Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова




НазваниеЛ. Р. Родкина Е. Э. Шмакова
страница3/30
Дата публикации24.04.2013
Размер1.63 Mb.
ТипДокументы
skachate.ru > Физика > Документы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   30
^

1.3. Контрольные вопросы


1. Какие агрегатные состояния вещества вы знаете?

2. В чем суть атомно-молекулярного учения?

3. Расскажите об опытах Резерфорда по рассеянию -частиц.

4. Сформулируйте постулаты Бора.

5. Объясните на основании теории Бора наличие линейчатых спектров у атома водорода.

6. В чем недостатки теории Бора?

7. В чем смысл гипотезы де Бройля?

8. Что изучает квантовая механика?

9. Как вы понимаете соотношение неопределённостей?

10. Какие квантовые числа вам известны?

11. Сформулируйте принцип Паули.

12. Что такое изотопы?

13. Каков принцип расположения химических элементов в таблице Менделеева?

14. Чем химическая связь отличается от ковалентной?

15. Каким образом осуществляется связь атомов в металлах?

16. Чему равен первый боровский радиус электрона в атоме водорода?

17. Что такое атом? Что такое молекула?

18. Какие связи называют химическими? Какие виды химических связей вы знаете?

19. Дайте понятие макромира и микромира.

20. Приведите примеры фазовых переходов первого и второго рода. В чем их особенности?


^

Глава 2
КОНЦЕПЦИЯ
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
И «БОЛЬШОГО ВЗРЫВА»

2.1. План семинарского занятия


  1. Естественная радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Спо­собы регистрации заряженных частиц.

  2. Строение атомного ядра. Открытие нейтрона. Дефект массы, энергия связи и устойчивость атомных ядер.

  3. Ядерные силы. Альфа-распад. Бета-распад, нейтрино. Гамма-излу­чение, позитрон.

  4. Элементарные частицы. Частицы и античастицы. Основные свойства элементарных частиц и их классификация. Ядерные реакции.

  5. Концепция образования Вселенной из элементарных частиц.
^

2.2. Теоретическое обоснование темы


В 1896 г. А. Беккерель, изучая явление люминесценции солей урана, установил, что если осветить соль урана солнечными лучами, а затем положить ее на завернутую в черную бумагу фотопластинку, то последняя темнеет под действием, как он полагал, лучей люминесценции. Но однажды Беккерель положил на фотопластинку соль урана, не осветив ее предварительно лучами солнца. Через несколько дней, проявив фотопластинку, он обнаружил на ней отпечаток куска урановой руды.

Проводя подобные опыты с солями урана, Беккерель пришел к выводу, что соль испускает лучи неизвестного типа, которые проходят через бумагу, дерево, тонкие металлические пластинки.

Лучи, открытые Беккерелем, назвали радиоактивными (от латинского «радиус» – луч).

Сейчас под радиоактивностью понимают явление самопроизвольного превращения атомных ядер неустойчивых изотопов в устойчивые, сопровождающееся испусканием частиц и энергии.

При изучении радиоактивности возникает вопрос: по какому закону происходит распад радиоактивных элементов? Опыты показывают, что с течением времени число радиоактивных атомов должно уменьшаться. Для одних элементов это уменьшение идет очень быстро – в течение минут или даже секунд, для других на это требуются миллиарды лет. Было установлено, что распад ядер – явление случайное. Вероятность распада каждого отдельного атома за секунду времени называют постоянной радиационного распада .

Если в начальный момент времени t = 0 имеется NО радиоактивных атомов, то в момент времени t число оставшихся радиоактивных атомов

, (2.1)

где е  2,72 – основание натурального логарифма. Выражение (2.1) называется законом радиоактивного распада.

Периодом полураспада называют время Т12, по истечении которого начальное число атомов No радиоактивного вещества уменьшится вдвое. Если , то , и тогда

(2.2)

Период полураспада постоянен для каждого изотопа. Величину
= 1 называют средним временем жизни изотопа. Она не зависит от внешних условий, а определяется лишь свойствами атомного ядра.
^

Строение атомного ядра


Проводя количественные измерения ионизации воздуха ураном М. Склодовская-Кюри открыла новый элемент радий. Интенсивность излучения радия в сотни тысяч раз превышает активность урана. Вопрос происхождения радиоактивности давал ключ к пониманию строения не только атомов, но и их ядер. Было очевидно, что излучение содержит три компонента – альфа-, бета- и гамма-лучи.

