KVANTU FIZIKA
Kvantu fizika - fizikas nozare, kas pēta mikropasaulei raksturīgas parādības, t.i. objekti, kuru izmēri ir 10–10 m un mazāki. Mikrokosmosā notiekošo parādību specifika galvenokārt slēpjas neiespējamībā tieši, t.i. caur maņām (galvenokārt redzi), lai iegūtu informāciju par notiekošajiem procesiem. Lai aprakstītu mikropasaules parādības, ir nepieciešamas principiāli jaunas pieejas un metodes, kas balstītas uz eksperimentāli izmērītiem lielumiem.
Pirms kvantu fizikas dzimšanas notika dramatiska situācija, kas fizikā izveidojās 19. gadsimta pašās beigās. Klasiskā fizika nespēja adekvāti aprakstīt līdzsvara starojuma spektru. Tolaik termiskais starojums tika uzskatīts par plakanu viļņu kopumu, un tā teorētiskais apraksts labi saskanēja ar eksperimentu. Tomēr augstās frekvencēs paredzamajam starojuma enerģijas blīvumam vajadzētu palielināties līdz bezgalībai. Šo situāciju sauca par "ultravioleto katastrofu".
Negaidītu izeju no situācijas piedāvāja vācu fiziķis Makss Planks (Max Karl Ernst Ludwig Planck). Viņa ideja bija tāda, ka starojums notiek atsevišķos kvantos un elektromagnētiskā viļņa enerģija nevar būt patvaļīga, kā tika uzskatīts klasiskajā fizikā, bet tai ir jāpieņem noteiktas vērtības, kas ir proporcionālas noteiktai ļoti mazai vērtībai h (vienāds ar 6,63 10 -34). J s), kas pēc tam tika nosaukts Planka konstante. Tad kopējo enerģijas blīvumu vairs nevar uzskatīt par nepārtrauktu vērtību, bet gan sastāv no daudzām enerģijas daļām (kvantiem), kuru summa nevar būt tik liela, kā prognozēja klasiskās hipotēzes. Radiācijas blīvuma problēma un “ultravioletā katastrofa” tika veiksmīgi atrisināta. Par enerģijas kvantu atklāšanu 1918. gadā Maksam Plankam tika piešķirta Nobela prēmija.
Kvantu ieviešana ļāva atrisināt vairākas citas problēmas, ar kurām zinātne tolaik saskārās. Izmantojot Planka ideju par enerģijas kvantu, Alberts Einšteins 1905. gadā atvasināja fotoelektriskā efekta vienādojumu E = hν + W, kur E ir elektronu kinētiskā enerģija, ν ir elektromagnētiskā starojuma frekvence, h ir Planka konstante un W. ir elektronu darba funkcija noteiktai vielai. Svarīgākais sasniegums šajā gadījumā bija elektromagnētiskā starojuma enerģijas ieviešana atkarībā no starojuma frekvences (vai viļņa garuma), kas noveda pie sekojošas elektromagnētisko viļņu skalas izveidošanas.
Kvanta ideja noveda pie secinājuma par mikrokosmosā notiekošo parādību diskrēto raksturu, ko vēlāk izmantoja atomu un atomu kodolu enerģijas līmeņu izpētē.
Dažādu veidu daļiņu viļņa garuma atkarība no to enerģijas
(kodolvienības - MeV = 1,6 · 10 -13 J, fm = 10 -15 m)
Vēl viena svarīga mikropasaules parādību diskrētuma sekas bija Luisa de Brolija (1929) atklājums par viļņu-daļiņu dualitātes universālumu, t.i. tas, ka mikropasaules objektiem ir gan viļņveida, gan korpuskulāra daba. Tas ļāva ne tikai izskaidrot vairākas parādības, kas saistītas ar daļiņu mijiedarbību ar vielu (piemēram, daļiņu difrakciju), bet arī tālāk attīstīt metodes starojuma izmantošanai, lai ietekmētu daļiņas, kā rezultātā tika izveidots galvenais mūsdienu. līdzeklis matērijas izpētei - paātrinātāji.
20.gadsimta 20.gadu otrajā pusē tika izveidots teorētiskais aparāts kvantu parādību aprakstīšanai - kvantu mehānika. Nozīmīgāko ieguldījumu tās tapšanā devuši Verners Heizenbergs, Ervīns Šrēdingers, Nīls Bors, Pols Diraks, Volfgangs Pauli, Makss Borns un citi.
Kvantu mehānika ir atsevišķa, labi attīstīta mūsdienu fizikas daļa. Tā dziļai asimilācijai ir nepieciešama laba matemātiskā apmācība, kas daudzās universitātēs pārsniedz fizikas kursu. Tomēr kvantu mehānikas pamatjēdzienu skaidrojumi nav tik sarežģīti. Šie pamatjēdzieni, pirmkārt, ietver kvantēšanas fizisko nozīmi, nenoteiktības principu un viļņu funkciju.
Stāvokļu diskrētuma fiziskā nozīme mikrokosmosā, pirmkārt, ir saistīta ar Planka konstantes fizisko nozīmi. Nosaka tā izmēra mazums mijiedarbības mērogs mikrokosmosā. Patiešām, pārejot uz makropasauli un klasiskajiem jēdzieniem, tādi daudzumi kā Planka konstante kļūst nenozīmīgi mazi, un vairumā gadījumu mēs tos uzskatām par nulli. Šajā gadījumā notiek tā sauktā pāreja uz robežu, t.i. klasiskās fizikas principus var uzskatīt par ekstrēmu kvantu fizikas versiju, kad mikropasaules mērogā milzīgo makroobjektu masas, izmēri un citi parametri samazina līdz nullei tās mijiedarbības, kas ir nozīmīgas mikropasaulē. Līdz ar to var teikt, ka Planka konstante ir savienojošā saikne starp mikro un makro pasaules parādībām.
Īpaši labi to var redzēt piemērā par stāvokļu diskrētumu mikrokosmosā. Piemēram, starpība starp atoma enerģijas stāvokļiem var būt elektronvolta desmitdaļas (mikrokosma enerģijas vienība, kas vienāda ar 1,6·10 -19 J). Pietiek atcerēties, ka vienas glāzes ūdens uzvārīšanai nepieciešami desmitiem kilodžoulu, un kļūst skaidrs, ka no klasiskās fizikas viedokļa šāda diskrētība ir absolūti nemanāma! Tāpēc mēs varam runāt par to procesu nepārtrauktību, kas mūs ieskauj, neskatoties uz ilgstošu un konsekventi apstiprinātu to parādību diskrētumu, kas notiek atomos un atomu kodolos.
Tā paša iemesla dēļ tāds mikropasaules fizikas pamatprincips kā nenoteiktības princips, ko ierosināja V. Heizenbergs 1927. gadā
Zemāk redzamais attēls izskaidro nepieciešamību ieviest nenoteiktības principu mikropasaulē un šīs vajadzības neesamību makropasaulē.
Patiešām, ārējā avota (gaismas) ietekmes pakāpe uz makroobjektu (statuju) nav samērīga ar tā parametriem (piemēram, masa, kas pārvērsta līdzvērtīgā enerģijā). Nav jēgas runāt par to, kā var krītošs gaismas fotons ietekmēt, piemēram, statujas koordinātas telpā.
Cita lieta, kad mikroobjekts kļūst par ietekmes objektu. Elektrona enerģija atomā ir desmitiem (retāk vairāk) elektronu voltu, un trieciena pakāpe ir diezgan proporcionāla šai enerģijai. Tādējādi, mēģinot mērīt precīzi jebkurš mikroobjekta parametrs (enerģija, impulss, koordināte), mēs saskarsimies ar to, ka pats mērīšanas process mainīs izmērītos parametrus, turklāt ļoti spēcīgi. Tad jāatzīst, ka ar jebkādiem mērījumiem mikrokosmosā mēs nekad nevarēsim veikt precīzus mērījumus. Vienmēr radīsies kļūda, nosakot sistēmas pamatparametrus. Nenoteiktības principam ir matemātiska izteiksme formā nenoteiktības attiecības, piemēram, ΔpΔx ≈ ћ, kur Δp ir impulsa noteikšanas nenoteiktība, un Δx ir nenoteiktība, nosakot sistēmas koordinātas. Ņemiet vērā, ka Planka konstante labajā pusē norāda uz nenoteiktības principa pielietojamības robežas, jo makrokosmosā mēs to varam droši aizstāt ar nulli un veikt precīzus jebkura lieluma mērījumus. Nenoteiktības princips liek secināt, ka nav iespējams precīzi iestatīt kādu sistēmas parametru, piemēram, nav jēgas runāt par precīzu daļiņas atrašanās vietu telpā. Šajā sakarā jāatzīmē, ka plaši izplatītais atoma attēlojums kā elektronu kopums, kas rotē noteiktās orbītās ap kodolu, ir vienkārši nodeva cilvēka uztverei par apkārtējo pasauli, vajadzība pēc sava veida vizuāliem attēliem. sevis priekšā. Realitātē nav skaidru trajektoriju – orbītu atomā.
Tomēr var uzdot jautājumu - kas tad ir mikropasaules sistēmu galvenā īpašība, ja nav definēti tādi parametri kā enerģija, impulss, mijiedarbības (vai pastāvēšanas) laiks, koordinātas? Tāds universāls daudzums ir viļņu funkcija kvantu sistēma.
Viļņu funkcijai ψ, ko Max Born ieviesa, lai noteiktu kvantu sistēmas raksturlielumus, ir diezgan sarežģīta fiziska nozīme. Vēl viens skaidrāks lielums ir viļņu funkcijas kvadrātveida modulis |ψ| 2. Šī vērtība nosaka, piemēram, varbūtība ka kvantu sistēma atrodas noteiktā laika punktā. Kopumā varbūtības princips ir būtisks mikropasaules fizikā. Jebkuru notiekošu procesu galvenokārt raksturo tā rašanās varbūtība ar noteiktām iezīmēm.
Viļņu funkcija dažādām sistēmām ir atšķirīga. Papildus zināšanām par viļņu funkciju, lai pareizi aprakstītu sistēmu, ir nepieciešama informācija arī par citiem parametriem, piemēram, lauka, kurā sistēma atrodas un ar kuru tā mijiedarbojas, raksturlielumiem. Šādu sistēmu izpēte ir tieši viens no kvantu mehānikas uzdevumiem. Faktiski kvantu fizika veido valodu, ar kuru mēs aprakstām savus eksperimentus un rezultātus mikropasaules izpētē, kas ir vispārīgāka nekā klasiskā teorija. Tajā pašā laikā ir svarīgi saprast, ka kvantu fizika neatceļ klasisko fiziku, bet satur to kā ierobežojošu gadījumu. Pārejot no mikroobjektiem uz parastiem makroskopiskiem objektiem, tā likumi kļūst par klasiskiem un līdz ar to kvantu fizika nosaka klasiskās fizikas pielietojamības robežas. Pāreja no klasiskās fizikas uz kvantu fiziku ir pāreja uz dziļāku matērijas apsvēršanas līmeni.
Mikrokosmosā notiekošie procesi attiecas uz parādībām, kas gandrīz pilnībā pārsniedz sensorās uztveres robežas. Tāpēc jēdzieni, ar kuriem darbojas kvantu teorija, un parādības, ko tā uzskata, bieži vien nav skaidras. ,
raksturīgs klasiskajai fizikā. Attīstoties kvantu teorijai, šādas šķietami acīmredzamas un pazīstamas idejas par daļiņām un viļņiem, diskrētiem un nepārtrauktiem, statistiskiem (varbūtības) un dinamiskiem aprakstiem tika pārskatīti. Kvantu fizika ir kļuvusi par vissvarīgāko soli mūsdienu fiziskā pasaules attēla veidošanā. Tas ļāva paredzēt un izskaidrot milzīgu skaitu dažādu parādību - no procesiem, kas notiek atomos un atomu kodolos, līdz makroskopiskiem efektiem cietās vielās; bez tā nav iespējams, kā šķiet tagad, saprast Visuma izcelsmi. Kvantu fizikas klāsts ir plašs – no elementārdaļiņām līdz kosmiskiem objektiem. Bez kvantu fizikas nav iedomājamas ne tikai dabaszinātnes, bet arī mūsdienu tehnoloģijas.
ATOMA FIZIKA
1885. gadā Dž.Dž.Tomsons atklāja elektronu, pirmo objektu mikrokosmosā. Tika likts sākums jaunas zinātnes nozares - atomu fizikas - rašanās. Jau 20. gadsimta sākumā bija vairāki atoma uzbūves modeļi, no kuriem slavenākais piederēja pašam J. J. Tomsonam. Pamatojoties uz šo modeli, atoms bija pozitīvs lādiņš, kas lokalizēts nelielā tilpumā, kurā, tāpat kā rozīnēs kēksā, atradās elektroni. Šis modelis izskaidroja vairākus novērotos efektus, bet nevarēja izskaidrot citus, jo īpaši līniju atomu spektru parādīšanos. 1911. gadā Tomsona tautietis Ernests Raterfords mēģināja atbildēt uz jautājumu par atoma uzbūvi.
Eksperimenta dizains bija vienkāršs - svina blokā tika ievietots avots, radioaktīva viela, kas izstaro hēlija kodolus. Uzlādētās daļiņas izgāja cauri plānajai zelta folijai un tika izkliedētas, mijiedarbojoties ar zelta atomiem. Pēc tam izkliedētās daļiņas ietriecās ekrānā, kas pārklāts ar vielu, kurā tās izraisīja scintilācijas (uzliesmojumus). Ideja bija tāda, ka, ja Tomsona atoma modelis būtu pareizs, mijiedarbība notiktu aptuveni vienādi visos leņķos gar daļiņu ceļu. Patiešām, lielākā daļa daļiņu skāra ekrānu, vāji mijiedarbojoties ar folijas materiālu. Bet neliela (apmēram 8 daļiņas no tūkstoša) daļa no tiem piedzīvoja spēcīgu izkliedi ATPAKAĻ, it kā saduroties ar kaut kādu lādiņu, kas koncentrēts atoma vidū. Pēc daudziem eksperimentiem Rezerfords secināja, ka Tomsona modelis ir nepareizs. Viņš ierosināja modeli, ko vēlāk sauca par planētu. Centrā nelielā tilpumā ir koncentrēts viss pozitīvais lādiņš (kodols), ap to atrodas elektroni.
Rezerforda modelis bija labs, taču tas joprojām neatbildēja uz vairākiem jautājumiem. Piemēram, kā notiek atomu starojums (luminiscence)? Kādos apstākļos atomi izstaro dažādus gaismas fotonus? No kā tas ir atkarīgs? Vai atomu emisija ir saistīta ar elektronu uzvedību tajos? Atbildes uz šiem jautājumiem divus gadus vēlāk sniedza izcilais dāņu fiziķis Nīls Henriks Deivids Bors.
