Физические явления, физика, статьи по физике.

Как вы помните, существуют три вида радиоактивных излучений: a, b и g-излучения. Возникали вопросы: что из себя представляет каждое излучение и почему они появляются?

Первой была установлена природа a-частиц. Резерфорд выяснил, что в емкости, куда они попадают, постепенно накапливается газ гелий. Этот факт позволил сделать вывод, что эти частицы – ни что иное, как ядра атомов гелия. Поэтому g-частицу обозначают ? . Например, в опыте Резерфорда a-частицы возникали вследствие распада радия:

…

Такой процесс называется a-распадом и характерен для ядер с большими массовыми числами. Для более легких ядер характерен b-распад:

…

Данная реакция показывает, что нуклоны являются сложными образованиями. Только так можно объяснить испускание ядром электрона и другой элементарной частицы – антинейтрино ( ).

Теперь о том, что же g-лучи из себя представляют. К тому времени уже были известны устройства, способные создавать потоки электронов в вакууме. Выяснилось, что в магнитном и электрическом полях эти потоки ведут себя так же, как и b-излучение. Этот, а также ряд других, установленных опытным путем, фактов позволили считать b-лучи потоком электронов.

Бета-частица (электрон) в схемах ядерных реакций обозначается ? . Массовое число “0″ следует понимать, что масса электрона не равна нулю, а просто очень мала по сравнению с массой любого ядра.

Чем являются g-лучи, установить было гораздо труднее. Они не отклонялись ни в магнитном, ни в электрическом полях, как a- и b-лучи. Гамма-излучение обладало гораздо большей проникающей способностью, чем рентгеновское излучение. Этот факт позволил предположить, что g-лучи представляют собой электромагнитные волны. Предположение подтвердилось, когда обнаружили явление их дифракции. Длина волны оказалась очень малой: порядка 10_-12 м.

Гамма-излучение сопровождает либо переход нестабильного ядра в стабильное, либо распад ядер. В первом случае превращение ядра не происходит, и общая схема реакции выглядит так:

…

Следующий пример иллюстрирует второй случай – распад ядра:

Вы, наверное, уже обратили внимание, что радиоактивные излучения иногда называют лучами, а иногда – потоком частиц. Противоречия в этом нет. Многочисленными экспериментами выяснено, что излучения обладают как свойствами электромагнитных волн (преломлением, отражением, дифракцией и др.), так и свойствами частиц. Для каждой из них можно определить, например, значение кинетической энергии, импульса и так далее.

Радиоактивные излучения опасны для человека. Из всех излучений a-излучение представляет наименьшую опасность. В воздухе эти частицы могут пролететь всего лишь несколько сантиметров, поэтому защитой от этого вида излучения служит любая одежда.

Намного бо’льшую опасность представляет b-излучение. При b-распаде электроны, как правило, обладают значительной энергией. Они проходят в воздухе расстояние около 5 метров и достаточно легко проникают через одежду и ткани организма. Защитой от них служат специальные материалы, например, бетонные и кирпичные стены, толстый слой земли.

Наибольший вред человеку наносят гамма- и нейтронное излучение. Гамма-лучи проникают даже через метровый слой воды и 6-ти сантиметровый лист свинца. Для поглощения g-лучей и нейтронов используются специальные материалы, такие как углерод, парафин, свинец, тяжелая вода и другие.

No Comments »

В начале ХХ века моделью ядра атома служил шарик диаметром около 10^-14 м, имеющий положительный заряд. Но раз есть заряд, то должен существовать и его носитель - некая частица. И вскоре она была обнаружена.

Взгляните еще раз на рисунок треков частиц в камере Вильсона (см. § 17.2.). Большинство из них принадлежат a-частицам. Один из треков представляет собой “вилку”. Это говорит о том, что вместо одной заряженной частицы в камере образовались две другие. Оказалось, что разветвление трека – результат столкновения a-частицы с атомом азота. Сложными опытами было выяснено, что одна из образовавшихся частиц обладает почти такой же массой, как и атом водорода и зарядом, равным заряду электрона, но со знаком “+”. Частица получила название “протон”.

Два десятилетия спустя, в 1932 г английский физик Д.Чедвик открывает частицу, масса которой приблизительно равна массе протона, но без электрического заряда. Эту частицу назвали “нейтрон”.

В середине 1930-х независимо друг от друга советский физик Д.Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, получивших общее название “нуклоны” (лат. “нуклеус” – ядро).

В пользу этой гипотезы говорило существование изотопов – элементов, имеющих различную атомную массу, но одинаковые химические свойства. Поскольку эти свойства зависят только от строения электронных оболочек элемента, значит все изотопы имеют одинаковое количество электронов, а, следовательно, и протонов в ядре. Тогда различие атомных масс изотопов легко объясняется различным количеством нейтронов в их ядрах. Так, например, все изотопы углерода имеют по 6 протонов в ядре, но атомные массы стабильных изотопов могут быть равными 12 или 13 а.е.м.

Ядро атома каждого химического элемента имеет следующее обозначение: ? . Здесь Х – символ элемента, Z и А – зарядовое и массовое числа ядра элемента. Зарядовое число принято измерять количеством входящих в него протонов; оно равно порядковому номеру данного элемента в таблице Менделеева. Массовое число ядра равно количеству входящих в него нуклонов: A=Z+N, где N – количество нейтронов. Например, обозначение относится к верхнему рисунку и означает, что ядро этого атома углерода имеет зарядовое число 6 и массовое число 12. В природе существует и другой изотоп углерода ? (нижний рисунок).

