4.3.3. Линейчатые спектры

Линейчатые спектры объясняет теория Бора. И хотя историче­ски спектральные закономерности были известны до создания Бором теории строения атома, проще объяснить их, зная теорию Бора, нежели уяснить, как знание этих закономерностей привело Бора к созданию теории атома. Лишь в классах с сильным соста­вом учащихся роль спектров в создании теории атома будет дос­таточно оценена, поэтому там можно придерживаться историче­ской последовательности. Начать изучение материала лучше с опытных фактов. Если через газ пропустить электрический разряд, он начинает светиться. Предлагают учащимся через спектроскоп (или дифракционную решетку) посмотреть на зажженную лампу, заполненную водородом. Она дает несколько ярких спектральных линий в видимой части спектра: красную, голубую, синюю, фиолетовую. Лампы, заполненные неоном и гелием, дают другие линии, но каждый из газов дает линейчатый спектр.

Целесообразно упомянуть, что атомы газа можно возбудить не только электрическим разрядом, но и другими способами.

П осле этого объясняют происхождение линейчатых спектров. С точки зрения теории Бора, атомы водорода, получая энергию, возбуждаются, т. е. их валентные электроны переходят с основного (первого) энергетического уровня на уровни с более высокой энергией. Опыт показывает, что в возбужденном состоянии атом не может находиться долго, его электрон самопроизвольно перехо­дит с более высокого энергетического уровня с энергией Е_т на уровень с меньшей энергией Е_n и испускает при этом фотон строго определенной частоты, определяемой уравнением где т > п. Спектр атома водорода целесообразно проанализировать полнее. Вначале школьникам поясняют, что электрон, находящийся на одном из высших энергетических уровней, может перейти на любой более низкий, а не только на основной уровень. Например, электрон, находящийся на четвертом энергетическом уровне, может перейти на третий, а затем на второй, на первый (основной) уровень, а может перейти сразу на второй или даже на первый уровень. В силу этого атом водорода может испускать фотоны разных, но строго определенных частот. Для закрепления мате­риала учащимся предлагают задание: рассчитать, сколько различных фотонов может испустить возбужденный атом водорода, если его валентный электрон находится на четвертом энергетическом уровне. (Ответ: шесть.)

Расчет показывает, что четыре хорошо видимые линии в спек­тре водорода, имеющие длины волн 410, 434, 484, 656 нм, получают в результате перехода электронов соответственно с третьего, четвертого, пятого и шестого уровней на второй энергетический уровень. Школьникам рассказывают о том, что еще до создания теории Бора швейцарский школьный учитель И. Бальмер усмотрел, что частоты излучений, испускаемых атомом водорода в видимой части спектра, подчиняются формуле

, где т > 2, а постоянная С = 3,29-10¹⁵ с^-1.

Можно предсказать, что, кроме известных линий, в спектре водорода должны быть еще серии спектральных линий. Эти спектральные линии были обнаружены в ультрафиолето­вой и инфракрасной частях спектра. Это можно проиллюстриро­вать рисунками. Итак, спектр атома водорода хорошо объясняется теорией Бора.

Затем целесообразно объяснить, почему линейчатые спектры разных газов различны. Хотя теория Бора не позволяет рассчитать энергетические уровни различных атомов, объяснить этот вопрос; можно, рассмотрев водородоподобные атомы - ионизированный атом гелия и дважды ионизированный атом лития.

Они устроены подобно атому водорода и отличаются от него зарядом ядра. Соответственно энергия каждого энергетического уровня иона гелия будет в п² = 4, а дважды ионизированного иона лития в 9 раз больше энергии уровня водорода. Если энергетические уровни разных газов неодинаковы, то и частоты даваемых ими излучений различны, хотя вполне определенны и дискретны. Линейчатый спектр атомов каждого вещества, находящегося в газообразном состоянии, имеет свой характерный набор частот. Если учащиеся это достаточно хорошо поймут, то объяснить им сущность спектрального анализа не составит труда.

После этого школьников знакомят со спектрами поглощения газов. Начать можно с теоретических рассуждений. Если газ освещать светом, то, очевидно, атомы его могут поглотить только те фотоны, энергия которых равна разности значений энергий его энергетических уровней Е_т – Е_n. Иначе говоря, газ должен поглощать свет тех же частот, которые он испускает.

