
- •Часть 4. Оптика. Квантовая физика а.В. Петров, а.А. Петров
- •Программа курса Лекционный курс
- •Тематика практических занятий
- •Основные формулы по геометрической и волновой оптике
- •Глава I. Оптика
- •§1. Развитие представлений о природе света
- •§2. Отражение и преломление света
- •§3. Волновые свойства света
- •§4. Оптические приборы
- •Глава II. Оптика в таблицах и схемах
- •§2. Элементы волновой оптики
- •Для любознательных
- •Глава III. Квантовая физика
- •§1. Зарождение квантовой теории
- •Для любознательных фотоны
- •§2. Открытие фотоэффекта
- •Глава IV. Атомная физика
- •§1. Модели атома Томсона и Резерфорда
- •§2. Спектр атома водорода по Бору
- •Глава V. Физика атомного ядра
- •§1. Состав атомного ядра
- •Свойства ядерных сил
- •§2. Дефект массы, энергия связи и устойчивость атомных ядер
- •§3. Радиоактивность
- •§4. Закон радиоактивного распада
- •Глава VI. Элементарные частицы
- •Глава VII. Квантовая физика в таблицах и схемах
- •Свойства фотонов
- •Для любознательных
- •Эвристические задачи
- •Задачи к контрольной работе по оптике и квантовой физике
- •Вопросы к экзамену по оптике и квантовой физике
- •Геометрическая оптика. Законы отражения и преломления света. Полное отражение. Рассмотрение законов преломления и отражения с позиции принципа Гюйгенса. План ответа
- •Волновые свойства света. Интерференция света. Дифракция света. Поляризация света. Дисперсия света. План ответа
- •Протонно-нейтронная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра. Свойства ядерных сил. Дефект массы, энергия связи и устойчивость атомных ядер. План ответа
- •Радиоактивность. Законы смещения. Закон радиоактивного распада. План ответа
- •Систематика элементарных частиц. Основные свойства элементарных частиц. Лептоны и адроны (мезоны, барионы). Типы взаимодействия в природе. План ответа
- •Рекомендуемая литература
- •Содержание
- •Контрольные работы
Свойства ядерных сил
§2. Дефект массы, энергия связи и устойчивость атомных ядер
Большинство ядер представляют собой устойчивые образования, хотя между протонами, входящими в состав ядра, действуют силы кулоновского отталкивания.
Устойчивость атомных ядер означает, что между нуклонами в ядрах существует определенное взаимодействие. О прочности того или иного образования судят по тому, насколько легко или трудно разрушить его: чем труднее его разрушить, тем оно прочнее. Разрушить ядро — это значит разорвать связи между его нуклонами, или, иными словами, совершить работу против сил связи между ними. Такой подход, основанный на законе сохранения энергии, позволяет сделать ряд важных выводов о специфике тех связей, которые удерживают нуклоны в ядре.
Удельная энергия связи ЕУД — это физическая величина, равная работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра.
Полная энергия связи ядра определяется работой, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра выделяется энергия, необходимая для расщепления ядра на составляющие его нуклоны.
Полную энергию связи ядра характеризует величина m, называемая дефектом массы.
Под дефектом массы понимают разность между суммой масс протонов и нейтронов, находящихся в свободном состоянии, и массой составленного из них ядра. Если ядро с массой МЯ образовано из Z протонов с массой тp каждый и из (А - Z) нейтронов с массой тn каждый, то
т = Z тp + (А - Z) тn – Мя.
Наличие дефекта массы показывает, что для полного расщепления ядра на составляющие его нуклоны (протоны и нейтроны) необходимо затратить энергию
Е св = тс2.
Величину Е св называют энергией связи (полной энергией связи). Она является непосредственной мерой устойчивости ядра.
В ядерной физике для вычисления энергии применяют атомную единицу энергии (а.е.э.) — величину, соответствующую энергии одной атомной единицы массы: 1 а.е.э. = 1 с2 • 1 а.е.м. = 91016 м2/с2 • 1,6710-27 кг = 1,510-10 Дж = = 931,1 МэВ.
Удельная энергия связи — это энергия, приходящаяся на один нуклон:
Еуд=Есв/А.
Удельная энергия связи весьма велика. Она составляет в среднем около 8 МэВ на один нуклон.
На рисунке 26 приведена кривая зависимости удельной энергии связи от массового числа А. Из рисунка видно, что значение Еуд у различных ядер различно.
Рис. 26
Наиболее прочно связаны нуклоны в ядрах средней части Периодической системы Менделеева. В этих ядрах удельная энергия связи близка к 8,7 МэВ. По мере дальнейшего увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает. Для ядер, расположенных в конце периодической системы (например, для урана), Еуд приблизительно составляет 7,6 Мэв.
Для получения ядерной энергии принципиально возможны два метода. Один основан на делении тяжелых ядер, второй – на синтезе легких.
§3. Радиоактивность
Не всякое атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, удерживаемых ядерными силами притяжения, может существовать неограниченно долго. Многие атомные ядра оказываются способными к самопроизвольным превращениям в другие атомные ядра. Эти превращения сопровождаются , , и излучениями.
Подчеркнем, что радиоактивное излучение испускается атомными ядрами, а не их электронными оболочками. Для -излучения это очевидно, поскольку электронная оболочка не содержит протонов и нейтронов (образующих -частицу); для -излучения это следует из того факта, что оно не зависит (не изменяется) от каких бы то ни было воздействий на электронные оболочки радиоактивных атомов. Бета-частицы не входят в состав ядра, но возникают в нем в процессе ядерного распада (благодаря превращениям нейтронов в протоны). и распады обычно сопровождаются -излучением, которое представляет собой поток фотонов, имеющих очень высокую частоту – порядка – 1020 Гц, что соответствует очень короткой длине волны – порядка 10-12 м. Энергия - фотонов имеет порядок 1 Мэв.
Очевидно, что радиоактивное излучение ведет к превращению атомов излучающего элемента в атомы другого элемента.
При испускании (--частицы заряд ядра увеличивается на единицу, а масса практически не изменяется (ввиду малости массы --частицы). Следовательно, по мере --распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент с атомным номером, на единицу большим, и с тем же массовым числом. Иначе говоря, при --распаде элемент смещается в периодической системе на один номер вправо без изменения массового числа.
Символически это смещение записывается так:
Например,
При испускании -частицы заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число — на 4 единицы. Следовательно, при -распаде элемент смещается в периодической системе на два номера влево с уменьшением массового числа на четыре единицы:
Например,
Указанные правила, определяющие смещение радиоактивного элемента в периодической системе, называют законами смещения.