phizika (Физика (лучшее)), страница 9

2.Магнитный поток. Магнитным потоком через некоторую поверхность называют число линий магнитной индукции, пронизывающих её. Пусть в однородном маг­нитном поле находится плоская площадка площадью S, перпендикулярная к линиям магнитной индукции. (Однородным магнитным полем называет­ся такое поле, в каждой точке которого индукция магнитного поля одина­кова по модулю и направлению). В этом случае нормаль n к площадке совпадает с направлением поля. Поскольку через единицу пло­щади площадки проходит число линий магнитной индукции, равное моду­лю В индукции поля, то число линий, пронизывающих данную площадку будет в S раз больше. Поэтому магнитный поток равен

Рассмотрим теперь случай, когда в однородном магнитном поле находится плоская площадка, имеющая форму прямоугольного параллелепипеда со сторонами а и b, площадь которой S = аb. Нормаль n к площадке состав­ляет угол  с направлением поля, т.е. с вектором индукции В. Число линий индукции, проходящих через площадку S и её проекцию Sпр на плоскость, перпендикулярную к этим линиям, одинаково. Следователь­но, поток Ф индукции магнитного поля через них одинаков. Используя выражение, находим Ф = ВSпр Из рис. видно, что Sпр= ab*cos  =Scos. Поэтому

ф =BScos .

В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб). Из формулы следует т.е. 1 Вб — это магнитный поток через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно к линиям магнитно индукции в однородном магнитном поле с индукцией 1 Тл. Найдем размерность вебера:

Билет № 19

Свободные и вынужденные колебания. Электрические колебания были открыты в известной мере случайно. После того как изобрели лейденскую банку (первый конденсатор) и научились сообщать ей большой заряд от электростатической машины, начали наблюдать электрический разряд банки. Замыкая обкладки лейденской банки с помощью проволочной катушки, обнаружили, что стальные спицы внутри катушки намагничиваются. В это ничего странного не было: электрический ток и должен намагничивать стальной сердечник катушки. Удивительным было то, что нельзя было предсказать, какой конец сердечника катушки окажется северным полюсом, а какой – южным. Повторяя опыт примерно в одних и тех же условиях, получали в одних случаях один резуль­тат, а в других другой. Далеко не сразу поняли, что при разряде конденсатора че­рез катушку возникают колебания. За время разрядки конденсатор успевает много раз перезарядиться и ток меняет направление много раз. Из-за этого сер­дечник может намагничиваться различ­ным образом.

Периодические или почти периодиче­ские изменения заряда, силы тока и на­пряжёния называют электрическими коле­баниями.

Получить электрические колебания почти столь же просто, как и заставить тело колебаться, подвесив его на пружине. Но наблюдать электри­ческие колебания уже не так просто. Ведь мы непосредственно не видим ни перезарядки конденсатора, ни тока в катушке. К тому же колебания обычно происходят с очень большой частотой.

Наблюдают и исследуют электрические колебания с помощью электронного осциллографа. На горизонтально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки осциллографа подается пере­менное напряжение развертки Up “пилообразной» формы. Сравнительно медленно напряжение нарастает, а потом очень резко уменьшается. Электрическое поле между пластинами за­ставляет электронный луч пробегать экран в горизонтальном на­правлении с постоянной скоростью и затем почти мгновенно воз­вращаться назад. После этого весь процесс повторяется. Если теперь присоединить вертикально отклоняющие пластины к кон­денсатору, то колебания напряжения при его разрядке вызовут колебания луча в вертикальном направлении. В результате на экране образуется временная «развертка» колебаний, вполне подобная той, которую вычерчивает маятник с песочни­цей на движущемся листе бумаги. Коле­бания затухают с течением времени

Эти колебания — свободные. Они воз­никают после того, как конденсатору со­общается заряд, выводящий систему из состояния равновесия. Зарядка конден­сатора эквивалентна отклонению маят­ника от положения равновесия.

