Наглядная физика. Квантовая физика
ИНТЕРАКТИВНЫЕ МОДЕЛИ
1. Фотоэлектрический эффект
2. Изучение закономерностей внешнего фотоэффекта
3. Давление света. Измерение светового давления
4. Опыт Резерфорда
5. Ядерная модель атома (модель Резерфорда)
6. Ядерная модель атома (модель Бора)
7. Ядерная модель атома (квантовая модель)
8. Модель атома водорода
9. Излучение и поглощение света атомами
10. Лазер
11. Наблюдение треков в камере Вильсона
12. Устройство и действие счетчика ионизирующих частиц
13. Протонно-нейтронная модель строения атома
14. Ядерные реакции
15. Радиоактивное излучение (в магнитном поле)
16. Радиоактивное излучение (поглощение)
17. Цепные ядерные реакции
18. Процесс деления ядер на основе капельной модели ядра
19. Ядерный реактор
20. Взаимодействие элементарных частиц.
Наблюдение треков в камере Вильсона
Простейшая камера Вильсона состоит из цилиндрического сосуда с плоской стеклянной крышкой и поршня, который при перемещении изменяет давление воздуха в рабочем объеме камеры. В некоторых камерах Вильсона вместо поршня используют резиновую грушу, которая соединяется с рабочим объемом трубкой.Подробнее
Для наблюдения треков к воздуху в рабочем объеме камеры Вильсона добавляют насыщенные пары спирта.
Внутри камеры, обычно на тонком стержне, укреплен радиоактивный препарат – источник частиц (например, альфа-частиц). Для приведения камеры в действие поршень сначала плавно поднимают, а затем резко опускают вниз (или грушу сначала плавно сжимают, а затем резко отпускают). При быстром адиабатном расширении воздух и пары в камере охлаждаются и пар становится пересыщенным. Если в этот момент в рабочем объеме пролетает альфа-частица, то вдоль ее траектории в газе образуется цепочка ионов. Эти ионы становятся центрами конденсации пересыщенного пара. Поэтому вдоль траектории движения частицы образуется цепочка капель спирта, хорошо видимая на черном фоне при боковом освещении. Такие линии называют треками частиц.
Для определения физических характеристик регистрируемых частиц камеру Вильсона помещают в постоянное магнитное поле. Тогда треки заряженных частиц, движущихся в магнитном поле, искривляются, причем радиус кривизны трека зависит от скорости движения частицы, ее массы и заряда. При известной индукции магнитного поля эти характеристики частиц могут быть определены по измеренным радиусам кривизны треков частиц. Кроме того, при движении в воздухе частица теряет энергию и поэтому радиус кривизны изменяется. Так можно определить энергию и скорость частицы.
Устройство и действие счетчика ионизирующих частиц
Газоразрядный счетчик Гейгера – Мюллера обнаруживает излучение по производимой им ионизации газа. Счетчик состоит из цилиндрической трубки, которая служит корпусом счетчика, и тонкой металлической нити, натянутой вдоль оси трубки. Нить и корпус трубки изолированы друг от друга.Подробнее
Рабочий объем счетчика заполняется смесью газов, например аргоном с примесью паров метилового спирта, при давлении около 0,1 атм.
Для регистрации ионизирующих частиц между корпусом счетчика и нитью прикладывается высокое постоянное напряжение, нить является анодом. Пролетающая через рабочий объем счетчика быстрая заряженная частица производит на своем пути ионизацию атомов наполняющего газа. Под действием электрического поля свободные электроны движутся к аноду, положительные ионы — к катоду. Напряженность электрического поля вблизи (тонкой) нити анода счетчика настолько велика, что свободные электроны при приближении к нему на пути между двумя соударениями с нейтральными атомами приобретают энергию, достаточную для их ионизации молекул газа. В счетчике возникает коронный разряд, который через короткий промежуток времени прекращается.
С включенного последовательно со счетчиком резистора на вход регистрирующего устройства поступает импульс напряжения. Принципиальная схема включения газоразрядного счетчика для регистрации ядерных излучений представлена на рисунке. По показаниям электронного счетного устройства определяется число быстрых заряженных частиц, зарегистрированных счетчиком.
