82

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.А.КУЛЕШОВА»

РАБЗОНОВ П.Г., СТАСЬКОВ Н.И.,ЧЕРНОВ С.М.

Введение в методику экспериментов по физике атома, атомных явлений, ядра и элементарных частиц

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

МОГИЛЕВ 2007

УДК53(076.5)

ББК22.3Я73

Печатается по решению редакционно-издательского

и экспертного совета МГУ им. А.А.Кулешова

Рецензент:

профессор кафедры физики и технических дисциплин

МГУ им. А.А.Кулешова, кандидат физико-математических наук,

профессор Е.Е.Сенько

Рабзонов П.Г., Чернов С.М., Стаськов Н.И. / Введение в методику экспериментов по физике атома, атомных явлений, ядра и элементарных частиц: лабораторный практикум. – Могилев: МГУ им. А.А.Кулешова, 2007. – 112 с.: ил.

Лабораторный практикум содержит описание лабораторных работ по учебным дисциплинам «Физика атома и атомных явлений», «Физика ядра и элементарных частиц».

В практикуме систематизированы сведения о методике научных экспериментов и наиболее распространенных явлений физики микрочастиц. В описании лабораторных работ излагаются экспериментальные методы, особенности установок, сформулированы задания и контрольные вопросы. Практикум ориентирован на реализацию принципа дифференцированного подхода в обучении. Он предназначен для студентов всех специальностей физико-математических факультетов.

УДК53(076.5)

ББК22.3Я73

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1.НАУЧНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ФИЗИКЕ МИКРОЧАСТИЦ

1.1. Спектральный анализ

1.1.1. Предмет спектрального анализа. Структура атомных спектров.

1.1.2. Источники света

1.1.3. Спектральные приборы

1.1.4. Регистрация спектров

1.2. Рассеяние микрочастиц

1.2.1. Постановка экспериментов по рассеянию

1.2.2..Источники частиц

1.2.3. Детекторы частиц

1.3. Определение значений флуктуирующих величин

2. НЕКОТОРЫЕ ЯВЛЕНИЯ ФИЗИКИ МИКРОМИРА

2.1. Неопределенность значений отдельных сопряженных величин

2.2. Туннельный эффект

2.3. Вынужденное излучение. Лазеры

2.4. Изотопический сдвиг

2.5. Уширение спектральных линий

2.6. Радиоактивность

2.6.1. Общая характеристика радиоактивности

2.6.2. радиоактивность

2.6.3.  - радиоактивность

2.6.4. γ – радиоактивность

2.6.5. Взаимодействие ядерных излучений с веществом.

3. МОДЕЛИ АТОМНОЙ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

3.1. Модели атома

3.2. Модели ядра

3.3. Зонная модель энергетических уровней в твердых телах

3.3. Зонная модель проводимости туннельного диода

3.5. Математическая модель движения частиц в силовых полях

4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ЛАБОРА­ТОР­НОМ ПРАКТИКУМЕ ДЛЯ СТУДЕНТОВ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Охрана труда и техника безопасности в лабораториях физики микрочастиц.

4.1. Электромагнитное излучение: свойства и приборы

4.1.1. Тепловое излучение и его характеристики

4.1.2. Сериальная структура спектра водорода

4.1.3. Исследование спектральной чувствительности фотоэлемента

4.1.4 Оптические квантовые генераторы

4.2. Квантовые явления в полупроводниках.

4.2.1. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника

4.2.2.Изучение туннельного эффекта и характеристик туннельного диода.

4.2.3. Особенности вольт-амперных характеристик р-n переходов различных типов

4.3. Регистрация и количественная оценка ядерных излучений

4.3.1. Статистические свойства радиоактивных препаратов

4.3.2 Компьютер как элемент экспериментальной установки в исследованиях по физике микрочастиц

4.3.3. Счетчик Гейгера-Мюллера и его параметры

4.3.4.Исследование -активности изотопа калия ₁₉К⁴⁰

4.4. Поглощение радиоактивного излучения в газах и твердых телах

4.4.1 Свободный пробег -частиц в воздухе.

4.4.2. Исследование явления поглощения b-частиц в металлах

4.5. Математическое моделирование

4.5.1. Движение микрочастиц в бесконечно глубокой потенциальной яме

4.5.2. Масса и энергия связи атомных ядер

.

Чисто логически нельзя получить

никакого знания о реальном мире

— всякое знание реальности начинается

с опыта и заканчивается им.

А. Эйнштейн

ВВЕДЕНИЕ

Конечно, содержание выбранного авторами эпиграфа не является новым для студентов, завершающих изучение той области человеческих знаний, которая традиционно составляет основу курса физики. Вряд ли найдется как самый древний, так и современный философ, стоящий на диалектических позициях, а тем более ученый, работающий в естественной сфере, который так, или иначе не высказывал бы мыслей о решающей роли эксперимента в познании природы. Однако при изучении и экспериментальном обосновании механических, тепловых, электромагнитных и оптических явлений нам не приходилось сталкиваться с такими случаями, когда эксперимент не получал полного объяснения в рамках существующих теорий или когда некоторым экспериментом открывался совершенно новый класс явлений, для которых вообще не было в свое время соответствующих теоретических объяснений. Механика, учение о теплоте и молекулярном строении вещества, электродинамика и оптика развивались практически параллельно на протяжении многих столетий эволюционным путем. Соответствующие физические теории, в том числе и фундаментальные, получили и логическое и историческое завершение примерно к концу ХIХ века. Сейчас эту совокупность теорий мы называем классической физикой.