В электрической цепи можно также получить и вынужден­ные электрические колебания. Такие колебания появляются при наличии в цепи периодической электродвижущей силы. Перемен­ная ЭДС индукции возникает в проволочной рамке из нескольких витков при вращении ее в магнитном поле (рис. 19). При этом магнитный поток, пронизывающий рамку, периодически изменя­ется, В соответствии с законом электромагнитной индукции периодически меняется и возникающая ЭДС индукции. При замыкании цепи через гальванометр пойдет переменный ток и стрелка начнет колебаться около положения равновесия.

2.Колебательный контур Простейшая система, в которой могут происходить свободные электрические колебания, состоит из конденсатора и катушки, присоединенной к обкладкам конденсатора (рис. 20). Такая систе­ма называется колебательным контуром.

Рассмотрим, почему в контуре возникают колебания. Зарядим конденсатор, присоединив его на некоторое время к батарее с помощью переключателя. При этом конденсатор получит энергию

где qm — заряд конденсатора, а С — его электроемкость. Между обкладками конденсатора возникнет разность потенциалов Um.

Переведем переключатель в положение 2. Конден­сатор начнет разряжаться, и в цепи появится электрический ток. Сила тока не сразу достигает максимального значения, а увеличивается постепенно. Это обусловлено явлением самоин­дукции. При появлении тока возникает переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле в проводнике. Вихревое электрическое поле при нарастании магнитного поля направлено против тока и препятствует его мгновенному увели­чению.

По мере разрядки конденсатора энергия электрического поля уменьшается, но одновременно возрастает энергия магнитного поля тока, которая определяется форму­лой

где i сила тока,. L — индуктивность ка­тушки. В момент, когда конденсатор пол­ностью разрядится (q=0), энергия элек­трического поля станет равной нулю. Энер­гия же тока (энергия магнитного поля) согласно закону сохранения энергии будет максимальной. Следовательно, в этот мо­мент сила тока также достигнет макси­мального значения

Несмотря на то что к этому моменту разность потенциалов на концах катушки становится равной нулю, электрический ток не может прекратиться сразу. Этому препятствует явление самоиндукции. Как только сила тока и созданное им магнит­ное поле начнут уменьшаться, возникает вихревое электрическое поле, которое на­правлено по току и поддерживает его.

В результате конденсатор перезаряжается до тех пор, пока ток, постепенно уменьшаясь, не станет равным нулю. Энергия магнитного поля в этот момент также будет равна нулю, а энергия электрического поля конденсатора опять станет максимальной.

После этого конденсатор вновь будет перезаряжаться и систе­ма возвратится в исходное состояние. Если бы не было потерь энергии, то этот процесс продолжался бы сколь угодно долго. Колебания были бы незатухающими. Через промежутки времени, равные периоду колебаний, состояние системы повторялось бы.

Но в действительности потери энергии неизбежны. Так, в частности, катушка и соединительные провода обладают сопро­тивлением R, и это ведет к постепенному превращению энергии электромагнитного поля во внутреннюю энергию проводника.

При колебаниях, происходящих в контуре, наблюдается превращение энергии магнитного поля в энергию электрического поля и наоборот. Поэтому эти колебания называют электромагнитными. Период колебательного контура находится по формуле :

Билет № 18

1. Индуктивность. Пусть по замкнутому контуру течёт постоянный ток силой I. Этот ток создаёт вокруг себя магнитное поле, которое прони­зывает площадь, охватываемую проводником, создавая магнитный поток. Известно, что магнитный поток Ф пропорционален модулю индукции магнитного поля В, а модуль индукции магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током, пропорционален силе тока 1. Из этого следует

Коэффициент пропорциональности L между силой тока и магнитным по­током, создаваемым этим током через площадь, ограниченную проводни­ком, называют индуктивностью проводника.

Индуктивность проводника зависит от его геометрических размеров и формы, а также от магнитных свойств среды, в которой он находится. внутри него. Необходимо отметить, что если магнитная проницаемость среды, окружающей проводник, не зависит от индукции магнитного поля, создаваемого током, текущим по проводнику, то индуктивность данного проводника является постоянной величиной при любой силе тока, идуще­го в нём. Это имеет место, когда проводник находится в среде с диамаг­нитными или парамагнитными свойствами. В случае ферромагнетиков ин­дуктивность зависит от силы тока, проходящего по проводнику.

