- •Механика. Механическое движение. Скорость, ускорение материальной точки.
- •Прямолинейное движение и движение по окружности материальной точки
- •Законы Ньютона.
- •Силы в механике.
- •Закон сохранения импульса.
- •Основной закон динамики вращательного движения твердого тела.
- •Работа. Энергия. Мощность.
- •Колебания.
- •Волны. Звук.
- •Закон Паскаля. Сила Архимеда. Уравнение Бернулли, следствия из него.
- •Температура. Температурные шкалы: шкала Цельсия, идеальная газовая и абсолютная термодинамическая шкала температур.
- •Уравнение состояния идеального газа. Закон Дальтона. Изопроцессы и их уравнения.
- •Взаимосвязь теплоты и работы. Первое начало термодинамики. Работа, совершаемая телом при изменении объема. Работа газа в различных изопроцессах.
- •Теплоемкость тела, удельная, молярная, теплоемкости Cp и Cv. Второе начало термодинамики.
- •Основные положения мкт. Масса и размеры молекул. Основное уравнение мкт. Кинетическая энергия молекулы. Средняя квадратичная скорость молекул. Длина свободного пробега.
- •Барометрическая формула.
- •Явления переноса.
- •Электроемкость. Конденсатор. Емкость плоского конденсатора. Емкость батареи конденсаторов. Энергия конденсатора.
- •Электрический ток. Условия существования электрического тока. Сила тока. Плотность тока. Электродвижущая сила. Напряжение.
- •Закон Ома для однородного, неоднородного участка цепи и замкнутой (полной) цепи. Сопротивление проводников. Дифференциальная форма закона Ома.
- •Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля – Ленца.
- •Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Последовательное и параллельное соединение проводников.
- •Действие электрического тока на тело человека. Риск поражения электрическим током в быту.
- •Электролиты. Законы Фарадея для электролиза.
- •Электропроводность газов. Несамостоятельный и самостоятельный разряд Виды самостоятельного разряда.
- •Магнитное взаимодействие. Опыт Эрстеда. Магнитное поле. Изображение магнитных полей. Принцип суперпозиции. Сила Ампера.
- •Сила Лоренца. Полярные сияния.
- •Контур с током в магнитное поле. Индукция магнитного поля. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Закон Био - Савара - Лапласа.
- •Электромагнитное поле. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея для электромагнитной индукции. Правило Ленца.
- •Электромагнитная теория света. Интерференция света.
- •Явление дифракции. Дифракционная решетка. Разрешающая способность оптических приборов.
- •Зеркала. Тонкие линзы. Формула линзы. Оптическая сила линзы.
- •Глаз как оптическая система. Лупа, микроскоп, телескоп.
- •Понятие о нелинейной оптике. Прохождение света через оптически неоднородную среду. Закон Рэлея. Цвет неба и зорь. Радуга. Миражи. Гало.
- •Тепловое излучение. Количественные характеристики излучения. Законы Стефана-Больцмана и Вина. Законы Кирхгофа для излучения. Формулы Вина.
- •Фотоэффект Закономерности Столетова. Уравнение Эйнштейна.
- •Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Атом Резерфорда.
- •Постулаты Бора. Правила отбора. Элементарная теория атома водорода.
- •Квантово-механическая теория атома водорода. Электронные оболочки атомов. Периодическая система элементов Менделеева.
- •Состав ядра. Ядерные силы. Энергия связи ядра.
- •Реакции синтеза. Условия их осуществления Управляемый термоядерный синтез.
- •Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.
-
Состав ядра. Ядерные силы. Энергия связи ядра.
После открытия в 1932г. нейтрона в результате обстрела бериллия ядрами гелия, называемыми α-частицами,
Д.Д. Иваненко высказал гипотезу о том, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. На сегодня гипотеза подтверждена экспериментами и является общепризнанной.
Протоны и нейтроны принято называть нуклонами. Число протонов N в атомном ядре определяет его заряд и равно атомному номеру Z элемента, называемому зарядовым числом, N = Z. Сумма протонов Nр и нейтронов Nn в ядре равна массовому числу атома, то есть целому числу А, ближайшему к относительной атомной массе данного элемента, указанной в таблице Менделеева:
Тогда число нейтронов в атомном ядре элемента равно разности между массовым и зарядовым числами Nn = A - Z.
