55. История развития взглядов на природу света

Первые представления о природе света были заложены в глубокой древности. Греческий философ Платон (427–327 гг до н.э.) создал одну из первых теорий света.Евклид и Аристотель (300–250 гг до н.э.) опытным путем установили такие основные законы оптических явлений, как прямолинейное распространение света и независимость световых пучков, отражение и преломление. Аристотель впервые объяснил сущность зрения.Несмотря на то, что теоретические положения древних философов, а позднее и ученых средних веков, были недостаточными и противоречивыми, они способствовали формированию правильных взглядов на сущность световых явлений и положили начало дальнейшему развития теории света и созданию разнообразных оптических приборов. По мере накопления новых исследований о свойствах световых явлений изменилась точка зрения на природу света. Ученые считают, что историю изучения природы света следует начинать с XVII века. В XVII веке датский астроном Ремер (1644–1710) измерил скорость распространения света, итальянский физик Гримальди (1618–1663) открыл явление дифракции, гениальный английский ученый И.Ньютон (1642–1727) развил корпускулярную теорию света, открыл явления дисперсии и интерференции, Э.Бартолин (1625–1698) обнаружил двойное лучепреломление в исландском шпате, заложив тем самым основы кристаллооптики. Гюйгенс (1629–1695) положил начало волновой теории света. В XVII веке делаются первые попытки теоретического обоснования наблюдаемых световых явлений. Корпускулярная теория света, развитая Ньютоном, состоит в том, что световое излучение рассматривается как непрерывный поток мельчайших частиц – корпускул, которые испускаются источником света и с большой скоростью летят в однородной среде прямолинейно и равномерно. С точки зрения волновой теории света, основоположником которой является Х.Гюйгенс, световое излучение представляет собой волновое движение. Световые волны Гюйгенс рассматривал как упругие волны высокой частоты, распространяющиеся в особой упругой и плотной среде – эфире, заполняющем все материальные тела, промежутки между ними и межпланетные пространства.Электромагнитная теория света была создана в середине XIX века Максвеллом (1831–1879). Согласно этой теории световые волны имеют электромагнитную природу, а световое излучение можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Исследования Герца и в дальнейшем П.Н.Лебедева также подтвердили, что все основные свойства электромагнитных волн совпадают со свойствами световых волн. Лоренц (1896) установил взаимосвязь между излучением и структурой вещества и развил электронную теорию света, согласно которой входящие в состав атомов электроны могут совершать колебания с известным периодом и при определенных условиях поглощать или испускать свет.Электромагнитная теория Максвелла в сочетании с электронной теорией Лоренса объясняла все известные тогда оптические явления и, казалась полностью раскрывала проблему природы света. Световые излучения рассматривались как периодические колебания электрической и магнитной силы, распространяющейся в пространстве со скоростью 300000 километров в секунду. Лоренс полагал, что носитель этих колебаний – электромагнитный эфир, обладает свойствами абсолютной неподвижности. Однако созданная электромагнитная теория вскоре оказалась несостоятельной. Прежде всего эта теория не учитывала свойства реальной среды в которой распространяются электромагнитные колебания. Кроме того, с помощью этой теории нельзя было объяснить ряд оптических явлений, с которыми столкнулась физика на рубеже XIX и XX веков. К таким явления относятся процессы излучения и поглощения света, излучение абсолютно черного тела, фотоэлектрический эффект и другие. Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются Планк и Эйнштейн. Согласно этой теории, световое излучение испускается и поглощается частицами вещества не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями – квантами света. Квантовая теория как бы в новой форме возродила корпускулярную теорию света, по существу же она явилась развитием единства волновых и корпускулярных явлений.В результате исторического развития современная оптика располагает обоснованной теорией световых явлений, которая может объяснить различные свойства излучений и позволяет ответить на вопрос о том, в каких условиях те или иные свойства световых излучений могут проявляться. Современная теория света подтверждает его двойственную природу: волновую и корпускулярную.

56. Модель атома резерфорда: Рассеяние отдельных α-частиц на большие углы Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд в атоме не распределен равномерно в шаре радиусом 10-10м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома (атомном ядре) в области значительно меньших размеров. Расчеты Резерфорда показали, что для объяснения опытов по рассеянию α-частиц нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10-15м.Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Как вокруг Солнца на больших расстояниях от него обращаются планеты, так электроны в атоме обращаются вокруг атомного ядра. Радиус круговой орбиты самого далекого от ядра электрона и есть радиус атома. Такая модель атома была названа планетарной моделью.Планетарная модель атома объясняет основные закономерности рассеяния заряженных частиц.Так как большая часть пространства в атоме между атомным ядром и обращающимися вокруг него электронами пуста, быстро заряженные частицы могут почти свободно проникать через довольно значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов.При столкновениях с отдельными электронами быстрые заряженные частицы испытывают рассеяние на очень большие углы, так как масса электрона мала. Однако в тех редких случаях, когда быстрая заряженная частица пролетает на очень близком расстоянии от одного из атомных ядер, под действием силы электрического поля атомного ядра может произойти рассеяние заряженной частицы на любой угол до 180°.