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри (Гн). L = Ф/I и 1 Гн = 1 В6/ 1А, т.е. 1 Гн — индуктивность такого про­водника, при протекании по которому тока силой 1А возникает магнит­ный поток, пронизываю площадь, охватываемую проводником, рав­ный 1Вб.

Явление самоиндукции. Явление возникновения э.д.с. в том же проводнике, по которому течёт переменный ток, называется самоин­дукцией, а саму э.д.с. называют э.д.с. самоиндукции. Это явление объяс­няется следующим. Переменный ток, проходящий по проводнику, порож­дает вокруг себя переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт магнитный поток, изменяющийся со временем, через площадь, ог­раниченную проводником. Согласно явлению электромагнитной индукции, это изменение магнитного потока и приводит к появлению э.д.с. са­моиндукции.

Найдём э.д.с. самоиндукции. Пусть по проводнику с индуктивностью L течёт электрический ток. В момент времени t₁ сила этого тока равна I₁, а к моменту времени t₂ она стала равной I₂. Тогда магнитный поток, создавае­мый током через площадь ограниченную проводником, в моменты време­ни t₁ и t₂ соответственно равен Ф1=LI₁ и Ф₂= LI₂ , а изменение Ф магнитного потока равно Ф = LI₂ — LI₁ = L(I₂ — I₁) = LI, где I =I₂— I₁ — изменение силы тока за промежуток времени t = t₂ - t₁. Со­гласно закону электромагнитной индукции, э.д.с. самоиндукции равна: Подставляя в это выражения предыдущую формулу, получаем

Итак, э.д.с. самоиндукции, возникающая в проводнике, пропорциональна быстроте изменения силы тока, текущего по нему. Соотношение представляет собой закон самоиндукции.

Под действием э.д.с. самоиндукции создаётся индукционный ток, на­зываемый током самоиндукции. Этот ток, согласно правилу Ленца, про­тиводействует изменению силы тока в цепи, замедляя его возрастание или убывание.

Энергия магнитного поля. При протекании электрического тока по проводнику вокруг него воз­никает магнитное поле. Оно обладает энергией. Можно показать, что энергия магнитного поля, возникающего вокруг проводника с индуктив­ностью L, по которому течёт постоянный ток силой I, равна

Билет № 20

Фундаментальные законы природы, к числу которых относятся открытые Максвеллом законы электромагнетизма, замечательны в следующем отношении: они могут дать гораздо больше, чем заключено в тех фактах, на основе которых они получены.

Среди бесчисленных, очень интересных и важных следст­вий, вытекающих из максвелловских законов электромагнитного поля, одно заслуживает особого внимания. Это вывод о том, что электромагнитное взаимодействие распространяется с конечной скоростью.

Согласно теории дальнодействия кулоновская сила, дейст­вующая на электрический заряд, сразу же изменится, если сосед­ний заряд сдвинуть с места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии иначе быть не может:

ведь один заряд непосредственно через пустоту <чувствует» присутствие другого.

Согласно же представлению о близкодействии обстоит совершенно иначе и много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное же магнитное поле в свою очередь порождает переменное электрическое поле и т.д.

Перемещение заряда вызывает, таким образом, «всплеск» электромагнитного поля, который, распространяясь, охватывает все большие и большие облас­ти окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое существовало до смещения заряда. Наконец, этот «всплеск» достигает второго заряда, что и приводит к изменению действующей на него силы. Но произойдет это не в тот момент вре­мени, когда произошло смещение первого заряда. Процесс рас­пространения электромагнитного возмущения, механизм которого был вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой, скоростью. В этом состоит фундаментальное свойство поля, которое не оставляет сомнений в его реальности.

Максвелл математически показал, что скорость распростране­ния этого процесса равна скорости света в вакууме.

Электромагнитная волна. Представьте себе, что электриче­ский заряд не просто сместился из одной точки в другую, а при­веден в быстрые колебания вдоль некоторой прямой. Заряд дви­жется подобно грузу, подвешенному на пружине, но только коле­бания его происходят со значительно большей частотой. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, бу­дет равен периоду колебаний .заряда. Переменное электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою очередь вызовет появление переменного электрического поля уже на большем расстоянии от заря­да и т. д.

