77. Енергія атома водню. Спектр випромінювання атома водню.

78. Дисперсія світла Дисперсія світла — залежність показника заломлення (або діелектричної проникності) середовища від частоти хвилі світла.

Здебільшого показник заломлення зростає при збільшенні частоти. Це зростання називають нормальною дисперсією. Аномальна дисперсія — зменшення показника заломлення при збільшенні частоти — виникає в спектральних областях, близьких до частот інтенсивного поглинання.

Середовище реагує на зміну зовнішнього електричного поля зміною наведеної в ньому поляризації. Поляризація виникає завдяки зміщенню зв'язаних зарядів, наприклад, зміщенню електронів відносно ядер атомів. Процеси зміщення не відбуваються миттєво, а вимагають певного часу. Крім того, зміщення можуть бути різними за величиною, й ставати особливо значними тоді, коли частота зміни зовнішнього поля потрапляє в резонанс із коливаннями, характерними для системи.

Коли електричне поле світлової хвилі, яка розповсюджується в середовищі, змінюється повільно, середовище встигає повністю відреагувати на зміну поля. Якщо ж електричне поле змінюється дуже швидко, електрони не встигають відслідковувати його зміни. Цим пояснюються різні значення показника заломлення при різних частотах електромагнітних хвиль.

Поширюючись у речовині, електромагнітна хвиля взаємодіє з нею. Внаслідок цього речовина впливає на поширення електромагнітної хвилі. Зокрема, швидкість хвилі змінюється в разі переходу з однієї речовини в іншу.

Як уже встановлено, наслідком залежності швидкості електромагнітної хвилі, зокрема видимого світла, від природи речовини є явище його заломлення на межі двох середовищ. Показник заломлення визначають відношенням швидкостей хвилі в кожній із речовин. Зокрема, для випадку, коли хвиля переходить із вакууму в речовину, показник заломлення визначається за формулою:

, де n₂₁ - відносний показник заломлення, ₁ - швидкість світла в першому середовищі, ₂ - швидкість світла в другому середовищі.

Явище залежності показника заломлення від довжини хвилі називають дисперсією.

79. Хроматична аберація світла Аберáція— дефект, похибка зображення в оптичних системах. Аберація оптичних систем проявляється в тому, що зображення втрачають чіткість і не точно відповідають зображуваним об'єктам. Хроматична аберація — спотворення зображень, викликані використанням немонохроматичного (наприклад, білого) світла. Вони зумовлені дисперсією світла в лінзах і призмах оптичної системи і виявляються в утворенні кольорової облямівки зображення. Аберація оптичних систем - погрішності зображень, що даються оптичними системами. Виявляються в тому, що оптичні зображення у ряді випадків не цілком виразні, не точно відповідають об'єкту або виявляються забарвленими. Найбільш значительни наступні види аберації. Сферична аберація — недолік оптичного зображення що полягає в тому, що світлові промені, прошедшие поблизу оптичної осі, і промені, що пройшли через віддалені від осі частини оптичної системи (наприклад, лінзи), не збираються в одну крапку. Сферична аберація може бути практично майже повністю усунена вживанням спеціально розрахованих комбінацій лінз.

Оптичні системи можуть володіти відразу декількома видами аберації.

80. Закон радіоактивного розпаду. Період піврозпаду ядра атома. Законом радіоактивного розпаду називається математична залежність числа атомів N, які не розпались протягом деякого часу t після початку відліку ( )від початкового числа атомів N₀ і від часу t: де число e=2,72 (основа натурального логарифма),

• — стала радіоактивного розпаду, яка є характеристикою даної радіоактивної речовини, обернено пропорційною періоду піврозпаду:

Цю залежність раніше подавали у спрощеному вигляді: де T — період піврозпаду (час, за який розпадається ядер).

Особливістю радіоактивного розпаду є його незалежність від зовнішньої дії. Закон, за яким зменшується активність випромінювання (число розпадів у одиницю часу), був експериментально встановлений Резерфордом і Содді. Цей закон справедливий для всіх речовин і виконується для великої кількості числа атомів.

Кількість радіоактивних ядер, які не розпалися, зменшується з часом за показниковим законом. Для практичних цілей швидкість розпаду характеризують періодом напіврозпаду – часом, за який розпадається половина початкової кількості ядер.

