Билет 19

(А) Газ (газообразное состояние) (от греч. χάος — хаос) — агрегатное состояние вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами, (молекулами, атомами или ионами), а также их большой подвижностью. Частицы газа почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения.

Газ в ионизированном состоянии способен проводить электрический ток. Основных способа ионизации газа два: термическая ионизация и ионизация электрическим ударом. Кроме того, существует так называемый самостоятельный электрический разряд (пример — Молния).

(Б) Несамостоятельным разрядом называется такой разряд, в котором ток поддерживается только за счет непрерывного образования заряженных частиц по какой-либо внешней причине и прекращается после прекращения действия источника образования зарядов. Заряды могут создаваться как на поверхности электродов, так и в объеме разрядной трубки. Самостоятельные разряды характеризуются тем, что заряженные частицы, необходимые для поддержания разряда, создаются в процессе самого разряда, то есть их количество по крайней мере не уменьшается с течением времени (при неизменном приложенном напряжении). Можно снять ВАХ самостоятельного разряда

Несамостоятельный разряд – возможен только при наличии «искусственного» эмиттирования электронов из катода (нагревание, воздействие коротковолнового излучения).

Самостоятельный разряд. Вышеприведенного процесса недостаточно для описания возникновения самостоятельного разряда: этот механизм не объясняет появление новых электронов с катода. Вообще, чтобы разряд стал самостоятельным, каждый вырванный с катода электрон в результате цепочки взаимодействий должен вырвать с катода по крайней мере еще 1 электрон. Вспомним, что при ионизации атома электроном помимо свободного электрона возникает еще и ион, который движется под действием поля в противоположном электронам направлении – к катоду. В результате столкновения иона с катодом с последнего может быть эмитирован электрон (этот процесс называется вторичной электронной эмиссией). Сам механизм соответствует темному самостоятельному разряду. То есть при таких условиях не происходит генерация излучения. Падающий характер этого участка (см Рохлин Г.Н, рис 5.1, стр 156) объясняется тем, что при бОльших токах нужны меньшие энергии электронов для сохранения самостоятельности разряда и, следовательно, меньшие ускоряющие поля.

(В) Искровой разряд. Коронный разряд. Тле́ющий разря́д — один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Формируется, как правило, при низком давлении газа и малом токе. При увеличении проходящего тока превращается в дуговой разряд.

БИЛЕТ 20

Понятие о теории Максвелла. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны, их свойства и скорость распространения.

Впервые предположение о том, что электрическая цепь с переменным током излучает в пространство электромагнитные волны было выдвинуто Максвеллом, однако экспериментально электромагнитные волны были обнаружены Герцем, который не предал своему открытию большого практического значения. И только в 19 веке было открыто устройство по приему и излучению электромагнитных волн Ёдкой, Маркони и Поповым.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, особая форма материи. Посредством электромагнитного поля осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. Характеризуется напряженностями (или индукциями) электрических и магнитных полей.

Распространение в пространстве электромагнитных полей. Всегда соблюдаются следующие условия:

1. электромагнитная волна представляет собой взаимные колебания вектора электрического напряжения Е и вектора магнитной индукции В. причем они всегда перпендикулярны друг другу.

2. всегда волна распространяется в направлении перпендикулярном обоим векторам.

3. Если ручка буравчика будет вращаться по направлению совпадающим с кратчайшим путем совмещенного вектора Е с вектором В, то направление волны будет совпадать с поступающим движением кончика буравчика.

Скорость электромагнитных волн:

С-скорость света в вакууме. С=3*10⁸м/с=300000 км/с. Е и М – соответственно электрическая и магнитная проницаемость среды.

Шкала электромагнитных волн:

БИЛЕТ 21

Фотоэлектрический эффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Фотосопротивления и фотоэлементы, их техническое применение.

Фотоэффект – это явление выбивания электронов под действием электромагнитных излучений из веществ.

Виды фотоэффекта:

1. внешний

2. внутренний

Внешний – когда электроны выбиваются светом вылетающего из вещества.

Внутренний – когда электроны отрываются от кристаллической решетки, но не выходя за пределы веществ.

Рассмотрим схему, при помощи которой можно изучить внешний фотоэффект.

По данной установке получаем вольтамперную характеристику.

