=10-3

одна тысячная

микро

мк

0,000001=10-6

одна миллионная

нано

н

0,000000001=10-9

одна миллиардная

пико

п

0,000000000001=10-12

одна триллионная

фемто

ф

0,000000000000001=10-15

одна квадриллионная

атто

а

0,000000000000000001=10-18

одна квинтиллионнная

 

Таблица № 5. Греческий алфавит

Буквы

Название

Буквы

Название

Буквы

Название

альфа

𝛪

йота

𝛲

ро

бета

𝛫

каппа

𝛴

сигма

𝛤, 𝛾

гамма

𝛬

лямбда

𝛵, 𝜏

тау

𝛥, 𝛿

дельта

𝛭

мю

𝛶, 𝜐

ипсилон

𝛦

эпсилон

𝛮

ню

𝛷, 𝜑

фи

𝛧

дзэта

𝛯

кси

𝛸, 𝜒

хи

𝛨

эта

𝛰

омикрон

𝛹, 𝜓

пси

𝛩

тэта

𝛱

пи

𝛺, 𝜔

омега

 

Таблица № 6. Градусная мера углов

0°

30°

45°

60°

90°

120°

135°

150°

180°

0

 

6

 

4

 

3

 

2

 

 

 

 

210°

225°

240°

270°

300°

315°

330°

360°

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

Таблица № 7.

Соотношение между единицами

Единицы длины

Единицы площади

1 м (СИ)

2

1 м (СИ)

нм   м мкм м ммм

дюйм                   м

см     м

дм     м

футм ярд   м

кб    м

км     м

миля       м

мор. миля                  м

       а е                        м

       свгод                           м

пк                             м

мм             м смм дм        м ар     м га                м ярдм км                   м акрм

Единицы массы

Единицы объема

1 кг (СИ)

баррель (нефть)    м

галлон Англ м галлон США м

мг           кг г       кг ц  кг

т    кг

пуд   кг унция           кг фунт           кг

 

Таблица № 8.

Значение тригонометрических функций некоторых углов

 

0

30

45

60

90

120

180

270

360

 

0

 

 

 

1

 

0

-1

0

 

1

 

 

 

0

 

-1

0

1

 

0

 

1

 

 

0

0

 

 

1

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

47 Кабельтов (нидерл. Kabeltouw – «буксирный канат») – трос окружностью от 152 до 330 мм (6 – 13 дюймов, диаметр от 47 до 111 мм) для – швартовов и буксиров (кабельтовый трос), а также внесистемная единица измерения расстояния, использующаяся в мореплавании. Как единица измерения кабельтов стал использоваться по причине того, что трос на судне брался определѐнной, одинаковой длины.

Таблица № 9. Массы атомов некоторых химических элементов

Атом 

Масса атома

Атом 

Масса атома

𝟏𝟎−𝟐𝟕 кг

а. е. м*

𝟏𝟎−𝟐𝟕 кг

а. е. м

Азот 

23,2

14,0067

Олово 

197

118,69

Алюминий 

44,8

26,9815

Платина 

324

195,09

Водород 

1,67

1,0079

Ртуть

333

200,59

Вольфрам

305

183,85

Свинец

334

207,2

Гелий

6,64

4,0026

Сера

53,2

32,06

Железо

92,8

55,847

Серебро

179

107,868

Золото

327

196,9665

Углерод

19,9

12,011

Калий

64,9

39,098

Уран

395

238,029

Кальций

66,5

40,08

Фосфор

51,4

30,97376

Кислород

26,6

15,9994

Хлор

58,9

35,453

Медь

105

63,546

Цинк

109

65,38

Натрий

35,1

22,98977

 

 

 

* Атомная единица массы (а. е. м) является единицей атомных масс химических элементов 1 а. е. м равна 1/12массы изотопа углерода-12.

 

Таблица № 10.

Примеры термоядерных реакций

Реакция

Энергия, МэВ

Реакция

Энергия, МэВ

1𝐻 + 21𝐷 → 32𝐻𝑒

1

5,5

2𝐷 + 32𝐻𝑒 → 42𝐻𝑒 + 11𝐻

1

18,3

2𝐷 + 21𝐷 → 32𝐻𝑒 + 10𝑛

1

3,3

1𝑛 + 63𝐿𝑖 → 42𝐻𝑒 + 31𝑇

0

4,8

 

4,0

1𝐻 + 73𝐿𝑖 → 242𝐻𝑒

1

17,3

2𝐷 + 31𝑇 → 42𝐻𝑒 + 10𝑛

1

17,6

2𝐷 + 63𝐿𝑖 → 242𝐻𝑒

1

22,4

 