Теория БОРА: Первая попытка построить качественно новую - квантовую - теорию атома была предпринята в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором (1885--1962). Он поставил перед собой цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ящерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил два постулата.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие условию

где т, - масса электрона, v - его скорость по n-й орбите радиуса rn, ℏ = h/(2p).Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационар ной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией

равной разности энергий соответствующих стационарных состоянии (Еn и Еm - соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения (поглощения)). При Ет<Еп происходит излучение фотона (переход атома из состояния с боль шей энергией в состояние с меньшей энергией, т. с. переход электрона с более удален ной от ядра орбиты на более близлежащую), при Ет>Еn- его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е. переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот v = (Еn – Еm)/h квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома.

57. Существует три основных источника естественной радиоактивности:

1. Космическое излучение и солнечная радиация. От этого вида радиации у нас есть надежный защитник — магнитосфера. Но интенсивная человеческая деятельность приводит к появлению озоновых дыр и истончению естественной оболочки, поэтому рекомендуется избегать воздействия прямых солнечных лучей.Вспышки на солнце — один из источников естественного радиационного фона.Ученые отмечают, что именно с влиянием космической радиации связаны частые случаи бесплодия у стюардесс, которые основное рабочее время проводят на высоте более10 ООО м. Обычным гражданам, совершающим перелеты нечасто, не стоит волноваться о космическом излучении. Уровень радиации в салоне самолета на высоте 10 ООО м превышает естественный в 10 раз.Нет такого места на Земле, куда бы ни падали космические лучи. Но одни участки земной поверхности более подвержены его действию, чем другие. Северный и Южный полюсы получают больше палиании. чем экватопиальные области. Это связано с наличием у Земли магнитного поля, отклоняющего космические лучи. Уровень облучения возрастает с высотой, поскольку при этом над нами остается все меньше воздуха, играющего роль защитного экрана.Люди, живущие на уровне моря, из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу около 300 микрозивертов в год; для людей же, живущих выше 2000 м над уровнем моря, это величина в несколько раз больше.

2. Излучение земной коры. В поверхности нашей планеты содержится много минералов, хранящих следы радиоактивного прошлого Земли. Например, это гранит и глинозем. Они представляют опасность лишь вблизи месторождений. Однако человеческая деятельность ведет к тому, что радиоактивные частицы попадают в наши дома в виде стройматериалов. В атмосферу —- в результате сжигания угля. На приусадебный участок — в виде фосфорных удобрений, а затем и на стол в продуктах питания. Кстати, в кирпичном или панельном доме уровень радиации может быть в несколько раз выше, чем естественный фон местности, в которой они находятся. Таким образом, хоть здание и может уберечь нас от космического излучения, но естественный фон может быть завышен всвязи с использованием опасных материалов.

3. Радон — это радиоактивный газ без цвета, вкуса и запаха. Он в 7,5 раз тяжелее воздуха, и именно он становится причиной радиоактивности строительных материалов. Радон имеет свойство накапливаться под землей в больших количествах. На поверхность выходит при добыче полезных ископаемых или через трещины в земной коре. Он поступает в наши дома с бытовым газом, водопроводной водой (особенно, если она добыта из очень глубоких скважин), просачивается через микротрещины почвы, накапливаясь в подвалах и на нижних этажах. Снизить содержание радона очень просто: достаточно регулярно проветривать помещение и концентрация опасного газа будет равна нулю.

Излучения: a-, b- и g-излучения сильно отличаются друг от друга по свойствам, в частности по способности проникать сквозь вещество. Для исследования проникающей способности радиоактивного излучения можно использовать тот же прибор (рис. 377, в). Будем помещать между препаратом 1 и щелью экраны возрастающей толщины, производить снимки в присутствии магнитного поля и отмечать, начиная с какой толщины экрана исчезнут следы лучей каждого рода.Оказывается, первым исчезает след a-частиц. a-частицы полностью поглощаются уже листом бумаги толщины около 0,1 мм (рис. 377, в; 378, а). Поток b-частиц постепенно ослабляется с увеличением толщины экрана и поглощается полностью при толщине алюминиевого экрана в несколько миллиметров (рис. 378, б). Наиболее проникающим является g-излучение. Слой алюминия толщины 1 см почти не ослабляет интенсивности g-излучения. Вещества с большим атомным номером обладают значительно большим поглощающим действием для g-излучения; в этом отношении g-излучение сходно с рентгеновским. Так, 1 см свинца (Z=82) ослабляет пучок g-излучения примерно в два раза (рис. 378, в).Различие в свойствах a-, b- и g-излучений наглядно проявляется в так называемой камере Вильсона — приборе для наблюдения путей быстрых заряженных частиц. Камера Вильсона (рис. 379) представляет собой стеклянный

Пусть пар в камере находится в состоянии пересыщения. Быстрая заряженная частица, пролетая через камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. На каждом ионе оседает капелька, и траектория частицы становится видимой в виде туманного следа.