В ядерной физике так же, как и в химии, за единицу массы принимается 1 атомная единица массы (1а.е.м.), равная 1/12 массы ядра изотопа углерода ? . Поскольку оно состоит из 12 нуклонов, значит, на 1 нуклон этого ядра приходится точно 1 а.е.м. Но в таблице Менделеева атомные массы элементов (в том числе и углерода) являются дробными числами. Почему?

Это объясняется главным образом тем, что химические элементы состоят из смеси изотопов с различными атомными массами. Например, в природе изотоп углерода встречается гораздо реже, чем изотоп ? . Именно поэтому в таблице Менделеева относительная атомная масса углерода имеет дробное значение: 12,0011 а.е.м. Оно получилось в результате усреднения атомных масс изотопов с учетом их процентного содержания в природе.

Итак, для определения массовых чисел ядер можно воспользоваться следующим правилом: массовое число ядра, как правило, совпадает с округленным значением атомной массы элемента, приведенной в таблице Менделеева.

Вещества, в состав молекул которых входят разные изотопы одного и того же элемента, обладают различными физическими свойствами. Например, вода, образованная изотопом водорода ? , имеет плотность 1100 кг/м³ и поэтому называется тяжелой водой. Другие ее физические свойства также отличаются от обычной воды.

No Comments »

Сегодня любое излучение называется ультрафиолетовым, если
длина его волны колеблется от 360 до 1 миллимикрона (чуть более
8 октав). Как выяснилось в 1890-х годах, общая длина электромагнитного
спектра от ультрафиолетового излучения до радиоволн
составляет 44 октавы, из которых лишь одна является
спектром видимого света.
Тем не менее в электромагнитном спектре еще оставались
«белые пятна». Следующий шаг на пути изучения электромагнитных
волн сделал немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген
(1845—1923). Он занимался изучением катодных лучей, ив
частности свечения, которое возникало под воздействием этих
лучей на определенные химические соединения.
Это свечение очень слабое, поэтому для наблюдения за ним
Рентген затемнил комнату и поместил трубку в коробку из
тонкого картона черного цвета. 5 ноября 1895 года ученый заметил
в комнате свет, исходящий не из коробки с трубкой. На
некотором расстоянии от прибора находился листок бумаги,
покрытый цианоплатинитом бария (веществом, которое под
действием электромагнитного излучения светится). Если бы
трубка не была полностью закрыта картоном, то ученый вряд
ли бы уделил свечению бумаги особое внимание.
Рентген выключил трубку, -и свечение прекратилось. Он снова
включил аппарат, и бумага вновь начала светиться. Тогда он
занавесил окна в соседей комнате и положил листок туда. При
включенной трубке листок продолжал светиться.
Рентген решил, что катодная трубка испускала какие-то лучи,
которые ударялись о картон, и при столкновении этих лучей с
твердым материалом их кинетическая энергия преобразовывалась
в новую форму излучения. Это излучение было настолько сильным,
что могло проникать сквозь толстую бумагу и даже сквозь
тонкие листы металла. Свой первый отчет об этом Рентген опубликовал
28 декабря 1895 года.

No Comments »

Спорщики разделились чуть ли не по национальному признаку:
большинство немецких физиков утверждали, что эти излучения
являются волной, а английские физики уверяли, что
это поток заряженных частиц.
Впрочем, такое разделение было вполне обоснованно, так
как именно в Германии в конце XIX века были обнаружены
новые виды волн, несмотря на то что первое такое открытие
было сделано англичанином Джеймсом Клерком Максвеллом.
Изучая феномен электрического и магнитного излучения,
Максвелл пришел к выводу, что благодаря тесной связи между
двумя явлениями можно говорить о электромагнетизме. В дальнейшем
он выявил, что переменный электрический заряд приводит
к появлению волнообразного электромагнитного излучения,
распространяющегося со скоростью света. А раз скорость
распространения такого излучения равняется огромной скорости
распространения света, то получается, что сам свет является
всего лишь частным случаем электромагнитного излучения.
Но если Максвелл прав, то человек, изменяя частоту переменного
тока, может сам вызывать различные электромагнитные
излучения. Для получения света необходим квадрильон
колебаний в секунду. На практике невозможно достичь такой
частоты, однако, согласно Максвеллу, теоретически никаких
ограничений не существовало. Например, колебания электрического
тока довольно низкой частоты — 1000 раз в секунду —
порождают 1000 электромагнитных волн в секунду. Если цуг
волн распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду,
то каждая волна будет иметь длину 300 километров (что
значительно превышает длину световой волны), но тем не менее
существовать такие волны будут.
Первые попытки генерировать длинноволновое излучение
были предприняты в 1997 году немецким физиком Генрихом Рудольфом
Герцем (1857—1894). Он создал электромагнитную цепь,
где сквозь небольшой воздушный промежуток проходила электрическая
искра, которая и являлась тем вызывающим излучение
переменным зарядом, о котором говорит Максвелл. Чтобы обнаружить,
существует излучение или нет, Герц использовал специальный
«приемник» — маленький прямоугольный кусок проволоки
с небольшим разрывом на одной из сторон. Электромагнитное
излучение, проходящее сквозь проволоку, должно было вызывать
в ней электрический ток, под действием которого в воздушном
промежутке должна была появиться электрическая искра.
И она появилась. Герц знал, что он обнаружил предсказанное
Максвеллом электромагнитное излучение и тем самым доказал
его теорию. Сначала излучение назвали волнами Герца,
однако впоследствии его стали называть радиоволнами («волны,
которые излучают»).
Открытие радиоволн показало физикам, насколько широк
спектр электромагнитного излучения. Длина волны видимого
спектра колеблется от 380 до 760 миллимикрон, т. е. одна октава.
(Один миллимикрон — это миллиардная часть метра, а
длина волны внутри одной октавы удваивается.)

No Comments »