Э. Резерфорд и Фредерик Содди (1877–1956 г.) занимаясь радиоактивностью в 1902 г. установили, что радиоактивные атомы подвержены спонтанному распаду, и получили закон такого распада, связав радиоактивные превращения с уже известными видами естественной радиоактивности – альфа-, бета- и гамма-лучами: при испускании альфа-лучей образуется новый элемент, стоящий в периодической системе элементов Менделеева на две клетки левее, а при бета-распаде – на одну клетку правее. Резерфорд получил за эти работы Нобелевскую премию по химии (1908 г.).

В1921–1922 г. Резерфорд и Дж. Чедвик (1891–1974 г.) осуществили первую ядерную реакцию с искусственным превращением элемента. Результатом этих реакций явилось частица с массой протона без заряда, названная нейтроном. За это открытие Чедвик стал Лауреат Нобелевской премии по физике (1935 г.). Следует отметить, что Резерфорд предсказал существование нейтронов в 1921 г. Изучая новые элементы радиоактивного распада Содди доказал, что существуют элементы с одной массой, но разными зарядами – это есть изотопы. В 1921 г. Содди становится лауреатом Нобелевской премии по химии.

Русским физиком Д.Д. Иваненко и немецким ученым В. Гейзенбергом в 1932 г. была предложена протон-нейтронная модель, согласно которой ядро любого химического элемента состоит из двух видов элементарных частиц: протонов (р) и нейтронов (n), которые впоследствии назвали нуклонами.

Протоны имеют положительный заряд, равный по модулю заряду электрона. Нейтроны электрически нейтральны. Масса протона в 1846 раз больше массы электрона. Масса нейтрона больше массы протона на 2,5 массы электрона. Массы нейтрона mn и протона mp в углеродной шкале атомных единиц (а.е.м.) равны mn = 1,008665012 а.е.м., m= 1,007276470 а.е.м.

Протон и нейтрон относятся к классу фермионов – частиц, имеющих полуцелый спин. Количество протонов в ядре определяет заряд ядра +Ze. Значение Z совпадает с атомным номером элемента в периодической таблице Менделеева (зарядовое число). Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом А ядра: A = N + Z.

Введем понятие энергии связи отдельного нуклона в ядре, то есть удельной энергии связи Еуд. Это величина, равная работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра. Полная энергия связи ядра определяется работой, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны. Полную энергию связи ядра характеризует величина m, называемая дефектом масс. Под дефектом масс понимают разность между суммой масс протонов и нейтронов, находящихся в свободном состоянии, и массой составленного из него ядра. Если ядро массой Mя образовано из Z протонов и из (A-Z) нейтронов, то

. (2.3)

Наличие дефекта массы показывает, что для полного расщепления ядра на нуклоны нужно затратить энергию

. (2.4)

Величину Есв называют энергией связи (полной энергией связи). Она является непосредственной мерой устойчивости ядра.

В ядерной физике для вычисления энергии принимают атомную единицу энергии (а.е.э.) – величину, соответствующую энергии одной атомной единицы массы:

1 а.е.э. = 1 с2 · 1 а.е.м. = 9 · 1016 м2с2 · 1,67 · 10-27 кг = 1,5 · 10-10 Дж = 931,1 Мэв.

Соотношение (2.3) практически не нарушится, если заменить массу притона mp массой атома водорода mH, а массу ядра mя массой атома ma. Действительно, если пренебречь сравнительно ничтожной энергией связи электронов с ядрами, указанная замена будет означать добавление к уменьшаемому и вычитаемому одинаковой величины, равной Zme. Итак, формуле (2.3) можно придать вид

. (2.5)

Последняя формула удобнее, так как в таблицах обычно даются не массы ядер, а массы атомов.

