Билет №27 Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц. Ядерная модель атома

План ответа

1. Опыты Резерфорда. 2. Ядерная модель атома.

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопи­лось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

Большие успехи в исследовании строения ато­мов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию а- частиц при про­хождении через тонкие слои вещества. В этих опы­тах узкий пучок α-частиц, испускаемых радиоак­тивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обна­ружено, что большинство α-частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохож­дения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые α-частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние α-частиц Резерфорд объяснил тем, что положитель­ный заряд не распределен равномерно в шаре радиу­сом 10^-10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома — атомном ядре. При прохождении около ядра α-частица, имеющая поло­жительный заряд, отталкивается от него, а при по­падании в ядро — отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует цент­ральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10^-15 μ.

Резерфорд предположил, что атом устроен по­добно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вра­щаются электроны (как планеты вокруг Солнца). За­ряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов:

электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом — это устойчивая система; при движении по круговой ор­бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непре­рывный спектр, на практике же получается иное:

электроны атомов излучают свет, имеющий линейча­тый спектр. Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

Билет 4

Первый закон Ньютона 

Существуют такие системы отсчета, называемые инерциональными, относительно которых материальные точки, когда на них не действуют никакие силы, находятся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Второй закон Ньютона

В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка с постоянной массой, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.

При подходящем выборе единиц измерения, этот закон можно записать в виде формулы:

где   — ускорение материальной точки;  — равнодействующая всех сил, приложенных к материальной точке;  — масса материальной точки.

Третий закон Ньютона 

Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению:

Инерциальные системы отсчета.

Инерциа́льная систе́ма отсчёта (ИСО) — система отсчета, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно или покояться. Эквивалентной является следующая формулировка, удобная для использования в теоретической механике: «Инерциальной называется система отсчёта, по отношению к которой пространство  является однородным и изотропным, а время — однородным». Законы ньютона, а также все остальные аксиомы динамики  в  классической динамики формулируются по отношению к инерциальным системам отсчёта.

Взаимодействие тел 

Действие тел друг на  друга называют взаимодействием.  !!! При взаимодействии оба тела  меняют свою скорость.  Примеры:  Человек прыгнул с лодки, значит,  он приобрел скорость. Но лодка  тоже изменила свою скорость – она  отплыла назад .  При стрельбе из пушки и пушка, и  снаряд приобретают скорости:  снаряд летит вперед, пушка  откатывается назад.

Cила

Си́ла — векторная величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей. Приложенная к масивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нём деформацией и напряжений

Масса

Ма́сса — скалярная физическая величина, одна из важнейших величин в физике. Первоначально она характеризовала «количество вещества» в физическом объекте, от которого, по представлениям того времени, зависели как способность объекта сопротивляться приложенной силе, так и гравитационные  свойства — вес.

Билет 8

Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы. Работой A, совершаемой постоянной силой называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла α между

в екторами силы и перемещения. A=F r cos a Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительна (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 Н на перемещении 1 м в направлении действия силы.

Если к телу приложено несколько сил, то общая работа всех сил равна алгебраической сумме работ, совершаемых отдельными силами, и равна работе равнодействующей приложенных сил. Работа силы, совершаемая в единицу времени, называется мощностью. Мощность N – физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа: N=A:t В Международной системе (СИ) единица мощности называется ватт (Вт). Ватт равен мощности силы, совершающей работу в 1 Дж за время 1 с.

Билет 16

В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое поле, представляющее собой один из видов материи. Электрическое поле обладает запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела. Электрическое поле условно изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направления действия электрических сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую двигалась бы в электрическом поле положительно заряженная частица.электрические силовые линии расходятся в разные стороны от положительно заряженных тел и сходятся у тел, обладающих отрицательным зарядом. Поле, созданное двумя плоскими разноименно заряженными параллельными пластинами, называется однородным . Электрическое поле можно сделать видимым, если поместить в него взвешенные в жидком масле частички гипса: они поворачиваются вдоль поля, располагаясь по его силовым линиям.