11,3

2𝐷 + 73𝐿𝑖 → 242𝐻𝑒 + 10𝑛

1

15,0

 

Таблица № 11. Изотопы водорода

Показатели

Название изотопа

Протий* (легкий водород)

Дейтерий** (тяжелый водород)

Тритий***

(сверхтяжелый водород)

Число протонов в ядре

1

1

1

Число нейтронов в ядре

-

1

2

Число электронов в ядре

1

1

1

Массовое число изотопа

1

2

3

Природный изотопный состав водорода, %

 

99,985

 

≈ 0,0156

 

≈ 10−15 ÷ 10−16

Примечание:

1.                   В соединении с кислородом протий образует обычную воду (𝐻2𝑂), дейтерий – тяжелую воду (𝐷2𝑂), тритий – сверхтяжелую воду (𝑇2𝑂).

2.                   тяжелая вода содержится в природной воде в очень небольшом количестве (0,016%); на одну молекулу тяжелой воды приходится примерно 6800 молекул обычной воды. Сверхтяжелая вода в природе образуется в ничтожно малых количествах (например, в дождевой воде на 1 атом трития приходится примерно на 1018 атомов протия). Во всей воде Земли содержится лишь 15 – 20 кг сверхтяжелой воды.

3.                   В промышленности тритий получают при облучении лития нейтронами. 

Таблица № 12. Физические свойства тяжелый воды

Плотность (𝑡 = 20℃), кг/м3

Температура кипения (при нормальном давлении),

Температура плавления,

Удельная теплоемкость, кДж/(кг ∙ ℃)

4,23

Удельная теплота парообразования (при температуре кипения), кДж/кг

2280,1

Поверхностное натяжение (при 𝑡 = 20℃), мН/м

72,6

Удельная теплота плавления, кДж/кг

316,5

Скорость звука (при 𝑡 = 0℃), м/с

Скорость звука (при 𝑡 = 20℃), м/с

Диэлектрическая проницаемость

Показатель преломления

1,328

Примечание. Тяжелая вода – изотопная разновидность воды – открыта в 1932 г. содержится в природной воде и атмосферных осадках. Применяется в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах и при проведении научных исследований. По замедляющей способности тяжелая вода превосходит обычную воду в 170 раз, графит в 70 и бериллия в 75 раз.

Тяжелую воду получают чаще всего путем многократного электролиза обычной воды, при этом тяжелая вода, разлагаясь в 4 – 6 раз медленнее обычной воды, концентрируется в остатке электролита.

В физиологическом отношении тяжелая вода воздействует на живое существо иначе, чем обычная вода. Например, рыбы, микробы, черви в такой воде существовать не могут; животные, если их поить только тяжелой водой, погибают от жажды; семена растений, если их поливать одной тяжелой водой, не прорастают и др.

 

Таблица № 13.

Период полураспада некоторых радиоактивных изотопов

Атомный номер элемента

Элемент

Обозначение изотопа

Период полураспада изотопа

1

Водород (тритий)

 

12,3 года

6

Углерод 

11𝐶 6

20 мин

6

Углерод 

14𝐶 6

5600 лет

15

Фосфор 

32𝐻

15

14,3 сут

16

Сера 

35𝑆

16

87 сут

19

Калий

40𝐾 19

1,3 × 109 лет

19

Калий

42𝐾 19

12,5 ч

20

Кальций

45𝐶𝑎

20

165 сут

24

Хром

 

28 сут

26

Железо

59𝐹𝑒 26

45 сут

27

Кобальт

60𝐶𝑜

27

5,3 года

38

Стронций

89𝑆𝑟 38

50,5 сут

47

Серебро

110𝐴𝑔 47

270 сут

53

Йод

131𝐼 53

8 сут

92

Уран

234𝑈 92

1,6 × 105 лет

92

Уран

235𝑈 92

7,1 × 108 лет

94

Плутоний

239𝑃𝑢 94

24,4 года

 

 

 

Таблица № 14.

Энергия связи некоторых ядер

Химический элемент

Обозначение изотопа

Масса  изотопа а. е. м.