Закон радіоактивного розпаду дає можливість визначити період піврозпаду Т і середній час життя радіоактивних ядер. За час півперіоду t = T число радіоактивних ядер зменшується вдвоє порівняно з початковим числом N0,, тобто

Звідки одержуємо В інтервалі часу t і t + dt розпадається Ndt ядер , кожне із яких має час життя t . Загальний час життя цих ядер дорівнює tNdt, а сумарний час життя всіх цих N0 ядер дорівнює інтегралу від добутку tNdt в межах від нуля до безмежності.

ері́од напівро́зпаду (T1/2) — час, протягом якого квантовомеханічна система (ядро атома, елементарна частинка, енергетичний рівень тощо) розпадається з імовірністю 1/2. Якщо розглядається ансамбль незалежних частинок, то протягом одного періоду напіврозпаду кількість частинок, що залишилися, зменшується в середньому вдвічі.

Іноді період напіврозпаду називають також напівперіодом розпаду. Але не слід вважати, що за два періоди напіврозпаду розпадуться всі частинки, наявні в початковий момент часу. Оскільки протягом кожного періоду напіврозпаду число частинок зменшується удвічі, то після двох періодів залишиться чверть від початкового числа частинок, за 3T1/2 — одна восьма і т.д. Взагалі, частка частинок, що залишаються (або, точніше, імовірність «виживання» p для однієї частинки), залежить від часу t таким чином

Якщо для заданого моменту часу позначити число частинок, здатних до розпаду через N, а проміжок часу через t2 - t1, де t1 і t2 - досить близькі моменти часу (t1 < t2), то кількість частинок, що розпадуться протягом цього часу становитиме n=λN(t2 - t1), де коефіцієнт пропорційності λ носить назву константи розпаду. Якщо вважати інтервал часу спостереження (t2 - t1) рівним одиниці, то λ = n/N і, отже, константа розпаду показує частку від наявного числа частинок, що розпадаються в одиницю часу.

81. Лазери. Умови виникнення і властивості лазерного світла. Лазер — джерело когерентного, монохроматичного і вузькоспрямованого електромагнітного випромінювання оптичного діапазону, яке характеризується великою густиною енергії. Існують газові лазери, рідинні та на твердих тілах (діелектричних кристалах, склі, напівпровідниках). В лазері має місце перетворення різних видів енергії в енергію лазерного випромінювання. Головний елемент лазера — активне середовище, для утворення якого використовують: вплив світла, електричний розряд у газах, хімічні реакції, бомбардування електронним пучком та ін. методи «накачування». Активне середовище розташоване між дзеркалами, які утворюють оптичний резонатор. Існують лазери неперервної та імпульсної дії. Лазери отримали широке застосування в наукових дослідженнях (фізика, хімія, біологія, гірнича справа тощо), голографії і в техніці.

Активне севедовище (серце лазера)

Система накачки (джерело енергії)

Оптичний резонатор (система дзеркал)

Лазер — джерело світла. У порівнянні з іншими джерелами світла лазер має низку унікальних властивостей, пов'язаних з когерентністю і високою спрямованістю його випромінювання. Випромінювання «нелазерних» джерел світла не має цих особливостей.

«Серце лазера» — його активний елемент. В одних лазерів це кристалічний або склянний стрижень циліндричної форми. В інших — запаяна скляна трубка, всередині якої перебуває спеціально підібрана газова суміш. В третіх — кювета зі спеціальною рідиною. Відповідно розрізняють лазери твердотільні, газові й рідинні.

При нагріванні будь-яке тіло починає випромінювати тепло. Однак випромінювання теплового джерела поширюється в усіх напрямках, тобто заповнює тілесний кут 4π стерадіан. Формування спрямованого пучка від такого джерела, здійснюване за допомогою системи діафрагм або оптичних систем, що складаються з лінз і дзеркал, завжди супроводжується втратою енергії. Жодна оптична система не дозволяє одержати на поверхні освітлюваного об'єкта потужність випромінювання більшу, ніж у самім джерелі світла.

Лазер відрізняється від звичайної газорозрядної трубки тільки наявністю дзеркал. Дзеркала потрібні для того, щоб світло, що рухається вздовж осі трубки, як можна довше залишався всередині трубки . При цьому одне із встановлених дзеркал частково проникності, завдяки чому деяка кількість світла випромінюється назовні.