Развитие физики на рубеже ХIХ и ХХ веков, связанное с изучением микрочастиц, как раз и привело к двум, описанным выше случаям в анализе результатов некоторых экспериментов. Сложилась ситуация когда существующие теории стали нуждаться в основательном пересмотре или замене новыми (конечно, речь идет о частных теориях, а не о фундаментальных, для которых необходимым являлось только уточнение границ применимости; правда, это «только» привело к формулировке универсального для природы принципа — принципа соответствия). Такая ситуация явилась революционной в развитии физики; она длилась примерно в течение трех десятилетий и завершилась созданием основ современной физики, которые открыли путь к исследованию уникальных свойств материи на микроскопическом уровне, а также к развитию принципиально новых методов математического моделирования. Именно поэтому нас привлекла, в общем то тривиальная для современного молодого человека мысль, открывающая данное пособие. Ведь она высказана великим А.Эйнштейном, который с одной стороны вместе с не менее великими М.Планком, В. Гейзенбергом, П. Дираком, Э. Шредингером и многими другими стоял у истоков революционных преобразований в физике, а с другой стороны сам непосредственно экспериментальными исследованиями не занимался.

Сегодня, спустя 100 лет после величайших для всей науки открытий мы возвращаемся к ним уже с учебными целями, и в рамках данного пособия, будем рассматривать экспериментальную основу современных представлений о физике атома, ядра, элементарных частиц, электромагнитного излучения. При этом, как и в предыдущих разделах курса общей физики, ведущей целью в постановке и выполнении всех лабораторных работ, будем считать усвоение студентами соответствующих экспериментальных методов и методик. Примем во внимание, что многие опыты рассматриваемой области исследований заслуженно получили статус фундаментальных. Поэтому, тем более нам интересна научная методология, использованная или разработанная основоположниками современной физики такими, как Р.Милликен, А.Столетов, Э.Резерфорд, О.Штерн и др.

Лабораторный практикум по физике атома, ядра и частиц имеет существенные отличия от практикумов предыдущих разделов физики, связанные с объективной сложностью в восприятии его содержания. Действительно, насколько бы нам не казались трудными отдельные вопросы механики, электричества, оптики, молекулярных явлений, мы не можем не признать, что их экспериментальная база отличается простотой, наглядностью, однозначным восприятием происходящих процессов и результатов отдельных опытов. Как правило, лабораторные установки моделировали собой реальные физические или технические объекты, имеющие широкое распространение, в том числе и в быту. Это же относится и к лабораторному оборудованию (шары, диски, маятники, плоские поверхности, калориметры, резисторы, конденсаторы, линзы и т.д.), к измерительным приборам (линейка, секундомер, весы, термометр, манометр, амперметр и т.д.) а так же и к перечню физических величин (скорость, масса, сила, температура, давление, напряжение, сила тока и т.д.). Достаточно просто в логическом отношении были связаны между собой результаты прямых и косвенных измерений. Во многих случаях мы могли даже отдельные приборы проградуировать в шкале измерений других физических величин. В машине Атвуда, например, время движения груза однозначно характеризует момент инерции вращающегося диска; амперметр и вольтметр – по сути, это один и тот же прибор и оба могут выполнять роль омметра; температура газа в заданном объеме однозначно характеризует его давление и т.д.

В противоположность этому в изучаемой сейчас области физики нет такой простоты, наглядности и аналогий на бытовом уровне. На наш взгляд, это отличие имеет очевидное объяснение: об особенностях протекания микропроцессов, которые недоступны восприятию человека, мы вынуждены судить по значениям параметров макропроцессов. Такие суждения, как правило, не доступны на уровне однозначного (классического) детерминизма, а уж тем более на уровне бытовой логики. Соответственно и бытовые установки не могут моделировать простейшие механизмы, а должны являться инженерными сооружениями специального назначения.

Другим важнейшим отличием физики микромира от предыдущих учебных разделов является ее широкая опора на экспериментальную базу, на опыты, заслуженно получившие статус фундаментальных. В ранее изученных разделах физики число фундаментальных опытов незначительно: опыт Кавендиша в механике, опыты Кулона, Ампера и Фарадея в электромагнетизме, а молекулярная физика и вовсе таковых не имела. Развитие же физики микрочастиц мы можем проследить, анализируя уникальные опыты, через которые как по ступенькам человечество восходило к принципиально новым знаниям о структуре и свойствах материи. Самое общее представление о небольшой части этой лестницы приведено в таблице 1.

Таблица 1