Масса покоя нейтрона близка к массе покоя протона и в 1838,65 раз больше массы покоя электрона mе— 9,109534·10-31кг. Допускается использование внесистемной единицы измерения массы — атомной единицы массы 1 а.е.м. = 1,6·10-27кг.
Ядра химических элементов обозначают символами соответствующих элементов, указывая вверху и внизу соответственно массовое А и зарядовое Z числа — .
Вещество внутри атомных ядер распределено неравномерно. Центр ядра упакован нуклонами плотно. По мере увеличения расстояния от центра плотность ядерного вещества постепенно уменьшается до нуля. Следовательно, ядра атомов, как и их электронные оболочки, не имеют четких границ.
Сложное строение атомного ядра объясняет существование изотопов. Изотопы обнаружены у большинства химических элементов. Они могут быть устойчивыми и нестабильными — самопроизвольно распадающимися. Известно около 300 стабильных и 800 неустойчивых изотопов. Все изотопы конкретного химического элемента обладают одинаковыми химическими свойствами и поэтому располагаются в одной клеточке периодической системы элементов Д.И. Менделеева и отличаются числом нейтронов в ядре. Процентное содержание изотопов для химических элементов, свободно встречающихся в природе, неодинаково. Например, уран, получаемый из естественных руд, состоит из трех изотопов с массовыми числами 238 (99,7%), 235 (0,27 %) и 233 (0,03 %). В периодической системе элементов указана относительная атомная масса элементов, представляющая собой среднее значение массовых чисел всех изотопов, взятых в процентном отношении, соответствующем их распространению в природе. Вот почему атомные массы химических элементов отличаются от целых массовых чисел.
Определенный интерес представляют изотопы водорода с массовыми числами, равными соответственно А = 1 — протий, А = 2 — дейтерий. Дейтерий стабилен и присутствует в качестве примеси (1:4500) к обычному водороду. Соединение дейтерия с кислородом называют тяжелой водой, D2O. Ее содержание в обычной воде составляет 1/6300. При атмосферном давлении тяжелая вода кипит при 104,2 °С и замерзает при 3,8 °С; А = 3 — тритий. Их ядра называют соответственно протон , дейтрон , тритон .
Линейные размеры атомных ядер находятся в пределах 3 • 10-15—10-14 м. Объем и масса ядра прямо пропорциональны числу нуклонов. Средняя плотность ядерного вещества достигает значения 145 • 1015 кг/м3. Ввиду высокой плотности правомерно предположить, что нуклоны плотно упакованы в ядре, а положительно заряженные протоны испытывают огромные силы взаимного отталкивания. Однако устойчивость ядер убеждает нас в том, что между компонентами ядра существуют некоторые ядерные силы притяжения. Изучение свойств ядер различных химических элементов позволило дать количественную оценку ядерных сил. Они оказались примерно в 150 раз больше электромагнитных и в 1038 раз больше гравитационных. Кстати, ядро атома оказывается настолько устойчивой организацией, что только нагревание его до 20 млрд Кельвина приводит к расширению ядра на 50% от первоначального объема. В связи с этим происходит потеря ядерных сил, и ядро разлетается на куски. Существует ряд теорий ядерных сил. Наибольшим признанием пользуется мезонная теория, основные положения которой сформулированы в 1935г. японским физиком X. Юкава. Согласно этой теории, взаимодействие между нуклонами возникает в процессе непрерывного обмена квантами ядерного поля, обладающими массой покоя в интервале (200—300)me. Кванты ядерного поля экспериментально были открыты в космическом излучении в 1947г. и названы π-мезонами. В настоящее время π-мезоны генерируются ускорителями высоких энергий.