Накаливания в проекционном аппарате, на экране при этом наблюдается непрерывный спектр с темной линией в том месте, где была яркая линия натрия.

При изучении линейчатых спектров Целесообразно использовать учебный видеофильм «Излучение и поглощение энергии атомом» или соответствующую компьютерную программу.

22.(4)

{Нужно использовать плакат}

Р езерфорд вместе с учениками осуществил серию опытов по рассеянию α-частиц, испускаемых радиоактивным препаратом. Результаты опыта противоречили модели Томсона. На основании этих опытов (1906 – 1911гг) Рез вдвинул новою модель.

В опытах Рез пучок α-частиц пронизывал металлическую фольгу, происходило взаимодействие положительно заряженных α-частиц с положительным зарядом атома. При этом возникала отталкивающая сила и появлялись рассеянные частицы.

Подавляющая часть α-частиц рассеялась в направлении пучка под малыми углами рассеивания Θ, но не значительная часть α-частиц рассеивалась под большими углами Θ. Были и такие частицы, которые рассеивались под углом Θ=180⁰.

Результаты измерений привели к выводу, что – из опыта

. . . .

Исходя из результатов этого опыта, Рез предположил планетарную модель атома. По этой модели вся масса и весь положительный заряд атома локализуется в пределах очень малого объема в центральной части атома. Чтобы оказалось возможным сильное взаимодействие между α-частицей и зарядом атома, необходимо чтобы размеры заряда были . Только тогда возможно сближение на малые расстояния и появления большой отталкивающей силы. В расчетах Рез предполагал, что взаимодействие α-частицы с ядром происходит по закону Кулона: .

В оспользуемся формулой классической механики которая приводит к выводу:

, если в микромире действует закон Кулона. p – прицельное расстояние. Выразим p: . Продифференцируем это выражение по :

Образуется коридор.

– число частиц, которые попадают коридор, – общее число частиц. Найдем , .

, где n₀ – концентрация, St – объем слоя.

; ; .

Этот важный вывод можно записать в виде: .

Опыт подтвердил эту закономерность. Отсюда следует, что были подтверждены два результата: 1. Атом имеет планетарное строение. В центре атома малая по размерам, массивное, положительно заряженное ядро. На огромных расстояниях в 10 000 раз превосходящее размеры этого ядра должны находится электроны. Размер ядра . Размер атома . 2. В микромире соблюдается закон Кулона.

Так возникла планетарная или ядерная модель атома – создатель Резерфорд.

,

Под изобарами понимают ядра, принадлежащие атомам различных химических элементов, но имеющие одинаковые массовые числа.

Особенности ядерных сил:

1. ядерные силы действуют на очень малых расстояниях , т.е. они являются короткодействующими.

2. ядерные силы не зависят от электрического заряда, т.е. взаимодействие между нейтроном и протоном такое же, как и между двумя протонами и двумя нейтронами.

3. ядерные силы зависят от ориентации спина, при параллельной ориентации – более сильное взаимодействие.

4. ядерные силы нецентральные

5. ядерные силы обладают свойством насыщения

Ядерные силы – это силы мощного взаимодействия – сильное взаимодействие.

Рассмотрим свойства сильного взаимодействия с энергетической точки зрения. Введем понятие дефекта масс.

В состав ядра входят нуклоны, т.е. протоны и нейтроны, но масса нуклонов в свободном состоянии , когда между ними отсутствует взаимодействие, оказывается больше массы тех же нуклонов находящихся внутри ядра в условиях сильного взаимодействия.

Каждое ядро можно собрать из отдельных нуклонов. Для того, что бы приблизить нуклоны надо будет преодолеть Кулоновские силы отталкивания, совершить работу. В результате выделится энергия.

Под дефектом масс подразумевают разность между суммарной массой изолированных нуклонов, входящих в состав данного ядра и и массы самого ядра.

,

Этому соответствует энергия из СТО: , , . Практический интерес представляет энергии связи в расчете на 1 нуклон – . .

О пыт и расчеты приводят к зависимости, которую удобно изобразить графически:

Из приведенного графика следует важный вывод о двух возможных путях использования внутриядерной энергетики: 1. от тяжелых к средним; 2. от легких к более тяжелым.

