![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Бордовский Г.А. Физика учеб. пособие для студентов фак. естествознания пед. ин-тов
.pdfновляются клетки (например, нервные ткани), тем большая доза нужна для юс разрушения.
7 .4 .4 . Использование рад«активных излучений в биологии
Не следует полагать, что радиактивноѳ излучение играет в оиологичѳскюс процессах только отрицательную роль. Общеиэве -
стны, например, успешные попытки использования радиактивных излучений для борьбы с раковыми заболеваниями. Естественные мутации, неооходимые для развития видов, во многом обусловле
ны радиантивньш фоном и т .п .
Широкие возможности открылись перед биологами с разра - боткой метода меченых атомов. Этот метод заключается в том , что к нерадиактивнсшу веществу добавляет небольшое количество
радиактивного изотопа, смесь вводят внутрь организма и с по - мощью индикаторов следят за ее распространением. Путем введе
ния в кровеносную систему меченых атомов можно определить |
|
|||
скорость течения крови в |
различных частях тела. Изотопы |
C l^ |
||
используются для |
изучения |
передвижения в почве воды |
и |
|
выяснению солевого режима почвы. |
Метод меченых атомов |
очень |
||
эффективен при изучении |
приемов |
улучшения питания сѳльскохо |
- |
зяйственных растений и животных и т .д .
Еще в конце прошлого века было открыто явление радиости-
мудяции роста растений. Первые же |
опыты дали весьма интерес - |
||
ные результаты. Например, обнаружили, что при облучении семян |
|||
ржи не только ускоряется их прорастание, но |
и возрастает чис |
||
ло колосьев на деляне, число, вес |
и размеры |
зерен |
в колосе. В |
сельском хозяйстве используется не |
только явление |
радиостиму- |
ляции роста. Можно выделить четыре |
направления |
применения ра |
||
диактивных излучений: |
|
|
|
|
I . |
Облучение сравнительно небольшими |
дозами |
( 200-І000рад) |
|
семян, |
ростков, взрослых растений, |
плодов, ягод |
и т |
.п . уве |
личивает всхожесть, ускоряет прорастание, повышает урожай ность и качество продукции, например, увеличивается сахарис - тость дынь, арбузов, сахарной свеклы, увеличивается накопле -
ние белков', жиров и клетчатки |
в кукурузе, увеличивается со - |
держание витаминов в капусте, |
картофеле, моркови и т .д . |
- |
210 - |
2 . Более высокие дозы облучения задерживают рост и раз
витие растений. На рис.7 . I I |
представлен |
рост |
кукурузы |
при |
|||||
воздействии |
различных доз |
у - |
излучения. Пунктиром |
отмечен |
|||||
|
|
|
|
|
|
рост |
контрольных ра |
||
|
|
|
|
|
|
стений. Это |
явление |
||
|
|
|
|
|
|
используется |
для уве |
||
|
|
|
|
|
|
личения сроков хра - |
|||
|
|
|
|
|
|
нения овощей и дру - |
|||
|
|
|
|
|
|
гой |
сѳльскохоэяйст - |
||
10 |
3-Ю |
. |
I , |
Г |
х |
венной |
продукции. |
||
ÜB* 8# ІО1 4 » |
8D |
ИВ4 |
4 # |
|
3 . |
Еще большие |
|||
|
|
доза (Sap) |
|
|
|
дозы |
радиации приме |
||
|
|
|
|
|
|
няются для получения |
|||
|
|
Рис.7 . II |
|
|
|
высокой мутагенной |
|||
|
|
|
|
|
актюности с |
целью |
|||
|
|
|
|
|
|
||||
отбора |
наиболее ценных мутантов. |
|
|
|
|
|
|||
4 . |
Дозы, смертельные для |
живых организмов, |
используются |
для борьбы с сельскохозяйственными вредителями и другими вред ными насекомыми и микробами.
Механизм радиостимуляции сводится к тому, что излучение вызывает процессы, выводящие семя из состояния покоя, мобили зующие запасы питательных веществ, усиливающие окислительные реакции и т .д .
Использование достижений физики в биологии и , в частно- ' сти, в сельском хозяйстве, приводит к значительному прогрессу
вэтой области.
§7 .5 . Некоторые сведения об элементарных
частицах
Иерархическая пирамида строения вещества выглядит так. Все вещество состоит из молекул. Молекулы состоят из атомов . Атомы построены из электронов и ядер, ндра же состоят из про тонов и нейтронов. Но электроны, протоны и нейтроны уже нель зя предотавить состоящими из каких-либо других частиц, поэто му их называют элементарными частицами. Термин "элементарная частица" указывает только на то, что по современным представ лениям эти частицы не обладают какой-либо внутренней структу-
- 211 -
рой и совсем не означает, что |
свойства таких частиц просты |
|
(элементарны). Наоборот, ниже |
мы увидим, что элементарные ча |
|
стицы обладают весьма сложными и многоооразными свойствами |
, |
претерпевают различные превращения. Этим подтверждается гени альное высказывание В,И.Ленина о "неисчерпаемости электрона".