N. Bora attēls uz Dānijas 500 kronu banknotes.
Bors izstrādāja planētu modeli, liekot domāt, ka katram elektronam atomā ir noteikts enerģijas stāvoklis (ko var ļoti aptuveni raksturot kā elektronu, kas atrodas kādā orbītā, kamēr atoms atrodas viszemākajā enerģijas stāvoklī, tas nevar izstarot). Saņemot enerģiju no ārpuses, elektroni var mainīt savu enerģijas stāvokli (pāriet uz citu orbītu) vai pat atstāt atomu (jonizācija). Atgriežoties savā vietā (vai orbītā), liekā enerģija tiek atbrīvota raksturīgā starojuma veidā (fotons ar jebkuru enerģiju). Atoms "pēc Bora domām" atbildēja uz visiem jautājumiem, kas radās pēc pirmo atomu modeļu izveides. Eksperimentālais atomu pētījums veiksmīgi apstiprināja Bora modeli un, starp citu, kvantu prognozes par enerģiju diskrētumu atomā. 1922. gadā Nīls Bors saņēma Nobela prēmiju par darbu atomu uzbūves un to starojuma izstrādē.
Jau pagājušā gadsimta 20. gados atoms tika labi pētīts. Panākumus veicināja arī tas, ka savienojums starp atoma komponentiem - kodolu un elektroniem tika veikts, pateicoties labi zināmajam Kulona potenciālam. 20. gadu beigās radās kvantu teorija, kas apraksta vairākus atomus un to uzvedības modeļus.
Atomi ir elektriski neitrālas kvantu sistēmas, kuru raksturīgie izmēri ir 10-10 m. Katrs atoms satur kodolu, kurā ir koncentrēts atoma pozitīvais lādiņš un ir koncentrēta gandrīz visa (vairāk nekā 99,9%) atoma masa. Negatīvs lādiņš tiek sadalīts starp elektroniem, to skaits ir vienāds ar pozitīvi lādētu kodoldaļiņu (protonu) skaitu kodolā. Kad atomam tiek pielietota noteikta enerģija, ko sauc par jonizācijas enerģiju, viens no elektroniem atstāj atomu. Atlikušo pozitīvi lādēto daļu sauc jonu, un šis process ir jonizācija. Apgriezto procesu sauc par rekombināciju, un to pavada fotona emisija ar enerģiju, kas atbilst atoma enerģijas atšķirībām pirms un pēc rekombinācijas.
Jonizācija ir process, kas pastāvīgi notiek ap mums. Jonizācijas avoti ir kosmiskais starojums, dažādi instrumenti un ierīces un radioaktīvie avoti.
Pamatojoties uz iepriekš aprakstītajām atomu īpašībām, darbojas liels skaits tehnisko ierīču. Piemērs, ar kuru mēs sastopamies katru dienu, ir dienasgaismas spuldzes. Tieši gāzes mirdzums, kas rodas jonu rekombinācijas rezultātā, izraisa gaismas emisiju šajās ierīcēs.
Pagājušā gadsimta 50. gados, pētot vairāku atomu stimulētās fotonu emisijas īpašības, tika izstrādāti optiskā starojuma pastiprinātāji - lāzeri. (no saīsinājuma Gaismas pastiprināšana ar stimulētu starojuma emisiju – gaismas pastiprināšana ar stimulētu emisiju). Lāzers nav optiska ierīce kā Arhimēda leģendārie spoguļu vairogi, bet gan kvantu ierīce, kas izmanto atomu līmeņu struktūru, lai optiski pastiprinātu starojumu. Lāzera galvenā priekšrocība ir tā radītā starojuma augstā vienkrāsainība (t.i., visiem izstarotajiem fotoniem ir gandrīz vienāds viļņa garums). Šī iemesla dēļ lāzeri pašlaik tiek plaši izmantoti rūpnieciskajā un plaša patēriņa elektronikā un tehnoloģijās, medicīnā un citās jomās.
ATOMA KODOLA FIZIKA
1911. gadā Ernests Raterfords ierosināja savu atoma modeli, kura centrā atradās objekts ar izmēriem aptuveni 10 -15 - 10 -14 m, kas satur gandrīz visu atoma masu. Šis objekts tika nosaukts atoma kodols. Tomēr nav pārsteidzoši, ka atoma kodola izpēte sākās daudz agrāk, 19. gadsimta beigās. Tiesa, tajā laikā atomu kodolu īpašības tika attiecinātas uz atomiem, kuru struktūra nebija precīzi zināma.
IN 
1896 Antuāns Bekerels, pētot dažu smago metālu atomu starojumu, nonāca pie secinājuma, ka to izstarotajām daļiņām atšķirībā no gaismas ir tendence iekļūt blīvās vielās. Pēc 3 gadiem, turpinot eksperimentus ar radioaktīvām vielām, Ernests Rezerfords ievietoja urāna rūdu magnētiskajā laukā un konstatēja, ka primārais stars sadalījās 3 daļās, viena veida daļiņas novirzījās magnēta ziemeļpola virzienā, otrais - dienvidu virzienā, un trešais pagāja bez izmaiņām . Vēl nezinot šo starojumu būtību, Rezerfords tos nosauca pēc pirmajiem trim grieķu alfabēta burtiem – α, β un γ. Papildus Bekerelam un Rezerfordam līdzīgus pētījumus veica arī Kirī laulātie Pjērs un Marija (Sklodovska-Kirī). Marija Kirī sniedza milzīgu ieguldījumu atomu kodolu radioaktivitātes izpētē, bija pirmā, kas ieguva metālisko rādiju un bija starp tiem zinātniekiem, kas radīja eksperimentālo kodolfiziku. Viņa ir vienīgā zinātniece, kurai ir piešķirtas divas Nobela prēmijas (ķīmijā un fizikā).
Tomēr reāls progress atoma kodola fizikas attīstībā notika pēc kvantu mehānikas radīšanas. Galu galā pēc 1911.–13. Rezerfords un Bors atklāja atoma uzbūvi, radās jautājums – kāda ir atoma kodola uzbūve? Rezerfords mēģināja uz to atbildēt, diriģējot 1918.–21. eksperimenti par vieglo atomu kodolu izpēti. Tas bija viņš, kurš pirmo reizi 1919. gadā veica kodolreakcija un atvēra protonu
14 N + 4 He → 17 O + p
Slāpeklis, mijiedarbojoties ar hēlija kodoliem (α-daļiņām), tika pārveidots par skābekli un ūdeņradi. Patiesībā Rezerfords bija pirmais, kurš panāca to, par ko sapņoja viduslaiku alķīmiķi – vienas vielas pārtapšanu citā.
Protona emisija no kodola apstiprināja ideju par protonu klātbūtni kodolā. Tajā pašā laikā kļuva skaidrs, ka kodolu masas ir daudz lielākas nekā tad, ja tās sastāvētu no vajadzīgā protonu skaita. Tad radās ideja par kodola protonu-elektronu modeli, elektroni kodolā kompensēja dažu tur esošo protonu lādiņu, kā saka, “svara dēļ”.
Kvantu mehānikas panākumi ļoti drīz noveda pie tā, ka tika apšaubīta elektronu eksistences iespēja kodolos - saskaņā ar nenoteiktības principu elektronam, kas ievietots kodolā, vajadzēja būt pārāk daudz enerģijas un to nevarēja tur noturēt. . 1931. gadā Heisenbergs, Ivanenko un Majorana neatkarīgi viens no otra ierosināja ideju par "neitrālu protonu" - smago daļiņu bez lādiņa, kas atrodas atoma kodolā. Galīgā skaidrība nāca 1932. gadā, kad Džeimss Čedviks atklāja neitronu– neitrāla daļiņa, kuras masa ir aptuveni vienāda ar protona masu. Tādējādi mūsdienu protonu-neitronu modelis atoma kodols.
Galvenais trūkums mūsu zināšanās par atoma kodolu ir precīzas formas trūkums kodolpotenciāls, kas saista nukleonus. Kodolfizikā vissvarīgākā ir pilnīgas kodola teorijas izveides problēmas risināšana. Tajā pašā laikā mēs daudz zinām par atoma kodola uzbūvi.
Atomu kodols ir objekts, kura izmēri ir 10-15 m, kas sastāv no divu veidu daļiņām - protoniem un neitroniem. To masa ir aptuveni 1,7–10–27 kg, un neitrons ir par 0,14% smagāks par protonu. Sakarā ar īpašību līdzību (izņemot lādiņa klātbūtni), abas daļiņas bieži sauc par vārdu “ nukleons».
Pašlaik ir zināmi aptuveni 3400 atomu kodoli. 330 no tiem ir stabili, pārējie var spontāni pārveidoties citos kodolos (radioaktīvos) diezgan īsā laikā. Tiek saukti kodoli, kuriem ir vienāds protonu skaits, bet atšķirīgs neitronu skaits izotopi tas pats elements. Piemēram, ūdeņradim ir trīs izotopi – pats ūdeņradis, deitērijs un radioaktīvais tritijs. Bet alvai ir vairāk nekā 30 izotopu, no kuriem lielākā daļa ir radioaktīvi.
Atomu kodols ir kvantu sistēma, kas pakļaujas kvantu fizikas likumiem. Atomu kodolam ir diskrēta enerģijas struktūra. Tiesa, tam nav “planētas” struktūras, kā atomam, taču ir arī dažādas nukleonu enerģētiskās pozīcijas, ko sauc par enerģijas līmeņiem. Saņemot enerģijas daļu, kodolā esošie nukleoni pāriet uz augstākas enerģijas stāvokli, un, atgriežoties atpakaļ, tie izstaro enerģiju fotonu veidā ar īsu viļņa garumu. Šādus kodolfotonus parasti sauc par γ -kvanti. Sasniedzot enerģiju sauc nukleonu atdalīšanas enerģija, kodols var izgrūst nukleonu, mainot tā sastāvu un īpašības. Dažādu veidu nukleonu skaits kodolā un to enerģētiskais stāvoklis nosaka atomu kodolu īpašības un fundamentālākas īpašības. Piemēram, elementu pārpilnība Visumā ir precīzi izskaidrojama ar atomu kodolu kvantu īpašībām.
Kad nukleoni apvienojas kodolos, tiek novērots interesants efekts - iegūtā kodola masa izrādās nedaudz (apmēram 1%) mazāka nekā to veidojošo nukleonu masa. Atšķirība starp nukleonu masu un kodola masu veicina nukleonu saistīšanos kodolā, un tāpēc to sauc saistošā enerģija
E св = ZМ p с 2 + (A-Z)М n с2 − М i с 2,
kur Z ir kodollādiņš, A ir masas skaitlis(nukleonu skaits kodolā)
Saistošā enerģija ir ārkārtīgi svarīgs lielums, kas arī nosaka daudzas kodolu īpašības. Tikpat svarīgs daudzums ir specifiskā saistīšanas enerģija, t.i. saistīšanās enerģijas attiecība pret nukleonu skaitu
Īpatnējās saistīšanas enerģijas atkarība no nukleonu skaita
Var atzīmēt, ka šai atkarībai ir skaidrs maksimums 56 Fe kodola reģionā (tāpēc to sauc arī par “dzelzs maksimumu”). Šim apstāklim bez pārspīlējuma ir milzīga praktiska nozīme.
Pagājušā gadsimta 30. gadu beigās, pētot smagos kodolus, tika noteikts pakāpeniskas īpatnējās saistīšanas enerģijas samazināšanās modelis. Tā rezultātā, šai vērtībai samazinoties, kodols kļūst nestabilāks un “vaļīgāks”. Turklāt ar noteiktu triecienu tas var sākt izmest nukleonus vai pat sabrukt. 1939. gadā vācu fiziķi Otto Hāns un Frics Strasmans, apstarojot urāna sāļus ar termiskiem neitroniem, starp reakcijas produktiem atklāja bāriju. Tas nozīmēja, ka ļoti mazā ietekmē (termisko neitronu enerģija atbilst gāzes molekulu enerģijai istabas temperatūrā) viens no urāna izotopiem spēj sadalīties. Tomēr galvenais nebija tas, bet gan tas, ka, kā izriet no iepriekš minētās diagrammas, iegūtajiem fragmentu kodoliem būs daudz lielāka īpatnējā saistīšanās enerģija, t.i. būs ciešāk savienots. Tāpēc skaldīšanas laikā būs enerģijas atšķirība, un šī atšķirība tiks atbrīvota. Nākamā pusotra desmitgade lika šo atklājumu praktiski izmantot. 1942. gadā pirmais kodolreaktors(ASV), pirmais tika uzspridzināts 1945. gadā kodolbumba(ASV), 1954. gadā - tika palaista pirmā atomelektrostacija (PSRS).
Kā praktiski tiek atgūta enerģija no skaldīšanas? Iedomāsimies, ka mums ir pietiekams daudzums vielas parauga, kas sadalās ar nelielu triecienu (termiskie neitroni). Pēc pirmā skaldīšanas akta papildus fragmentu kodoliem tiks atbrīvoti vairāki neitroni ar daudz lielāku enerģiju nekā termiskajiem neitroniem. Tie sadalīs savā ceļā sastaptos kodolus, šī procesa rezultātā katrā jaunā sadalītajā kodolā veidosies jauni neitroni, kas savukārt sadalīs jaunus kodolus utt. Procesam būs lavīnai līdzīgs raksturs, un šī iemesla dēļ to sauc ķēdes reakcija nodaļa.
Līdzīgs process tiek realizēts kodollādiņā un noved pie kolosālas enerģijas izdalīšanās īsā (vairākās milisekundēs) laikā. Vairāku kilogramu smaga lādiņa, piemēram, 239 Pu, sprādziens ir līdzīgs vairāku simtu kilotonnu (!) parasto sprāgstvielu sprādzienam.
Tomēr ir veids, kā pagarināt šo procesu laika gaitā. Ja paskatās uz ķēdes reakcijas diagrammu, jūs varat redzēt, ka svarīgs faktors ir neitronu skaits, kas sadala kodolus. Tāpēc, ievietojot skaldmateriālā vielu, kas spēj uztvert neitronus (absorbētāju), ir iespējams šo procesu pietiekami palēnināt, lai varētu noņemt atbrīvoto enerģiju, liekot tai, piemēram, uzsildīt ūdeni līdz vārīšanās temperatūrai un lietot tvaiks, lai rotētu spēkstacijas (AES) turbīnu. Mūsdienu atomelektrostacijas izmanto oglekli (grafītu) kā absorbētāju.