Мы не будем в деталях рассматривать сложный процесс об­разования электромагнитного поля, порождаемого колеблющим­ся зарядом. Приведем лишь конечный результат.

В окружающем заряд пространстве, захватывая все большие и большие области, возникает система взаимно перпендикуляр­ных, периодически изменяющихся электрических и магнитных по­лей. На рисунке 84 изображен «моментальный снимок» такой системы полей.

Образуется так называемая электромагнитная волна,. бегу­щая по всем направлениям от колеблющегося заряда.

Не надо думать, что электромагнитная волна, подобно волне на поверхности воды, представляет собой возмущение какой-либо среды. На рисунке изображены в некотором масштабе значения векторов Ё и В в различных точках пространства, лежащих на линии Os, в фиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды, как в случае механических волн на поверхности воды, здесь нет.

В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Чем дальше распо­ложена точка от заряда, тем позднее достигнут ее колебания полей. Следовательно, на разных расстояниях от заряда коле­бания происходят с различными фазами.

Колебания векторов Ё и В в любой точке совпадают по фазе. Расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах, есть длина волны . В данный момент времени значения векторов Е и В меняются периодически в пространстве с периодом .

Направления колеблющихся векторов напряженности элек­трического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны к направлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной.

Таким образом, векторы Ё и Й в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Если вращать буравчик с правой нарез­кой от вектора Ё к вектору В то поступательное перемещение буравчика будет совпадать с вектором скорости волны с.

Электромагнитные волны излучаются колеблющимися заря­дами. При этом существенно, что скорость движения таких заря­дов меняется со временем, т. е. что они движутся с ускорением.

Наличие ускорения — главное условие излучения электромагнит­ных волн. Электромагнитное воле излучается заметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстром изменении его скорости, причем интенсивность излученной волы тем больше, чем больше ускорение, с которым движется заряд.

Наглядно это можно представить себе так. При движении заряженной частицы с постоянной скоростью созданные ею элект­рическое и магнитное поля, подобно развевающемуся шлейфу, сопровождают частицу. При ускорении частицы обнаруживается присущая электромагнитному полю инертность. Поле «отрывает­ся» от частицы и начинает самостоятельное существование в форме электромагнитных волн.

Энергия электромагнитного поля волны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменением векторов Ё и В. Бегущая волна несет с собой энергию, переме­щающуюся со скоростью с вдоль направления распространения волны. Благодаря этому энергия электромагнитной волны в любой области пространства меняется периодически со временем.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромаг­нитных волн. Но он не дожил до их экспериментального обна­ружения. Лишь через 10 лет после его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.

2. Принцип радиосвязи. Радиопередатчик. Для осуществления радиосвязи необходимы ра­диопередатчик и радиоприёмник. Рассмотрим принцип действия радиопе­редатчика, блок-схема которого приведена на рис. ‘77.1. Генератор создаёт высокочастотные электромагнитные гармонические колебания с частотой

v . Пусть перед микрофоном находится звучащий камертон, создающий механические гармонические колебания звуковой частоты Yзв. Эти колебания с помощью микрофона преобразуются в электромагнитные колебания той же частоты (рис. 77.2 6). Частота Yзв этих колебаний значи­тельно меньше частоты Y высокочастотных электромагнитных колебаний.

Колебания, создаваемые генератором и микрофоном, подаются в модулятор, в котором происходит их сло­жение, в результате чего возникают электромагнитные колебания с час­тотой Y, амплитуда которых изменя­ется с частотой Yзв. Такие колебания называют амплитудно­ - модулированными (рис. 77.2 в). За­тем модулированные колебания уси­ливаются и подаются на антенну(открытый колебательный контур), которая излучает модулированные электромагнитные волны.