В электротехнике интенсивность поля характеризуют напряженностью электрического поля Е. Под напряженностью понимают отношение силы F, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду q этого тела:E = F / q

Поле с большой напряженностью Е изображается графически силовыми линиями большой густоты; поле с малой напряженностью — редко расположенными силовыми линиями. По мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т. е. напряженность поля уменьшается.Только в однородном электрическом поле напряженность одинакова во всех его точках.

Электрическое поле обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке электрического поля, введено специальное понятие — электрический потенциал. Электрический потенциал Ф(фи) поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля. Разность потенциалов ф1 и ф2 двух точек поля характеризует собой работу, затрачиваемую силами поля на перемещение единичного заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую точку с меньшим потенциалом. Разность потенциалов по-другому называют электрическим напряжением (U): U = А/ q

Электрическое напряжение — важнейшая электрическая величина, позволяющая вычислять работу и мощность, развиваемую при перемещении зарядов в электрическом поле. Единицей электрического напряжения служит вольт (В).

Напряженность электрического поля при однородном поле представляет собой отношение электрического напряжения, действующего между двумя точками поля, к расстоянию l между этими точками:

E = U / d.

Билет 18

Для накопления значительных количеств разноимённых электрических зарядов применяются конденсаторы.Конденсатор – это система двух проводников (обкладок), разделённых слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенных параллельно и разделённые диэлектриком, образуют плоский конденсатор. Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряжённость между пластинами будет в два раза больше, чем напряжённость одной пластины. Вне пластин напряжённость равна нулю.

Обозначаются конденсаторы на схемах так:

-          конденсатор постоянной ёмкости;

-          конденсатор переменной ёмкости.

Электроёмкостью конденсатора называют величину, равную отношению заряда одной из пластин к напряжению между ними. Электроёмкость обозначается С.

По определению С=q/U. Единицей электроёмкости является фарад (Ф). 1 фарад – это электроёмкость такого конденсатора, напряжение между обкладками которого равно 1 вольту при сообщении обкладкам разноимённых зарядов по 1 кулону.

Электроёмкость плоского конденсатора находится по формуле:

C=ee0S/d,

где e0 – электрическая постоянная, e - диэлектрическая постоянная среды, S – площадь обкладки конденсатора, d – расстояние между обкладками (или толщина диэлектрика).

Если конденсаторы соединяются в батарею, то при параллельном соединении C0=C1+C2  При последовательном соединении 1/C0=1/C1+1/C2 

В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.

Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования её при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного тока, в выпрямителях, колебательных контурах и других радиоэлектронных устройствах.

Билет1

Физика-наука о неживой природе. Любое природное явление в окружающем нас мире имеет множество характеристик и признаков. Желание систематизировать их , понять причины различных проявлений ,предсказывать их ,стимулировать научное познание.

Начало научному познанию в физике как науке положил итальянский учёный Галилео Галилей , поставивший первые физические эксперименты и предложивший теоретическое объяснение движения тел. Изучая падение тел разной массы , он впервые провёл измерения физических величин при падении тел с высоты и получил количественные соотношения между ними.

Объём информации , получаемый человеком с помощью органов чувств оказывается недостаточным для того , чтобы выявить ту или иную закономерность. Дополнительную информацию можно получить лишь с помощью экспериментальных установок . Суть любого эксперимента- наблюдение явления и получения данных ,характеризующих результаты исследований.

Физический закон- описание соотношений в природе , проявляющихся при определённых условиях в эксперименте. Особенность закона состоит в том, что с его помощью можно описать другие явления , с которыми не были поставлены эксперименты.

Научная гипотеза – предположение о том ,что существует связь между известным и вновь объясняемым явлением.

Галилео Галилей дал количественное описание падения тел на Землю , но не выяснил причину их падения.

Исаак Ньютон основоположник фундаментальной физической теории, высказал гипотезу: причина падения тел на Землю- притяжение тел к Земле.