В настоящее время открыто свыше 200 элементарных частиц.
Некоторые из |
них (электрон, |
протон, нейтрон, фотон) устойчивы |
|
и составляют |
большую часть |
материального мира. Другие |
же |
встречаются лишь в космическом излучении или получены искус - ственным путем в мощных ускорителях и имеют очень малое время жизни.
В настоящем параграфе не представляется возможным изло - жить сколь-нибудь полно современные представления об элемен -
тарных частицах, тем .более, что многие представления толь
ко складываются и свойства элементарных частиц до конца еще не изучены.
7 .5 .1 . Классификация элементарных частиц |
|
ß физике элементарных частиц сейчас сложилось |
примерно |
такое же положение, какое было в химии к моменту открытия Д.И.Менделеевым периодической таблицы элементов. Физики клас сифицируют элементарные частицы по тем или иным признакам, отыскивают общие свойства, дозволяющие объединить их в более или менее крупные группы. Одна из возможных классификаций при ведена в таблице 7 .2 .
АДРОНЫ ( частицы.подвержен
ные сильному взаимодействию с учас тием зг-мезонов)
ЛЕПТОНЫ
____m m ________
|
Таблица 7 .2 |
|
|
||
Бариояы |
Гипероны(А, £ , Е ,Я |
) |
|||
Нуклоны (л |
, |
р) |
|
||
|
|
||||
Мезоны |
І Г " й із 0ны |
|
|
|
|
С - |
мезоны |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Мюонное |
j* - |
мезоны |
|
|
|
|
мезонное |
|
|
|
|
семейство |
|
( |
Vjn |
) |
|
|
|
нейтрино |
|||
Электронное |
се |
электроны |
( е |
) |
|
|
|
|
|
||
мейство |
|
электронное |
) |
||
|
|
нейтрино |
( |
Ne |
|
- - ' 212“ - |
" |
|
|
|
|
При классификации учитывают такие свойства, как электри
ческий заряд, массу покоя, спин и др. Элементарные частицы |
|||||
могут иметь положительный |
или отрицательный электрический за |
||||
ряд, численно равный заряду электрона, либо вовсе не |
|
иметь |
|||
заряда. Например, |
заряд протона (+ 1 ), заряд нейтрона |
( 0 ) , за |
|||
ряд ОТмезонов (* І) |
и (0) |
и т .д . Элементарных частиц |
с |
заря |
|
дом, превышающим единицу не найдено. |
|
|
|||
По величине |
массы покоя элементарные' частицы можно |
клас |
|||
сифицировать так: |
I) |
фотоны (масса покоя равна 0 ) , 2) |
|
лепто |
ны (масса |
покоя составляет от одной до сотен |
электронных |
|
м асс). 3) |
Мезоны (масса покоя имеет промежуточное значение |
мѳ- |
|
вду массами пептонов и нуклонов), 4) Барионы |
(масса покоя |
рав |
|
на или превышает массу покоя нуклонов). |
|
|
|
Спин |
- собственный механический момент |
количества движе |
ния элементарной частицы - в ядерной физике измеряется в еди
ницах Ь , |
Он может быть равен 0 (мезоны), |
1 /2 |
h |
(электроны, |
|
нуклоны, |
гипероны), I h |
(фотоны). Кроме |
того |
предполагают, |
|
что спин |
Я - гиперона |
равен 3 /2 . |
|
|
|
7 .5 .2 . Античастицы
П.Дирак в 1928 году теоретически предсказал существова - ние античастиц. Античастицы должны иметь массу, тождественную
массе .частиц, но противоположные другие |
параметры (заряд,спин |
|||||
и т . д . ) . В 1933 году К.Андерсон открыл |
первуюо |
античастицу - |
||||
время почти у |
каждой частицы |
позитроном ( +іе |
) . |
В настоящее |
||
антиэлектрон, |
которую назвали |
|
|
|
||
|
|
обнаружена |
античастица. |
Более |
||
того, даже получены атомы антиводорода |
и антигѳлля. |
Антиводо |
род, например, состоит из отрицательного антипротона и поло - житѳльного позитрона. Это наводит на мысль, что во Вселенной возможно существование антивещества, скажем в виде антигалак тик. Установить принадлежность далеких галактик к веществу или антивеществу очень сложно, так как квант электромагнитно
го излучения (фотон) - основной источник информации - тождѳ |
- |
ственен антифотону. Встреча вещества с антивеществом явилась |
|
оы катастрофой. Дело в том, что при столкновении частицы |
и |
античастицы происходит аннигиляция - обе частицы перестают |
|
существовать как таковые. Они превращаются в другие частицы |
, |
- 213 - |
|
например, в фотоны: |
|
|
|
|
е' |
+ |
е+ |
—- 2у |
(7.22) |
Р + |
+ |
Р " |
— |
’(7.23) |
|
По закону сохранения энергии энергия двух образующихся фото -
нов равна энергии покоя исходных частиц: |
2 h to = т о с 2 , |
T ie. аннигиляция сопровождается выделением |
колоссальнейшей |
энергии. Эффективность такой реакции примерно в 10^ раз выше, чем термоядерного синтеза.