Взаимодействие между нуклонами в ядре является примером сильных взаимодействий – взаимодействий через ядерные силы.

Ядерные силы обладают рядом отличительных свойств:

1) они являются силами притяжения;

2) это короткодействующие силы, их действие проявляется на расстоянии порядка 10-15 м. На расстояниях, существенно меньших 10-15 м, притяжение нуклонов сменяется отталкиванием;

3) ядерные силы обладают свойствами зарядовой независимости: ядерные силы, действующие между протоном и нейтроном, между двумя протонами или между двумя нейтронами, одинаковы;

4) ядерные силы не являются центральными, как, например, силы гравитационные и кулоновские. Их нельзя представить направленными вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов;

5) ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов).

Следствием этого свойства является почти линейная зависимость энергии связи от массового числа А. Если бы насыщения не было, то каждый нуклон в ядре взаимодействовал бы с (А – 1) нуклонами и энергия связи была бы пропорциональна числу пар нуклонов в ядре, то есть А2. Кроме того, удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов остается примерно постоянной.

Ядерные силы детально не изучены до настоящего времени. Законченной теории ядерных сил нет, но предполагается, что «чистых» протонов и нейтронов в ядре нет, есть ядерное вещество, которое может существовать в двух состояниях – иметь положительный заряд или не иметь заряда. Согласно гипотезе, которую высказал в 1935 г. японский физик Х. Юкава, в ядрах протоны и нейтроны с чудовищной быстротой как бы обмениваются частицами, которые обладают массой в 200–300 раз большей, чем электрон. Позднее эти частицы назвали -мезонами. Строение нуклона в настоящее время представляется следующим: в центре нуклона находится ядро-керн, радиус которого 0,3.10-15 м. Керн окружен «облаком», состоящим из мезонов. Носителями ядерных сил являются -мезоны: существует положительный +, отрицательный - и нейтральный о-мезоны.

Если ранее были смутные представления об ядре атома, то после открытия нейтрона, квантово-механической теории альфа- распада созданной молодым советским физиком Г.А. Гаммовым (1904–1968 г.). В 1928 г. вопрос о строении ядра вновь стал обсуждаться.

В 1936 г. Паули и итальянский физик Ферми (1901–1951 г.) выдвинули теорию бета- распада, основанную на предположении, что в ядре превращения нейтрона в протон с одновременным испусканием электрона и нейтрино (обладает собственным моментом вращения, или спином, равным ½).
^

Концепция возникновения Вселенной
из элементарных частиц


Космические лучи, открытые в 1907 году привлекли внимание астрономов и геофизиков. Они вызывают первичную ионизацию воздуха, которая изменялась (увеличивалась) с высотой в атмосфере и в глубинах водоёмов.

Скобельцев Д.В. (1892–1990 г.) основатель советской школы по физике атомного ядра и космических лучей в 1932 г. установил, что ионизация создаётся быстрыми бета-лучами при энергиях 200МэВ. При облучении ядер элементов жесткими гамма-квантами зафиксировали рождение пар электрон-позитрон. Так материя гамма- кванта переходила в материю электрона и позитрона. Затем обнаружили превращение пары электрон-позитрон в два гамма- кванта. Образование позитрона было обнаружено при взаимодействии с ядрами альфа-частиц и нейтронов. Так стало известно о существовании античастиц.

Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной (приблизительно десять миллиардов лет назад) был гигантский огненный шар, раскалённый и плотный. Его состав весьма прост. Этот огненный шар был настолько раскалён, что состоял лишь из свободных элементарных частиц, которые стремительно двигались, сталкиваясь друг с другом.

На протяжении десяти миллиардов лет после «большого взрыва» простейшее бесформенное вещество постепенно превращалось в атомы, молекулы, кристаллы, породы, планеты. Рождались звезды, системы, состоящие из огромного количества элементарных частиц с весьма простой организацией. На некоторых планетах могли возникнуть формы жизни.

Тот момент, с которого Вселенная начала расширяться, принято считать ее Началом. Тогда началась первая и полная драматизма эра в истории Вселенной, ее называют «большим взрывом» или английским термином Big Bang.

Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём. Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой. Кроме того, высокой должна была быть и температура, настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря, энергия всех фотонов, содержащихся в 1 куб. см, была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения «большого взрыва», вся материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.

Подробный анализ показывает, что температура вещества Т понижалась во времени в соответствии с простым соотношением:

.

Зависимость температуры Т от времени t дает нам возможность определить, что, например, в момент, когда возраст Вселенной исчислялся всего одной десятитысячной секунды, её температура представляла один биллион Кельвинов.

Со временем энергия фотонов понижалась, и как только она упала ниже произведения энергии частицы и античастицы (2mо с2), фотоны уже не способны были обеспечить возникновение частиц и античастиц с массой mо.

Согласно тому, как материализация в результате понижающейся температуры раскаленного вещества приостановилась, эволюцию Вселенной принято разделять на четыре эры: адронную, лептонную, фотонную и звездную.

Адронная эра. При очень высоких температурах и плотности в самом начале существования Вселенной материя состояла из элементарных частиц. Вещество на самом раннем этапе состояло, прежде всего, из адронов, и поэтому ранняя эра эволюции Вселенной называется адронной, несмотря на то, что в то время существовали и лептоны.

Через миллионную долю секунды с момента рождения Вселенной температура упала на 10 биллионов Кельвинов (1013К). Средняя кинетическая энергия частиц и фотонов составляла около миллиарда эВ (103МэВ), что соответствует энергии покоя барионов. В первую миллионную долю секунды эволюции Вселенной происходила материализация всех барионов неограниченно, так же, как и аннигиляция. Но по прошествии этого времени материализация барионов прекратилась, так как при температуре ниже 1013 К фотоны не обладали уже достаточной энергией для ее осуществления. Процесс аннигиляции барионов и антибарионов продолжался до тех пор, пока давление излучения не отделило вещество от антивещества.

Нестабильные гипероны (самые тяжелые из барионов) в процессе самопроизвольного распада превратились в самые легкие из барионов (протоны и нейтроны). Так, во вселенной исчезла самая большая группа барионов – гипероны. Нейтроны могли дальше распадаться в протоны, которые далее не распадались, иначе бы нарушился закон сохранения барионного заряда. Распад гиперонов происходил на этапе с 10-6 до 10-4 секунды.

К моменту, когда возраст Вселенной достиг одной десятитысячной секунды (10-4 с), температура ее понизилась до 1012 К, а энергия частиц и фотонов представляла лишь 100 Мэв. Ее не хватало уже для возникновения самых легких адронов – пионов. Пионы, существовавшие ранее, распадались, а новые не могли возникнуть. Это означает, что к тому моменту, когда возраст Вселенной достиг 10-4 с, в ней исчезли все мезоны.

Лептонная эра. Когда энергия частиц и фотонов понизилась в пределах от 100 Мэв до 1 Мэв, в веществе было много лептонов. Температура была достаточно высокой, чтобы обеспечить интенсивное возникновение электронов, позитронов и нейтрино. Барионы (протоны и нейтроны), пережившие адронную эру, стали по сравнению с лептонами и фотонами встречаться гораздо реже.

Лептонная эра начинается с распада последних адронов – пионов – в мюоны и мюонное нейтрино, а кончается через несколько секунд при температуре 1010 К, когда энергия фотонов уменьшилась до 1 Мэв и материализация электронов и позитронов прекратилась. Во время этого этапа начинается независимое существование электронного и мюонного нейтрино, которые мы называем «реликтовыми».

Фотонная эра, или эра излучения. На смену лептонной эры пришла эpa излучения. как только температура Вселенной понизилась до 1010 К, а энергия гамма-фотонов достигла 1 Мэв, произошла только аннигиляция электронов и позитронов. Новые электронно-позитронные пары не могли возникать вследствие материализации потому, что фотоны не обладали достаточной энергией. Но аннигиляция электронов и позитронов продолжалась дальше, пока давление излучения полностью не отделило вещество от антивещества. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в два миллиарда раз больше, чем протонов и электронов.