Энергия связи ядра

𝟏𝟎−𝟏𝟑 Дж

МэВ

Водород

1𝐻

1

1,007825

-

-

Водород

2𝐻, 𝐷

1

2,014102

3,5632

2,2241

Водород

3𝐻, 𝑇

1

3,016049

13,589

8,4820

Гелий

 

3,016022

12,375

7,7243

Гелий

4𝐻𝑒

2

4,002603

45,329

28,2937

Литий

6𝐿𝑖

3

6,015125

51,246

31,9870

Литий

7𝐿𝑖

3

7,016004

62,865

39,239

Бериллий

6𝐵𝑒

4

9,012186

98,167

58,153

Бор

10𝐵 5

10,012939

103,73

64,744

Бор

11𝐵 5

11,009305

122,07

76,192

Углерод

12𝐶 6

12,000000

147,64

92,156

Углерод

13𝐶 6

13,003354

155,57

97,102

Азот

14𝑁 7

14,003074

167,66

104,653

Азот

15𝑁 7

15,000107

185,02

115,485

Кислород

 

15,994915

204,49

127,612

Кислород

17𝑂 8

16,999133

211,08

121,754

Кислород

 

17,999160

223,96

139,789

 

Таблица № 15.

Естественная радиоактивность

Характеристики

𝜶-лучи

𝜷-лучи

𝜸-лучи

Скорость частиц вылетающих из радиоактивных веществ, км/с

 

14 000 – 20 0000

 

16 000*

 

300 000

Энергия частиц, МэВ

4 – 9

от сотых долей

до сотых 1 – 2

0,2 – 3

Масса одной вылетающей частицы, кг

6,6 × 10−27

9 × 10−31

≈ 2,2 × 10−30

Пробег (путь, проходимый частицей в веществе до остановки)

в воздухе

 

в алюминии

 

в биологической ткани

 

 

 

3 – 9 см

 

до 0,06 мм

 

до 0,1 мм

 

 

 

до 4 м

 

до 2 см

 

до 6 см

 

 

 

до нескольких сот метров в свинце до 5 см пронизывает тело человека

* Указана средняя скорость, т.к. – излучение содержит потоки заряженных частиц со всевозможными скоростями – от скорости, близкой к нулю, до скорости, близкой к скорости света

 

 

 

 

 

Таблица № 16. Первая в мире атомная электростанция

Место расположения АЭС

г. Обнинск Калужская область

Дата пуска в эксплуатацию

июнь 1954 г.

Давление воды, циркулирующей в первом контуре, МПа (атм)

Температура воды, прошедший реактор,

Давление пара во втором контуре, МПа (атм)

1,25 (12,5)

Температура пара во втором контуре,

260

Размеры стального цилиндрического корпуса реактора:

наружный диаметр, м высота, м

 

3,0

4,5

Защитные слои реактора

вода и бетон

Масса загружаемого ядерного горючего, кг в том числе изотопа урана-235

КПД станции, %

Продолжительность работы реактора без пополнения ядерного горючего, год

Примечание. Первая промышленная атомная электростанция в Англии была построена в 1956 г., в США в 1957 г., во Франции 1958 г.

* АЭС имеет два контура. Первый (радиоактивный) контур проходит через реактор и парогенератор (теплообменник). В этом контуре непрерывно циркулирует вода. Проходя активную зону, она нагревается и в парогенераторе доводит воду второго (нерадиоактивный) контура до кипения. Образующийся пар поступает в турбогенератор электростанции.

 

Таблица № 17. Поглощенная доза излучения и еѐ биологическое действие

Источник излучения

Доза излуче-

ния, 𝟏𝟎−𝟔 Гр/ год

Источник излучения

Доза излучения, 𝟏𝟎−𝟔 Гр/год

Естественный  радиационный фон

1000

Угольные  электростанции

2

Медицинская  диагностика

1500

Атомные  электростанции

0,2

Строительные  материалы

1050

Радиоактивные  продукты ядерных взрывов

25

Телевидение

10

Остальные источники

≈ 2

 

Таблица № 18. Последствия дозы облучения на здоровье человека

Последствия излучения

Доза излучения

Последствия излучения

Доза излучения

Каких-либо последствия не обнаруживается

до 0,25

Лучевая болезнь средней тяжести

2,5 – 4

Незначительные обратимые процессы

0,5 – 1

Тяжелая форма лучевой болезни

4 – 6

Легкая форма лучевой болезни

1 – 2,5

Крайне тяжелая форма лучевой болезни

6 – 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебное пособие

 

 

Алиева Руфина Манзуровна

 

Алиев Ильяс Манзурович  

 

 

 

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ФИЗИКЕ

 

Часть V

 

ФИЗИКА АТОМА И ЯДРА

 

 

 

 

 

 

учебное пособие для студентов направлений программы подготовки специалистов среднего звена

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отпечатано с оригинал-макета. Формат 60×84 1/16 Тираж 3 экз. Заказ № 015

_____________________________________________________________________________

Отпечатано в типографии «Принт-Экспресс»

626150, г. Тобольск, ТРЦ «Жемчужина Сибири», цоколь

Тел.: 8-961-782-07-49



[1] Антуан Лоран Лавуазье (1743 – 1794) – французский естествоиспытатель, основатель современной химии.