Протонно-нейтронная модель строения атома
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые считаются двумя состояниями одной частицы - нуклона. Протон (обозначается p) имеет положительный элементарный заряд qp = e = –qe, где qe — заряд электрона. Нейтрон (обозначается n) не имеет электрического заряда: qn = 0. Массы протона и нейтрона примерно одинаковы и почти в 2000 раз больше массы электрона.
Подробнее
Ядро атома полностью определяется числом протонов и числом нейтронов в нем. Число протонов в ядре называется атомным номером и обозначается Z. Число Z совпадает с порядковым номером соответствующего химического элемента в таблице Менделеева.
Число протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой A. Для атомов или их ядер используются специальные обозначения.
В ядре протоны и нейтроны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые называют короткодействующими, т. к. они действуют только на расстоянии порядка (r = 10–15м). Протоны в ядре отталкиваются друг от друга электрическим полем, которое является дальнодействующим, т. е. действует на любом расстоянии (сила пропорциональна 1/r2).
Поэтому у очень тяжелых ядер электрическое отталкивание действует между всеми протонами, а ядерными силами из-за их короткодействия притягиваются лишь ближайшие частицы. Для увеличения расстояния между отталкивающимися протонами нужны нейтроны. Ядра стабильны лишь при определенных соотношениях между числом протонов и нейтронов.
Ядро атома стабильно, если в данных условиях не существует процессов, уменьшающих его энергию. Нестабильные ядра уменьшают свою энергию распадом на другие ядра или испусканием частиц. И при этом выделяется ядерная энергия.
Протон p (ядро водорода 
) стабилен. Отдельный нейтрон n, имея массу чуть больше массы протона, распадается на протон, электрон и антинейтрино. К протону можно добавить один или два нейтрона, получатся изотопы водорода дейтерий и тритий.
) стабилен. Отдельный нейтрон n, имея массу чуть больше массы протона, распадается на протон, электрон и антинейтрино. К протону можно добавить один или два нейтрона, получатся изотопы водорода дейтерий и тритий.Ядро, состоящее из двух протонов, неустойчиво, но после добавления нейтрона получается ядро изотопа гелия
. Это ядро стабильно, однако в природе практически не встречается. При добавлении еще одного нейтрона получается ядро гелия
(альфа-частица), очень стабильное.
. Это ядро стабильно, однако в природе практически не встречается. При добавлении еще одного нейтрона получается ядро гелия (альфа-частица), очень стабильное.Так, мысленно добавляя протоны или нейтроны, можно получить все возможные ядра. Но большинство из полученных так ядер неустойчиво. Ядра атомов элементов с атомным номером Z > 81, как правило, нестабильны, т. е. самопроизвольно распадаются.
У каждого элемента есть радиоактивные изотопы. Чем большее число нейтронов отклоняется от их числа в стабильном изотопе, тем меньше время его жизни (характеризуемое периодом полураспада нуклида), т. е. тем быстрее происходит превращение этого ядра в другое.
Нейтрон имеет массу чуть больше массы протона, поэтому энергетически возможно его превращение в нейтрон, но при этом электрический заряд должен сохраняться. Оказывается, что превращение нейтрона в протон действительно происходит и называется бета-распадом.Подробнее
При этом образуются еще две частицы — электрон и антинейтрино. Это превращение записывается так: 
где нижний индекс обозначает заряд частицы, а верхний — округленную массу (в а.е.м., поэтому у электрона написан 0), волнистая черта над обозначением частицы означает античестицу.
где нижний индекс обозначает заряд частицы, а верхний — округленную массу (в а.е.м., поэтому у электрона написан 0), волнистая черта над обозначением частицы означает античестицу.Распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино вовсе не означает, что внутри нейтрона находится электрон. Если в ядре слишком много протонов, то протон за счет энергии ядра может превратиться в нейтрон, испустив позитрон (антиэлектрон) и нейтрино.