По первому пути из тяжелого ядра получается 2 средних, эти осколки имеют не одинаковые массы, при этом выделяется энергия на нуклон 0,85 Мэв. .

Рассмотрим процессы, происходящие в ядрах с точки зрения мезонной теории. В 1935г японский ученый Юкава, высказал предположение, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах обусловлено обменными силами. Обменным взаимодействием между нуклонами посредством частиц промежуточной массы – мезонов. По оценке Юкава мезоны должны иметь массу . Такие частицы промежуточной массы были обнаружены в космических лучах в 1936г. Им было дано название μ-мезонов, сейчас они называются мюонами.

Измерения показали: . Существует два типа мюонов . Заряд μ-мезона: , спин . Эти частицы оказались неустойчивыми и распадаются по схеме: . Нейтрино в последствии было обнаружено, масса покоя =0, движется со скоростью света. . Среднее время жизни мюона .

Оказалось, что μ-мезоны слабо взаимодействуют с ядрами. Следовательно, мюон не может являться переносчиком сильного взаимодействия. В последствии в 1947г были открыты другие частицы промежуточной массы, π-мезоны, пионы. Их три типа: . , . Заряд: , . Спин . Пионы неустойчивы: , , . . Пионы это те частицы, существование которых задолго до открытия предположил Юкава.

Рассмотрим модель мезонного взаимодействия или обменного взаимодействия посредством пионов.

Н уклон испускает пион, потом захватывает его. Нуклон, протон или нейтрон, окружен π-мезонным полем, квантами которого является π-мезон, происходит непрерывное испускание пионов, при этом меняется заряд, потом восстанавливается. , .

Можно оценить радиус действия мезонного поля используя соотношение неопределенности: , более точное соотношение это . Выразим . Для образования пиона, который выбрасывается из ядра, нужна энергия: , , .

Если на расстоянии l от первого нуклона находится второй нуклон, который окружен таким же мезонным полем частицами, которого является пионы, то происходит непрерывный обмен пионами. Пионы, испущенные первым нуклоном, могут захватываться вторым нуклоном и наоборот. Захват чужих пионов и обмен обуславливает сильное взаимодействие между нуклонами и этот процесс объясняет, почему это взаимодействие оказывается короткодействующим.

, , ,

Рассмотрим вопрос о доле времени растепленного или нерасщепленного состояния (магнитный момент n равняется нулю, т.к. у нейтрона нет заряда).

, х – доля времени.

– ядерный магнетон Бора.

, отсюда .

, отсюда

Методика изучения строения атома в курсе физики средней школы (явление радиоактивности, опыт Резерфорда).

Изучение строения атома начинается обычно с опыта Резерфорда и планетарной модели атома. Однако, учащиеся к этому времени еще не знают ничего о радиоактивности, поэтому в начале необходимо ознакомить школьников с видами радиоактивного излучения.

Начать изучение строения атома с явления радиоактивности целесообразно, т.к. радиоактивность - явление свидетельствующее о сложной структуре атома и дающее мощный толчок развитию атомной физики.

Рассказывая о радиоактивности, учащиеся знакомятся с основными видами радиоактивных излучений: .

Более подробно останавливаются на свойствах альфа частиц. Альфа частица представляет собой дважды ионизированные атомы гелия, их масса 4,002 а.е.м., или 6,6 10^-27кг., т.е. в 8 тысяч раз больше массы электрона, заряд альфа частицы равен 2 зарядам электрона. Скорость при радиоактивном распаде достигает 2 10⁷м/с.

Желательно предложить школьникам оценить кинетическую энергию альфа частицы и сравнить ее со средней кинетической энергией молекул при нормальной температуре. (больше в 10⁸ раз).

Именно поэтому альфа частицы представляют собой естественные "снаряды" для изучения структуры вещества.

Первая модель атома предложенная Томсоном в 1903 году имеет сейчас лишь историческое значение. От нее логически переходят к опыту Резерфорда.

При описании результатов опыта Резерфорда главное внимание надо уделять тому факту, что некоторое (малое) количество альфа частиц отклоняется от большинства на угол до 180⁰. Этот результат имел решающее значение для создания планетарной модели атома. Т.к. он оказался несовместимым с моделью Томсона: положительный заряд, распределенный по всему объему атома не может обеспечить силу необходимую для отклонения альфа частиц на такие большие углы.