Научная теория содержит постулаты , определения, гипотезы и законы, объясняющие явления.

Любая созданная теория должна быть подтверждена экспериментом. Расхождение теории с практикой приводит к совершенствованию старой или созданию новой теории, дающей новые законы и более глубокое понимание физической реальности. Особенно ценной в науке считается теория, предсказывающая новые экспериментальные данные , которые не могут быть объяснены в рамках старой теории.

Примером такой теории в физике является теория относительности Альберта Эйнштейна , предсказавшая и количественно описавшая изменение массы движущегося тела со скоростью , соизмеримой со скоростью света, явление , которое нельзя было объяснить в рамках теории классической физики. Особенность фундаментальных теорий – их преемственность.

Теория может иметь границы применимости. Например , классическая механика справедлива для описания движения тел , скорость которых много меньше скорости света, но с помощью законов Ньютона нельзя описать процессы в микромире . Ни одна научная теория не может быть признана окончательной и верной всегда .Всегда существует вероятность , что новые наблюдения потребуют поправок к теории.

Билет №30

Ядерный реактор- это устройство, преднозначенное для осуществления управляемой ядерной реакции.

Управление ядерной реакцией заключается в регулировании скорости размножения свободных нейтронов в уране, чтобы их число оставалось неизменным. При этом цепная реакция будет продолжаться столько времени, сколько это необходимо, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.

Рассмотрим устройство и принцип действия реактора, в котором в качестве делящегося вещества (ядерного топлива или горючего) используется в основном уран-235. В природном уране этого изотопа недостаточно для протекания цепной реакции(всего 0,7%), поэтому природный уран обогащают, т.е. Доводят содержание урана-235 до 5%.

Реактор, работающий на этом изотопе урана, называется реактором на медленных нейтронах. Он назван так, потому что уран-235 наиболее эффективно делится под действием медленных нейтронов. Поскольку при делении ядер образуются в основном быстрые нейтроны, их необходимо замедлять. Для этого в реакторе с таким ядерным топливом используется замедлитель нейтронов.

Реактор состоит из активной зоны, Отражателя, защиты, регулирующих стержней, теплоносителя, насоса, теплообменника, турбины, конденсатора, генератора.

Насос

Теплоноситель

Конденсатор

Генератор

Турбина

Теплообменник

Отражатель

Активная

зона

Регулирующие стержни

защита

В активной зоне находится ядерное топливо в виде урановых стержней ( они на ресунке не показаны) и замедлитель нейтронов- в данном случае вода.

Масса каждого уранового стержня значительно меньше критической, поэтому поэтому в одном стержне цепная реакция происходить не может( это делается специально из соображений безопасности). Она начинается после погружения в активную зону всех урановых стержней,т.е. Когда маса урана достигнет критического значения.

Активная зона окружена слоем вещества, отражающего нейтроны( отражатель), и защитной оболочкой из бетона, задерживающей нейтроны и другие частицы.

Для управления реакцией служат регулирующие стержни, эффективно поглащающие нейтроны. При их полном погружении в активную зону реакция идти не может. Для запуска реактора регулирующие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока не начнётся цепная реакция деления ядер урана.

Образующиеся в процессе этой реакции нейтроны и осколки ядер, разлетаясь с большой скоростью, попадают в воду, сталкиваются с ядрами атомов кислород а и водорода, отдают им часть своей кинетической энергии и замедляются. Вода при этом нагревается, а замедленные нейтроны через какое то время опять попадают в урановые стержни и учавствуют в делении ядер.

Активная зона реактора посредством труб соединяется с теплообменником, образуя так называеммый первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают циркуляцию воды в этом контуре. При этом вода, нагретая в активной зоне за счёт внутренней энергии атомных ядер, проходя через теплообменник, нагревает воду в змеевике второго контура, превращая её в пар. Таким образом, вода в активной зоне служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло.