Ja tagad paskatās uz kodolu reģionu, kas atrodas pa kreisi no “dzelzs maksimuma”, jūs pamanīsit, ka to īpatnējā saistīšanās enerģija vidēji izrādās pat zemāka nekā pašiem kodoliem. Tādējādi vieglajiem kodoliem ir iespējams process, kas ir apgriezts dalīšanai — saplūšana. Šajā gadījumā, tāpat kā skaldīšanas gadījumā, tiks atbrīvota enerģija. Sintēzes reakcijas ietver, piemēram, deitērija kodolu saplūšanu, veidojot hēliju.
2 H + 2 H → 3 He + n
 Termonukleārā reakcija |
Problēma, kā to viegli var redzēt, ir tā, ka visos gadījumos mums ir jārisina līdzīgi lādētu objektu saplūšana, t.s. Kulona barjera, kuras pārvarēšanai vēl jātērē enerģija. To visvieglāk var panākt, karsējot sintezētās vielas līdz ļoti augstai (miljoniem grādu) temperatūrai. Zemes apstākļos tas ir iespējams tikai kodolsprādziena laikā. Tādējādi, ievietojot kodollādiņu vieglo elementu apvalkā, ir iespējams iegūt nekontrolētu saplūšanas reakciju vai (izraisošo augsto temperatūru dēļ) kodoltermiskā reakcija. Pirmo reizi šāda reakcija (termonukleārās bumbas sprādziens) tika veikta 1953. gadā (PSRS).
Dabā kodoltermiskās reakcijas notiek zvaigznēs, kur pastāv visi nosacījumi Kulona barjeras “izlaušanai”. Turklāt spēcīgākā gravitācijas saspiešana veicina arī saplūšanas reakciju ar smagāku elementu veidošanos, līdz pat dzelzs.
Kontrolētas kodolsintēzes ieviešanas problēma joprojām ir neatrisināta un viena no vissteidzamākajām atoma kodola fizikā, jo tā ļauj izmantot lētu degvielu gandrīz neierobežotā daudzumā, neradot nekādas kaitīgas sekas videi.
Kā jau minēts, atoma kodola sastāvs lielā mērā nosaka tā īpašības. Viens no redzamākajiem kodola raksturlielumiem, kas ietekmē kodolu uzvedību, ir attiecība starp neitroniem un protoniem atomu kodolos. Tas vislabāk redzams t.s N-Z diagramma.
Atomu kodolu N-Z diagramma.
Diagrammā var redzēt vairākus pamanāmus apgabalus. Viena no tām ir centrālā daļa, šaura kodolu sloksne, kas iezīmēta ar melnu krāsu. Šī ir tā sauktā “stabilitātes ieleja”, stabilu kodolu reģions, kas nav pakļauts sabrukšanai. Palielinoties neitronu skaitam (pa labi no stabilitātes ielejas), atrodas zilā krāsā apzīmētie kodoli. Ja ir neitronu pārpalikums, kodola enerģija palielinās un kļūst iespējams “atgriezties” stabilitātes ielejā, pārvēršot vienu no neitroniem protonā.
n → p + e - + e.
Šo procesu sauc β-mīnus sabrukšana. Neitrons pārvēršas par protonu, elektronu un elektroniski. Neitrons var piedzīvot šo sabrukšanu ārpus kodoliem. Šādas sabrukšanas rezultātā kodols palielina savu lādiņu, virzoties uz stabilitātes reģionu.
Sarkanais apgabals ir kodolu reģions ar protonu pārpalikumu. Viņi īsteno apgriezto procesu:
p → n + e + + ν e
sauca β-plus sabrukšana. Protons pārvēršas par neitronu, pozitronu un elektronu neitrīno (pēdējās divas daļiņas ir elektrona un antineitrono “antipodi”). Jāņem vērā, ka tā kā protona masa ir mazāka par neitrona masu, šāda sabrukšana notiek tikai kodolos brīvā stāvoklī, protons ir stabils.
Dzeltenais laukums diagrammā ir smago nestabilo kodolu laukums. Tiem ir raksturīgs cits sabrukšanas veids - α-daļiņu emisija (4 He kodoli) vai α sabrukšana, Šāda veida sabrukšana izraisa gan lādiņa, gan masas skaita samazināšanos un kodola “pārvietošanos” uz vieglāku kodolu reģionu. Dažreiz tas noved pie sabrukšanas ķēdes. Piemēram,
226 Ra → 222 Rn + 4 He; 222 Rn → 208 Po + 4 He; 208 Po → 204 Pb + 4 He,
kur pēdējais jau ir stabils kodols.
Daudzos gadījumos sabrukšanas rezultātā radušajam kodolam ir enerģijas pārpalikums un tas tiek atbrīvots no tā, izstarojot γ-kvantu, kas notiek γ pāreja kodolā (dažreiz ne gluži pareizi sauc par γ-sabrukšanu).
Visām kodolieroču sabrukšanām ir raksturīgas savas īpašības, kas saistītas ar sabrukšanas iespējamību, emitēto daļiņu veidu un to enerģiju. Tomēr pastāv vispārīgi sabrukšanas likumi, kas tika izveidoti Bekerela un Kirī darba laikā. Galvenais ir Radioaktīvās sabrukšanas likums.
N(t) = N 0 e -λt ,
kur N ir radioaktīvo kodolu skaits paraugā noteiktā brīdī, N 0 ir radioaktīvo kodolu skaits noteiktā sākuma laikā, un λ ir tā sauktā sabrukšanas konstante, kas raksturo sabrukšanas iespējamību. Samazinājuma konstante nav īpaši ērta praktiskai lietošanai, tāpēc bieži tiek izmantota cita vērtība, T 1/2 - Pus dzīve, kas raksturo laiku, kurā aktīvo kodolu skaits samazinās 2 reizes. Sabrukšanas konstante un pussabrukšanas periods ir saistīti ar attiecību
Dažādu radioaktīvo avotu kodolu pussabrukšanas periods var būt no milisekundēm līdz miljardiem gadu. Turklāt svarīgs raksturlielums ir avota aktivitāte (vai tā masa), kas raksturo sabrukšanas intensitāti noteiktā laikā. Ap mums pastāvīgi atrodas dažāda veida radioaktīvie kodoli, un cilvēka organismā pastāvīgi atrodas divi radioaktīvie izotopi – 40 K un 14 C.
DAĻĻU FIZIKA
Daļiņu fizika, iespējams, ir viena no dinamiskākajām fizikas nozarēm. Vismaz ir grūti nosaukt kādu citu dabaszinātņu jomu, kurā priekšstati par apkārtējo pasauli pirms 40–50 gadiem būtu tik atšķirīgi no tiem, kādi mums ir tagad. Tas, pirmkārt, ir saistīts ar izmaiņām priekšstatos par fundamentālām daļiņām un mijiedarbību, kas šajā laikā notika matērijas eksperimentālo un teorētisko pētījumu gaitā. Kādi tagad ir daļiņu fizikas pamatprincipi?
Fundamentālās daļiņas− daļiņu kopums, kas šobrīd ir matērijas elementārās sastāvdaļas. Pagājušā gadsimta 20. gados bija tikai divas šādas daļiņas (un daļiņas kopumā) - protons un elektrons. Jau 50. gados kopējais zināmo daļiņu skaits tuvojās diviem desmitiem, un daudzas no tām tika uzskatītas par bezstrukturālām. Tagad kopējais daļiņu skaits ir simtos, bet tikai dažas ir patiesi būtiskas. Visas pamatdaļiņas var iedalīt vairākās lielās grupās.
Kvarki. Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām šī ir galvenā matērijas sastāvdaļa, tās veido vairāk nekā 95% no visas redzamās matērijas. Kvarkus iedala 6 tipos (garšos), no kuriem katram ir savas īpašības un atšķirības no citiem. Šis u(augšup), d(uz leju), s(dīvaini), c(šarms), b(apakšā) un t(tops). Kvarkiem ir frakcionēts lādiņš, vienāds ar 1/3 vai 2/3 no elektrona (protona) lādiņa. Katram no kvarkiem ir savs antidaļiņa- antikvarks, pēc masas identisks kvarkam, bet pretējs pēc daudzām citām īpašībām (piemēram, ar pretēju elektrisko lādiņu). Turklāt kvarkiem ir īpaša iezīme - krāsa, kuras trūkst visām pārējām daļiņām (tās esot bezkrāsainas). Kvarkiem ir trīs krāsas - sarkans,
zils Un zaļš.
Protams, nevajadzētu domāt, ka kvarku krāsa ir ar aci redzams efekts. Krāsa attiecas uz īpašu īpašību, kas izteikta kvarku uzvedībā dažādās mijiedarbības laikā starp tiem. Nosaukums šajā gadījumā ir nosacīts, tāpat kā šo īpašību varētu nosaukt, piemēram, garša, vai lietot kādu citu terminu.
Ir viegli aprēķināt, ka kopējais kvarku skaits (ieskaitot antikvarkus un krāsas) ir 36. No šīm 36 daļiņām veidojas visas zināmās strukturālās smagās daļiņas. Trīs kvarku formu kombinācija barioni, un kvarka-antikvarka pāru komplekts, mezoni. Barionos ietilpst arī labi zināmie protoni un neitroni. Barioni un mezoni ir apvienoti zem vispārīgā termina hadroni. No visiem hadroniem tikai protons ir stabils, visi pārējie hadroni sadalās, pārvēršoties citās daļiņās.
Leptoni. Šī ir vēl viena daļiņu grupa, kuras galvenā atšķirība no hadroniem ir to struktūras trūkums, t.i. Leptoni nesastāv no citām daļiņām, bet ir elementāri. Leptoni ir sadalīti lādētos − elektrons, muons Un taon un neitrāls − elektroniski, muonic Un noslēpums neitrīno. Ņemot vērā antidaļiņas, kopējais leptonu skaits ir 12. Leptoni neveido nekādas kombinācijas, izņemot elektronus, kas veido atomus. Elektrons ir vienīgais stabili uzlādētais leptons. Tagad tiek apšaubīta visu veidu neitrīno stabilitāte.
Mijiedarbības nesēji. Kopējais mijiedarbību skaits ir 4. Šis stiprs(darbojas starp kvarkiem un hadroniem), elektromagnētiskais,
vājš(darbojas gandrīz starp visām daļiņām, bet īpaši skaidri izpaužas leptonu mijiedarbībā) un gravitācijas. Katru mijiedarbību veic lauks, kas tiek attēlots kā nesējdaļiņu plūsma. Spēcīgās mijiedarbības nesējs ir gluons, elektromagnētiskais − gamma kvants, vājš - trīs veidi starpbozoni(W - , W + un Z) un gravitācijas - gravitons(tomēr pēdējā daļiņa tiek prognozēta tikai no teorētiskiem apsvērumiem). Visiem pārvadātājiem ir savas īpašības, un katrs piedalās savā mijiedarbībā.
Kas attiecas uz atlikušajām daļiņām, spēcīgajā mijiedarbībā piedalās tikai hadroni un gluoni; elektromagnētiskajās – lādētās daļiņās un gamma kvantos; vājajos - viss, izņemot citu mijiedarbību nesējus; gravitācijas apstākļos - daļiņas ar masu. Daļiņu masas rašanās ir saistīta ar citu īpašu lauku, ko sauc par Higsa lauku, un daļiņas, kas to nes Higsa bozoni.
Līdz pagājušā gadsimta 60. gadu sākumam visas tajā laikā zināmās daļiņas tika uzskatītas par bezstrukturālām. Tomēr, pateicoties progresam galveno eksperimentālo instrumentu - daļiņu paātrinātāju izstrādē, jau 50. gadu beigās radās pieņēmumi par nukleonu uzbūvi. Veicot eksperimentus ar elektronu paātrinātāju, amerikāņu fiziķis Roberts Hofstadters atklāja, ka, izkliedējot elektronus uz neitroniem, var redzēt, ka elektroni mijiedarbojas ar neitrona “iekšpusi”, it kā tam būtu kaut kāds slēpts lādiņš, kas kompleksā veidā sadalīts iekšpusē. . Hofstadter ierosināja, ka tas varētu būt saistīts ar noteiktu elektrisko lādiņu nesēju klātbūtni neuzlādētā neitrona iekšpusē. Dažus gadus vēlāk līdzīgi eksperimenti tika veikti arī citās laboratorijās.
Pamatojoties uz šo eksperimentu datiem un pētot tajā laikā atklāto daļiņu sistemātiku, cits amerikāņu fiziķis Marejs Gels-Manns 1963. gadā izvirzīja hipotēzi, ka protonu un neitronu veido mazākas daļiņas, kuras viņš nosauca par kvarkiem. Sākotnēji Gell-Mann ieviesa tikai divus kvarkus u Un d, tomēr pēc tam lielāks skaits atvērto daļiņu ar dažādām īpašībām bija spiestas veikt korekcijas modelī, palielinot to skaitu vispirms līdz 3 un 4, bet pēc tam līdz 6. Kvarka hipotēze tās attīstībā saskārās ar daudzām problēmām. Pirmkārt, psiholoģiski bija grūti uztvert tādu daļiņu esamību, kuru lādiņš ir mazāks par elektrona lādiņu. Otrkārt, 60. gadu beigās atklātās daļiņas kvarku modelī tika interpretētas tā, ka tas varētu būt pretrunā ar pamata. kvantu mehānikas principi. Lai atrisinātu šo problēmu, tika ieviests īpašs kvarku raksturlielums (kvantu skaitlis) - krāsa. Treškārt, kvarku modeļa problēma bija tā, ka visi mēģinājumi atklāt kvarkus brīvā stāvoklī nav noveduši pie panākumiem. Tas izraisīja modeļa noraidīšanu daudzu zinātnieku vidū, jo tikai eksperimentāls hipotēzes apstiprinājums pārnes to no hipotēžu kategorijas uz fizisko patiesību kategoriju. Tā 1969. gadā M. Gelam-Mannam tika piešķirta Nobela prēmija, bet balvas formulējumā “Par ieguldījumu un atklājumiem elementārdaļiņu un to mijiedarbības klasifikācijā” nebija vārda “kvarks”.
Tikai pēc eksperimentiem DESY (Vācija), Fermilab (ASV) un Eiropas Kodolpētījumu centrā (CERN) līdz 80. gadu beigām bija iespējams novērot efektus, kas liecināja par daļiņu klātbūtni ar frakcionētu lādiņu. Pirmā Nobela prēmija, kuras formulējumā bija vārds “kvarks”, tika piešķirta y, y un y 1990. gadā. Aptuveni tajā pašā laikā tika sniegts skaidrojums kvarku novērošanas problēmai brīvā stāvoklī. Kvarku savstarpējās mijiedarbības specifika padara šo procedūru principiāli neiespējamu (tā sauktā ieslodzījums), ir iespējama tikai netieša kvarku efektu novērošana.