Желательно дать учащимся почувствовать как анализ результатов опыта служит основой для высказывания определенных теоретических предсказаний о структуре атома.

С этой целью можно решить, например, задачу "Сколько атомов встретит на своем пути альфа частица, пролетая через тонкую фольгу толщиной 1 мкм". Т.к. в этом случае интерес представляет порядок величины, а не ее точное значение, то ограничиваются диаметром атома 10^-10м, поэтому число атомов, будет порядка 10⁴. Т.к. атомы золота расположены близко друг к другу (10^-10м), т.е. доказано, что многие альфа частицы пролетят не взаимодействуя с ними, следовательно, атом не является сплошным, модель Томсона не подтверждается.

Результаты опыта Резерфорда позволили сделать вывод, что масса ядра действительно велика и определяется приблизительно радиусом ядра.

Чтобы альфа частица могла повернуть назад, ее скорость у поверхности положительно заряженной сферы должна стать равной нулю, поэтому полная энергия равна потенциальной энергии взаимодействия, т.е. . Это уравнение позволило оценить величину положительного заряда атома при условии, что R=10^-8см.

Расчет дает следующий результат Q/e=400000, т.е. заряд ядра в 400000 раз больше заряда электрона.

Важно отметить, что положительный заряд атома был впервые измерен именно в опытах по рассеянию альфа частиц. Английский физик Чедвик показал, что для ряда элементов он приблизительно равен половине атомной массы. Отсюда возникает гипотеза, что величина заряда ядра равна порядковому номеру элемента в системе Менделеева, что в 1918 году было подтверждено Мозли, который с большой точностью измерил заряд ядра для многих атомов.

При описании планетарной модели атома надо обратить внимание на несовместимость такой модели с законами механики и электродинамики. Во первых длительное движение электронов по замкнутой траектории вокруг ядра с точки зрения электродинамики Максвелла невозможно, т.к. из-за потери энергии на излучение электрон тормозится и должен скоро упасть на ядро, однако атом исключительно устойчив. Во вторых в следствии непрерывной потери энергии и значения непрерывного изменения скорости электрона атом должен излучать непрерывный спектр. Однако атомы излучают линейчатые спектры. В третьих атом излучает свет не все время, а лишь при определенных условиях (прохождение через газы, нагретые до высокой температуры).

23.(3) Радиоактивность.

Ч ерез год после открытия рентгеновских лучей в 1896г. была открыта радиоактивность. Беккерель в 1896г. (Франция) обнаружил, что соли урана, испускают какое-то особое излучение (независящее от солнечного излучения). Последующие годы это излучение было тщательно исследовано и установлено, что оно содержит 3 различных потока чего-то. Одни из этих потоков при воздействии сильного маг. поля отклоняется также как поток отрицательно заряженных частиц. В последствии было установлено что это поток электронов с непрерывным энергетическим спектром. Второй поток в сильном маг. поле отклоняется как поток положительно заряженных частиц и имеет дискретный характер энергий. И 3-й поток не отклонялся в маг. поле и ведет себя как поток рентгеновских лучей. В следствии было установлено что это поток квантов, энергия которых заметно превосходит энергию рентгеновских квантов.

Опыты такого рода позволили установить природу этих составляющих (α, β, γ) радиоактивного излучения.

Характеристики и виды радиоактивных превращений.

отсюда выводится – закон радиоактивного распада.

В едем понятии периода полураспада. Период полураспада это время в течении которого распадается половина числа атомов. , где – число распавшихся к моменту t. Т – период полураспада. Если t=Т, то . Подставим в закон распада: , т.к. то , λ– вероятность распада.

Рассмотрим закономерности α-, β-, γ-распада.

α-распад: , смещение на две клетки влево.

β-распад: , смещение на 1 клетку вправо.

γ-распад: , смещение на 1 клетку влево.

Рассмотрим природу и особенности α-, β-, γ-распада.

I. α-распад.

1. Схема:

2. Природа явления:

Природа полураспада в соответствии с формулой прозрачности, составляет от секунды при большой энергии вылетающих частиц и до миллиардов лет при небольшой энергии вылетающих частиц.

3. Энергия α-распада.

