Вопросы для самоконтроля

1) Что представляют собой спектр испускания и поглощения водорода.

2) В чем заключается спектральный анализ как важнейший метод химического анализа.

3) С какой целью Резерфорд проводил эксперименты по рассеянию альфа-частиц.

4) В чем заключается теория атома водорода по Бору.

5) Что называется принципом неопределенностей Гейзенберга.

6) Какие операторы в квантовой механике вы знаете.

7). Запишите уравнения Шредингера для атома водорода.

8) В чем заключается квантовая теория атома водорода.

9) Какие квантовые числа вы знаете

10) Сформулируйте принцип Паули.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Детлаф, А.А. Курс физики учеб. пособие / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.-7-е изд. Стер.-М. : ИЦ «Академия».-2008.-720 с.

2. Савельев, И.В. Курс физики: в 3т.: Т.2: Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика / И.В. Савельев.-4-е изд. стер. – СПб.; М. Краснодар: Лань.-2008.- 480 с.

3. Трофимова, Т.И. курс физики: учеб. пособие/ Т.И. Трофимова.- 15-е изд., стер.- М.: ИЦ «Академия», 2007.-560 с.

Дополнительная

1. Фейнман, Р. Фейнмановские лекции по физике / Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. – М.: Мир.

Т.1. Современная наука о природе. Законы механики. – 1965. –232 с.

Т. 2. Пространство, время, движение. – 1965. – 168 с.

Т. 3. Излучение. Волны. Кванты. – 1965. – 240 с.

2. Берклеевский курс физики. Т.1,2,3. – М.: Наука, 1984

Т. 1. Китель, Ч. Механика / Ч. Китель, У. Найт, М. Рудерман. – 480 с.

Т. 2. Парселл, Э. Электричество и магнетизм / Э. Парселл. – 448 с.

Т. 3. Крауфорд, Ф. Волны / Ф. Крауфорд – 512 с.

3. Фриш, С.Э. Курс общей физики: в 3 т.: учеб. / С.Э. Фриш, А.В. Тиморева.- СПб.: М.; Краснодар: Лань.-2009.

Т. 1. Физические основы механики. Молекулярная физика. Колебания и волны: учебник - 480 с.

Т.2: Электрические и электромагнитные явления: учебник. – 518 с.

Т. 3. Оптика. Атомная физика : учебник– 656 с.

Лекция 6 элементы физики атомного ядра и элементарных частиц

6.1. Элементы физики атомного ядра. Модели атомного ядра. Ядерные силы. Виды радиоактивного излучения. Закон радиоактивного распада.

Ядерные реакции. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.

Современные представления о строении ядра. Описание строения ядра с помощью моделей: гидродинамическая модель ядра, оболочечная модель ядра, обобщенная модель. Обоснование ядерных моделей с помощью микроскопической теории ядра.

Ядерные силы, их свойства: короткодействие, зарядовая независимость, зависимость от ориентации спинов ядер, насыщение. Основные характеристики ядер: электрический заряд, масса, спин, магнитный момент и радиус ядра. Четность. Изотопический спин. Нуклоны: протон, нейтрон.

Дефект массы и энергия связи ядер: , удельная энергия связи. Стабильность ядер. Деление ядер. Энергия активации процесса деления ядер. Слияние ядер, термоядерная реакция.

Радиоактивность. Основной закон радиоактивного распада:

.

Период полураспада и постоянная распада. Активность – ,единица активности – беккерель.

Естественная и искусственная радиоактивность. Основные типы радиоактивного распада.

Альфа-распад , скорости вылетающих альфа-частиц, теория альфа-распада, основанная на туннельном эффекте.Радиоактивный распад ядер некоторых тяжелых элементов сопровож­да­ется испусканием -частиц, представляющих собой ядра атома гелия. Энергия испускаемых -частиц сравнительно велика и составляет несколько миллио­нов электронвольт. Проходя через вещество, -частицы те­ря­ют свою энер­гию при неупругих соударениях с молекулами и атомами среды, вызывая их воз­буждение и ионизацию. Таким образом, двигаясь в среде, -частицы посте­пенно тормозятся, приобретая в конечном итоге тепловую скорость окружающих молекул. Известно, что при торможении бы­стрых частиц в воздухе одна пара ионов образуется на каждые 35 эВ энер­гии, потерянной частицей. Таким образом, -частица, обладающая энер­­гией в несколько миллионов электронвольт, способна образовать гро­ма­д­ное количество пар ионов. Поэтому величина импульса тока, возника­ю­щего в ионизационной камере, практически обусловлена только этими ионами, а не зарядом самой -частицы.

Начальные энергии всех -частиц, испускаемых ядрами определенного элемента, одинаковы, поэтому можно предпо­ложить, что и средние длины их пробегов должны быть одинаковы. Существует несколько экспериментальных методов определения энергии -частиц и, следовательно, средней длины пробега, напри­мер по числу электронно-ионных пар, создавае­мых -частицей в ионизационной камере, или по анализу тра­ектории -частицы в маг­нитном поле камеры Вильсона. Между длиной пробега R и энергией E -частицы существует прибли­женная зависимость, выраженная эмпирической формулой Гейгера, где R выражается в см, а E — в МэВ.

Бета-распад, разновидности бета-распада. Электронный бета-распад . Энергия бета-электронов, нейтрино.Позитронный распад . Электронный захват.

Бета-распадом называется радиоактивное превращение ядер, при котором их массовое число не изменяется, а заряд увеличива­ется или уменьшается на единицу. «Лишний» заряд передается электрону или позитрону, покидающему ядро.

