Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Бордовский Г.А. Физика учеб. пособие для студентов фак. естествознания пед. ин-тов

.pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.06 Mб
Скачать

новляются 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

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