Рассмотрим энергетику α-распада на примере конкретного процесса:

В данном конкретном процессе радиоактивное исходное ядро превращался в ядро , но возможны несколько различных состояний дочернего ядра. Верхнему уровню дочернего ядра на схеме соответствует энергия 0,6 Мэв. Оно оказывается возбужденным состоянии. Нижнему уровню соответствует нулевая энергия – это невозбужденное состояние дочернего ядра. В действительности между 2-я уровнями существует еще 4, т.е. энергетический спектр более сложный.

Если дочернее ядро оказывается в возбужденном состоянии то энергия перехода уменьшается. Через ничтожные доли секунды возбужденное ядро переходит в нормальное состояние с испусканием γ-кванта.

γ-распад (γ-превращение): Мэв

д.я.– дочернее ядро

м.я.– материнское ядро.

Исходя из закона сохранения импульса, и закона сохранения энергии, мы получаем:

;

Мэв; Мэв.

Кроме рассмотренных явлений (дискретный спектр α-излучения, природа γ-излучения) наблюдается еще ряд явлений, связанных с α-распадом. В том случае, когда дочернее ядро оказывается возбужденным, энергия возбуждения обуславливает перестройку ядра в результате которой ядро может испускать p, n, e, α-частицу. При этом д.я. становится материнским и сама образует дочернее ядро. Кроме того, возможно явление ВНУТРЕННЕЙ КОНВЕРСИИ.

В случае внутренней конверсии вышибается электрон из какой-то оболочки за счет энергии ядра. При этом, в тоже время возникает характеристическое рентгеновское излучение. Если электрон вышибается из К-оболочки то возникает К-серия и т.д. (из L-оболочки – L-серия)

2. β-превращение (электронный распад)

И звестно несколько видов β-распада.

1. β^–-распад. (электронный распад)

1. Схема:

2. Природа:

3. Энергетика:

Опыт показывает, что распределение β^–-частиц в данном β-распаде по энергиям соответствует графику.

Из графика видно, что спектр энергий β^–-частиц непрерывный. Выделенному узкому интервалу соответствует некоторая площадка , которая численно равна числу электронов, имеющих энергию в данном интервале . Из графика также видно, что сплошной спектр энергий β^–-частиц ограничен энергией . Оценим эту максимальную энергию

Мэв

Мев

Мэв

Мэв

Мэв

Избыточная энергия процесса распределяется между β^–-частицей и нейтрино по закону случая. Если вылетающее обладает большой энергией, то электрон обладает малой энергией и наоборот.

Мэв

2. β⁺-распад (позитронный распад)

1. Схема:

2. Природа: , В результате процесса, один из ядерных протонов превращается в нейтрон, остающийся в ядре, плюс β⁺-излучение в виде позитрона и нейтрино. Поскольку масса нейтрона превосходит массу протона, самопроизвольно этот процесс не идет, но за счет обмена энергией возможна передача протону дополнительной энергии, которая и обеспечивает соблюдение закона сохранения энергии в рассмотренном процессе.

3. е-захват (К-захват, L-захват).

Происходит захват электрона ядром.

Ядерные реакции.

Рассмотрим в качестве примера первую ядерную реакцию под влиянием α-частицы:

Схема:

Реакция в первые была обнаружена Резерфордом в 1918г.

Под влиянием протонов:

p:

1932 Кокрофт и Уолтон (Англия, лауреаты Н.П. 1952). Они разработали ускоритель протонов. В начале 30-х гг. эти ускорители имели небольшую энергию протонов. В их установке Мэв.

При облучении протонами такой энергии мишени из наблюдалось появление α-частиц и образование атомов гелия (He)

Под влиянием нейтронов:

n:

Т=5730 лет – период полураспада.

Эта ядерная реакция лежит в основе радиоуглеродного метода определения возраста остатков животного и растительного мира.

Деление ядер Цепная реакция деления

Ядро под действием нейтрона раскалывается. Чтобы произвести разрушение, нужна энергия активации. Если нейтрон влетает в ядро и образуется составное ядро, где нейтронов больше на единицу, т.е. на одно. При этом выделяется энергия 7,5 Мэв.

В 1938г. Было сделано важное открытие, немецкие ученые Ганн и Штрассман обнаружили следующее явление: если мишень из чистого урана облучать пучком нейтронов, то в составе мишени появляются элементы средней части таб. Менделеева.