[2] Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765) – русский учѐный-естествоиспытатель, энциклопедист, химик и физик; он вошѐл в науку как первый химик, который дал физической химии определение, весьма близкое к современному, и предначертал обширную программу физико-химических исследований; его молекулярно-кинетическая теория тепла во многом предвосхитила современное представление о строении материи и многие фундаментальные законы, в числе которых одно из начал термодинамики; заложил основы науки о стекле.

[3] Майкл Фарадей (1791 – 1867) – английский физик-экспериментатор и химик. Его именем названа единица электроемкости (Фарад).

[4] Дмитрий Иванович Менделеев (1834 – 1907) – учѐный-энциклопедист: химик, физикохимик, физик, метролог, экономист, технолог, геолог, метеоролог, нефтяник, педагог, преподаватель, воздухоплаватель, приборостроитель.

[5] Иоганн Якоб Бальмер (1825 – 1898) – швейцарский математик и физик. Известность получил благодаря открытию в 1885 спектральной серии водорода, названной в его честь.

[6] Антуан Анри Беккерель (1852 – 1908) – французский физик. Один из первооткрывателей радиоактивности.

[7] Мария Склодовская-Кюри (1867 – 1934) – французская и польская учѐная-экспериментатор (физик, химик), педагог, общественная деятельница.

[8] Пьер Кюри (1859 – 1906) – французский учѐный-физик, один из первых исследователей радиоактивности. Муж Марии Склодовской-Кюри.

[9] Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) – британский физик новозеландского происхождения. Известен как «отец» ядерной физики.

[10] Джозеф Джон Томсон (1856 – 1940) – английский физик. Исследование «катодных лучей» (электронных пучков), в результате которого было показано, что они имеют корпускулярную природу и состоят из отрицательно заряженных частиц субатомного размера. Эти исследования привели к открытию электрона.

[11] Отто Ган (1879 – 1968) – немецкий химик, учѐный-новатор в области радиохимии, открывший ядерную изомерию (Уран Z) и расщепление урана.

[12] Фриц Штрассман (1902 – 1980) – немецкий химик и физик. Научные труды посвящены ядерной химии, радиохимии. Изучал процессы ядерного деления, свойства радиоактивных изотопов урана и тория. 13 Джулиус Роберт Оппенгеймер (1904 – 1967) – американский физик-теоретик, профессор физики. Широко известен как научный руководитель Манхэттенского проекта, в рамках которого в годы Второй мировой войны разрабатывались первые образцы ядерного оружия; из-за этого Оппенгеймера часто называют «отцом атомной бомбы». Атомная бомба была впервые испытана в Нью-Мексико в июле 1945 г.; позже Оппенгеймер вспоминал, что в тот момент ему пришли в голову слова из Бхагавадгиты: «Я – смерть, разрушитель миров».

[13] Игорь Васильевич Курчатов (1903 – 1960) – советский физик. Известен как «отец» советской атомной бомбы. Главный научный руководитель атомной проблемы в СССР, один из основоположников использования ядерной энергии в мирных целях.

[14] Хантаро Нагаока (1865 – 1950) – японский физик, один из основоположников японской физики начала Периода Мэйдзи, основатель научной школы. Автор ряда трудов по электричеству и магнетизму, атомной физике и спектроскопии.

[15] Эрнест Марсден (1889 – 1970) – новозеландский физик. Совместно с Х. Гейгером в 1909 – 1910 гг. исполнил экспериментальное исследование прохождения -частиц через тонкие пластинки из золота и

[16] Нильс Хенрик Давид Бор (1885 – 1962) – датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики.

[17] Йоханнес Роберт Ридберг (1854 – 1919) – шведский физик. Занимался изучением периодической системы элементов и атомных спектров.

[18] Валентин Александрович Фабрикант (1907 – 1991) – советский физик.

[19] Николай Геннадиевич Басов (1922 – 2001) – советский и российский физик

[20] Александр Михайлович Прохоров (1916 – 2002) – советский и российский физик, один из основоположников важнейшего направления современной физики – квантовой электроники, 23 Чарлз Хард Таунс (1915 – 2015) – американский физик.

[21] Теодор Харальд (Тед) Майман (1927 – 2007) – американский физик, создавший первый рабочий лазер.

Информация о публикации
Загружено: 10 марта
Просмотров: 2765
Скачиваний: 37
Алиев Ильяс Манзурович
Физика, СУЗ, Уроки
Скачать материал