Физические явления, физика, статьи по физике.

Дедукция – это выведение частных умозаключений из более общих. Этим действием мы уже неоднократно пользовались. Рассмотрим еще один пример дедуктивного рассуждения. В § 3-е мы сформулировали закон Архимеда, который выражается формулой Fарх = Wж. Выведем из нее частный случай.

Запишем общую формулу, выражающую закон Архимеда: Fарх = Wж Вес вытесненной телом жидкости равен действующей на нее силе тяжести: Wж = Fтяж = mжg Масса вытесненной жидкости может быть найдена по формуле: mж = rжVж Подставляя формулы друг в друга, получим равенство: Fарх = Wж = Fтяж = mжg = rжVжg Выпишем начало и конец этого равенства: Fарх = rжgVж

Вспомним, что закон Архимеда справедлив для жидкостей и газов. Поэтому вместо обозначения “r_ж” более правильно использовать обозначение “r_ж/г” – плотность жидкости или газа. Также заметим, что объем жидкости, вытесненной телом, в точности равен объему погруженной части тела: Vж = Vпчт. С учетом этих уточнений получим:

Fарх = r_ж/гgV_пчт

Итак, мы вывели частный случай закона Архимеда.

Продолжим изучение архимедовой силы дедуктивным путем. Посмотрите на рисунок. Поскольку полено находится в покое, то, согласно свойству уравновешенных сил (см. § 3-в), на полено действуют такие силы: сила тяжести и сила Архимеда. Так как они уравновешены, будет верным равенство:

Fарх = Fтяж rжgVпчт = mтg Разделим левую и правую части равенства на коэффициент “g”: rжVпчт = mт Вспомнив, что r = m/V  Ю  m = rV, получим равенство: rжVпчт = rтVт Преобразуем это равенство в пропорцию:

В левой части пропорции стоит дробь, которая показывает долю, которую составляет объем погруженной части тела от объема всего тела. Поэтому всю дробь можно назвать погруженной долей тела:

Все равенство можно прочитать так: погруженная доля плавающего тела равна отношению средней плотности тела к плотности окружающей его жидкости.

Используя эту формулу, предскажем, чему должна быть равна погруженная доля полена при его плавании в воде:

ПДТ (полена) = 500 кг/м³ : 1000 кг/м³ = 0,5

Число 0,5 означает, что плавающее в воде полено должно быть погружено наполовину. Так предсказывает теория, и это совпадает с практикой. Подтверждением этого служат плавающие тела – полено, айсберг (см. § 2-д) и другие.

No Comments »

Возьмем, например, фосфор, единственным стабильным изо­

топом которого является фосфор-31 (15 протонов, 16 нейтронов).

Радиоактивный фосфор-32 (15 протонов, 17 нейтронов) в силу

избытка нейтронов должен испустить один электрон в виде бета-

частицы, что и происходит. Фосфор-32 испускает бета-частицы и

превращается в стабильный изотоп серы-32 (16 протонов, 16 ней­

тронов).

Все встречающиеся в природе радиоактивные изотопы, как

долгоживущие, так и живущие недолго, обладают избытком

нейтронов и в процессе перестройки ядра для достижения ус­

тойчивости испускают электроны (а также альфа-частицы).

А что произойдет, если искусственным путем создать радио­

изотоп с дефицитом нейтронов в ядре? Для достижения устой­

чивости необходимо увеличить количество нейтронов за счет

протонов. Этот процесс можно описать формулой, обратной

формуле 13.1. Происходит поглощение электрона протоном,

аналогичное К-захвату (см. гл. 8).

,/>’ + _,<?° -» „я

1

-

(Уравнение 13.2)

Однако существует вероятность и другого процесса. В то

время как нейтрон может превратиться в протон путем испус­

кания электрона, протон, по аналогии, может превратиться в

нейтрон путем испускания позитрона:

-> „я

1

+,е°.

(Уравнение 13.3)

Испускание позитрона (или положительно заряженной

бета-частицы) приводит к обратному испусканию электрона

результату. Атомное число нуклида уменьшается на единицу

вследствие исчезновения протона, а массовое число остается

опять-таки неизменным, так как на месте протона появляется

электрон.

Фосфор-30 — самый первый полученный искусственным

путем радиоизотоп — имел дефицит нейтронов в ядре. В то

время как ядро стабильного фосфора-31 состоит из 15 прото­

нов и 16 нейтронов, ядро фосфора-30 состоит из 15 протонов

и всего лишь 15 нейтронов. Фосфор-30, период полураспада

которого 2,6 мин, испускает позитрон и превращается в ста­

бильный кремний-30 (14 протонов, 16 нейтронов). Получив

фосфор-30, супруги Жолио-Кюри предвосхитили открытие по­

зитрона Андерсоном.

В лабораторных условиях было получено большое количе­

ство излучающих позитроны радиоизотопов. Наиболее извест­

ным из них является, пожалуй, углерод-11, использовавшийся

в качестве изотопного маркера вплоть до открытия углерода-14.

В природе позитроны образуются в основном в ходе реакций

ядерного синтеза с участием водорода на Солнце и других звез­

дах. В процессе слияния четырех ядер вододрода-1 в одно ядро

гелия-4, которое имеет 2р/2п структуру, два протона преобра­

зуются в нейтроны, испуская два позитрона:

,Н’ + .Н

1

+ ,Н’ + ,Н’ -»

2

Не

4

+ ,е° + ,е°.