Радиоприёмник. Блок-схема ра­диоприёмника показана на рис. 77.3. Модулированные электромагнитные волны, излучаемые различными ра­диостанциями, индуцируют в антен­не модулированные электромагнит­ные колебания разных частот. Изменяя величину ёмкости конденсатора и индуктивности, добиваются совпа­дения собственной частоты колебательного контура с частотой одной из передающей станции. Это приводит к тому, что в колебательном контуре возникают вынужденные резонансные электромагнитные колебания дан­ной частоты. Амплитуды же колебаний с другими частотами будут очень малы. Эти модулированные колебания рис. 77.2 в) усиливаются и пода­ются в демодулятор (детектор). После его прохождения сила тока в цепи изменяется со временем по закону, график которого приведён на рис. 77.4. далее происходит преобразование этого тока в ток, сила которого изменя­ется со временем со звуковой часто­той Yзв рис.77.2б). Затем этот ток усиливается и протекает через дина­мик, который преобразует электро­магнитные колебания в звуковые той же частоты. В результате этого ди­намик воспроизводит механические колебания, происходящие перед микрофоном передающей станции.

Принцип радиопередачи используют в телевидении, радиолокации, в различных видах телефонной (сотовой) связи.

Билет № 21

С точки зрения волновой теории свет представляет собой электромаг­нитные волны с частотой v, лежащей в интервале от до Гц. Диапазон световых волн чаще выражают в длинах волн в ва­кууме (практически в воздухе). Используя соотношение длины световой волны с частотой колебания, находим, что длины волн света в вакууме заключены в пределах от 0,75 до 0,4 мкм. Установлено, что цветовое воздействие света на глаз человека обусловлено его частотой. Так, световые волны с частотой Гц воспринимаются как красный свет, а с частотой Гц как фиолетовый. Показано также, что световые волям, отличающиеся подлине волны менее чем на 2 нм, воспринимаются как одноцветные.

1. Интерференция волн. Интерференцией волн называют явление усиления и ослабления волн в определённых точках пространства при их наложении. Интерфе­рировать могут только когерентные волны. Когерентными называются такие волны (источники), частоты которых одинаковы и разность фаз колебаний не зависит от времени. Геометрическое место точек, в кото­рых происходит усиление или ослабление волн соответственно называют интерференционным максимумом или интерференционным миниму­мом, а их совокупность носит название интерференционной картины. В связи с этим можно дать иную формулировку явления. Интерференцией волн называется явление наложения когерентных волн с образованием интерференционной картины.

Пусть волны создаются когерентными источниками O₁ и О₂. Рассмотрим точку М, на­ходящуюся на расстоянии l₁ и l₂ от источника (рис. 83.1), в которой происходит наложение

волн. Установлено, что волны усиливают друг друга, если и ослабляют друг друга, когда где  — длина волны, Величина l = l₁ - l₂, т.е. разность расстояний от источников до рассматриваемой точки, называется геомет­рической разностью хода волн. С учётом этого следует, что когерентные волны, раслространяющиеся в одной среде, уси­ливаются в точках, для которых геометрическая разность хода равна це­лому числу длин волн, и ослабляется, когда она составляет полуцелое чис­ло длин волн.

Явление интерференции света используется для контроля качества об­работки поверхностей, просветления оптики, измерения показателей пре­ломления вещества и т.д.

Дифракция света. В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Об этом свиде­тельствуют резкие тени, отбрасываемые непрозрачными предметами при освещении их точечными источниками света. Однако если размеры пре­пятствий становятся сравнимыми с длиной волны, то прямолинейность распространения волн нарушается. Явление огибания волнами препятст­вий называется дифракцией. Вследствие дифракции свет проникает в об­ласть геометрической тени. Дифракционные явления в белом свете сопро­вождаются появлением радужной окраски вследствие разложения света на составные цвета. Например, окраска перламутра и жемчуга объясняется дифракцией белого света на мельчайших его вкраплениях.