Длина следов a-частиц в воздухе при атмосферном давлении составляет около 5 см и много меньше длины следов.Отметим в заключение, что большинство радиоактивных веществ излучает только один род частиц — либо a-частицы, либо b-частицы. Испускание частиц часто (но не всегда) сопровождается испусканием g -излучения.

Закон радиоактивного распада: Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

58. Состав атомного ядра: Благодаря новым методам регистрации радиоактивности стало возможным изучать новые явления, которые раньше не поддавались исследованию, и, в частности, попытаться ответить на вопрос, как устроено атомное ядро. Для ответа на этот вопрос Резерфорд решил использовать столкновение α-частиц с ядрами легких химических элементов. Обстреливая α-частицами атомы водорода, Резерфорд обнаружил что нейтральные атомы водорода превращаются в положительно заряженные частицы. Резерфорду было известно, что легчайший атом Периодической системы водород состоит из ядра, имеющего единичный положительный заряд, и электрона. Следовательно, при столкновении с атомом водорода α-частица подходила достаточно близко к ядру водорода и передавала ему часть энергии и импульса. Резерфорд назвал эти положительно заряженные частицы H атомами. Позже за ними укрепилось название «протоны». Одновременно Резерфорд установил, что взаимодействие между α-частицей и ядром водорода не подчиняется обнаруженному им ранее закону рассеяния α частиц на ядрах золота. При сближении α-частицы с ядром водорода силы взаимодействия между α-частицей и ядром водорода резко возрастали.

НУКЛОН общее название протона и нейтрона - частиц, из которых состоят ядра атомов.

Изото́пы— разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре.

Ядерные силы – это силы притяжения, которые удерживают нуклоны (протоны и нейтроны) внутри ядра. Ядерные силы – это не электрические силы, так как они действуют не только между заряженными протонами, но и между незаряженными нейтронами.

Дефе́кт ма́ссы — разность между массой покоя атомного ядра данного изотопа, выраженной в атомных единицах массы, и массовым числом данного изотопа.

Под энергией связи атомного ядра понимают энергию, которую нужно затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны. Такая же энергия выделяется при образовании ядра из свободных нуклонов.

59. Деление атомных ядер может быть вызвано различными частицами, однако практически наиболее выгодно использовать для этой цели нейтроны. Отсутствие кулоновского отталкивания позволяет нейтронам со сколь угодно малой кинетической энергией приблизиться к ядру на расстояние меньше радиуса действия ядерных сил. Захват ядром нейтрона приводит к возбуждению ядра, и, если энергия возбуждения достаточна, происходит деление. Величина сечения деления дел всегда меньше величины сечения захвата захв, так как существуют другие каналы распада возбужденных ядер.

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления — ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k ³ 1.Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа — от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакция, называется критической массой.

Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т — среднее время жизни одного поколения, а N — число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их число равно kN, т. е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN = kN—N = N(k—1). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. скорость нарастания цепной реакции, Интегрируя (266.1), получим где N0 — число нейтронов в начальный момент времени, а N — их число в момент времени t. N определяется знаком (k—1). При k>1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k=1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При k<1 идет затухающая реакция.

Принцип работы ядерного реактора . Внутри реактора циркулирует обычная вода, очищенная от всех примесей. Реактор запускается, когда из его активной зоны извлекаются стержни, поглощающие нейтроны. Во время цепной реакции высвобождается большая тепловая энергия, циркулируя через активную зону реактора и омывая топливные элементы, твэлы, вода нагревается до 320 градусов.Проходя внутри теплообменных трубок парогенератора, вода первого контура отдает тепло воде второго контура, не соприкасаясь с ней. Что исключает попадание радиоактивных веществ за пределы реакторного зала.А далее все как на обычной теплоэлектростанции. Вода второго контура превращается в пар. Пар с бешеной скоростью вращает турбину, а турбина приводит в движение электрогенератор. Он то и вырабатывает электрический ток.

60. Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые. Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний ~ 10-15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур (порядка сотен миллионов кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, ядерные реакции синтеза и получили название термоядерных реакций (от греч. therme "тепло, жар").