При воздействии света на пластину, от неё начинают отходить электроны, которые переходя к соседнему электроду, замыкают цепь. Возникает ток, который называется фототоком. Первый закон фотоэффекта:

мах количество электронов (мах значение силы тока) зависит от интенсивности света. При данной интенсивности, при увеличении напряжения сила тока возрастет до значения Iн (насыщенный ток). При отсутствии внешнего напряжения в цепи все равно протекает небольшой ток I₀, за счет электронов, которые самостоятельно достигают соседнего электрона.

Uз - запирающие.

При замене полюсов у батареи достигается запертое напряжение, при котором ток полностью прекращается.

Второй закон:

Мах кинетическая энергия вырванных электронов не зависит от интенсивности света, а линейно возрастает с увеличением частоты падающего света.

Третий закон:

Для каждого вещества существует граничная частота (ню мин), такая, что излучения меньших частот не вызывают явления фотоэффекта.

Это мин. частота с которой начинается явление фотоэффекта – называется красной границей фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

Работа выхода – это энергия, которую необходимо подвести к металлу, чтобы вырвать из него электрон ( преодолеть силу притяжения узла кристаллической решетки). Работа выхода постоянная величина для данного вещества.

Энергия фотона при попадании на вещество расходуется на работу выхода электрона из вещества и на задание электрону кинетической энергии.

Для красной границы фотоэффекта mV²/2=0, поэтому уравнение Эйнштейна выглядит следующим образом.

Т.к. при работе с фотонами и электронами используются малые значения энергии, то вводят дополнительную единицу измерения энергии 1эВ (электрон-вольт).

1эВ=1,6*10^-19 Дж.

Один электрон-вольт – это такая энергия, которую приобретает электрон проходя разность потенциалов 1В.

Применения внешнего фотоэффекта

Используется в вакуумных фотоэлементах. На станках, в метро, самооткрывающихся дверях, уличных фонарях.

Достоинства: отсутствие инертности, не зависит от температуры.

Недостатки: хрупкость, дороговизна в изготовлении, большие габариты.

БИЛЕТ 22

Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома и ее неустойчивость с точки зрения классической электродинамики. Строение атома водорода по Бору. Постулаты Бора.

До начала 20 века не существовало единой модели строения атома. Только в 1905 году Томпсон предложил «пудинговую» модель.

Положительные заряды распределялись во всем объем, а электроны как бы вделаны в эту массу.

В 1914 году Резерфорд проделал следующий опыт:

В это время была известна альфа частица. Ещё не знали, что это такое но знали, что она несет положительный заряд. Альфа частицу направляли на металлическую фольгу и наблюдали отклонения от движения. Если бы атомы имели строение по Томпсону, то частицы в любом месте фольги либо одинаково проходили, либо одинаково отражались. Но опыт показал, что существуют места, в которых частица отражается (как будто здесь находится сконцентрированный положительный заряд), а в других отходят.

Модель атома по Резерфорду:

В центре атома ядро, положительно заряженное, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны.

Почти вся масса сконцентрирована в ядре. А заряды электрона и ядра равны по величине и противоположны по знакам.

Z*е, где Z порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева.

После создания новой модели атома, она вступила в противоречия с классической механикой и электродинамикой:

1. по электродинамике если вокруг атома вращается электрон, а это заряженная частица, то атом должен излучать в пространство электромагнитные волны. А этого не происходит.

2. Если атом постоянно излучает энергию, то она когда-нибудь закончится. Электрон будет приближаться к ядру, и когда на него упадет, атом прекратит свое существование. Но атом жив реально дольше.

3. Частота вращения электрона по мере приближения к ядру будет изменяться непрерывно, поэтому спектральное излучение атома будет не линейчатым, а сплошным.

Разрешить эти противоречия смог Бор. Он сумел выдвинуть теорию строения атома водорода, основанную на 3 постулатах:

1. атом может находиться только в особых квантовых состояниях, которым соответствует определенная энергия. В этих состояниях атом энергию не излучает.

2. электрон в атоме может переходить скачком из одного стационарного состояния в другое. При этом выделяется и поглощается квант света и энергией Е=E_R-En. Если E_R>En, то энергия выделяется. Если E_R<En, то поглощается.

3. , где m-масса электрона, Vn – скорость на n-орбите,r-радиус n-орбиты, n-номер орбиты.

   Стационарные (разрешенные) орбиты электрона в атоме водорода определяются из условия:

Теория Бора была справедлива только для атома водорода, но она дала толчок развития современной квантовой теории.