Широкое распространение в научном эксперименте и технике получи­ли дифракционные решётки, представляющие собой систему узких парал­лельных щелей одинаковой ширины, расположенных на одинаковом рас­стоянии d друг от друга. Это расстояние называют постоянной решётки. Дифракционные решётки изготавливаются с помощью специальной ма­шины, наносящей штрихи (царапины) на стекле или другом прозрачном материале. Там, где проведена царапина, материал становится непрозрачным, а промежутки между ними остаются прозрачными и играют роль ще­лей. Это так называемые прозрачные решётки. Существуют и отража­тельные решётки, которые получают нанесением штрихов на металличе­ское зеркало. Действие обеих типов решёток практически не отличается, поэтому рассмотрим явления, происходящие только в прозрачных решёт­ках. Пусть на дифракционную решётку ДР, перпендикулярно к ней, падает параллельный пучок монохроматического света (плоская монохроматиче­ская световая волна). Для наблюдения дифракции за ней помещают соби­раюпхую линзу Л, в фокальной плоскости которой располагают экран Э(рис. 84.1, на котором приведён вид в плоскости, проведённой поперёк щелям перпендикулярно к дифракционной решётке, а также показаны только лучи у краёв щелей). Вследствие дифракции из щелей исходят све­товые волны во всех направлениях. Выберем одно из них, составляющее угол  с направлением падающего света. Этот угол называют углом ди­фракции. Свет, идущий из щелей дифракционной решётки под углом р, собирается линзой в точке Р (точнее в полосе, проходящей через эту точ­ку). Геометрическая разность хода l между соответствующими лучами, выходящими из соседних щелей, как видно из рис. 84.1, равна А! = d~siп₉. Прохождение света через линзу не вносит дополнительной разности хода. Поэтому если А! равна целому числу длин волн, т.е.

то в точке Р волны усиливают друг друга. Это соотношение является условием так называемых главных максимумов. Целое число m называют порядком главных максимумов.

Если на решётку падает белый свет, то для всех значений длин волн положение максимумов нулевого порядка (m = О) совпадут; положение же максимумов более высоких порядков различны: чем больше ,????// тем больше  при данном значении m. Поэтому центральный максимум имеет вид уз­кой белой полосы, а главные максимумы других порядков представляют разноцветные полосы конечной ширины — дифракционный спектр. Наи­более интенсивными являются спектры первого порядка (m = 1). Спектры более высоких порядков менее ярки. Ес­ли решётку освещать немонохроматиче­ским лучом, в составе которого имеется дискретный набор длин волн (такой свет даёт, например, ртутная лам­па), то дифракционный спектр представ­ляет собой совокупность отдельных цветных линий на тёмном фоне: каждой длине волны соответствует своя линия. Таким образом, дифракционная решётка разлагает сложный свет в спектр и по­этому с успехом используется в спектрометрах. Спектрометр — прибор для точного измерения длин волн с помощью дифракционной решётки (или призмы), которая разлагает свет в спектр, т.е. на компоненты с различными длинами волн. Свет от источника(рис. 84.2) через узкую щель направляется в коллиматор, который создаёт параллельный лучок света. далее свет попадает на решётку. Наблюдатель поворачивает трубу и при угле , соответствующему дифракционному максимуму увидит яркую линию. Угол может быть измерен с высокой точностью. По формуле (84.1) определяют длину волны наблюдаемого света. Значение спектрометров в науке и промышленности огромно, по­скольку с их помощью осуществляется анализ элементов, входящих в со­став сплавов металлов, анализ газов, жидкостей, твёрдых тел, анализ хи­мического состава звёзд и т.д. Отметим, что элемент гелий впервые был обнаружен спектрально на Солнце, откуда и пошло его название.

Дисперсия света. Явление зависимости показателя преломления вещества от частоты света называется дисперсией света. Установлено, что с возрастанием частоты света показатель преломления вещества увеличивается. Пусть на трёхгранную призму па­дает узкий параллельный пучок белого света на котором показано сечение призмы плоскость­ю чертежа и одни из лучей). При прохождении через призму он разлагается на пучки света разного цвета от фиолетового до красного. Цвет­ную полосу на экране называют сплошным спек­тром. Нагретые тела излучают световые волны со всевозможными частотами, лежащими в интерва­ле частот от до Гц. При разложении этого света и наблю­дается сплошной спектр. Возникновение сплошного спектра объясняется дисперсией света. Наибольшее значение показатель преломления имеет для фиолетового света, наименьшее — для красного. Это приводит к тому, что сильнее всего будет преломляться фиолетовый свет и слабее всего —красный. Разложение сложного света при прохождении че­рез призму используется в спектрометрах.