Так выглядела Вселенная в возрасте примерно 300 000 лет. Расстояния в тот период были в тысячу раз короче, чем в настоящее время.

«Большой взрыв» продолжался сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную нынешнего возраста Вселенной. Несмотря на краткость срока, это всё же была самая славная эра Вселенной. Никогда после этого эволюция Вселенной не была столь стремительна как в самом её начале, во время «большого взрыва». Все события во Вселенной в тот период касались свободных элементарных частиц, их превращений, рождения, распада, аннигиляции. Не следует забывать, что в столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны).

После «большого взрыва» наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц.

С возникновением атомов водорода начинается звездная эра – эра частиц, точнее говоря, эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звездную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик.

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1926 г., когда американский астроном Э. Хаббл открыл при исследовании спектров далеких галактик красное смещение спектральных линий, что было истолковано как следствие эффекта Доплера. Суть эффекта Доплера заключается в изменении частоты колебаний или длины волны из-за движения источника излучения и наблюдателя по отношению друг к другу. Скорость удаления галактик друг от друга возрастает с расстоянием до них. Эйнштейн при работе над ОТО (1905–1915 г.) не знал о красном смещении в спектрах и разбегании галактик, поэтому он исходил из идеи стационарности Вселенной. Уравнения, полученные Эйнштейном, были детально исследованы амереканским астрономом де Ситтером и советским физиком А. Фридманом, который разработал три сценария развития Вселенной в 1922 г. О Фридмане говорят, что он «на кончике пера» открыл разбегание галактик. Открытия гравитационного красного смещения через несколько лет (1926 г.) подтвердили догадки о нестационарности развития, о расширении Вселенной. Вскоре было доказано, что своеобразие релятивистской космологии вовсе не связано с теорией Эйнштейна, а обусловлено космологической постановкой проблемы.

В 1948 г. Г. Гамов произвел необходимые расчеты развития событий для получения нужных соотношений между химическими элементами во Вселенной сейчас из ядерных реакций и в ранней горячей Вселенной, доказывая идею модели горячей Вселенной, которую назвал «космологией Большого взрыва». Теория получила подтверждение после открытия фонового излучения, которое осталось со времени Большого взрыва и названо реликтовым. Используя данные, полученные в мире элементарных частиц, космологи пытаются подобраться к самому Началу, к моменту начала расширения Вселенной.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   30

Похожие:

Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconВыступление Михаила Шмакова на общественно-политическом журнале «Признание» №44-45 2007-2008
Михаил Шмаков: «Профсоюз заставляет работодателя относиться к работнику не как к винтику, а как к человеку»
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconВ. С. Барашенков, М. В. Ляблин, Н. Л. Шмакова, Я. Г. Гальперин
Сравнение групп 100 гамма-облученных, потреблявших "энерголизованную" воду мышей и 100 таких же контрольных, содержавшихся на обычной...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconЛ. А. Шмакова финансовый анализ
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования в качестве учебного пособия...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconДоклад председателя фнпр м. В. Шмакова
Тем не менее, я хотел бы остановиться на нескольких наиболее существенных моментах прошедшего пятилетия. А также – зафиксировать...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconДоклад Председателя фнпр шмакова М. В. на заседании Генерального...
Сегодня мы рассматриваем один из важных вопросов нашей деятельности, по которому нам необходимо и высказать свою позицию, и принять...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconВыступление делегата профсоюзов России Михаила Шмакова на 102-й сессии...
Этот доклад посвящен столетней годовщине мот, но его идеи мобилизуют нас на практические дела уже сегодня, во имя торжества идеалов...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconДоклад Председателя фнпр м. В. Шмакова "О ходе выполнения решений...
Оду пятилетки присваивать названия. Первый год пятилетки, второй, определяющий, решающий, завершающий. В этом смысле 2013 год определяющий,...
Л. Р. Родкина Е. Э. Шмакова iconМетодические указания и задания к контрольным работам для студентов...
Финансовый анализ [Текст]: Методические указания и задания к контрольным работам для студентов специальности 080105 «Финансы и кредит»...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
контакты
skachate.ru
Главная страница