Спектр электромагнитных излучений. Электродинамика

Все электромагнитные излучения могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов. Они проявляют свойства интерференции, дифракции, поляризации характерные для волн.

Электромагнитный спектр – это распределение волн по частотам. Люди изучали их, давали волнам разных частот названия. И в конце концов получили своего рода каталог электромагнитных волн – если знать частоту волны, то можно сразу же увидеть где она в спектре и к какому классу относится.

Электромагнитные излучения:
• радиоволны,
• инфракрасные лучи,
• ультрафиолетовые лучи,
• видимый свет,
• рентгеновские лучи,
• гамма - излучение.

Инфракрасные лучи, длина волны 1,2 мм - 8*10^-7 м, испускают любые нагретые тела. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображение нагретых предметов в полной темноте. Излучение применяется для сушки окрашенных изделий, древесины.

49 вопрос

Какое явление называют фотоэффектом. Постоянная планка. Сформулируйте законы фотоэффекта. Запишите характеристики (энергия, импульс, масса) фотона.

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Постоянная планка: В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h — постоянная Планка, равная , v — частота света.

Законы фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл.

Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (или максимальная длина волны λ₀), при которой ещё возможен фотоэффект, и если , то фотоэффект уже не происходит.

Квантовая теория приписывает новой частице – фотону – следующие характеристики:

а) масса фотона равна нулю;ф

б) энергия фотона Е_ф = hv, где v – частота излучения;

в) импульс фотона равен,

и совпадает с направлением распространения излучения.

Равенство нулю массы фотона означает невозможность его нахождения в покоящемся

состоянии. Фотон всегда движется и причем только со скоростью света.

50 вопрос

Дайте определение фотоэффекта. Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Где применяется фотоэффект в технике.

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Формула Эйнштейна для фотоэффекта:

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы — приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преоб­разующие энергию излучения в электрическую.

51 вопрос

1) Радиоактивные свойства были впервые обнаружены в 1896 г. у урана, французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852—1908).
Испускание рентгеновского излучения было замечено при бомбардировке стеклянных стенок разрядной трубки катодными лучами. Наиболее эффектным результатом такой бомбардировки является интенсивное зеленое свечение стекла, люминесценция.
Опытной проверкой этого предположения занялся Беккерель. Он возбуждал люминесцирующие вещества светом, а затем подносил их к обернутой в черную бумагу фотопластинке.

Радиоактивность представляет собой не молекулярное явление, а внутреннее свойство атомов радиоактивного элемента. Т.к. свойства молекулы, в состав которой входит радиоактивный элемент, не влияют на радиоактивность.

После открытия радиоактивности, физики Мария Склодовская-Кюри, и Пьер Кюри, исследовали большую часть известных элементов и многие их соединения с целью установить, не обладают ли какие-либо из них радиоактивными свойствами. После чего выяснили, что радиоактивность обнаруживают не только уран и торий, но и все их химические соединения. А также исследовав также различные природные минералы, заметила, что смоляная руда давала в четыре раза большую ионизацию, чем содержащийся в ней уран. Повышенную активность смоляной руды можно было объяснить только примесью неизвестного радиоактивного элемента в количестве настолько малом, что он ускользал от химического анализа.
Исходя из этих соображений, Пьер и Мария Кюри предприняли химическое выделение из урановой смоляной руды. После нескольких лет работы удалось получить несколько десятых долей грамма чистого элемента, «Радия»,радиоактивность которого более чем в миллион раз превосходила радиоактивность урана.
По своим химическим свойствам радий (Ra) относится к щелочноземельным металлам. Атомная масса его = 226. Был помещен в клетку № 88 периодической системы Менделеева.
Радий является постоянным спутником урана в рудах, но содержится в ничтожных количествах — примерно 1 г радия на 3 т урана; ввиду этого добыча радия представляет собой весьма трудоемкий процесс. Радий — один из самых редких и дорогих металлов. Он ценится как концентрированный источник радиоактивных излучений.
Дальнейшие исследования Кюри и других ученых значительно расширили число известных радиоактивных элементов.
Все элементы с порядковым номером, превышающим 83, оказались радиоактивными. Они были найдены в виде небольших примесей к урану, радию и торию.
Обычные: таллий, свинец и висмут нерадиоактивны.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2) А-Распад представляет собой излучение а-частиц (ядер гелия) высоких энергий. При этом масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд — на 2 единицы.
B-Распад — излучение электронов, заряд которых возрастает на единицу, массовое число не изменяется.
У-Излучение представляет собой испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра при у-излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идет до свинца. Свинец — конечный продукт распада.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
3) Приборы, применяемые для регистрации радиоактивных излучений и частиц, де­лятся на две группы: а) приборы, позволяющие регистрировать прохождение частицы через определенный участок пространства и в некоторых случаях определять ее характеристики, например энергию (сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, импульсная ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик);