По мезонной теории ядерных сил считается, что нуклоны окружены облаком л-мезонов. Наличие этого облака вокруг нуклонов объясняет как свойства ядерных сил, так и свойства самих нуклонов. Существование π-мезонов в ядре не следует рассматривать как самостоятельное, так как испускание и поглощение их происходит в течении 10-23 с. Такие мезоны практически не наблюдаются и поэтому называются виртуальными. Процесс взаимодействия между нуклонами состоит во взаимном обмене виртуальными π-мезонами. Однако мезонная теория ядерных сил хорошо описывает взаимодействие пары нуклонов. Расчет взаимодействия многих нулонов по этой теории вызывает математические трудности. Для преодоления их пользуются различными приближенными моделями ядра, основными из которых являются капельная и оболочечная.
Подводя итоги, можно утверждать, что окончательной теории внутриядерных взаимодействий нет, но тем не менее ряд качественных и количественных характеристик ядерных сил изучен и получены следующие выводы:
-
Ядерные силы нельзя представить в виде сил, действующих из единого центра.
-
Ядерные силы являются короткодействующими и на расстояниях более 1 Фм=10-15м практически равны нулю.
-
Ядерные взаимодействия между любой парой нуклонов: п-п, р-р и п-р обладают зарядовой независимостью, то есть они одинаковы, при допущении, что кулоновское взаимодействие между протонами отсутствует. Иными словами, ядерные силы не могут быть сведены к кулоновским, электромагнитным, магнитным и гравитационным. Это особый вид сил.
-
Ядерные силы обладают свойством насыщения. Каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы не возрастают в отличие от нарастающих сил электрического отталкивания между протонами. Именно уменьшением разности ядерных и электрических сил объясняется неустойчивость ядер тяжелых элементов, в которых содержится значительное число протонов — более 82.
5. Ядерные силы зависят от ориентации спинов нуклонов. Взаимодействие между двумя протонами и двумя нейтронами оказывается сильнее, если их спины антипараллельны. Это обусловлено взаимной компенсацией спинов нуклонов внутри ядра — малым результирующим спином атомных ядер. Взаимодействие же между протоном и нейтроном сильнее, когда их спины параллельны.
Современные методы позволяют с достаточной степенью точности измерить массу покоя отдельных нуклонов и массу атома, а следовательно, и ядра. Измерения показали, что масса ядра меньше суммы масс разобщенных нуклонов, составляющих ядро, mя< (Zmp+ Nmn). Разность
называют дефектом массы. Здесь mя, mp , mп — массы покоя ядра, протона и нейтрона; Z — число протонов в ядре; N — A- Z — число нейтронов в ядре. Поскольку в справочной литературе приведены массы атомов, то предыдущую формулу целесообразно представить в виде
Уменьшение массы при образовании ядра обусловлено тем, что ядро как квантовая система может существовать устойчиво длительное время лишь при минимуме энергии. Однако при объединении свободных нуклонов в ядро масса не исчезает, а переходит в форму поля и выделяется с излучением. Последнее не противоречит нашим представлениям о мире, так как связь между массой и энергией установлена А. Эйнштейном в виде Е = mс2, Дж. И, следовательно, законы сохранения массы и энергии при переходе свободных нуклонов в ядро и наоборот выполняются при учете энергии как ядра, так и излучения. При наличии дефекта массы ядра формулу А. Эйнштейна можно записать следующим образом:
Энергию излучения принято называть энергией связи ядра. Она равна энергии, которая необходима для расщепления ядра на отдельные протоны и нейтроны и удаления их друг от друга на расстояния, при которых они не взаимодействуют. Нуклонам при этом не сообщается кинетическая энергия. Энергия связи определяет прочность ядра. Об энергии связи можно говорить и при образовании ядра из отдельных нуклонов. Таким образом, дефект массы ядра обусловлен тем, что при объединении свободных нуклонов в ядро или при делении ядра выделяется энергия связи. Энергия связи, что вполне понятно, зависит от числа нуклонов, входящих в ядро. Более тяжелые ядра оказываются менее прочными, чем ядра элементов в середине периодической таблицы Д.И. Менделеева.
Существует два варианта получения энергии при ядерных реакциях:
-
При делении тяжелых ядер на осколки, массовые числа которых соответствуют средней части таблицы Д.И. Менделеева;
-
При синтезе (слиянии) легких ядер. В обоих случаях удельная энергия связи продуктов реакции будет больше, чем у исходных ядер, и, следовательно, такие реакции должны идти с выделением энергии.