Šobrīd ir labi attīstīta atsevišķa teorētiskās fizikas nozare, kas pēta gluonus un kvarkus. kvantu hromodinamika. Šajā sadaļā ir apkopots kvantu teorijas progress tās pielietošanā specifiskai kvarku un gluonu “krāsu telpai”.
Hadroni – daļiņas, kas veidotas no kvarkiem – šobrīd ietver vairāk nekā 400 daļiņas (un antidaļiņas). Visu to kalpošanas laiks, izņemot protonu un neitronu (kas ir stabili kodolos), nepārsniedz vienu mikrosekundi, un tie sadalās citās daļiņās (galu galā stabili). Vairāku daļiņu masa ir vairākas reizes lielāka par nukleonu masu. Starp hadroniem ir elektriski neitrālas daļiņas, un ir lādētas daļiņas, tostarp tādas, kuru lādiņš ir +2 un -2 (elektronu lādiņa vienībās). Smago daļiņu daudzveidība ļauj izpētīt to mijiedarbības modeļus ar dažādām jomām un galu galā iegūt pareizu izpratni par mūsu pasaules uzbūves modeļiem.
Leptoni nevar lepoties ar tādu daudzveidību kā hadroni. To kopējais skaits (ieskaitot antidaļiņas) ir tikai 12. Vieglākais lādētais leptons — elektrons — tika atklāts 1895. gadā, tā antidaļiņa (pozitrons) — 1934. gadā, smagākais mūons — 1962. gadā, bet pēdējais — taons, kura masa ir vairāk nekā 3000 reižu lielāka par elektrona masu — 1975. gadā. Tomēr visinteresantākie mūsdienās ir neuzlādētie leptoni – neitrīni.
Pagājušā gadsimta 20. gadu beigās enerģiski tika pētīti dažādi radioaktīvo sabrukšanas veidi. Pētot β-sabrukšanu, zinātnieki saskārās ar paradoksālu situāciju - elektroniem katru reizi bija atšķirīga enerģija, lai gan sabrukšanas laikā, kā rezultātā izveidojās divas daļiņas
visa sabrukšanas enerģija ir proporcionāli jāsadala starp elektronu un atoma kodolu, t.i. elektroniem jābūt ar fiksētu enerģiju. Tas nonāca tiktāl, ka pat Nīls Bors bija gatavs atzīt, ka β-sabrukšana pārkāpj enerģijas nezūdamības likumu! Risinājumu atrada izcilais vācu fiziķis Volfgangs Pauli. Viņš ierosināja, ka kopā ar elektronu parādās vēl viena neuzlādēta daļiņa (mazs neitrons), kas sabrukšanas laikā izlido bez reģistrācijas, katru reizi aiznesot citu enerģijas daļu. Pauli piedāvātā ideja lieliski atrisināja situāciju, enerģijas nezūdamības likums palika nesatricināms, un jaunas daļiņas parādīšanās izskaidroja situāciju ar "enerģijas zudumu". Tomēr diezgan ilgu laiku neitrīno (Enriko Fermi piedāvātais nosaukums) palika kā “papīra daļiņa”.
Progress neitrīno eksperimentālajā izpētē galvenokārt saistās ar izcilā fiziķa (pēc dzimšanas itālis, kurš uz PSRS pārcēlās 1950. gadā) Bruno Pontekorvo vārdu. 1944. gadā Pontecorvo, veicot teorētisku pētījumu par neitrīno iespējamām īpašībām, piedāvāja efektīvu metodi šīs daļiņas noteikšanai. Avots, pēc Pontecorvo domām, varētu būt process, kurā radioaktīvie kodoli intensīvi sadalās. Nedaudz vēlāk Pontecorvo ierosināja izmantot kodolreaktoru kā mākslīgu neitrīno avotu. Jau 50. gadu sākumā tika uzsākts darbs pie neitrīno reģistrēšanas (tolaik tika pieņemts, ka neitrīnos nav antidaļiņu). Pirmais eksperiments (anti)neitrīnu noteikšanai bija Frederika Reinesa un Klaida L. Kovana jaunākā eksperiments, kuram 1957. gadā izdevās reģistrēt reaktora antineitrīnus. Nākamais šīs daļiņas izpētes posms bija Saules neitrīno reģistrācija, ko 1967. gadā Homestake raktuvēs (ASV) veica Raimonds Deiviss jaunākais. Pat tad kļuva skaidrs, ka neitrīno mijiedarbība ar vielu notiek tik reti, ka tās efektīvai reģistrācijai ir nepieciešams liels ieraksta materiāla apjoms un ilgs mērīšanas laiks. Viens no veiksmīgākajiem neitrīno eksperimentiem Kamiokandes instalācijā (Japāna) vairāku gadu garumā ar milzīgu tvertni ar vairāku desmitu tūkstošu tonnu ūdens ietilpību, deva rezultātu vairāku neitrīno veidā gadā! Turklāt papildus laikam šādu eksperimentu veikšana prasa arī lielas finansiālas izmaksas. B. Pontekorvo trāpīgā izteicienā: “Elementārā daļiņu fizika ir dārga zinātne...”.
Kāds ir iemesls mūsdienu interesei par neitrīniem? Šo daļiņu augstākā iespiešanās spēja ļauj iegūt informāciju par objektiem, kas citādi nav pieejami izpētei. Pielietojuma klāsts šeit ir milzīgs – no informācijas par procesiem tālās galaktikās un galaktiku kopās līdz Zemes neitrīno ģeolokācijai. Šobrīd tiek nodoti ekspluatācijā lieli projekti astrofizisko neitrīno reģistrēšanai - liela apjoma neitrīno teleskopi, kur kā fiksējošā viela tiek izmantots jūras ūdens vai ledus. Ziemeļu (Vidusjūras) un Dienvidu (Antarktīda) puslodē plānots uzbūvēt divus teleskopus ar tilpumu 1 km 3.
ANTARES neitrīno teleskops
Neitrīno masas problēma arī paliek neatrisināta. Pārsteidzoši, šī varbūt ir vienīgā daļiņa, par kuru nav iespējams pateikt, vai tai ir masa vai nav! Pēdējos gados lielas cerības šīs problēmas risināšanā ir liktas uz tā saukto neitrīno svārstību novērošanu, viena veida neitrīno spontānas pārejas uz otru.
Neskatoties uz dažādu mūsdienu pētījumu metožu klātbūtni, galvenais rīks kopš pagājušā gadsimta 40. gadiem joprojām ir uzlādētu daļiņu paātrinātāji. Jebkurš paātrinātājs vārda tiešā nozīmē ir mikroskops, kas ļauj ieskatīties matērijā dziļi. Patiešām, lai novērotu objektu mikrokosmosā, ir jāizmanto starojums ar viļņa garumu, kas atbilst tā izmēram. Un tā kā, pamatojoties uz daļiņu viļņu īpašībām, mēs varam iegūt
kur λ ir viļņa garums, ћ ir Planka konstante, c ir gaismas ātrums un E ir enerģija, tad mūsu "mikroskopa" lielākam "palielinājumam" ir jāpalielina daļiņu enerģija. Pašlaik ir dažāda veida paātrinātāji, galvenokārt paātrinoši protoni un elektroni. Piemēram, standarta lineārā paātrinātāja darbības princips ir ārkārtīgi vienkāršs un sastāv no tā, ka elektronam (vai protonam) izejot cauri potenciālu starpībai, tas iegūst enerģiju.
Tāpēc kodolenerģijas un daļiņu fizikā izmantoto enerģijas vienību sauc par "elektronvoltu", tā ir enerģija, ko elektrons iegūst, izejot cauri potenciālu starpībai 1 volts. Protams, mūsdienu akseleratoros paātrinājums tiek veikts, izmantojot mainīgu elektromagnētisko lauku, “šūpojot” daļiņas dažādās zonās. Maksimālā elektronu enerģija, kas mūsdienās tiek sasniegta elektronu paātrinātājos, ir 100 GeV (10 11 eV), bet protonu paātrinātājos - 3,5 TeV (3,5 10 12 eV). Pēdējā vērtība atbilst protonu enerģijai, kas sasniegta lielākajā mūsdienu protonu paātrinātājā − Lielais hadronu paātrinātājs(LHC) CERN.
CERN akseleratora kompleksa shematisks attēlojums ģeogrāfiskajā kartē.
Šis lielākais paātrinātāju komplekss ir vairāk nekā 27 kilometrus garš supravadošs gredzens, kas ļauj protonus “uzgriezt” līdz 7 TeV enerģijām. Ar šādu sadursmes protonu enerģiju (un sadursme, protams, vēl vairāk palielina enerģijas izvadi), kļūst iespējams novērot visdažādākās reakcijas ar dažādu daļiņu veidošanos, arī ar lielu masu. Lielākā daļa koliderā plānoto eksperimentu ir saistīti ar prognožu testēšanu Standarta modelis− teorētisko pieņēmumu kopums, kas apraksta matērijas uzbūvi. Šo hipotēžu apstiprināšana vai atspēkošana dos zinātnei iespēju virzīties uz priekšu, risinot problēmas, ar kurām cilvēce saskaras šodien.
Pašpārbaudes jautājumi
· 3. mikroskopijas ceļš
· Mikroskopijas ierobežojums 5
· Neredzamie stari 7
· Elektroni un elektronu optika 9
· Elektroni ir viļņi!? 12
· Elektronu mikroskopa struktūra 13
· Elektronu mikroskopijas objekti 15
· Elektronu mikroskopu veidi 17
· Darba ar elektronu mikroskopu iezīmes 21
· Elektronu mikroskopijas difrakcijas robežas pārvarēšanas veidi 23
· Atsauces 27
· Bildes 28
Piezīmes:
1. Simbols nozīmē paaugstināt spēku. Piemēram, 2 3 nozīmē "2 līdz 3".
2. Simbols e nozīmē skaitļa rakstīšanu eksponenciālā formā. Piemēram, 2 e3 nozīmē "2 reizes 10 līdz 3. pakāpei".
3. Visas bildes ir pēdējā lapā.
4. Tā kā tiek izmantota ne gluži “jaunākā” literatūra, šī kopsavilkuma dati nav īpaši “svaigi”.
Acs neredzētu Sauli,
ja viņš nebūtu līdzīgs
Uz sauli.
Gēte.
Mikroskopijas veids.
Kad 17. gadsimta mijā tika izveidots pirmais mikroskops, diez vai kāds (vai pat tā izgudrotājs) varēja iedomāties mikroskopijas nākotnes panākumus un daudzos pielietojumus. Atskatoties pagātnē, esam pārliecināti, ka šis izgudrojums iezīmēja ko vairāk par jaunas ierīces izveidi: pirmo reizi cilvēks varēja ieraudzīt iepriekš neredzamo.
Aptuveni tajā pašā laikā cits notikums datēts ar teleskopa izgudrošanu, kas ļāva ieraudzīt neredzamo planētu un zvaigžņu pasaulē. Mikroskopa un teleskopa izgudrojums bija revolūcija ne tikai dabas izpētes veidos, bet arī pašā pētniecības metodē.
Patiešām, senatnes dabas filozofi novēroja dabu, uzzinot par to tikai to, ko redzēja acs, juta āda un dzirdēja auss. Var tikai pārsteigt, cik daudz pareizas informācijas par apkārtējo pasauli viņi saņēma, izmantojot “plikās” maņas un neveicot īpašus eksperimentus, kā to dara tagad. Tajā pašā laikā līdzās precīziem faktiem un spožiem minējumiem, cik daudz nepatiesu “novērojumu”, apgalvojumu un secinājumu mums atstājuši senatnes un viduslaiku zinātnieki!
Tikai daudz vēlāk tika atrasta dabas izpētes metode, kas sastāv no apzināti plānotu eksperimentu izveidošanas, kuru mērķis ir pārbaudīt pieņēmumus un skaidri formulētas hipotēzes. Viens no tās radītājiem Frensiss Bēkons izteica šīs izpētes metodes iezīmes šādos, tagad slavenos vārdos: “Veikt eksperimentu nozīmē iztaujāt dabu, pēc mūsdienu idejām, eksperimentālās metodes paši pirmie soļi pieticīgi, un vairumā gadījumu tā laika eksperimentētāji iztika bez jebkādām maņu “uzlabojošām” ierīcēm. Mikroskopa un teleskopa izgudrojums bija milzīgs novērošanas un eksperimentu iespēju paplašinājums.
Jau pirmie novērojumi, kas veikti, izmantojot visvienkāršāko un nepilnīgāko tehnoloģiju saskaņā ar mūsdienu koncepcijām, atklāja "veselu pasauli ūdens pilē". Izrādījās, ka pazīstami objekti, pētot tos mikroskopā, izskatās pavisam citādi: acij un taustei gludas virsmas patiesībā izrādās raupjas, un “tīrā” ūdenī pārvietojas neskaitāmas sīku organismu. Tādā pašā veidā pirmie astronomiskie novērojumi, izmantojot teleskopus, ļāva cilvēkiem redzēt pazīstamo planētu un zvaigžņu pasauli jaunā veidā: piemēram, Mēness virsma, ko dziedāja visu paaudžu dzejnieki, izrādījās kalnaina un izraibināta ar daudziem krāteriem, un tika konstatēts, ka Venērai ir fāžu maiņa, tāpat kā Mēness.
Nākotnē šie vienkāršie novērojumi radīs neatkarīgas zinātnes jomas: mikroskopiju un novērojumu astronomiju. Paies gadi, un katra no šīm jomām attīstīsies daudzos atzarojumos, kas izteikti daudzos ļoti dažādos pielietojumos bioloģijā, medicīnā, tehnoloģijā, ķīmijā, fizikā un navigācijā.
Mūsdienu mikroskopi, kurus atšķirībā no elektroniskajiem sauksim par optiskajiem, ir lieliski instrumenti, kas ļauj iegūt lielu palielinājumu ar augstu izšķirtspēju. Izšķirtspēju nosaka attālums, kādā divi blakus esošie konstrukcijas elementi joprojām ir redzami atsevišķi. Tomēr, kā liecina pētījumi, optiskā mikroskopija praktiski ir sasniegusi savu iespēju fundamentālo robežu gaismas viļņu rakstura izraisīto parādību difrakcijas un interferences ¾ dēļ.