б) приборы, позволяющие наблюдать, например фотографировать, следы (треки) частиц в веществе (камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая камера, ядерные фотоэмульсии).

4) Биологические действия. Радиоактивные излучения гибельно действуют на живые клетки. Механизм этого действия связан с ионизацией атомов и разложением молекул внутри клеток при прохождении быстрых заряженных частиц. Особенно чувствительны к воздействию излучений клетки, находящиеся в состоянии быстрого роста и размножения. Это обстоятельство используется для лечения раковых опухолей.

Для целей терапии употребляют радиоактивные препараты, испускающие g-излучение, так как последние без заметного ослабления проникают внутрь организма. При не слишком больших дозах облучения раковые клетки гибнут, тогда, как организму больного не причиняется существенного ущерба. Следует отметить, что радиотерапия рака, так же как и рентгенотерапия, отнюдь не является универсальным средством, всегда приводящим к излечению.

Чрезмерно большие дозы радиоактивных излучений вызывают тяжелые заболевания животных и человека (так называемая лучевая болезнь) и могут привести к смерти. В очень малых дозах радиоактивные излучения, главным образом a-излучение, оказывают, напротив, стимулирующее действие на организм. С этим связан целебный эффект радиоактивных минеральных вод, содержащих небольшие количества радия или радона.

52 вопрос
В чем заключается опыт Резерфорда по расщеплению альфа частиц.
Опешите ядерную модель атома
1. Английский физик Дж. Дж. Томсон в 1903г. Предложил одну из первых моделей строения. В 1911г Резерфорд опроверг эту теорию, проведя такой эксперимент. Из свинцового сосуда, в котором находилось радиоактивное вещество, вылетали а- частицы через узкий канал. По сколько а- частицы непосредственно увидеть невозможно, то для их обнаружения служил стеклянный экран, покрытый тонким слоем специального вещества, благодаря чему в местах попадания в экран а- частиц возникают вспышки, которые наблюдают с помощью микроскопа, рис 1. Всю эту установку поместили в сосуд, из которого откачан воздух (чтоб устранить рассеяние а- частиц за счет их столкновений с молекулами воздуха).
Если на пути а- частиц нет никаких препятствий, то они падают на экран узкими, слегка расширяющимся пучком. Если же на пути а- частиц пометить тонкую золотую фольгу, то при взаимодействии с фольгой а- частицы рассеиваются по всем направлениям на разные углы.
Перемещая экран вместе с микроскопом вокруг фольги, можно обнаружить, что некоторое (очень большое) число частиц рассеялось на углы, близкие к 90*, а некоторые (единичные частицы) – на углы порядка 180*, т.е. в результате взаимодействия с фольгой были отброшены назад.
Резерфорд пришел к выводу: столь сильное отклонение а- частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле. Было рассчитано, что такое поле могло быть создано зарядом, сконцентрированным в очень малом объеме (по сравнению с объемом атома).

2. Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома, рис. 2. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее очень малый объем атома. Вокруг ядра движутся электроны, масса которых значительно меньше массы ядра.

Рис. 1

Рис. 2

(извините, но русскую никак не смог найти)

53 ВОПРОС

Квантовые постулаты Бора – это два основных допущения, введённые Н.Бором для объяснения устойчивости атома и спектральных закономерностей (в рамках модели атома Резерфорда).