В том же году ученый Фриш и его сотрудница Майтнервысказали предположение, что появление этих ядер и соответственно атомов, связано с делением ядра урана под влиянием нейтронов на осколки.

В дальнейшем эта гипотеза была экспериментально подтверждена и было установлено, что осколки оказываются радиоактивными. В результате цепочки β^–-превращений, образуются устойчивые ядра (атомы) из средней части таб. Менделеева.

Дальнейшие опыты показали, что в большинстве случаев осколки различны по массе. Осколки имеют массы соотносящиеся как 2:3. И только 0,01% от всех распадов соответствует одинаковой массе осколков.

Пусть А=240, число нейтронов N_n=2

Тогда А₁+А₂=А-238 (А-N_n=238)

Пусть А₁=95, то А₂=143

Изотоп урана 235 испытывает деление на осколки под влиянием нейтронов любой энергии и под влиянием быстрых, медленных, средних и тепловых нейтронов эВ (при Т=300К).

А ядро урана 238 делится под действием только нейтронов, энергия которых превосходит 1 Мэв. Если энергия меньше то уран захватывает нейтрон и возникает реакция по схеме:

Для того, чтобы произошел раскол ядра и образовались осколки, необходимо чтобы ядро возбудилось. Эта энергия носит название энергии активации.

В ядерной физики вводится понятие СЕЧЕНИЕ РЕАКЦИИ. σ-сечение реакции.

Некоторые нейтроны захватываются, некоторые пролетают мимо и при разной энергии вероятность захвата изменяется и сечение изменяется. Т.е. взаимодействия разных нейтронов разной энергии с ядром урана 235 имеет следующий вид:

П оэтому при разработке практического использования энергии расщепления ядер урана важно иметь такую закономерность в виду.

Практическое применение атомной (ядерной) энергии впервые было реализовано в 1942г. в США

Ферми разработал первый ядерный реактор на медленных нейтронах, в котором выделялся большое количество тепла.

Курчатов (1946г. СССР) сконструировал ядерный реактор на медленных нейтронах с графитовым замедлителем.

В 1945г. впервые была использована США взрывная ядерная реакция (8 и 9 августа) при нападении на города Хиросима и Нагасаки.

Ядерная энергетика.

I путь деление тяжелых ядер.

Ядерный реактор – устройство, в котором происходит управляемая ядерная реакция. Для того, чтобы ядерная реакция шла в управляемом режиме, необходимо, чтобы коэффициент размножения нейтронов в реакторе ровнялась 1. Если 1,1 то это приведет к взрыву, если 0,9 то – то угасание.

ТВЕЛ – стержни диаметром с карандаш, достаточно длинные порядка 1м, состоящие из естественного урана 238, либо обогащенного урана 235.

Используются сильные поглотители нейтронов Cd – кадмий, B – бор.

II путь синтеза: два легких ядра сливается в более тяжелое. Термоядерный синтез.

Нужно взять два ядра и сближать их до 01^-15м, они объединяться и выбросится большая энергия.

Цикл Бете – это углеродный цикл, протекающий в недрах звезд при условии, что там развивается температура порядка нескольких сот миллионов Кельвинов.

Методы регистрации элементарных частиц.

С четчик Гейгера-Мюллера.

В трубке, газовая смесь под давлением около 100 мм ртутного столба.

Суть заключается в следующем: пусть через счетчик пролетает частица большой энергии. На пути частицы внутри трубки образуется ионы (цепочка). Она закорачивает газоразрядный промежуток.

До пролета частицы, носителей тока нет, и ток отсутствует. В момент пролета появляется носители тока, возникает импульс тока в цепи. За счет большого сопротивления на R ток падает практически до нуля, также и напряжение оказывается близким к нулю и разряд прекращается. Счетчик готов к регистрации новой частицы.

Камера Вильсона. (1912г. Англия).

В нутри цилиндрической камеры находится парогазовая смесь. Пролетая частица ионизирует атомы, возникает цепочка ионов, но ее нельзя увидеть. Если в момент пролета осуществить адиабатическое расширение, температура упадет, пары окажутся пересыщенными. Насыщенные пары должны конденсироваться, необходимо чтобы были центры конденсации. Ионы являются токовыми, если газ пересыщенный то вокрыг ионов образуются капельки воды.

Регистрирующее устройство срабатывает тогда, когда оба счетчика подают импульсы одновременно.