В результате распада нестабильных ядер образуются другие ядра, которые тоже могут быть нестабильными и тоже распадаются. Этот процесс приводит к образованию в природе стабильных ядер, а число радиоактивных – уменьшается. Поэтому в природе большинство ядер стабильны. Таким образом, при радиоактивном распаде ядро превращается в другие ядра. Если взять радиоактивное ядро, то невозможно предсказать, когда произойдет его распад. Но среднее время жизни ядер данного типа известно. Когда протоны и нейтроны соединяются, образуя более тяжелое ядро, то их полная энергия уменьшается (масса тоже уменьшается, т. к. избыточная энергия излучается в виде квантов света, которые уносят массу). В ядре между частицами действуют значительные ядерные силы, поэтому чтобы разрушить ядро, разбив его на осколки (более легкие ядра), необходимо затратить большую энергию. Это энергия связи нейтронов и протонов в ядре, см. рис. Величина этой энергии, приходящаяся на одну частицу называется удельной энергией связи.
Ядерные реакции изменяют число протонов и нейтронов в ядрах. По аналогии с записью химических реакций записываются и ядерные реакции. Например, ядерная реакция, записанная в виде
A + a → B + b
означает, что в результате столкновения ядра A с частицей a образуется ядро B и частица b. В некоторых случаях в ядерной реакции можно выделять различные этапы. Например, в следующей реакции:
A + a → С → B + b
сначала ядро A поглощает частицу a и образуется возбуждённое ядро C, которое некоторое время (время жизни возбужденного ядра) распадается на ядро B и частицу b.
Как и химические реакции, ядерные реакции бывают экзотермические (с выделением энергии) и эндотермические (с поглощением энергии). Энергия, которая выделяется при ядерных реакциях называют энергетическим выходом ядерной реакции.
Энергетический выход ∆E реакции (1) можно вычислить, если известны массы участвующих в реакции частиц:
∆E = (mB + mb )c2 – (mA + ma )c2
где c – скорость света.
Ядерные превращения наблюдаются не только при самопроизвольном радиоактивном распаде ядер тяжелых элементов. Чем меньше энергия связи, тем более неустойчиво ядро.
Как и химические реакции, ядерные реакции бывают экзотермические (с выделением энергии) и эндотермические (с поглощением энергии). Энергия, которая выделяется при ядерных реакциях называют энергетическим выходом ядерной реакции.
Энергетический выход ∆E реакции (1) можно вычислить, если известны массы участвующих в реакции частиц (при этом кинетической энергией частиц мы пренебрегаем, считая её пренебрежимо малой, по сравнению с ∆E):
∆E = (mB + mb )c2 – (mA + ma )c2
где c – скорость света.
Ядерные превращения наблюдаются не только при самопроизвольном радиоактивном распаде ядер тяжелых элементов. Чем меньше энергия связи, тем более неустойчиво ядро.
Явление радиоактивности было открыто Беккерелем, который обнаружил, что атомы урана испускают излучение. В то время обнаружили три формы этого излучения: бета-излучение (отрицательно заряженные электроны), альфа-излучение (положительно заряженные ядра гелия 
) и гамма-излучение (коротковолновое электромагнитное излучение, не несущее заряда). Подробнее
Бета-распад
Бета-частицы — это очень быстрые электроны, кинетическая энергия которых в зависимости от испускающего их вещества принимает значения от нескольких мегаэлектронвольт до десятков килоэлектронвольт.
Альфа-распад
Этот распад ядра 
происходит, если ядро 
имеет энергию меньше, чем энергия исходного ядра .
происходит, если ядро имеет энергию меньше, чем энергия исходного ядра . Гамма излучение
После выбрасывания альфа-частицы дочернее ядро обычно оказывается возбужденным, т. е. имеет избыток энергии. Эта энергия испускается в виде гамма-кванта. Этот процесс совершенно аналогичен испусканию энергии возбужденным атомом при переходе электрона с высокого энергетического уровня на более низкий уровень. Разница заключается лишь в том, что разность между энергетическими уровнями атомов составляет десятки электронвольт и меньше, а в ядре эта разность составляет мегаэлектронвольты.
Итак, гамма-излучение — это поток квантов электромагнитного излучения (фотонов), имеющих очень большую энергию. Электромагнитное излучение в микромире состоит из частиц — фотонов, энергия которых обратно пропорциональна частоте, E = hν.