Первый постулат Бора: постулат стационарных состояний

Атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определённая энергия En. В стационарном состоянии атом не излучает.

Второй постулат Бора: правило частот

Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ek в стационарное состояние с меньшей энергией En. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний:

hvkn = Ek - En.

Испускание и поглощение света атомами.

Теория Бора позволила объяснить существование линейчатых спектров.

Спектр излучения (или поглощения) — это набор волн определенных частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества.

Спектры бывают сплошные, линейчатые и полосатые.

Сплошные спектры излучают все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот видимого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать, где сидит фазан).

Линейчатые спектры излучают все вещества в атомарном состоянии. Атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только ему спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определенных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.

Полосатые спектры излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы. Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и поглощается, т. е. спектры излучения по набору излучаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует способ определения химического состава вещества методом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава звезд, атмосфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.

54 ВОПРОС

Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных видов взаимодействия. Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра.

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Масса любого ядра всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:

Mя < Zmp + Nmn.

Ядра атомов представляют собой сильно связанные системы из большого числа нуклонов.
Для полного расщепления ядра на составные части и удаление их на большие расстояния друг от друга необходимо затратить определенную работу А.

Энергией связи называют энергию, равную работе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на свободные нуклоны.
Е связи = - А
По закону сохранения энергия связи одновременно равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных свободных нуклонов.

Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра.

Дефект масс равен разности между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном состоянии и массой ядра: ΔM = Zmp + Nmn – Mя.

По дефекту массы с помощью формулы Эйнштейна E = E = mc ² можно определить энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, т. е. энергию связи ядра Eсв: Eсв = ΔMc² = (Zmp + Nmn – Mя)c².

55 ВОПРОС

56 ВОПРОС

Термоядерная реакция — это реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре (107 К):

Термоядерный синтез: При нормальной температуре слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают огромные кулоновские силы отталкивания. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 108–109 К. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой. Для синтеза легких ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10-15 м, на котором действие ядерных сил притяжения будет превышать кулоновские силы отталкивания. Для того чтобы произошло слияние ядер, необходимо увеличить их подвижность, то есть увеличить их кинетическую энергию. Это достигается повышением температуры. За счет полученной тепловой энергии увеличивается подвижность ядер, и они могут подойти друг к другу на такие близкие расстояния, что под действием ядерных сил сцепления сольются в новое более сложное ядро. В результате слияния легких ядер освобождается большая энергия, так как образовавшееся новое ядро имеет большую удельную энергию связи, чем исходные ядра.

Применение ядерной энергии:

Энергетика: Благодаря тому, что человек научился проводить управляемую ядерную реакцию и аккумулировать полученную энергию, затрачивая при этом минимальное количество сырья, намного уменьшилось потребление традиционных видов органического топлива.

Военная сфера: Создание оружия массового поражения. Применение цепных ядерных реакций в военной сфере вызывает наибольшее количество вопросов и опасений. При проведении неуправляемой, т.е. взрывной, ядерной реакции с целью уничтожения чего-либо. погибает все живое на огромных пространствах.

Синтез новых элементов: Получение новых элементов.Ядерные реакции являются реакциями получения новых элементов, т.к. при расщеплении или слиянии ядер получаются другие элементы таблицы Менделеева. Существуют несколько видов реакций - альфа-распад, бета-распад и гамма-распад.

Медицина: Применение радионуклидов для медицинских и биохимических исследований. В современной ядерной медицине для научно-исследовательских, диагностических и терапевтических целей применяют свыше 50 циклотронных радионуклидов с периодом полураспада от нескольких минут до нескольких лет. В работе рассматриваются общие положения, методы и экспериментальные результаты, определяющие получение наиболее важных и широко используемых в настоящее время, а также перспективных для ядерной медицины и биохимии циклотронных радионуклидов.

Научные исследования: Исследования с целью разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.

Дата добавления: 2015-10-16