Monohromatiskuma un koherences pakāpe ir svarīga jebkura rakstura viļņu (elektromagnētisko, skaņas uc) īpašība. Monohromatiskās vibrācijas ¾ ir vibrācijas, kas sastāv no vienas noteiktas frekvences sinusoidālajiem viļņiem. Ja mēs iedomājamies svārstības vienkārša sinusoīda formā ar nemainīgu amplitūdu, frekvenci un fāzi, tad tā ir zināma idealizācija, jo, stingri sakot, dabā nav svārstību un viļņu, kurus absolūti precīzi apraksta ar sinusu. vilnis. Tomēr, kā liecina pētījumi, reālas svārstības un viļņi var tuvoties ideālam sinusoīdam ar lielāku vai mazāku precizitātes pakāpi (ar lielāku vai mazāku monohromatiskuma pakāpi). Sarežģītas formas svārstības un viļņus var attēlot kā sinusoidālu svārstību un viļņu kopumu. Faktiski šo matemātisko darbību veic prizma, kas sadala saules gaismu krāsu spektrā.
Vienādas frekvences monohromatiskie viļņi, arī gaismas viļņi (noteiktos apstākļos!) var savstarpēji mijiedarboties tā, ka rezultātā “gaisma pārvēršas tumsā” jeb, kā saka, viļņi var traucēt. Interferences laikā notiek lokāla viļņu savstarpēja “pastiprināšana un apspiešana”. Lai viļņu interferences modelis laika gaitā paliktu nemainīgs (piemēram, skatoties ar aci vai fotografējot), ir nepieciešams, lai viļņi būtu savstarpēji saskaņoti (divi viļņi ir saskaņoti viens ar otru, ja tie dod stabilu traucējumu modelis, kas atbilst to frekvenču vienlīdzībai un pastāvīgai fāzes nobīdei).
Ja viļņu izplatīšanās ceļā tiek novietoti šķēršļi, tie būtiski ietekmēs šo viļņu izplatīšanās virzienu. Šādi šķēršļi var būt caurumu malas ekrānos, necaurredzami objekti, kā arī jebkura cita veida neviendabība viļņu izplatīšanās ceļā. Jo īpaši objekti, kas ir caurspīdīgi (noteiktam starojumam), bet atšķiras pēc refrakcijas indeksa un līdz ar to arī viļņu pārejas ātruma tajos, var būt arī neviendabīgi. Viļņu izplatīšanās virziena maiņas parādību, kad tie šķērso šķēršļus, sauc par difrakciju. Difrakciju parasti pavada traucējumu parādības.
Mikroskopijas robeža.
Attēls, kas iegūts, izmantojot jebkuru optisko sistēmu, ir dažādu gaismas viļņu daļu, kas iet caur šo sistēmu, traucējumu rezultāts. Jo īpaši ir zināms, ka gaismas viļņa ierobežojums ar sistēmas ieejas zīlīti (lēcu malas, spoguļi un diafragmas, kas veido optisko sistēmu) un ar to saistītā difrakcijas parādība noved pie tā, ka gaismas viļņi. punkts tiks attēlots difrakcijas apļa formā. Šis apstāklis ierobežo iespēju atšķirt nelielas optiskās sistēmas veidotā attēla detaļas. Piemēram, bezgalīgi attāla gaismas avota (zvaigznes) attēls apaļa zīlītes difrakcijas rezultātā (punktveida tēmekļa rāmis) ir diezgan sarežģīts attēls (sk. 1. att.). Šajā attēlā var redzēt koncentrisku gaišu un tumšu gredzenu komplektu. Apgaismojuma sadalījumu, ko var fiksēt, pārvietojoties no attēla centra uz tā malām, raksturo diezgan sarežģītas formulas, kuras tiek dotas optikas kursos. Tomēr raksti, kas raksturīgi pirmā (no attēla centra) tumšā gredzena pozīcijai, izskatās vienkārši. Ar D apzīmēsim optiskās sistēmas ieejas zīlītes diametru un ar l bezgalīgi attāla avota raidītās gaismas viļņa garumu.
Rīsi. 1. Gaismas punkta difrakcijas attēls (tā sauktais Airy disks).
Ja ar j apzīmējam leņķi, kurā ir redzams pirmā tumšā gredzena rādiuss, tad, kā pierādīts optikā,
grēks j » 1,22 * ( l /D) .
Tādējādi viļņu frontes ierobežošanas rezultātā līdz optiskās sistēmas malām (ieejas zīlītei), tā vietā, lai attēlotu objektam atbilstošu gaismas punktu bezgalībā, mēs iegūstam difrakcijas gredzenu kopu. Protams, šī parādība ierobežo spēju atšķirt divus cieši izvietotus punktveida gaismas avotus. Patiešām, ja ir divi attāli avoti, piemēram, divas zvaigznes, kas atrodas ļoti tuvu viena otrai debesu velvē, novērošanas plaknē veidojas divas koncentrisku gredzenu sistēmas. Noteiktos apstākļos tie var pārklāties un kļūst neiespējami atšķirt avotus. Nav nejaušība, ka saskaņā ar iepriekš sniegtās formulas “ieteikumu” viņi cenšas izveidot astronomiskus teleskopus ar lieliem ieejas zīlīšu izmēriem. Izšķirtspējas robeža, pie kuras var novērot divus cieši izvietotus gaismas avotus, tiek noteikta šādi: precizitātes labad par izšķirtspējas robežu tiek uzskatīta divu punktveida gaismas avotu difrakcijas attēlu pozīcija, kurā pirmais tumšais gredzens ir izveidots ar vienu no gaismas avotiem. avoti sakrīt ar cita avota radītā gaismas punkta centru.
Īss mikropasaules mūsdienu fizikas kopsavilkums :
1 . Mikropasaule sastāv no divu veidu daļiņām, kas galvenokārt atšķiras pēc izmēra: no ultra mikro pasaules daļiņām ( Piemēram , fotons ) un mikropasaules daļiņas ( Piemēram , elektrons ). Ultra mikro pasaule ir par trim lieluma kārtām mazāka nekā mikropasaules daļiņas . Parasti no 10 līdz mīnus astoņpadsmitajai jaudai .
2. Tātad mums ir trīs daļiņu kustības virzieni ( rīsi .1 ) Un , attiecīgi , trīs laukumi laukiem : gravitācijas lauks , elektriskais un magnētiskais lauks . Pamatojoties uz to, mēs varam runāt par visu trīs jomu vienotību un to , ka visi trīs lauki ir neatdalāmi viens no otra mikrokosmosā . ( Dabā ir vielas , radot magnētiskos laukus vai elektriskos laukus atsevišķi ). Šī apgalvojuma rezultātā, ja magnētiskajā laukā tiek ievadīts elektriskās strāvas vadītājs , tad viņu nevar ietekmēt elektriskais lauks , kas vienmēr ir ortogonāls magnētiskajam laukam .
3. Pievērsīsim tam uzmanību , ka katrai mikropasaules daļiņai ir vēl trīs brīvības pakāpes , kuras izmanto rotācijas kustībai . Skatīt att. 1 . Fiziķis Hopkins saka , ka telpa var pārvērsties laikā un otrādi . Kā saprast šo apgalvojumu ? Mēs zinām enerģijas nezūdamības likumu , kas skan : ķermeņa kinētiskās un potenciālās enerģijas summa ir nemainīga . Daļiņas kustība mikrokosmosa telpā ir svārstīga . Svārstību kustība ir divu kustību pievienošanas rezultāts : translācijas un rotācijas . Kinemātiskā enerģija ir translācijas kustības enerģija , un potenciāls ir kosmosā dažādos veidos nekustīga ķermeņa uzkrātā enerģija . Translācijas kustība tiek veikta telpā , un rotācijas laikā, un šīm kustībām ir matemātiski robežnosacījumi , par ko mums stāstīja fiziķis Hopkinss .
4. ES ticu , ka visas ultra mikrokosmosa daļiņas viena no otras atšķiras tikai ar vibrāciju frekvenci . Piemēram , ultravioletā un infra gaisma : tas pats fotons , bet ar dažādām frekvencēm . ES ticu , ka frekvence ir enerģijas uzkrāšanas veids , T .e. frekvence nosaka daļiņas kinētiskās un potenciālās enerģijas daudzumu . Tā kā Einšteina formula ņem vērā tikai kustīgas daļiņas kinētisko enerģiju , tad šī formula ir jāpielāgo . Acīmredzot , Pēc daļiņas masas mums ir jāsaprot īpatnējā masa , T . e . tilpuma masa, ko rada vibrācijas frekvence : daļiņas masa jādala ar vibrācijas amplitūdas reizinājumu un viļņa garuma laukumu vai šī viļņa matemātisko cerību.
5. Katra mikropasaules elementārdaļiņa satur savu specifisko ultra mikro daļiņu veidu ar savu frekvenci. Piemēram , elektrons satur tādas pašas frekvences fotonus ( ar jauno nosaukumu: “ bioni ”), bet izstarotā fotona frekvence tiek pielāgota elektrona konkrētās orbītas apstākļiem . 4. attēls sniedz pierādījumus šai hipotēzei. : visiem elektromagnētiskajiem viļņiem noteiktā orbītā jābūt vienāda garuma un amplitūdas . Bet pāreju no orbītas uz citu orbītu pavada frekvences parametru izmaiņas : T . e . amplitūda un viļņa garums . Katrai orbītai ir savs potenciālās enerģijas līmenis ep gii , kā enerģijas nezūdamības likuma sekas . Iemesls lpp e kvarku enerģijas gulāra aizplūšana no mikropasaules elementārdaļiņas var izraisīt rezonanses parādības .
Elektronu blokam orbītā ir griezes moments , kas ir elektronu masas un orbitālās rādiusa reizinājums , kas noved pie pašu orbītu rotācijas . Katra elektronu orbīta atomā pēc būtības ir slēgta elektriskā ķēde, un tāpēc tā rada ap sevi elektromagnētisko lauku. Tāpēc elektronu ātrums orbītā ir vienāds , kā elektriskā ķēdē . Šis lauks neļauj elektroniem tuvoties kodola protoniem . Magnētiskā lauka līniju virzienu var noteikt, izmantojot gimlet likumu .
7 . Fiziskā literatūra to norāda , ka elektronam ir spins 2. Patiešām , Kad fotons tiek atbrīvots, tas pagriežas par 90 grādiem , T . e . ar 1 / 2 mugura atgriežas sākotnējā stāvoklī , kas dod 1 vairāk / 2 atpakaļ . Tad viņš maina pagrieziena malu un atkal 1 / 2 un 1 / 2 , T . e . kopējais grieziens ir 2 .
7. Mūsu Visums - fiziski slēgta telpa . To ierobežo fiziskās konstantes : Piemēram , gaismas ātrums ir 300 000 km sekundē vai temperatūras ierobežojums ir 273 , 16 grādi pēc Celsija . Tāpēc tas pakļaujas Enerģijas nezūdamības likumam un tāpēc jau pastāv miljardiem gadu . Kā var izskaidrot šo faktu? , ka planētu kustība orbītās nav apstājusies ? Pieņemot , ka planētas pārvietojas pēc inerces pēc Sprādziena impulsa , tad šī enerģija miljardiem gadu zināmā mērā tiktu zaudēta sastapšanās ar meteorītiem un saules vēja dēļ. Piezīme , ka ultramikro pasaules daļiņas, pārvietojoties, veic svārstīgas kustības ap savu kustības trajektoriju, T . e . to kustība ir noteiktas frekvences svārstību process . Svārstību process dabā ir potenciālās enerģijas pāreja kinētiskā enerģijā un atpakaļ. No tā izriet, ka , ka jebkura ķermeņa kustībai slēgtā telpā caur frekvences mehānismu jāizmanto potenciālās enerģijas rezerve.
Mēs nezinām, kāpēc pastāv temperatūra , vakuuma ierobežojumi un ierobežots gaismas ātrums . Varbūt ir krioplazma , kaut kas līdzīgs melnajam caurumam , līgumslēdzēja ene lpp giyu zināmā mērā , pēc kura notiek Lielais sprādziens .
8. Eksperimentāli zinātnieki nav spējuši sasniegt gaismas ātrumu vai nulles kelvina temperatūru. . Viņi tos tuvināja šīm robežām tikai par asimptotiski nelielu daudzumu . Šie eksperimenti prasīja milzīgus enerģijas izdevumus . Tādējādi tika konstatēts, ka , ka nelielu daudzumu reģionā rodas milzīgas enerģijas izmaksas . No klasiskās fizikas mēs zinām spēka formulu F kad masas mijiedarbojas : m 1 M 2 Kur r ir attālums starp masām :
F = m 1 *M 2 /r^ 2 . Protona vai elektrona svars ir aptuveni 0 , 91 * 10 līdz jaudai mīnus 31 kg ( masa ir par lielumu mazāka ), blīvums 6 , 1 * 10 līdz 17 jaudas kg / m ^ 3 . Attālums starp daļiņām vājā mijiedarbībā ( 2 * 10 līdz mīnus 1 5 grādiem ) m un ar spēcīgu mijiedarbību ( 10 līdz mīnus 18. jauda ) zināms . Tomēr, aprēķinot šo daļiņu pievilkšanas spēku, jāņem vērā fakts , ka katra mikrodaļiņa ir mikro oscilācijas ķēde . Skaties o punkta skaidrojums 10. Klasiskās fizikas formulas pielietošana mikropasaules daļiņu mijiedarbības aprēķinos parāda, ka , ka nav robežu starp klasisko fiziku un kvantu vai relatīvistisko .
9. Uzlādēti objekti , Piemēram , elektroni izraisīt ne tikai elektrostatisko lauku, bet arī elektrisko strāvu. Šajās divās parādībās ir būtiska atšķirība. Lai rastos elektrostatiskais lauks, ir nepieciešami stacionāri lādiņi, kaut kādā veidā fiksēti telpā, un elektriskās strāvas rašanās, gluži pretēji, ir nepieciešama brīvu, nefiksētu lādētu daļiņu klātbūtne, kas stacionāro lādiņu elektrostatiskajā laukā. nonākt stāvoklī sakārtota kustība pa lauka līnijām . Piemēram , elektriskā izlāde statiskā elektrība , koncentrējās negaisa mākonī - zibens . Šī kustība ir elektrība .
10. Bet elektriskās strāvas rašanās iemesls ir vēl viens . Katrai ultra un mikro elektronu tipa daļiņai ir sava vibrācijas frekvence un , tātad , ir mikro oscilējoša ķēde , uz kuru attiecas Džozefa Tomsona formula :
f = 1/2 P ir kvadrātsakne no L*C, Kur L = 2*EL/I kvadrātā un
C = 2* Ec/U kvadrātā , kur E 1 c un e 1L ir attiecīgi elektriskā lauka un magnētiskās plūsmas enerģija . Formula parāda pastāvīgu saistību starp L( in Henrijs , ) Un C ( farados , kuras pārvērš centimetros ).