1.Поляризация света. Электромагнитная природа света. Свет представляет собой элек­тромагнитные волны, в которых происходит периодическое изменение(колебание) напряжённости Е электрического и индукции В магнитного полей. Направления колебаний векторов Е и В взаимно перпендикулярны

и перпендикулярны к направлению распространения волны. Поэтому световая волна являет­ся поперечной. Плоскость, в которой колеблется вектор электрической напряжённости, называют плоскостью поляризации.

Явление поляризации света. Явления интерференции и дифрак­ции, выявлял волновые свойства све­та, не отвечают на вопрос, являются ли волны продольными или попереч­ными. Действительно, указанные явления наблюдаются для общих видов волн любой природы. Доказательством поперечности световых волн, а, следовательно, и любых электромагнитных волн, является поляризация света. Выясним, в чём заключается это явление? Опытным путём установ­лено, что физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света обусловлены электрическим полем световой волны. По­этому в дальнейшем будет говориться лишь о напряжённости электриче­ского поля, а об индукции магнитного поля упоминаться не будет.

Световая волна, излучаемая светящимся телом, представляет собой на­ложение огромного числа волн, испускаемых отдельными атомами. Атомы излучают свет независимо друг от друга. Поэтому плоскости поляризация в таких волнах имеют произвольную ориентацию в пространстве. Это приводит к тому, что в такой световой волне колебания вектора Е происходят во всевозможных плоскостях, пересекающихся на оси распростpa­нения волны (рис.86.1, на котором показаны колебания вектора Е в плос­кости, перпендикулярной к направлению распространения волны). Свето­вая волна, в которой колебания вектора Ё совершаются во всех плоско­стях, называется естественной или неполяризованной. Такой свет излучают солнце, электрические лампы, свечи и т.д. Свет, в котором колебания напряжённости электрического, а следовательно, и индукция магнитного полей упорядочены, называют поляризованным. Если колебания вектора Ё происходят в одной плоскости (в одном направлении), то такой свет называется плоскополяризованным (рис. 86.2). По сути дела на рис. 76.1 также изображена плоскополяризованная волна.

Билет № 22

1. После открытия электрона Томсон предложил модель строения атома. Согласно этой модели, атом представляет собой шар, заряженный положительно, внутри которого находятся электроны. Резерфорд, усомнившись в этой модели, провёл опыты по изучению рассеяния -частиц. Его опыт состоял в следующем. Радиоактивное вещество радий помещалось в контейнер, изготовленный из свинца, в котором просверливался узкий канал. Из этого канала узкий пучок -частиц (ядер гелия) падал на тонкую металлическую фольгу, за которой находился экран, покрытый люминесцентным составом. Всё это помещалось в сосуд, из которого откачивался воздух. Проходя фольгу, -частицы попадали на экран, на котором наблюдались световые вспышки в месте попадания частицы. Было обнаружено, что подавляющее большинство частиц пролетает фольгу, не меняя своего направления. Однако некоторые из них отклонялись на большие углы. Та­кое рассеяние -частиц нельзя объяснить, исходя из модели атома Томсо­на. Поэтому Резерфорд предложил другую модель строения атома, назван­ную ядерной. Согласно этой модели, атом состоит из ядра, в котором со­средоточена почти вся масса атома и обладающего положительным заря­дом, вокруг которого вращаются электроны, имеющие отрицательный за­ряд. При этом размеры ядра много меньше размеров атома и заряд ядра равен суммарному заряду электронов по абсолютной величине.

Однако эта модель обладает двумя недостатками.

1. Согласно классической электродинамике, ускоренно движущиеся заряженные частицы излучают электромагнитные волны. В атоме элек­троны, двигаясь вокруг ядра, обладают центростремительным ускорением. Поэтому они должны бы излучать энергию в виде электромагнитных волн. В результате этого электроны будут двигаться по спиральным траектори­ям, приближаясь к ядру, и, наконец, упасть на него. После этого атом пре­кращает своё существование. В действительности же атомы являются устойчивыми образованиями.