Имеет место и обратный процесс. При взаимодействии фото на с веществом может образоваться пара: частица - античасти -
ца. Естественно, что |
энергия фотона при этом должна |
быть |
не |
меньше энергии покоя |
двух образующихся частиц: heu |
> m sC2 . |
|
Помимо рассмотренных выше реакций существуют и |
другие |
||
многочисленные превращения элементарных частиц. Например: |
|
|
— |
+ V |
. (7 .2 |
4 ) |
|
|
|
|
|
||
Г |
е ~ |
+ |
Чу* + Че |
(7 .2 |
5 ) |
|
|
е" + Ѵе |
|
|
|
п —1- Р+ |
+ |
(7 .2 |
6 ) |
В заключение следует сказать, что физика элементарных частиц еще далека от завершения и в настоящее время многие ее разделы интенсивно развиваются.
|
§ |
7 .6 . упражнения |
|
|
|
1 . Что больше - |
масса ядра или масса |
частиц, входящих в |
|
его |
составу |
|
|
|
|
2 . Какая доля первоначального числа ядер радия будет рас |
|||
падаться через 3200 |
л ет, если период полураспада составляет |
|||
1600 |
лет? |
|
|
|
|
3 . В агробиологических исследованиях методом меченых ато - |
|||
мов |
часто используют |
•2О |
с периодом |
полурас |
изотоп фосфора J 5P |
||||
пада |
Т = 14,3 дня. иапишите ядерную реакцию распада. |
Какая |
часть первоначального числа радиактивных атомов останется че рез два месяца?
- 214 -
4 . За |
p-2 Q |
происходит два |
последователь - |
|
oL- распадом U |
||||
них ß>- распада. Чему равны Z |
и А |
конечного |
продукта? Запи |
|
шите реакции распада. |
|
|
|
|
5 . Ядро |
Ри2^ испытывает dL - |
распад. Дочернее ядро ис |
||
пытывает два |
последовательных'' |
ji - |
распада. Образовавшееся |
ядро бомбардируется нейтронами и поглощает 4 нейтрона. |
Чему |
равны величины Z и А конечного продукта? Напишите уравнѳ - |
ния реакций.
6 . При взрыве 18 кг вещества в водородной бомбе выделя
ется 10^ ккал теплоты. На сколько граммов масса продуктов взрыва меньше массы исходного взрывчатого вещества?
7 . При археологических раскопках был найден деревянный
сосуд, в котором концентрация радиактивного изотопа |
сос |
тавляет .80$ средней концентрации, содержащейся в растениях . |
Сколько лет назад было срублено дерево?
8 . Для увеличения сроков хранения картофеля его необхо
димо облучить дозой 2000 бэр . Какова физическая доза облучѳ -
ния в радах, если облучение производится: |
<£- - лучами? |
j$ - |
|
лучами? у - лучами? быстрыми нейтронами? |
тепловыми нейтро |
||
нами? |
|
|
|
9 . В биологических экспериментах посадка пшеницы облуча |
|||
лась ежедневно в течение часа |
у - лучами с мощностью |
дозы |
|
1 рад/час. Какую дозу получат |
растения 3ä 5 месяцев? |
|
|
10. Электрон аннигилирует |
с позитроном, в результате че |
го образуется два фотона равной энергии. Определите их часто ту .
11. В результате аннигиляции протона и антипротона обра
зуется три пиона равной энергии. Какова кинетическая энергия пионов?
It
В заключение автор хотел бы подчеркнуть, |
что |
настоящее |
|
пособие |
представляет собой расширенный конспект курса физики, |
||
который |
он читал на протяжении нескольких лет |
на факультете |
естествознания ЛГПИ им.А.И.Герцена. Пособие лишь может слу -
- 215 -
I |
|
|
I |
|
|
хитъ основой для дальнейшего |
более серьезного изучения |
тех |
или иных разделов физики.J e |
из студентов, которые проявляет |
специальный интерес к физике,долхны несомненно воспользовать ся соответствующими учебниками и учебными пособиями (см .литературу), где они найдут более подробное изложение физических законов и явлений.
ЛИТЕРАТУРА
1 . Р.И.Грабовский. "Курс физики". Изд. Высшая школа. М. 1970. 2. І.Р оссѳль. "Общая физика". Изд. Мир. М. 1964.
3 . Н.и.Лнвѳнцѳв. "Курс физики". Изд. Высшая школа. 1і. І% 9. 4 . дх.Орир. "Популярная физика". Изд. Мир. U. 1969.
5. Г.Е.Пустовалов. "Атомная и ядерная физика". Изд. МГУ. 1968. 6 . М.Дхермен. "Количественная биология в задачах и примерах".
Изд. Мир. 1972.
№14088. 28.02.73. ~3ак.680. Тир. 2 000. Цена 95 коп.
Ротапринт. Тип.№2 Ленуприздата. Ленинград, Литейный 55.
t U â f