Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оптика. Атомная физика. Лабораторный практикум
.pdf
№ 1 2 3 4
U
зап
, В
, нм
1/ ,106 м-1
)1(
)(
зап
U
с
е
h
№ 1 2 3 4
U
зап
, В
, нм
1/ ,106 м-1
Таблица 6.2
Обработка результатов и оформление отчета
1. Вычислите и запишите в таблицу обратные длины волн.
2. Постройте график зависимости напряжения запирания
(U
) от обратной длины волны (1/ ).
зап
3. Определите постоянную Планка, используя график и фор-
мулу
.
4. Используя длину волны красной границы фотоэффекта,
вычислите значение работы выхода материала фотокатода.
5. Запишите ответы и проанализируйте ответы и график.
Отчет по лабораторной работе № 0
«Внешний фотоэффект»
Выполнил(а) студент____ ____ курса, института ____________
группа _______________ «___» _____ _____ 20___ г.
Цель: _______________________________________________
Таблица
Вывод: _______________________________________________
Контрольные вопросы
1. Корпускулярно-волновой дуализм. Квантовая природа света.
2. Модель атома Резерфорда – Бора.
3. Внешний и внутренний фотоэффект.
71
4. Законы фотоэффекта. Эксперименты Столетова
5. Формула Эйнштейна.
6. Опыты Милликена. Подтверждение формулы Эйнштейна.
7. Применение фотоэффекта.
Литература
1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2009.
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. В 5 т. М.: Физматлит,
2010.
3. Матвеев А. Н. Механика и теория относительности. СПб.:
Лань, 2009.
4. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм: М., 2005.
5. Ландсберг Г. С. Оптика. М.: Физматлит, 2006.
6. Иродов И. Е. Механика: Основные законы. М.: Бином, 2007.
7. Иродов И. Е. Физика макросистем: Основные законы. М.:
Бином, 2010.
8. Матвеев А. Н. Молекулярная физика. М: Оникс Мир и об-
разование, 2006.
9. Матвеев А. Н., Атомная физика. М: Оникс Мир и образова-
ние, 2007.
10. http://fizkaf.narod.ru – кафедра и лаборатория физики Мос-
ковского института открытого образования.
11. http://www.phys.spb.ru – сайт физического факультета
СПбГУ.
12. http://experiment.edu.ru – естественнонаучные эксперимен-
ты – Физика: Коллекция Российского общеобразовательного пор-
тала.
13. http://www.edu.delfa.net – кабинет физики Санкт-
Петербургской академии постдипломного педагогического образования.
14. http://demo.home.nov.ru – Мир физики: физический экспе-
римент.
15. http://genphys.phys.msu.ru – сайт кафедры общей физики
физфака МГУ.
16. http://www.online-electric.ru/ – система автоматизации ре-
шения электротехнических задач, возникающих при проектировании, монтаже, оптимизации и эксплуатации систем электроснабжения.
72
Po
21 0
84
Ra
22 6
88
7. Моделирование радиоактивного распада
Цель: экспериментально проверить закон радиоактивного распада.
Компетенции, формируемые при выполнении работы: ОК-1,
ПК-11, ПК-32.
Теоретическая часть
Радиоактивное излучение и его виды. Французский физик А.
Беккерель (1852–1908) в 1896 г. при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими
излучения неизвестной природы, которое действовало на фотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Продолжая исследование этого явления, супруги Мария и Пьер Кюри –
обнаружили, что беккерелевское излучение свойственно не только
урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким, как торий и
актиний. Они показали также, что урановая смоляная обманка (руда, из которой добывается металлический уран) испускает излучение, интенсивность которого во много раз превышает интенсивность излучения урана. Таким образом, удалось выделить два новых элемента – носителя беккерелевского излучения: полоний
и радий
Обнаруженное излучение было названо радиоактивным излу-
чением, а само явление – испускание радиоактивного излучения –
радиоактивностью.
Дальнейшие опыты показали, что на характер радиоактивного
излучения препарата не оказывают влияния вид химического соединения, агрегатное состояние, механическое давление, температура, электрические и магнитные поля, т. е. все те воздействия, которые могли бы привести к изменению состояния электронной
оболочки атома. Следовательно, радиоактивные свойства элемента
обусловлены лишь структурой его ядра.
В настоящее время под радиоактивностью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изо-
.
73
He
4
2
x
eNN
0
топов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у
изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Принципиального различия между этими двумя типами радиоактивности нет,
так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы.
Радиоактивное излучение бывает трех типов: α-, β- и
γ-излучение. Подробное их исследование позволило выяснить природу и основные свойства.