Через 40 лет появилась Пузырьковая камера

Отличается от КВ тем, что она наполнена прозрачной жидкостью, плотность которой в 3 раза больше, чем плотность газопаровой среды в КВ. Жидкость находится под давлением и при температуре, при которой она оказывается перегретой, т.е. должна кипеть, но она не вскипает, потому что она тщательно очищена и не имеет центров парообразования.

Преимущество состоит в том, что можно регистрировать частицы больших энергий, чего нельзя сделать в КВ.

В ысокоточным и экономичным методом оказывается метод толстостенных фотоэмульсий.

Из тонких фотослоев.

Частица создает какое-то изменение.

И скровая камера.

Через одну пластинку создается напряжение.

Внутри вакуум, наполненной газовой смесью, система счетчиков. ГИВН – генератор импульсов высокого напряжения.

Масспектрограф. Они предназначены для исследования изотопического состава атома. Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, которые различаются только массовым числом. Изотопы , Z – const, M – различается.

Рассмотрим масспектрограф Бейбриджа.

,

В 1 камере (фильтор скоростей): – скорость ионов для которых . . Если , то уклонение вправо. Если , то уклонение влево.

В о 2 камере: . . . . Т.к. то . R измеряют по положению линий почернения на фотопластинке и по формуле находят массу.

Ускорители.

Циклотрон (есть плакат).

. . . .

. Т.к. , то . Если – начальная частота, – конечная частота, то . Учитывая СТО .

Имеется постоянный маг. создающий сильное маг. поле. В этом маг. поле располагается корпус из немагнитного металла – чтобы маг. поле проходило. Внутри коробки располагается два дуанта, к ним подключается высокочастотное напряжение. Внутри дуанта Эл. поля нет, оно между ними. Под действием Эл. поля ион набирает скорость, а за счет маг. поля ион накручивает спирали.

Синхротрон . Второй способ увеличения энергии ускоряемых частиц в циклотроне посредством плавного увеличения маг. поля. По мере увеличения скорости и соответственно массы, надо увеличивать маг. поле, при этом продолжается ускорение и мы можем добится увеличения энергии на выходе.

Синхрофазотрон (есть плакат).В лекциях нечего нет.

Метод встречных частиц.

Н аправим две частицы одинаковой массы и энергии против др. друга. При этом . Ускорители работающие на встречных пучках получили названия Коллайдеров. Примерные энергии получаемые в таких ускорителях .

Линейный ускоритель (ЛУ).

Т рубки соединяются через одну, между трубками создается достаточная разность потенциалов. В трубке ускорение не происходит. Длины трубок рассчитаны так, чтобы время пролета внутри трубки при соответственно увеличенной скорости оставалась не низменным и равнялась полупериоду высокочастотного напряжения прилагаемого к этим трубкам по схеме.

Бетатрон (есть плакат).

И меется камера с насаженными электромагнитами. В камеру водятся электроны. Вихревое электрическое поле действуют на электроны и ускоряет их. По мери увеличения скорости разгона, электронами труднее управлять, нужно сильное маг. поле.

Расчеты показали, что для того чтобы удерживать электроны на стабильной орбите, необходимо соблюдение двух условий:

1 . , где <B> – среднее значение индукции по площади, ограниченной пунктирным контуром.; 2. Чтобы внутри торроидальной камеры индукция В изменялась медленнее, чем , где r – радиус орбиты. и . При случайном отскоке возникает возвращающая сила.

Описание структуры раздела: 1. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц. 2. Открытие радиоактивности. 3. Альфа, бета, и гамма излучения. 4. Радиоактивные превращения. 5. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. 6. Изотопы. 7. Открытие нейтрона. 8. Строение атомного ядра. Ядерные силы. 9. Энергия связи атомных ядер. 10. Ядерные реакции. 11. Деление ядер урана. 12. Цепные ядерные реакции. 13. Ядерный реактор. 14. Термоядерные реакции. 15. Применение ядерной энергии. 16. Получение радиоактивных изотопов и их применения. 17. Биологическое действие радиоактивных излучений.

Методика изучения главы: "Физика атомного ядра" (Состав ядра атома, энергетические связи атомных ядер, ядерные силы).