Таким образом, при получении электрического тока на атомных электростанциях происходят следующие преобразования энергии: часть внутренней энергии атомных ядер урана

кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер внутренняя энергия воды внутренняя энергия пара кинетическая энергия пара кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора электрическая энергия.

Атомная энергетика

Одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством, является проблема источников энергии. Потреблении энергии рстёт столь быстро,что известные в настоящее время запасы топлива окажутся исчерпанными в сравнительно короткое время. Проблему «энергетического голода» не решает и использование энергии так называемых возобновляемых источников(энергия рек, ветра, солнца и т.д.) В настоящее время реальный вклад в энергоснабжение вносит ядерная энергетика. Резерфорд в 1937 г. утверждал, что получение ядерной энергии в более или менее значительных количествах, достаточных для практического использования, никогда не будет возможным. В 1954 г. в нашей стране была введена в действие первая в мире атомная электростанция(АЭС). Её мощность была невелика- всего 5000кВт. Современные АЭС имеют в сотни раз большую мощность.

Аэс имеют ряд преимуществ перед другими видами электростанций. Основное их преимущество заключается в том, что для работы АЭС требуется очень небольшое количество топлива. В связи с этим эксплуатация АЭС обходится значительно дешевле, чем тепловых (ТЭС). Првда, строительство ТЭС обходится дешевле, чем АЭС.

Второе преимущества АЭС(при правильной их эксплуатации) заключается в их экологической чистоте по сравнению с ТЭС.Конечно, в выбросах АЭС содержатся радиоактивные газы и частицы. Но большая часть радиоактивных ядер, содержащихся в выбросах АЭС, довольно быстро распадается, превращаясь в нерадиоактивные. А количество долгоживущих радионуклидов и мощность их излучения сравнительно невелеки. Что же касается электростанций, работающих на угле, то именно они являются одним из основных источников поступления в среду обитания человека долгоживущих радионуклидов. В угле всегда содержатся микропримеся радиоактивных элементов, которые выносятся с продуктами сгорания.

В настоящее время квалифицированная критика ядерной энергетики концентрируется вокруг трёх её основных проблем: содействие распространению ядерного оружия, радиоактивные отходы и возможность аварий. Первая проблема может быть решена только в рамках мирового сообществах.

Обезвреживание радиоактивных отходов сводится в основном к трём задачам:

• к совершенствованию технологий с целью уменьшения образования отходов при работе реакторов

• к переработке отходов для их скрепления и уменьшения опасности от распространения в окружающей среде.

• К надёжной изоляции отходов от биосферы и человека за счёт создания могильников разных типов.

Для выполнения поставленных задач в проектах всех АЭС предусмотрены установки для отверждения жидких отходов. Кроме того, но заводах по переработке ядерного топлива производится остеклование отходов. Газообразные отходы подвергаются очистке. Помимо всего этого принимаюся и другие меры , направленные на решение проблемы радиоактивных отходов.

Что касается безопасности АЭС, деятельность МАГАТЭ в этой области включает в себя, в часности, разработку стандартов безопасности, консультации стран-членов МАГАТЭ.

Проводимый экспертами МАГАТЭ анализ произошедших на АЭС аварий, выдача рекомендаций по их проыилактике, внедрение в практику современных методов анализа безопасности и многие другие меры содействуют выравниванию и повышению в целом уровня безопасности АЭС в мире.

Билет 3

Скорость – это векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела в пространстве. Отношение вектора перемещения Δr к отрезку времени Δt, в течение которого это перемещение произошло, называют средней скоростью:

Ускоре́ние (обычно обозначается   ) — скорость изменения скорости, то есть первая производная от скоростипо времени, векторная величина, показывающая, на сколько изменяется вектор скорости   тела при его движении за единицу времени:

Равноускоренное прямолинейное движение — это движение, при котором скорость тела за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, т. е. это движение с постоянным по модулю и направлению ускорением.

 a⃗ =const — уравнение ускорения.