α-Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями,
обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (например, поглощаются слоем алюминия
толщиной примерно 0,05 мм). α-Излучение представляет собой
поток ядер гелия; заряд α-частицы равен +2е, а масса совпадает
с массой ядра изотопа гелия
. По отклонению α-частиц
в электрическом и магнитном полях был определен их удельный
заряд Q/mα значение которого подтвердило правильность представлений об их природе.
β-Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями;
его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на
два порядка), а проникающая способность гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у
α-частиц. β-Излучение представляет собой поток быстрых электронов (это вытекает из определения их удельного заряда).
Поглощение потока электронов с одинаковыми скоростями в
однородном веществе подчиняется экспоненциальному закону
, где N0 и N – число электронов на входе и выходе слоя
вещества толщиной х, μ – коэффициент поглощения. β-Излучение
сильно рассеивается в веществе, поэтому μ зависит не только от
вещества, но и от размеров и формы тел, на которые β-излучение
падает.
γ-Излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью
и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см), при прохождении через
кристаллы обнаруживает дифракцию. γ-Излучение представляет
собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычай-
74
,NdtdN
,ln,,
0
0
0
t
N
N
dt
N
dN
dt
N
dN
tN
N
,
0
t
eNN
,2/
2/1
00
T
eNN
но малой длиной волны λ<10
женными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком
частиц – γ-квантов (фотонов).
Закон радиоактивного распада. Правила смещения. Под ра-
диоактивным распадом, или просто распадом, понимают есте-
ственное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро – дочерним.
Теория радиоактивного распада строится на предположении
о том, что радиоактивный распад является спонтанным процессом,
подчиняющимся законам статистики. Так как отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то можно считать, что число ядер dN распавшихся в среднем за интервал времени от t до t + dt, пропорционально промежутку времени dt и числу
N нераспавшихся ядер к моменту времени t:
где λ – постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус
указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается. Разделив переменные и интегрируя:
-10
м и вследствие этого – ярко выра-
(7.1)
получим
(7.2)
где N0 – начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени
t = 0), N – число нераспавшихся ядер в момент времени t. Формула
(7.2) выражает закон радиоактивного распада, согласно которому
число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.
Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период полураспада Т
ни τ радиоактивного ядра. Период полураспада Т
и среднее время жиз-
1/2
– время, за ко-
1/2
торое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается
вдвое. Тогда, согласно (7.2),
75
./693.0
2ln
2/1
T
NtdtdNt
111
0
0
0
0
0
dtteN
N
Ntdt
N
t
.N
dt
dN
A
,
4
2
4
2
распададляHeYX
A
Z
A
Z
,
~
0
11
распададляveYX
A
Z
A
Z
откуда
Периоды полураспада для естественно-радиоактивных элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет.
Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна
. Проинтегрировав это выражение по всем возмож-
ным t (т. е. от 0 до ∞) и разделив на начальное число ядер N0, получим среднее время жизни τ радиоактивного ядра:
(с учетом (7.2)). Таким образом, среднее время жизни τ радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада λ.
Активностью А нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z и нейтронов N) в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих с ядрами образца в 1 с:
(7.3)
Единица активности в СИ – беккерель (Бк): 1 Бк – активность
нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада. До сих
пор в ядерной физике применяется и внесистемная единица активности нуклида в радиоактивном источнике – кюри (Ки), 1 Ки=
3,7∙1010 Бк.
Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения, позволяющими установить, какое
ядро возникает в результате распада данного материнского ядра.
Правила смещения:
(7.4)
(7.5)
76
X
A
Z
He
4
2
e
0
1
v
~
,34,24,14,4 nnnnA
Th
23 2
90
Np
237
95
U
238
92
Ac
23 5
89
Pb
20 8
82
Bi
20 9
83
Pb
20 6
82
Pb
20 7
82
где
ядро гелия (α-частица),
трона (заряд его равен –1, а массовое число – нулю),
– материнское ядро, Y – символ дочернего ядра,
– символическое обозначение элек-
– антиней-
–
трино. Правила смещения являются ничем иным, как следствием
двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, – сохранения электрического заряда и сохранения массового числа:
сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна
заряду (массовому числу) исходного ядра.
Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки, или ряда радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом. Совокупность элементов,
образующих такую цепочку, называется радиоактивным семей-
ством.
Из правил смещения (7.4) и (7.5) вытекает, что массовое число
при α-распаде уменьшается на 4, а при β-распаде не меняется. Поэтому для всех ядер одного и того же радиоактивного семейства
остаток от деления массового числа на 4 одинаков. Таким образом,
существует четыре различных радиоактивных семейства, для каждого из которых массовые числа задаются одной из следующих
формул:
где n – целое положительное число. Семейства называются по
наиболее долгоживущему (с наибольшим периодом полураспада)
«родоначальнику»: семейства тория (от
), нептуния (от
), урана (от
дами соответственно являются
) и актиния (от
). Конечными нукли-
,
,
,
, т. е.