БИЛЕТ 23

Масса и энергия в специальной теории относительности. Энергия. Импульс и масса фотона.

В ходе развития физики, классическая механика Ньютона вступила в противоречие с электродинамикой Максвелла (противоречия о скорости сближения). Впервые это противодействие удалось решить Эйнштейну в специальной теории относительности. Он предложил:

1. считать классическую механику верной, но в определенных границах (при движении со скоростью гораздо меньшей скорости света)

2. некоторые величины необходимо считать относительными

Теория относительности опирается на два постулата:

1. все физические процессы одинаково протекают в инерциальных системах отчета

2. наивысшая скорость распространения взаимодействия в пространстве – скорость света и она не зависит от скорости источника и приемника

• 

  относительность массы Если m₀, масса неподвижного тела, когда оно движется со скоростью V, то

• , m₀-масса покоя

  ф ормула Эйнштейна связывающая энергию тела с его массой: E=mC² , m-масса тела когда оно движется со скоростью.

В дальнейшем было сделано предположение о существовании особой частицы света – фотоне.

У этой частицы нет массы покоя и она всегда существует в движении.

Энергия и импульс фотона:

БИЛЕТ 24

Естественная радиоактивность. α, β и γ-излучения. Период полураспада. Закон радиоактивного распада.

Впервые явление радиоактивности обнаружил Беккерель.

Радиоактивность – это явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающегося испусканием частиц обладающих большой проникающей способностью.

Затем оказалось, что многие радиоактивные элементы, а не только уран обладают радиоактивностью. Сейчас известно, что все элементы начиная с 83 номера обладают радиоактивностью. Ряд элементов излучают в пространство 3 составных. Их можно разделить пропуская излучение через полюса магнита.

α-излучения (едва проходит через лист бумаги).

β-излучения (проникало сквозь пластинку толщиной до 1 мм)

γ-излучения (проходило сквози слой свинца толщиной в несколько сантиметров)

α-частицы – это ядра атома гелия

β-частицы – это быстролетящие электроны

γ-частицы – это самая мощная электромагнитная волна.

Наибольшую проникновенную способность обладают γ, а наибольший вред – α.

Радиоактивный распад. Невозможно точно предсказать, когда произойдет распад данного вещества. Но можно оценить сколько всего ядер распадется за данный промежуток времени. Для каждого радиоактивного вещества существует характерный интервал времени, называемый периодом полураспада.

Период полураспада Т_1/2 – это промежуток времени, за который распадется ровно половина первоначального количества радиоактивных ядер N. Если начальное число N₀, то за период полураспада N0/2, ещё через N0/4 и т.д.

N=N₀2^-t/T – позволяет найти число не распавшихся ядер.

БИЛЕТ 25

Протонно-нейтронная модель атома. Нуклоны. Зарядовое и массовое числа. Изотопы. Ядерные реакции, законы сохранения в ядерных реакциях.

После предложения модели атома по Резерфорду, началось широкое исследование ядра атома. Сначала было доказано, что в ядре находится протон (р), обладающий массой и зарядом равными по величине заряду электрона.

m_р=1,66*10^-27 кг.

А затем в 1932 году был обнаружен нейтрон. Труд в обнаружении состоял в том, что нейтрон не имеет заряда, а значит на него не действуют кулоновские силы. Регистрацию подобных частиц производят следующим образом: нейтрон соударяясь с атомом вещества, выбивает например протон. То регистрация протона говорит о существовании нейтральных частиц.

Нейтрон-n, по m_n=1,66*10^-27.

Протоны и нейтроны называются нуклонами.

Состав атомного ядра:

X^a_z, z-порядковый номер в периодической системе(количество протонов, определяет химическое вещество), a-массовое число (количество нуклонов (сумма)).

Изотопы – это химические элементы, у которых одинаковый химический номер (одинаковое количество протонов), но разное количество нейтронов.

У любых химических элементов существуют изотопы: Н¹₁-водород, Н²₁-дейтерий, Н³₁-тридий.

Ядерные реакции – это процессы изменения атомных ядер, вызванные взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом.

Суммарный электрический заряд и число нуклонов в ходе реакции должно сохраняться.

Ядерные реакции бывают двух типов:

1. эндотермические (с поглощением энергии)

2. экзотермические (с выделением энергии)

Если сумма масс исходного ядра и частиц, вступающих в реакцию, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется и наоборот.