В этой главе учащиеся знакомятся с составом ядра, с взаимным превращением атомных ядер, знакомятся с ядерными силами и с физическими свойствами ядерной энергетики. Необходимо отметить, что английский ученый Чедвик в 1932 году открыл нейтрон, который был предсказан Резерфордом. Это дало возможность ученым Иваненко и Гейзенбергу предложить протонно-нейтронную модель ядра. Согласно этой модели ядро атома состоит из p и n. Массовое число [A=Z+N], Z - количество протонов, N - количество нейтронов .

При знакомстве с p-n моделью ядра необходимо решать задачи по нахождению числа p и n, входящих в состав ядра.

Необходимо ознакомить учащихся со свойствами частиц, входящих в состав ядра. О протоне: m_p=1,007276 а.е.м., e_p=1,6 10-19Кл, частица стабильная, не смотря на это при получении ротон распадается: .

О нейтроне: m_n=1,008665 а.е.м., e_n=0, частица квазистабильная, время жизни 15 минут. При распаде .

Говоря о совойствах протона и нейтрона необходимо ввести современные представления о существовании лишь одной ядерной частицы - нуклона, находящейся в разных зарядовых состояниях: нейтральном (n), заряженном (p), что дает возможность объяснять механизмы p-распада.

Интересным представляется вопрос об оценке плотности ядерного вещества. Предположим, что ядро состоит из частиц примерно одинакового размера и расположенных компактно. Если в ядре A - нуклонов, то V ядра - R₀ - эффективный радиус. R0=(1,4-1,5)10-15м, тогда плотность ..

Плотность ядер веществ всех ядер одинакова.

Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы.

Энергия связи, удельная энергия связи - это новые понятия для учащихся, поэтому им необходимо уделять большое внимание. Для того, что бы учащиеся лучше поняли вопрос о энергии связи, необходимо повторить следующие моменты:

потенциальная энергия - это энергия взаимодействия тел (земля - тело, электрон - ядро).

Существует устойчивая система обладающая энергией связи.

Дают определение: Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны.

На основе закона сохранения энергии можно утверждать, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Затем выдвигается вопрос: "Как найти энергию связи?"

Обращают внимание, что очное измерение масс ядер показывает, что масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя слагающих его протонов и нейтронов. [M_я<Zm_p+Nm_n]

Существует дефект масс: .

Уменьшение массы при образовании ядра из нуклонов означает, что при этом уменьшается энергия этой системы нуклонов на величину энергии связи. .

Необходимо предложить учащимся решать ряд задач по нахождению энергии связи ядер, но для этого необходимо уточнить, что дефекту масс в 1а.е.м. соответствует энергия 931МэВ.

После этого необходимо предложить учащимся рассчитать энергию связи некоторых элементов и убедиться, что в среднем она равна 8 МэВ/кулон, например для Не, энергия вязи 27МэВ. Учитывая, что в ядре входят 4 нуклона найдем удельную энергию связи: 27/4=6,8 МэВ/нуклон. Необходимо это сделать для нескольких элементов, что позволит построить график зависимости удельной энергии связи от массового числа.

Заметим, что элементы, находящиеся в средней части периодической системы А=50..60, т.е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы, имеют максимальную удельную энергию связи 9МэВ/нуклон. Поэтому ядра всех этих элементов наиболее устойчивы.

Затем переходят к ядерным силам. Т.к. ядро весьма устойчиво, то p и n должны удерживаться внутри очень большими силами. Желательно показать учащимся те факты из которых вытекает существование ядерных сил.

План раскрытия материала:

Т.к. размер ядра очень мал, а кулон сила возрастающая пропорционально , то электростатическая сила отталкивания между протонами в ядре велика, между тем ядра атомов устойчивы, это заставляет предположить, что между нуклонами в ядре действуют другие силы - ядерные, которые способны преодолеть силы нуклонового отталкивания между протонами.

Ядерные силы зарядонезависимы, т.е. взаимодействие p с n, n c n, p c p примерно одинаковы.

Ядерные силы короткодействующие. Т.е. действуют на малых расстояниях порядка 1,5 - 2,2 10^-15.

Из того факта, что удельная энергия связи не возрастает в ядрах пропорционально числу нуклонов А, следует, что для ядерных сил характерно насыщение, т.е. каждый нуклон взаимодействует лишь с ближайшими соседями, а не со всеми А-1 нуклонами, находящимися в ядре.