Кроме электрона, при -распаде испускается антинейтрино (при позитронном рас­паде - нейтрино) - частица, не имеющая электрического заряда, с массой покоя, равной нулю. Освобождающаяся при -распаде энергия делится между электро­ном, антинейтрино и дочерним ядром, однако доля энергии, пере­даваемой ядру, исчезающе мала, по сравнению с энергией, уно­симой электроном и антинейтрино. Практически можно считать, что эти две частицы делят между собой всю освобождающуюся энер­гию. При обычной постановке опытов антинейтрино не регистри­руются, и наблюдаются только электроны, энергия которых может принимать любое значение — от нулевого до некоторого максималь­ного Е_{э макс}.

Бета-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, имеют непрерывный энергетический спектр. Максимальная энергия Е_макс -частиц для различных радиоактивных изотопов может меняться в широких пределах от нескольких тысяч до не­скольких миллионов электронвольт. Для каждого изотопа Е_макс имеет вполне определенную величи­ну и является его важной характеристикой.

Гамма–излучение (гамма–лучи) – жесткое электромагнитное излучение, энергия которого испускается при переходах ядер из возбужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденные состояния, а также в ходе ядерных реакций. В первом случае, согласно правилу частот Бора, энергия фотона гаммаизлучения равна разности энергий конечного и начального энергетических уровней ядра:

,

где  частота фотона, соответствующего переходу ядра из состояния с энергией в состояние с энергией. Величинаимеет порядок 0,1 МэВ и значительно превышает разность энергий электронных уровней в атоме. Поэтому гаммалучи являются коротковолновым электромагнитным излучением с длиной волны, не превышающей 10^2 нм, то есть 0,1 Ả. Гаммаизлучение обладает дискретным линейчатым спектром.

Гаммаизлучение не относится к самостоятельному типу радиоактивности. Оно лишь сопутствует процессам ираспадов и не вызывает изменения заряда и массового числа ядер. Обнаружено, чтолучи испускаются возникающим в процессе распада дочерним ядром (ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским), которое в момент своего образования оказывается возбужденным. Снятие энергии возбужденного ядра происходит за время, значительно меньшее (10^1310^14 с), чем время жизни возбужденного ядра (10^8 с).

Происхождение и свойства лучей подтверждаются закономерностями фотоэффекта на электронах внутренних оболочек атома под действием гаммаизлучения его ядра, так называемой внутренней конверсией лучей. Электроны, образовавшиеся в результате такого внутреннего фотоэффекта, называются конверсированными. В некоторых случаях вся энергия лучей расходуется на явление внутренней конверсии и вместо гаммаизлучения регистрируются только электроны конверсии. Энергия фотоэлектрона конверсии связана с энергиейфотоналучей уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:

,

где  работа выхода электрона с nой электронной оболочки атома, численно равная энергии электронов, находящихся на определенных энергетических уровнях в атоме. Эти энергии являются известными из данных о характеристических рентгеновских спектрах атомов.

Гамма-фотон с энергией может удалить электрон из любой внутренней оболочки (К-, М- и т.д.) атома. Электронным слоем называется совокупность электронных состояний в атоме с одинаковым значением главного квантового числа n. Они носят условные обозначения К при n = 1, L при n = 2, М при n=3 и т.д. Соот­ветственно энергии электронов конверсии выражаются следующим образом:

и т. д.,

где и т. д. – энергии рентгеновских уровней атома.

Результатом внутренней конверсии является потеря электронов из внутренних оболочек атома и, следовательно, создание условий для излучения ли­ний рентгеновского характеристического спектра. Внутренняя кон­версия сопровождается испусканием характеристических рентгеновских лучей. Измерения энергии конверсированных электронов и данные о величинах и т. д. позволили убедиться в том, что ядро может испускать определен­ный ряд монохроматических γ-лучей, т. е. что γ-лучи имеют линейчатый спектр. Также эти данные доказали, что γ-лучи испускаются не материнским, а дочерним ядром.

Все возбужденные энергетические уровни ядра имеют значения энергии, определенные с точностью до величины , определяемой из соотношения не­определенностей:

,

где – время жизни ядра в возбужденном состоянии. Известно, что только для основногосостояния стабильного ядра и, то есть ядро имеет значение энергии,в точности равное . Например, ядро иридия за время , которое можно принять равным периоду полураспада T = 10^-10 c, переходит из возбужденного состояния с энергией W = 129 кэВ в основное состояние, испуская γ-фотон. Величина неопределенности энергии оказывается равной ≈ 5·10^-6 эВ.

Конечное время жизни возбужденных энергетических состояний ядра при­водит к немонохроматичности γ-излучения, сопровождающего переход ядра из возбужденного в нормальное состояние. Эта немонохроматичность называется естественной шириной линии γ-излучения, а неопределенность величины энер­гии возбужденного состояния называется естественной шириной Г энергетического уровня ядра.

Ядерные реакции, энергия реакции, упругое и неупругое рассеяние. Эффективное сечение реакции. Радиоуглерод, реакция , определение возраста органических материалов.Реакция деления ядер урана. Выделение мгновенных и запаздывающих нейтронов, радиационный захват. Цепная ядерная реакция. Два способа осуществления цепной ядерной реакции в уране, ядерные бомбы и ядерные реакторы. Схема ядерного реактора и схема атомной электростанции. Синтез атомных ядер.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Биологическое действие ионизирующего излучения. Детекторы ионизирующих излучений: трековые детекторы, счетчики, интегральные приборы.

Ускорители заряженных частиц и их применение.

Дозиметрия ионизирующих излучений. Доза излучения и экспозиционная доза. Мощность дозы. Количественная оценка биологического действия ионизирующего излучения. Эквивалентная доза. Защита от ионизирующего излучения.