( induktivitātes vienība in sistēma GHS; 1 cm = 1·10 -9 gn ( Henrijs ), cm , cm ... ietilpība, Centimetrs - jaudas vienība collā sistēma GHS = 1,10 -12 f ( farads ), cm . )
Ja šo daudzumu izmēri ir centimetros , tad šīs formulas saucējs ir apkārtmērs . Līdz ar to , elektriskais lauks ap elektronu ir koaksiālu apļu virkne . Palielinoties apļa rādiusam, ultramikrodaļiņu kustības ātrumam vajadzētu palielināties kopš šī perioda , tas ir, elektronu vibrācijas frekvence -f nemainīgs . Šīs sekas palielinās kinētiskās enerģijas patēriņš attālākām daļiņām un samazinās to spēja inducēt elektrisko strāvu vadītājā.
Bet pievērsīsim uzmanību 3. att , kur tas ir parādīts , ka vektori E 1 Ar un E 1L atdalīti telpā un savstarpēji ortogonāli . Šis apstāklis jāņem vērā, inducējot elektrisko strāvu vadītājā . Ja piemērojam enerģijas nezūdamības likumu lielumiem E 1L un E 1 Ar , tad E 1L ir kustīgas elektronu plūsmas kinētiskā enerģija -Es, A E 1 c ir elektriskā lauka potenciālā enerģija atkarībā no tā stipruma U. Enerģija E1 L Un E1c reaģējošs . Mikropasaules daļiņu gadījumā to vektori ir ortogonāli pret OS koordinātu asi , bet atrodas dažādās ortogonālo koordinātu plaknēs . (C paskaties uz rīsiem . 2 ). Abi vektori ir atdalīti telpā . Tāpēc to savstarpējā iznīcināšana nenotiek un mikrodaļiņu biežums laika gaitā nesamazinās .
Elektriskās ķēdēs pretestību parasti apzīmē ar X , un kopējā pretestība maiņstrāvas ķēdēs Z, aktīvā pretestība - R un visu pretestību summu sauc par pretestību . Z = R+jX
Impedances lielums ir sprieguma un strāvas amplitūdu attiecība, bet fāze ir starpība starp sprieguma un strāvas fāzēm.
Ja X >0 pretestība tiek uzskatīta par induktīvu
Ja X =0 pretestība tiek uzskatīta par tīri rezistīvu (aktīvu)
ES vai X <0 говорят, что реактивное сопротивлние является ёмкостным .
Reālā svārstību ķēdē , lietots , Piemēram , radiotehnikā , mēs varam kompensēt reaktīvo induktīvo enerģiju ar kapacitatīvo reaktīvo enerģiju, jo ar kapacitatīvo reaktīvo pretestību strāvas vektors vada spriegumu, un ar induktīvo reaktivitāti strāvas vektors atpaliek no sprieguma par 90 grādiem un tie atrodas vienā plaknē, bet ne vienlaikus. Tā kā viena no induktivitātes pazīmēm ir spēja noturēt caur to plūstošo strāvu nemainīgu, tad, plūstot slodzes strāvai, fāzes nobīde starp strāvu un spriegumu (strāva "atpaliek" no sprieguma par fāzes leņķi). Dažādas strāvas un sprieguma pazīmes fāzes nobīdes periodā noved pie induktivitātes elektromagnētisko lauku enerģijas samazināšanās, kas tiek papildināta no tīkla. Lielākajai daļai rūpniecisko patērētāju tas nozīmē sekojošo: pa tīkliem starp elektroenerģijas avotu un patērētāju papildus aktīvajai enerģijai, kas veic lietderīgu darbu, plūst arī reaktīvā enerģija, kas neveic lietderīgu darbu.
No iepriekš minētā izriet, ka , ko d Elektriskās strāvas pastāvēšanai ir nepieciešams piegādāt enerģiju no ārpuses vadītājam formā elektromagnētiskais lauki.
Papildu skaidrojums . Kapacitāte R palielinās līdz ar elektromagnēta apgriezienu skaitu .
R = 1/(2 π * C * f), Kur f- biežums , Un C- jaudu .
Induktivitāte L=N 2 * μ *A/l,
Kur L- induktivitāte , N- stieples vadītāja apgriezienu skaits, µ - serdes magnētiskās caurlaidības koeficients , A- kodola tilpums , l - vidējais serdes garums .
f = 1/(2 π * √ (L * C))
Līdz ar to , R = 1/(4π 2 *C*N*√( μ*A/l)).
Lai izprastu fotona īpašības, veiksim vienkāršu eksperimentu. Uzmetīsim divas vienāda svara bumbiņas no viena augstuma uz tērauda plāksnes. Viena bumbiņa ir izgatavota no plastilīna, bet otra ir bumbiņa- tērauda. Ir viegli pamanīt, ka atsitiena lielums no plāksnes viņiem ir atšķirīgs un ir lielāks tērauda lodei. Atsitiena lielumu nosaka lodīšu materiālu elastīgā deformācija. Tagad virzīsim gaismas staru uz plītia , t.i., fotonu plūsma. No optikas ir zināms, ka staru kūļa krišanas leņķis ir stingri vienāds ar atstarošanas leņķi. Kad divi ķermeņi saduras, tie apmainās ar enerģiju proporcionāli to masām. Fotonu stara gadījumā pēdējais maina tikai kustības vektoru. Vai no šī fakta neizriet, ka ir neparasti liela fotona elastīgās deformācijas vērtība, t.i., superelastība? Galu galā mēs esam pazīstami ar dažu sakausējumu superplastiskuma fenomenu.
11. Kāda ir elastīgās deformācijas nozīme mikrokosmosā? Mēs zinām, ka saspiestai atsperei ir potenciālā enerģija, kuras lielums ir lielāks, jo lielāka ir atsperes elastīgā deformācija. Mēs zinām, ka svārstību procesa laikā potenciālā enerģija pārvēršas kinētiskā enerģijā un otrādi. Ir arī zināms, ka visas mikropasaules daļiņas iziet svārstību kustību, tas ir, tām ir sava svārstību frekvence, kas rada elektromagnētisko lauku ap daļiņu. Tādējādi katra mikrokosma daļiņa ir mikro oscilācijas ķēde, piemēram, radioinženierijas svārstību ķēde. Tāpēc elektromagnētiskajam laukam daļiņā jārada griezes moments:M = r i *F i , es - kur ir noteikts šī momenta pielietošanas punkts. Ņemiet vērā, ka mikrodaļiņas frekvence nemainās ar laiku. Un tas ir iespējams tikai supravadītspējas gadījumā!
Šis griezes moments secīgi pagriež daļiņu ap X un Y asīm, radot elastīgu vērpes deformāciju. Šīs superelastīgās deformācijas atgriež daļiņu tās sākotnējā stāvoklī. Tādā veidā tiek radīta daļiņas svārstīga kustība ar elastīgajai vērpes deformācijai raksturīgās potenciālās enerģijas pāreju uz daļiņas kustības telpā pa asi kinētiskajā enerģijā.Z .
Šādas pārejas mehānismu var iedomāties kā pastas tūbiņas savīšanu. Faktiski tilpuma izmaiņas noved pie pastas izspiešanas no caurules cauruma, kas atrodas perpendikulāri caurules vērpšanas plaknei. Šis iekšējais impulss liek daļiņai pārvietoties pa asiZ. Parādās augstas efektivitātes nanomotors. Kaut ko līdzīgu var novērot tā sauktajā veļas ritenī. Ja šāda riteņa ass nav fiksēta, tad rotējošā riteņa vietā mēs iegūsim translācijas rites kustību, lai īstenotu šo dzinēju, ir nepieciešams izveidot materiālu ar neparasti augstām elastīgās vērpes deformācijas vērtībām. Tad pavērsies ceļš, kas jāpārvieto ar gaismas ātrumu.
12. Šādas ārkārtīgi augstas mikrodaļiņu īpašības rodas materiālos, kuru temperatūra ir tuvu nullei Kelvina. Vai matērija periodiski netiek noslēgta melnajā caurumā, kas attēlo krioplazmu Kelvina temperatūrā? Vai šī matērija, pateicoties savām pārdabiskajām īpašībām, nav potenciālās enerģijas akumulators, kas, sasniedzot kritisko līmeni, Sprādziena rezultātā tiek pārvērsts kinētiskā enerģijā?
Kvantu optika. Mikropasaules fizika. Molekulārā fizika.
Termiskais starojums- elektromagnētiskais starojums ar nepārtrauktu spektru, ko izstaro sakarsuši ķermeņi to siltumenerģijas dēļ.
Piemērs Siltuma starojums ir gaisma no kvēlspuldzes.
Objekta termiskā starojuma jaudu, kas atbilst absolūtā melnā ķermeņa kritērijiem, apraksta ar Stefana-Bolcmaņa likums.
Ir aprakstīta saistība starp ķermeņu emisijas un absorbcijas spējām Kirhhofa radiācijas likums.
Siltuma starojums ir viens no trim elementārajiem siltumenerģijas pārneses veidiem.
Līdzsvara starojums ir termiskais starojums, kas atrodas termodinamiskā līdzsvarā ar vielu.
Galvenie termiskā starojuma kvantitatīvie raksturlielumi ir:
- enerģētiskais spožums
ir elektromagnētiskā starojuma enerģijas daudzums visā termiskā starojuma viļņu garuma diapazonā, ko ķermenis izstaro visos virzienos no virsmas laukuma vienības laika vienībā: R = E/(S t), [J/(m 2) s)] = [W /m 2 ] Enerģijas spožums ir atkarīgs no ķermeņa rakstura, ķermeņa temperatūras, ķermeņa virsmas stāvokļa un starojuma viļņa garuma.
- spektrālā spilgtuma blīvums
- ķermeņa enerģētiskais spožums dotajiem viļņu garumiem (λ + dλ) noteiktā temperatūrā (T + dT): R λ, T = f(λ, T).
Ķermeņa enerģētisko spožumu noteiktos viļņu garumos aprēķina, integrējot R λ, T = f(λ, T) pie T = const:
absorbcijas koeficients- ķermeņa absorbētās enerģijas attiecība pret krītošo enerģiju. Tātad, ja starojums no plūsmas dФ inc krīt uz ķermeni, tad viena tā daļa atstarojas no ķermeņa virsmas - dФ neg, otra daļa pāriet ķermenī un daļēji pārvēršas siltumā dФ abs, bet trešā daļa , pēc vairākiem iekšējiem atspīdumiem, iziet cauri ķermenim uz āru dФ inc : α = dФ abs./dФ uz leju.
Stefana-Bolcmaņa likums- melnā ķermeņa starojuma likums. Nosaka absolūti melna ķermeņa starojuma jaudas atkarību no tā temperatūras. Likuma paziņojums:
kur ir melnuma pakāpe (visām vielām, absolūti melnam ķermenim). Izmantojot Planka likumu starojumam, konstanti var definēt kā
kur ir Planka konstante, Bolcmaņa konstante un gaismas ātrums.
Skaitliskā vērtība J s −1 m −2 K −4.
Likumu neatkarīgi atklāja J. Stefans un L. Bolcmans, pieņemot, ka starojuma enerģijas blīvums ir proporcionāls tā spiedienam. 1880. gadā apstiprināja Leo Grēcs.
Ir svarīgi atzīmēt, ka likums runā tikai par kopējo emitēto enerģiju. Enerģijas sadalījumu pa starojuma spektru apraksta Planka formula, saskaņā ar kuru spektrā ir viens maksimums, kura atrašanās vietu nosaka Vīna likums.
Kirhhofa radiācijas likums.
Mūsdienu valodā 3. redakcija Likums ir šāds:
Jebkura ķermeņa izstarojuma attiecība pret tā absorbcijas spēju ir vienāda visiem ķermeņiem noteiktā temperatūrā noteiktā frekvencē un nav atkarīga no to formas un ķīmiskās dabas.
Ir zināms, ka elektromagnētiskajam starojumam krītot uz noteiktu ķermeni, daļa no tā tiek atstarota, daļa tiek absorbēta un daļa var tikt pārraidīta. Tiek saukta noteiktā frekvencē absorbētā starojuma daļa absorbcijas spējaķermeni. No otras puses, katrs uzkarsēts ķermenis izstaro enerģiju saskaņā ar kādu likumu, ko sauc ķermeņa emisijas spēja.
Vērtības un var ievērojami atšķirties, pārvietojoties no viena ķermeņa uz otru, tomēr saskaņā ar Kirhhofa starojuma likumu emisijas un absorbcijas spēju attiecība nav atkarīga no ķermeņa rakstura un ir universāla frekvences funkcija ( viļņa garums) un temperatūra:
Pēc definīcijas absolūti melns ķermenis absorbē visu uz to krītošo starojumu, tas ir, uz to. Tāpēc funkcija sakrīt ar absolūti melna ķermeņa izstarojuma spēju, ko apraksta Stefana-Bolcmaņa likums, kā rezultātā jebkura ķermeņa emisijas spēju var atrast, pamatojoties tikai uz tā absorbcijas spēju.
Reālu ķermeņu absorbcijas spēja ir mazāka par vienotību, un tāpēc izstarojuma spēja ir mazāka nekā absolūti melnam ķermenim. Ķermeņus, kuru absorbcijas spēja nav atkarīga no frekvences, sauc par pelēkiem. Viņu spektriem ir tāds pats izskats kā absolūti melnam ķermenim. Vispārīgā gadījumā ķermeņu absorbcijas spēja ir atkarīga no frekvences un temperatūras, un to spektrs var būtiski atšķirties no absolūti melna ķermeņa spektra. Pirmo reizi dažādu virsmu izstarojuma izpēti veica skotu zinātnieks Leslijs, izmantojot paša izgudrojumu - Leslija kubu.
Fotoelektriskais efekts (fotoelektriskais efekts) ir gaismas un matērijas mijiedarbības parādība, kuras rezultātā fotonu enerģija tiek pārnesta uz vielas elektroniem. Priekš ciets un šķidrsķermeņi atšķiras ārējais un iekšējais fotoefekts. Ar ārējo Fotoelektriskajā efektā fotonu absorbciju pavada elektronu emisija ārpus ķermeņa. Ar iekšējo Fotoelektriskajā efektā no atomiem, molekulām un joniem noplēstie elektroni paliek vielas iekšienē, bet elektronu enerģijas mainās. Gāzēs Fotoelektriskais efekts sastāv no fotojonizācijas fenomena – elektronu atdalīšanas no atomiem un gāzes molekulām gaismas ietekmē.
Strāvas-sprieguma raksturlīknes kvalitatīvs skats fotoelements, tas ir, fotostrāvas atkarība no sprieguma starp katodu un anodu pastāvīgas gaismas plūsmas gadījumā, kas krīt uz katoda, ir parādīta attēlā. 1.13.
 |
| Rīsi. 1.13. |
Pozitīvs spriegums atbilst paātrinošajam elektriskajam laukam, kurā iekrīt elektroni, kas izplūst no katoda. Tāpēc pozitīvo spriegumu apgabalā visi katoda izstarotie elektroni sasniedz anodu, izraisot piesātinājuma fotostrāvu.