единственное семейство нептуния (искусственно-радиоактивные
ядра) заканчивается нуклидом Bi, а все остальные (естественнорадиоактивные ядра) – нуклидами Рb.
Оборудование и материалы: 128 монет, стакан, емкость.
Указания по технике безопасности приведены в Приложении 1.
77
n
NnTN 2)(
0
T
t
NtN 2)(
0
Методика проведения эксперимента
Описание работы. В результате радиоактивного распада число радиоактивных ядер данного изотопа уменьшается со временем,
превращаясь в другие ядра. Опыт показывает, что для каждого вида радиоактивных изотопов существует период полураспада Т –
промежуток времени, за который распадается половина начального
числа атомов. Чем меньше период полураспада данного изотопа,
тем большее число атомов распадается ежесекундно, и поэтому
тем выше радиоактивность. Найдем, по какому закону уменьшается со временем число атомов N данного изотопа вследствие радиоактивного распада – другими словами, определим зависимость
N(t). Обозначим число атомов в начальный момент (t = 0) как N0, то
есть N(0) = N0. Через время t = Т, равное периоду полураспада,
число атомов будет вдвое меньше начального, поэтому N(T) = N0/2.
По истечении каждого следующего промежутка времени Т число
атомов уменьшается вдвое, поэтому N(2T) = N0/22, N(3T) = N0/23 и
так далее. Через время t = пТ останется
Поскольку п = t/T, получаем закон радиоактивного распада:
.
Закон распада атомов не является законом, который управляет
распадом одного атома, так как нельзя предугадать, когда произойдет этот распад. Распад атома не зависит от его возраста, т. е.
атомы «не стареют».
За время Т каждое из радиоактивных ядер распадается с вероятностью 1/2. Процесс радиоактивного распада можно промоделировать подбрасыванием монет, при котором с той же вероятностью
(1/2) выпадают или «орел» или «решка». Примем, что если выпадает «орел», ядро уцелело, если же «решка» – распалось. Каждое
бросание монет соответствует для ядра протеканию промежутка
времени, равного периоду полураспада.
Порядок выполнения работы
1. Отсчитайте начальное количество монет N0 = 128, переме-
шайте их в банке и высыпьте на разнос.
атомов.
78
Количество
бросаний,
n = t/T
Количество
«нераспавшихся»
монет, N
Количество
«распавшихся»
монет, N' = N – N
0
0
128 0 1 2 …
Количество
бросаний,
n = t/T
Количество
«нераспавшихся»
монет, N
Количество
«распавшихся»
монет, N' = N0 –N
0
128 0 1 2 …
Количество
бросаний,
n = t/T
Количество
«нераспавшихся» мо-
нет, N
Количество
«распавшихся»
монет, N' = N0 –N
0
128 0 1 2 …
2. Подсчитайте число «нераспавшихся» монет (т. е. число мо-
нет, лежащих «орлом» вверх), соберите их обратно в банку, снова
перемешайте и высыпьте на разнос.
3. Опыт повторите 7 раз.
4. Заполните табл. 7.1–7.3.
Таблица 7.1
Серия 1
5. Повторите серию бросаний монет еще дважды, начиная
каждый раз с N0 = 128.
Таблица 7.2
Серия 2
6. Подобрав удобный масштаб, постройте на одном рисунке
графики зависимости N(n) для 3 серий и график, соответствующий
формуле N = N0∙2–n. Удобнее чертить графики для разных серий
разными цветами.
Таблица 7.2
Серия 3
79
Количество
бросаний,
n = t/T
Количество
«нераспавшихся»
монет, N
Количество
«распавшихся»
монет, N' = N – N
0
0
128 0 1 2 …
Количество
бросаний,
n = t/T
Количество
«нераспавшихся»
монет, N
Количество
«распавшихся»
монет, N' = N0 –N
0
128
0
1
2 …
Количество
бросаний,
n = t/T
Количество
«нераспавшихся» мо-
нет, N
Количество
«распавшихся»
монет, N' = N0 –N
0
128 0 1
2
…
Отчет по лабораторной работе № 0
«Моделирование радиоактивного распада»
Выполнил(а) студент____ ____ курса, института ____________
группа _______________ «___» _____________ 20___ г.
Цель: _______________________________________________
Серия 1
Серия 2
Вывод: ______________________________________________
1. Атомное ядро. Модель атомного ядра.
2. Изотопы и изобары.
3. Явление самопроизвольного радиоактивного распада.
Серия 3
Контрольные вопросы
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]