За таких умовах починається процес, ще на початку двадцятого століття передвіщений Ейнштейном. Вже виниклі світлові хвилі можуть примусити порушені світлові електрони до синхронних коливань. Електрон посилює світлову хвилю, тобто піднімає її гребінь, до тих пір, поки не віддасть хвилі всю свою енергію і не повернеться в початковий стан - стан спокою.

Оскільки завдяки дзеркалам світлові хвилі відносно довго залишаються всередині лазера, вони можуть підпорядковувати собі все більше і більше світлових електронів, використовуючи їх для того, щоб збільшити власну амплітуду, тобто висоту гребеня хвилі. Але і хвилі з однаковою амплітудою все ж таки можуть відрізнятися один від одного: однакові по висоті гребені хвиль можуть прямувати на різній відстані один від одного. Таким чином, у «витоків» кожного лазерного випромінювання стоять одночасно абсолютно різні хвилі, що встигли на даний момент сформуватися завдяки зусиллям декількох особливо «прудких» електронів.

82. Дефект маси ядра. Ядерна енергія. Дефе́кт ма́си — різниця між масою спокою атомного ядра даного ізотопу, вираженої в атомних одиницях маси, і сумою мас спокою складових його нуклонів (масовим числом). Позначається Δm.

Згідно із формулою Ейнштейна дефект маси і енергія зв'язку нуклонів в ядрі еквівалентні:

ΔE = Δmc2

де с — швидкість світла у вакуумі.

Дефект маси характеризує стійкість ядра.

Дефект маси виникає внаслідок притягання між нуклонами у ядрі завдяки сильній взаємодії. Він найбільший для ядер у середині періодичної таблиці (як видно з наведеного рисунка) та зменшується при збільшенні атомного номера елемента. Завдяки цьому поділу важких елементів, наприклад, урану або плутонію, вивільняється енергія. З другого боку, як видно з рисунка, енергію можна отримати також при утворенні ядра гелію з ядер водню. Такий процес називається ядерним синтезом. Він є джерелом енергії зірок.

Я́дерна ене́ргія (атомна енергія) — внутрішня енергія атомних ядер, що виділяється при деяких ядерних перетвореннях.

Використання ядерної енергії засновано на здійсненні ланцюгових реакцій розподілу важких ядер і реакцій термоядерного синтезу легких ядер.

Атомна енергія — енергія, що виділяється під час перетворень атомних ядер. Перетворення ці можуть відбуватися спонтанно (див. Радіоактивність) або від діяння нейтронів і прискорених заряджених частинок (див. Ядерні реакції). Ця енергія в мільйони разів перевищує хімічну енергію, напр. при горінні.

Атомна енергія зумовлюється ядерними силами, які діють між нуклонами, тобто нейтронами, і протонами.

Енергія зв'язку, яка припадає на 1 нуклон, неоднакова для різних ядер. Вона найбільша для ядер середньої ваги (8,6 МеВ); для найважчих ядер — бл. 7,5 МеВ; для легких ядер вона змінюється від 1,1 МеВ (дейтерій) до 7,0 МеВ (4He). Перетворення ядер з меншою енергією зв'язку, яка припадає на 1 нуклон, в ядра з більшою енергією зв'язку супроводиться виділенням енергії. Наприклад, якщо поділити ядро з атомна маса А = 200 і середньою енергією зв'язку нуклонів 7,5 МеВ на два ядра з середньою енергією 8,6 МеВ, то при цьому виділиться енергія Е = 200 X(8,6—7,5) = 220 МеВ. Якщо утворити ядро гелію з двох ядер дейтерію, то виділиться енергія Е = 4 (7—2·1,1) = 23,6 МеВ.

Для одержання атомної енергії можна користуватися ядерними реакціями поділу і ядерними реакціями синтезу. Реакції синтезу можуть відбуватися тільки тоді, коли ядра наближаються одне до одного на відстань, меншу за 10-13 см, на якій починають діяти ядерні сили. Зближенню ядер протидіють кулонівські сили відштовхування; тому, щоб ці сили подолати, ядра повинні мати достатню енергію. Одержання вільних нейтронів і прискорення руху заряджених частинок вимагає витрати енергії.