Neliels fotostrāvas samazinājums pie neliela pozitīva spriegums, kas tiek novērots eksperimentos, ir saistīts ar kontakta potenciālu starpību starp katodu un anodu. Tālāk, apspriežot fotoelektriskā efekta likumus, mēs neņemsim vērā kontakta potenciālu starpības ietekmi.
Pie negatīva sprieguma Katoda izstarotais elektrons nonāk aizkavējošā elektriskajā laukā, kuru tas var pārvarēt tikai tad, ja tam ir noteikts kinētiskās enerģijas daudzums. Elektrons ar zemu kinētisko enerģiju, izlidojis no katoda, nevar pārvarēt bremzēšanas lauku un nokļūt līdz anodam. Šāds elektrons atgriežas katodā, neveicinot fotostrāvu. Tāpēc vienmērīga fotostrāvas samazināšanās negatīvo spriegumu apgabalā norāda, ka fotoelektroniem, kas izplūst no katoda, ir atšķirīgas kinētiskās enerģijas vērtības.
Pie kāda negatīva sprieguma, kura vērtību sauc par aizkavējošo spriegumu (potenciālu), fotostrāva kļūst vienāda ar nulli. Atbilstošais bremzējošais elektriskais lauks aizkavē visus elektronus, kas izplūst no katoda, ieskaitot elektronus ar maksimālo kinētisko enerģiju.
Mērot aizkavējošo spriegumu, šo fotoelektronu maksimālo enerģiju vai maksimālo ātrumu var noteikt no attiecības
| . | (1.54) |
Eksperimentāli tika noteikti šādi Fotoelektriskā efekta pamatprincipi:
1. Monohromatiskajai gaismai ar noteiktu viļņa garumu piesātinājuma fotostrāva ir proporcionāla gaismas plūsmai, kas krīt uz katoda.
2.Fotoelektronu maksimālā kinētiskā enerģija nav atkarīga no gaismas plūsmas lieluma, bet to nosaka tikai starojuma biežums.
3. Katrai katoda vielai ir sava robežfrekvence, lai starojums ar fotoelektriskā efekta frekvenci neizraisītu fotoelektrisko efektu. Šo robežfrekvenci sauc par fotoelektriskā efekta sarkano robežfrekvenci. Viļņa garuma skalā tas atbilst sarkanās robežas viļņa garumam tā, ka noteiktā metāla fotoelektriskais efekts rada starojumu tikai ar īsāku viļņa garumu.
(1.55) tiek izsaukts Einšteina vienādojums ārējam fotoelektriskajam efektam.Šeit ir fotoelektronu maksimālā enerģija.
Šī vienādojuma tiešas sekas ir fotoelektriskā efekta otrais un trešais likums. Patiešām, no (1.55) izriet, ka fotoelektronu maksimālā enerģija ir atkarīga no starojuma biežuma, kas krīt uz metālu. Turklāt, ja , tad fotoelektrisko efektu nevajadzētu ievērot. No šejienes fotoelektriskā efekta sarkanās robežas frekvencei un viļņa garumam mēs iegūstam vienkāršas formulas
no kā izriet, ka šos raksturlielumus pilnībā nosaka elektronu darba funkcijas vērtība no metāla.
Fotons- elementārdaļiņa, elektromagnētiskā starojuma kvants (šaurā nozīmē - gaisma). Tā ir bezmasas daļiņa, kas var pastāvēt tikai pārvietojoties ar gaismas ātrumu. Fotona elektriskais lādiņš ir nulle. Fotons var būt tikai divos griešanās stāvokļos ar spina projekciju uz kustības virzienu (spirāli) ±1. Šī īpašība klasiskajā elektrodinamikā atbilst elektromagnētiskā viļņa cirkulārajai labās un kreisās puses polarizācijai. Fotonam kā kvantu daļiņai ir raksturīga viļņu-daļiņu dualitāte, un tam vienlaikus piemīt daļiņas un viļņa īpašības. Fotonus apzīmē ar burtu , tāpēc tos bieži sauc par gamma stariem (īpaši augstas enerģijas fotoniem); šie termini praktiski ir sinonīmi. No standarta modeļa viedokļa fotons ir gabarīta bozons. Virtuālie fotoni ir elektromagnētiskā spēka nesēji, tādējādi nodrošinot mijiedarbību, piemēram, starp diviem elektriskajiem lādiņiem. Fotons ir visbagātīgākā daļiņa Visumā. Uz vienu nukleonu ir vismaz 20 miljardi fotonu.
Viļņu-daļiņu dualitāte, Heizenberga nenoteiktības princips
Fotonu raksturo viļņu-daļiņu dualitāte. No vienas puses, fotons parāda elektromagnētiskā viļņa īpašības difrakcijas un traucējumu parādībās, ja šķēršļu raksturīgie izmēri ir salīdzināmi ar fotona viļņa garumu. Piemēram, atsevišķu fotonu secība ar frekvenci, kas iet cauri dubultai spraugai, rada ekrānā traucējumu modeli, ko var aprakstīt ar Maksvela vienādojumiem. Tomēr eksperimenti liecina, ka fotonus pilnībā izstaro un absorbē objekti, kuru izmēri ir daudz mazāki par fotona viļņa garumu (piemēram, atomi), vai vispār, pēc zināmas tuvināšanas, tos var uzskatīt par punktveida (tāpat kā, piemēram, elektronus). . Tādējādi fotoni emisijas un absorbcijas procesos uzvedas kā punktveida daļiņas. Tajā pašā laikā šis apraksts nav pietiekams; ideja par fotonu kā punktveida daļiņu, kuras trajektoriju, iespējams, nosaka elektromagnētiskais lauks, atspēko korelācijas eksperimenti ar sapinušies fotonu stāvokļiem.
Heizenberga domu eksperiments lai noteiktu elektrona atrašanās vietu (iekrāsota zilā krāsā), izmantojot augstas izšķirtspējas gamma staru mikroskopu.
Gamma stari (parādīti zaļā krāsā) tiek izkliedēti ar elektronu un nonāk mikroskopa apertūras leņķī θ. Izkliedētie gamma stari attēlā ir parādīti sarkanā krāsā. Klasiskā optika parāda, ka elektrona pozīciju var noteikt tikai līdz noteiktai vērtībai Δ x, kas ir atkarīgs no krītošo staru leņķa θ un viļņa garuma λ.
Kvantu mehānikas galvenais elements ir Heizenberga nenoteiktības princips, kas aizliedz vienlaicīgi precīzi noteikt daļiņas telpisko koordinātu un tās impulsu gar šo koordinātu.
Ir svarīgi atzīmēt, ka gaismas kvantēšana un enerģijas un impulsa atkarība no frekvences ir nepieciešama, lai izpildītu nenoteiktības principu, ko piemēro lādētai masīvai daļiņai. To var ilustrēt ar slaveno domu eksperimentu ar ideālo mikroskopu, kas nosaka elektrona koordinātu, apstarojot to ar gaismu un fiksējot izkliedēto gaismu (Heizenberga gamma mikroskops). Elektrona stāvokli var noteikt ar precizitāti, kas vienāda ar mikroskopa izšķirtspēju. Pamatojoties uz klasiskās optikas jēdzieniem:
kur ir mikroskopa apertūras leņķis. Tādējādi koordinātas nenoteiktību var padarīt tik mazu, cik vēlas, samazinot krītošo staru viļņa garumu. Taču pēc izkliedes elektrons iegūst kādu papildu impulsu, kura nenoteiktība ir vienāda ar . Ja krītošais starojums netiktu kvantēts, šo nenoteiktību varētu patvaļīgi samazināt, samazinot starojuma intensitāti. Krītošās gaismas viļņa garumu un intensitāti var mainīt neatkarīgi viens no otra. Rezultātā, ja nav gaismas kvantēšanas, būtu iespējams vienlaikus ar augstu precizitāti noteikt elektrona pozīciju telpā un tā impulsu, kas ir pretrunā ar nenoteiktības principu.
Gluži pretēji, Einšteina formula fotona impulsam pilnībā atbilst nenoteiktības principa prasībām. Ņemot vērā faktu, ka fotonu leņķī var izkliedēt jebkurā virzienā, elektronam pārnestā impulsa nenoteiktība ir vienāda ar:
Reizinot pirmo izteiksmi ar otro, iegūst Heizenberga nenoteiktības attiecību: . Tādējādi visa pasaule tiek kvantēta: ja matērija pakļaujas kvantu mehānikas likumiem, tad laukam tie ir jāpakļaujas un otrādi.
Rezerforda eksperimenti noveda pie secinājuma, ka atoma centrā ir blīvs, pozitīvi lādēts kodols (atoma kodols, tāpēc modeļa nosaukums), kura diametrs nepārsniedz 10–14–10–15 m Šis kodols aizņem tikai 10–12 daļu no kopējā atoma tilpuma, bet satur visi pozitīvs lādiņš un vismaz 99,95% no tā masas. Vielai, kas veido atoma kodolu, bija jāpiešķir milzīgs blīvums ρ ≈ 10 15 g/cm 3 . Kodola lādiņam jābūt vienādam ar visu elektronu, kas veido atomu, kopējo lādiņu. Pēc tam bija iespējams konstatēt, ka, ja elektrona lādiņu ņem par vienu, tad kodola lādiņš ir tieši vienāds ar noteiktā elementa skaitu periodiskajā tabulā.
6.1.3. attēls α daļiņas izkliede Tomsona atomā (a) un Raterforda atomā (b).
Pēc tam Rezerfords ierosināja atoma planētu modelis . Saskaņā ar šo modeli atoma centrā atrodas pozitīvi lādēts kodols, kurā ir koncentrēta gandrīz visa atoma masa. Atoms kopumā ir neitrāls. Elektroni griežas ap kodolu, tāpat kā planētas, no kodola nākošo Kulona spēku ietekmē (6.1.4. att.). Elektroni nevar būt miera stāvoklī, jo tie nokristu uz kodolu.
Rīsi. 6.1.4. Parādīts atoma Raterforda planētu modelis
Atomu kodols- atoma centrālā daļa, kurā ir koncentrēta lielākā tā masas daļa (vairāk nekā 99,9%). Kodols ir pozitīvi uzlādēts, kodola lādiņu nosaka ķīmiskais elements, pie kura pieder atoms. Dažādu atomu kodolu izmēri ir vairāki femtometri, kas ir vairāk nekā 10 tūkstošus reižu mazāki par paša atoma izmēru. Atomu kodols sastāv nukleonu - pozitīvi lādēti protoni un neitrālie neitroni, kas savstarpēji saistīti spēcīgas mijiedarbības ceļā. Protonu skaitu kodolā sauc par to maksas numurs- šis skaitlis ir vienāds ar tā elementa kārtas numuru, kuram atoms pieder periodiskās tabulas elementu dabiskajā sērijā. Protonu skaits kodolā nosaka neitrāla atoma elektronu apvalka struktūru un līdz ar to atbilstošā elementa ķīmiskās īpašības. Neitronu skaitu kodolā sauc par tā izotopu numurs. Kodolus ar vienādu protonu skaitu un atšķirīgu neitronu skaitu sauc par izotopiem. Tiek saukti kodoli ar vienādu neitronu skaitu, bet atšķirīgu protonu skaitu izotoni. Kopējo nukleonu skaitu kodolā sauc par tā masas skaitlis() un ir aptuveni vienāds ar vidējo atomu masu, kas norādīta periodiskajā tabulā. Parasti sauc nuklīdus ar vienādu masas numuru, bet atšķirīgu protonu-neitronu sastāvu izobāri. Tāpat kā jebkura kvantu sistēma, arī kodoli var atrasties metastabilā ierosinātā stāvoklī, un dažos gadījumos šāda stāvokļa kalpošanas laiku aprēķina gados. Tādus ierosinātos kodolu stāvokļus sauc kodolizomēri. Gandrīz 90% no 2500 zināmajiem atomu kodoliem ir nestabili. Nestabils kodols spontāni pārvēršas citos kodolos, izstaro daļiņas. Šo kodolu īpašību sauc radioaktivitāte. Tika konstatēts, ka radioaktīvie kodoli var izstarot trīs veidu daļiņas: pozitīvi un negatīvi lādētas un neitrālas. Šos trīs starojuma veidus sauca α-, β- un γ-starojums. Šie trīs radioaktīvā starojuma veidi ievērojami atšķiras viens no otra ar spēju jonizēt vielas atomus un līdz ar to arī ar caurlaidības spēju. Ir viszemākā iespiešanās spēja α starojums. Gaisā normālos apstākļos α-stari pārvietojas vairāku centimetru attālumā . β-stariem viela absorbē daudz mazāk. Tie spēj iziet cauri vairākus milimetrus biezam alumīnija slānim. Piemīt vislielākā iespiešanās spēja γ-stari, kas spēj iziet cauri 5–10 cm biezam svina slānim.
Divīzija apzīmē atoma kodola sadalīšanos divos apm. vienādās daļās (fragmenti), ko pavada enerģijas izdalīšanās un, nodaļā. gadījumos, izstarojot vienu vai vairākus. daļiņas, piemēram, neitroni. Daži smagie kodoli var sadalīties spontāni, savukārt vieglāki var sadalīties sadursmes gadījumā ar citiem kodoliem, kuriem ir liela enerģija. Turklāt smagie kodoli, piemēram, urāna atomi, ir spējīgi skaldīties, kad tos bombardē neitroni, un, tā kā tiek emitēti jauni neitroni, process var kļūt pašpietiekams, t.i. notiek ķēdes reakcija. Šādas skaldīšanas reakcijas laikā tiek atbrīvots liels enerģijas daudzums. Kontrolētas ķēdes reakcijas notiek kodolreaktoros, bet nekontrolētas ķēdes reakcijas notiek atombumbā. Sintēze ir divu vieglo atomu kodolu saplūšana, veidojot jaunu kodolu, kas atbilst smagākam atomam. Ja šis jaunais kodols ir stabils, tad saplūšanas laikā izdalās enerģija, jo saites tajā ir stiprākas nekā sākotnējos kodolos. No chem. Kodolsintēzes reakcijas izceļas ar to, ka tajās piedalās ne tikai atomu elektroni, bet arī to kodoli. Uz vienu reaģējošo vielu masas vienību kodolsintēzes reakcijā, apm. 10 reizes vairāk enerģijas nekā skaldīšanās reakcijās. Kodolu sintēze notiek Saules un citu zvaigžņu centrā, apgabalā, kas ir to enerģijas avots. Šādas sintēzes nekontrolēta reakcija tiek realizēta ūdeņraža bumbās. Mūsdienās tiek veikti pētījumi par tādu sintēzes kā enerģijas avotu kontrolētu reakciju ieviešanu.