(Уравнение 13.4)

No Comments »

Пока Паули изучал непрерывный спектр бета-излучения,

возник еще один, не менее сложный вопрос.

Объем атомного ядра составляет примерно 10

40

см. Сила

электромагнитного отталкивания между находящимися столь

близко друг к другу протонами колоссальна. Пока ученые счи­

тали, что в ядре также существуют и электроны, можно было

предположить, что сила взаимного электромагнитного отталки­

вания электронов (которая также очень высока) компенсирует

силу отталкивания протонов. Таким образом, электроны явля­

лись «ядерным цементом». Внутреннее строение ядра объясня­

лось с точки зрения электромагнитных сил, как и взаимосвязь

атомов и молекул.

Устойчивость ядра можно объяснить, лишь предположив,

что между нуклонами существует действующая только на край­

не небольшом расстоянии сила взаимного притяжения, гораз­

до сильнее силы отталкивания.

В начале 1930-х годов в результате развития квантомехани-

ческого анализа было сделано предположение, что сила, дей­

ствующая на таком расстоянии, на каком действует электромаг-

нитная сила, возникает за счет испускания и поглощения фо­

тонов. Обменивающиеся фотонами заряженные частицы испы­

тывают обменные силы

1

. Термин был предложен Гейзенбергом в

1932 году. По аналогии было сделано предположение, что сила

гравитации действует за счет испускания и поглощения грави­

тонов (см. гл. 13).

И электромагнитные силы, и сила гравитации, разница меж­

ду которыми заключается лишь в площади испускающей их по­

верхности, действуют на расстоянии космического масштаба.

Однако предполагаемая ядерная сила должна действовать

лишь на крайне небольшом расстоянии: большом внутри ядра

и незначительном — за его пределами. В большом атомном

ядре ядерная сила должна действовать лишь в пределах его диа­

метра. Возможно, именно поэтому ядра более тяжелых элемен­

тов с такой легкостью вступают в реакцию деления ядра.

Японский физик Хидоки Юкава (1907—1981) задался целью

выяснить механизм столь необычайно большой силы со столь

коротким радиусом действия. Я расскажу вам о его умозаклю­

чениях в упрощенном виде, не вдаваясь в квантомеханические

подробности. Согласно принципу неопределенности невозмож­

но точно определить одновременно и местоположение, и им­

пульс. Погрешность определения одного из них, умноженная на

погрешность определения другого, приблизительно равна по­

стоянной Планка. Местоположение и импульс можно заменить

на энергию и время. Получается, что невозможно определить

точное количество энергии системы в определенный момент

времени. Всегда существует небольшой период, во время кото­

рого количество энергии невозможно определить точно. По­

грешность измерения количества энергии, умноженная на по­

грешность определения времени, опять-таки приблизительно

равна постоянной Планка.

В течение периода, во время которого невозможно точно оп­

ределить количество энергии, протон, например, может испус­

тить микрочастицу. Вообще-то у него для этого нет энергии, но

за тот период, что мы не можем точно определить его энергию,

протон легко может нарушить закон сохранения энергии, так

сказать, совершенно безнаказанно, поскольку никто не может

проконтролировать соблюдение этого закона.

К концу этого периода частица, которую испустил протон,

должна вернуться на свое место, и протон снова уже будет под-

чиниться закону сохранения энергии. Частица, испускание и

поглощение которой прошло так быстро, что ее невозможно

обнаружить,

называется виртуальной частицей. Теоретически

она должна существовать, но нет способа обнаружить ее на

практике.

No Comments »

Закон всемирного тяготения был открыт англичанином И. Ньютоном в 1666г. Закон звучит следующим образом: сила гравитационного притяжения двух материальных точек прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В виде формулы это записывается так:

	m1, m2 –	массы взаимодействующих материальных точек, кг
	r –	расстояние между ними, м
	G –	коэффициент, » 6.7·10-11 Н·м2/кг2

Убедиться в справедливости этой формулы нам поможет… Луна. Известно, что ее орбита почти круговая, и Луна делает один оборот за 27.3 суток. Известно также, что радиус орбиты Луны примерно в 60 раз больше радиуса Земли и составляет » 384 тыс км. Рассчитаем центростремительное ускорение Луны:

В § 13.11 мы выяснили, что вблизи Земли все тела, свободно летящие вниз или как угодно иначе, имеют одинаковое ускорение: 9.8 м/с². Поделив это число на подсчитанное нами значение a_л, мы получим » 3600 или » 60². То есть ускорение тел, свободно летящих вблизи Земли, в 60² раз больше ускорения тел, летающих на расстояниях, в 60 раз более далеких (как, например, Луна).

Вспомним, что ускорение свободного падения не зависит от массы тел. Значит, ускорение любого тела, удаленного от Земли на расстояние Луны, будет равно ускорению самой Луны. Тогда, согласно второму закону Ньютона, сила тяготяния этого тела к Земле на Земле тоже будет в 60² раз больше силы тяготения этого же тела к Земле на Луне. Таким образом мы убедились в справедливости второй части закона всемирного тяготения: сила тяготения между телами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

No Comments »