Elementārā daļiņa- kolektīvs termins, kas attiecas uz mikroobjektiem subnukleārā mērogā, kurus nevar sadalīt to sastāvdaļās.
Jāpatur prātā, ka dažas elementārdaļiņas (elektrons, fotons, kvarki utt.) pašlaik tiek uzskatītas par bezstruktūras un tiek uzskatītas par primārajām pamatdaļiņām. Citām elementārdaļiņām (tā sauktajām kompozītdaļiņām - protonu, neitronu u.c.) ir sarežģīta iekšējā struktūra, taču, tomēr saskaņā ar mūsdienu koncepcijām tās nav iespējams sadalīt daļās.
Fundamentālā daļiņa- bezstruktūras elementārdaļiņa, kas līdz šim nav saukta par saliktu. Pašlaik šo terminu galvenokārt lieto leptoniem un kvarkiem (6 katra veida daļiņas kopā ar antidaļiņām veido 24 pamatdaļiņu kopu) kopā ar mērbozoniem (daļiņām, kas veic fundamentālu mijiedarbību).
Molekulārā kinētiskā teorija interpretē eksperimentāli tieši novērojamās ķermeņu īpašības (spiedienu, temperatūru utt.) kā kopējo molekulu darbības rezultātu. To darot, viņa izmanto statistisko metodi, interesējoties nevis par atsevišķu molekulu kustību, bet tikai par vidējām vērtībām, kas raksturo milzīgas daļiņu kolekcijas kustību. Līdz ar to tā cits nosaukums - statistiskā fizika.
Termodinamiskie parametri- temperatūra, blīvums, spiediens, tilpums, elektriskā pretestība un citi fizikālie lielumi:
- nepārprotami nosakot sistēmas termodinamisko stāvokli;
- neņem vērā ķermeņu molekulāro struktūru; Un
- aprakstot to makroskopisko struktūru.
Pamatojoties uz molekulārās kinētiskās teorijas pamatprincipu izmantošanu, tika iegūts MKT ideālās gāzes pamatvienādojums, kas izskatās šādi: , kur p ir ideālas gāzes spiediens, m0 ir molekulas masa, molekulu koncentrācijas vidējā vērtība, molekulu ātruma kvadrāts.
Apzīmējot ideālās gāzes molekulu translācijas kustības kinētiskās enerģijas vidējo vērtību, iegūstam pamata MKT vienādojums ideāla gāze šādā formā:
Ideālās gāzes teorijā molekulu mijiedarbības potenciālā enerģija tiek uzskatīta par vienādu ar nulli. Tāpēc Ideālas gāzes iekšējo enerģiju dod visu tās molekulu kustības kinētiskā enerģija. Vienas molekulas vidējā kustības enerģija ir. Tā kā viens kilomols satur molekulas, viena kilomola gāzes iekšējā enerģija būs 
Ņemot to vērā, mēs iegūstam
Jebkurai gāzes masai m, t.i. jebkuram kilomolu skaitam iekšējā enerģija
| (10.12) |
No šī izteiksmes izriet, ka iekšējā enerģija ir nepārprotama stāvokļa funkcija un līdz ar to, sistēmai veicot jebkuru procesu, kura rezultātā sistēma atgriežas sākotnējā stāvoklī, kopējās iekšējās enerģijas izmaiņas ir vienādas ar nulli. Matemātiski tas ir rakstīts kā identitāte
Otrais termodinamikas likums norāda, ka visi neatgriezeniskie procesi (un tādi ir gandrīz visi termiskie procesi, jebkurā gadījumā visi dabā notiekošie procesi) notiek šādi, ka iesaistīto entropija tajos ķermeņi palielinās, tiecoties uz maksimālo vērtību. Maksimālā entropijas vērtība tiek sasniegta, kad sistēma sasniedz līdzsvara stāvokli.
Tajā pašā laikā jau iepriekš tika atzīmēts, ka pāreja uz līdzsvara stāvokli ir daudz ticamāka salīdzinājumā ar visām pārējām pārejām. Tāpēc tiek novērotas tikai tās stāvokļa izmaiņas, kurās sistēma pāriet no mazāk ticama stāvokļa uz daudz ticamāku (palielinās termodinamiskā varbūtība).
Saistība starp sistēmas stāvokļa termodinamisko varbūtību un tās entropiju 1875. gadā izveidoja divi slaveni zinātnieki - D. Gibs un L. Boltzmann. Šis savienojums ir izteikts Bolcmaņa formula, kas izskatās šādi:
| , | (4.56) |
kur, R- universāla gāzes konstante, N A- Avogadro numurs.
Ideāls gāzes stāvokļa vienādojums(dažreiz Klepeirona vienādojums vai Mendeļejeva-Klapeirona vienādojums) ir formula, kas nosaka attiecības starp ideālas gāzes spiedienu, molāro tilpumu un absolūto temperatūru. Vienādojums ir:
Spiediens,
Molārais tilpums,
Universāla gāzes konstante
Absolūtā temperatūra, K.
Tā kā , kur ir vielas daudzums un , kur ir masa, ir molārā masa, stāvokļa vienādojumu var uzrakstīt:
Var redzēt, ka šis vienādojums patiesībā ir ideālas gāzes stāvokļa vienādojums ar divām korekcijām. Korekcijā tiek ņemti vērā pievilcīgie spēki starp molekulām (spiediens uz sienu samazinās, jo ir spēki, kas velk robežslāņa molekulas uz iekšu), korekcijā tiek ņemti vērā atgrūšanas spēki (mēs atņemam molekulu aizņemto tilpumu no kopējā apjoma).
Par Van gāzes moliem Der Waals stāvokļa vienādojums izskatās šādi:
Kur ir skaļums,
Izoterma līnija uz fāzes diagrammas, kas attēlo procesu, kas notiek nemainīgā temperatūrā (izotermisks process). Vienādojums Izoterma ideālā gāze pV = const, kur p ir spiediens, V ir gāzes tilpums. Īstai gāzei vienādojums Izoterma ir sarežģītāks raksturs un iekļaujas vienādojumā Izoterma ideāla gāze tikai zemā spiedienā vai augstā temperatūrā.
Attēlā 2.8 shematiski tiek parādītas gāzes izotermas Van der Waals dažādām temperatūrām.
Šīs izotermas skaidri parāda apgabalu, kurā spiediens palielinās, palielinoties tilpumam. Šai zonai nav fiziskas nozīmes. Apgabalā, kur izoterma veido zigzaga līkumu, izoterma to šķērso trīs reizes, tas ir, ir trīs tilpuma vērtības ar vienādām parametru vērtībām un . Temperatūrai paaugstinoties, viļņveidīgais posms samazinās un pārvēršas par punktu (skat. punktu K 2.8. att.). Šo punktu sauc kritisks, kura vērtība ir atkarīga no gāzes īpašībām.
Reālās gāzes izotermas (shēmiski)
Zils - izotermas temperatūrā, kas zemāka par kritisko. Zaļās zonas uz tām ir metastabili stāvokļi.
Apgabals pa kreisi no punkta F ir normāls šķidrums.
Punkts F ir viršanas punkts.
Direct FG - šķidro un gāzveida fāžu līdzsvars.
FA sadaļa - pārkarsēts šķidrums.
Sadaļa F′A - izstiepts šķidrums (lpp<0).
AC sadaļa ir izotermas analītisks turpinājums un fiziski nav iespējams.
Sadaļa CG - pārdzesēts tvaiks.
Punkts G ir rasas punkts.
Apgabals pa labi no punkta G ir parasta gāze.
FAB un GCB figūras laukumi ir vienādi.
Sarkanā ir kritiskā izoterma.
K ir kritiskais punkts.
Zils - superkritiskās izotermas
Tā kā viss process notiek nemainīgā temperatūrā T, līkne, kas attēlo spiediena p atkarību no tilpuma V, sauc par izotermu. Pie tilpuma V 1 sākas gāzes kondensācija, un pie tilpuma V 2 tas beidzas. Ja V > V 1, tad viela būs gāzveida stāvoklī, un, ja V< V 2 - в жидком.
Eksperimenti to pierāda Arī visu pārējo gāzu izotermām ir šāda forma, ja to temperatūra nav ļoti augsta.
Šajā procesā, kad gāze pārvēršas šķidrumā, kad tās tilpums mainās no V 1 uz V 2, gāzes spiediens paliek nemainīgs. Katrs izotermas 1-2 lineārās daļas punkts atbilst līdzsvaram starp vielas gāzveida un šķidro stāvokli. Tas nozīmē, ka noteikti T Un Všķidruma un gāzes daudzums virs tā paliek nemainīgs. Līdzsvars ir dinamisks: molekulu skaits, kas atstāj šķidrumu, vidēji ir vienāds ar molekulu skaitu, kas vienlaikus pāriet no gāzes uz šķidrumu.
Ir arī tāda lieta kā kritiskā temperatūra, ja gāze ir temperatūrā virs kritiskās temperatūras (katrai gāzei atsevišķi, piemēram, oglekļa dioksīdam aptuveni 304 K), tad to vairs nevar pārvērst šķidrumā, lai arī kāds uz to tiktu pielikts spiediens. Šī parādība rodas tāpēc, ka kritiskā temperatūrā šķidruma virsmas spraiguma spēki ir nulle. Ja turpināsit lēnām saspiest gāzi temperatūrā, kas pārsniedz kritisko temperatūru, tad pēc tam, kad tā sasniedz tilpumu, kas vienāds ar aptuveni četriem no gāzi veidojošo molekulu iekšējiem tilpumiem, gāzes saspiežamība sāk strauji samazināties.
Īsa elementārdaļiņu izpētes vēsture
Pirmā zinātnieku atklātā elementārdaļiņa bija elektrons. Elektrons ir elementārdaļiņa, kas nes negatīvu lādiņu. To 1897. gadā atklāja J. J. Tomsons. Vēlāk, 1919. gadā, E. Rezerfords atklāja, ka starp daļiņām, kas izsisti no atomu kodoliem, ir protoni. Tad tika atklāti neitroni un neitrīno.
1932. gadā K. Andersons, pētot kosmiskos starus, atklāja pozitronu, mionus un K-mezonus.
Kopš 50. gadu sākuma paātrinātāji ir kļuvuši par galveno elementārdaļiņu izpētes rīku, kas ir ļāvis atklāt lielu skaitu jaunu daļiņu. Pētījumi ir parādījuši, ka elementārdaļiņu pasaule ir ļoti sarežģīta, un to īpašības ir negaidītas un neparedzamas.
1. definīcija
Šaurā nozīmē elementārdaļiņas ir daļiņas, kas nesastāv no citām daļiņām. Bet mūsdienu fizikā tiek izmantota plašāka šī termina izpratne. Tādējādi elementārdaļiņas ir mazākās vielas daļiņas, kas nav atomi un atomu kodoli. Izņēmums no šī noteikuma ir protons. Tāpēc elementārdaļiņas sauc par subnukleārajām daļiņām. Šo daļiņu dominējošā daļa ir saliktas sistēmas.
Elementārās daļiņas piedalās visos fundamentālajos mijiedarbības veidos - spēcīgā, gravitācijas, vājā, elektromagnētiskā. Gravitācijas mijiedarbība elementārdaļiņu mazo masu dēļ bieži netiek ņemta vērā. Visas pašlaik esošās elementārdaļiņas ir sadalītas trīs lielās grupās:
Jebkurai elementārdaļiņai ir diskrētu vērtību un kvantu skaitļu kopa. Absolūti visu elementārdaļiņu kopīgās īpašības ir šādas:
1. piezīme
Atbilstoši to dzīves laikam elementārdaļiņas ir stabilas, gandrīz stabilas un nestabilas.
Stabilas elementārdaļiņas ir: elektrons, kura mūža ilgums ir 51021 gads, protons – vairāk nekā 1031 gads, fotons, neitrīno.
Kvazistabilas ir daļiņas, kas sadalās elektromagnētiskas un vājas mijiedarbības rezultātā, kvazistabilu elementārdaļiņu kalpošanas laiks ir ilgāks par 10-20 s.
Nestabilās elementārdaļiņas (rezonanses) sabrūk spēcīgas mijiedarbības laikā un to mūžs ir $10^(-22) – 10^(-24)$ s.
Elementārdaļiņu kvantu skaitļi ir leptonu un barionu lādiņi. Šie skaitļi ir stingri nemainīgas vērtības visu veidu pamata mijiedarbībām. Leptoniskajiem neitrīniem un to antidaļiņām leptona lādiņiem ir pretējas pazīmes. Barioniem bariona lādiņš ir 1 tiem atbilstošajām antidaļiņām, bariona lādiņš ir -1.
Hadroniem raksturīgs īpašu kvantu skaitļu klātbūtne: "dīvainums", "skaistums", "šarms". Parastie hadroni ir neitroni, protoni un π-mezons.
Dažādās hadronu grupās ir daļiņu ģimenes, kurām ir līdzīga masa un līdzīgas īpašības attiecībā uz spēcīgu mijiedarbību, bet atšķiras elektriskā lādiņa. Kā piemēru var minēt protonu un neitronu.
Elementārdaļiņu spēja iziet savstarpējas transformācijas, kas notiek elektromagnētiskās un citu fundamentālo mijiedarbību rezultātā, ir to svarīgākā īpašība. Šāda veida savstarpēja transformācija ir pāra dzimšana, tas ir, daļiņas un antidaļiņas veidošanās vienlaikus. Vispārīgā gadījumā veidojas elementārdaļiņu pāris ar pretējiem barionu un leptonu lādiņiem.
Iespējama pozitronu-elektronu pāru un mionu pāru veidošanās. Cits elementārdaļiņu savstarpējās transformācijas veids ir pāra iznīcināšana daļiņu sadursmes rezultātā, veidojoties ierobežotam fotonu skaitam. Parasti divu fotonu veidošanās notiek ar sadursmju daļiņu kopējo spinu, kas vienāds ar nulli, un trīs fotonu ar kopējo spinu, kas vienāds ar 1. Šis piemērs ir lādiņa paritātes saglabāšanās likuma izpausme.
Noteiktos apstākļos ir iespējama pozitronija e-e+ un muonija µ+e- saistītās sistēmas veidošanās. Šis nosacījums var būt zems daļiņu sadursmes ātrums. Šādas nestabilas sistēmas sauc par ūdeņradim līdzīgiem atomiem. Ūdeņradim līdzīgu atomu kalpošanas laiks ir atkarīgs no vielas īpašajām īpašībām. Šī funkcija ļauj tos izmantot kodolķīmijā, lai detalizēti izpētītu kondensēto vielu un pētītu ātro ķīmisko reakciju kinētiku.