2. Известно, что заряженные частицы, двигаясь по окружности, излучают электромагнитные волны с частотой, равной частоте вращения час­тицы. Электроны в атоме, двигаясь по спиральной траектории, меняют частоту вращения. Поэтому частота излучаемых электромагнитных волн плавно изменяется, и атом должен бы излучать электромагнитные волны в некотором частотном интервале, т.е. спектр атома будет сплошным. В действительности же он линейчатый. Для устранения указанных недостат­ков Бор пришёл к выводу, что необходимо отказаться от классических представлений. Он постулировал ряда принципов, которые получили на­звание постулатов Бора.

3. Постулаты Бора. Первый постулат. Существуют стационарные состояния атома, находясь в которых, он не излучает энергии. Постулат утверждает, что, несмотря на наличие ускорения у электрона, излучения электромагнитных волн нет. Этим постулатом устранён первый недоста­ток ядерной модели атома.

Второй постулат. В стационарных состояниях атом обладает опреде­лёнными энергиями. Испускание света атомом происходит, когда электрон переходит из одного стационарного состояния с энергией Wm в другое с меньшей энергией Wn. При этом испускается одни световой фотон, энер­гия которого определяется соотношением Если происходит переход из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энерги­ей, то наблюдается поглощение энергии (света). Из последней формулы следует, что частота излученного фотона равна . Поскольку энергии, которые принимает атом имеют дискретные (прерывные) значения, то и частоты электромагнитных волн, испускаемых атомом будут дискретными, т.е. атом излучает линейчатый спектр. Этим постулатом устранён второй недостаток ядерной модели атома.

Линейчатый спектр. Если свет, испускаемый нагретым газом (например, баллоном с водородом, через который пропускается электрический ток), разложить с помощью дифракционной решётки (или призмы) в спектр, то выяснится, что этот спектр состоит из ряда линий. Поэтому такой спектр называется линейчатым. Линейчатость означает, что в спектре содержатся только вполне определенные длины волн и т.д., а не все, как это имеет место в случае света электрической лампочки.

Спектральный анализ. Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их характер прямо связан со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность «заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо ве­щества зависят только от свойств атомов этого вещества, но со­вершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго определенный набор длин волн.

На этом основан спектральный анализ метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечат­кам пальцев у людей, линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помо­гает часто найти преступника. Точно так же благодаря инди­видуальности спектров имеется возможность определить хими­ческий состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10-¹⁰г. Это очень чувствительный метод.

Количественный анализ состава вещества по его спектру за­труднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при не очень высоких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандарт­ных условий возбуждения свечения можно проводить и количест­венный спектральный анализ.

В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интен­сивных линий спектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это цвет основ­ных линий спектра цезия.

Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых хими­ческих элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно что гелии первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об исто­рии его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный».

Благодаря сравнительной простоте и универсальности спект­ральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.

Состав сложных, главным образом органических, смесей ана­лизируется по их молекулярным спектрам.

Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверх­ность Солнца — фотосфера дает непрерывный спектр. Солнеч­ная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.

Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнеч­ных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит «обращение» линий спектра. На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивает линии излучения.

В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т.д., но и нахождение по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.

Билет № 23 такой же как и Билет № 22.

Билет № 24

1.Фотоэлектрический эффект. Явление вырывания электронов из вещества под действием электро­магнитных излучений (в том числе и света) называют фотоэффектом. Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний. При внешнем фотоэффекте вырванные электроны покидают тело, а при внутреннем —остаются внутри него. Необходимо отметить, что внутренний фотоэффект наблюдается только в полупроводниках и диэлектриках. Остановимся только на внешнем фотоэффекте. для изучения внешнего фотоэффекта используется схема, при­ведённая на рис. 87.1. Анод А и катод К помеща­ются в в сосуд, в котором создаётся высокий ва­куум. Такой прибор называется фотоэлементом. Если на фотоэлемент свет не падает, то ток в цепи отсутствует, и амперметр показывает ноль. При освещении его светом достаточно высокой часто­ты амперметр показывает, что в цепи течёт ток. Опытным путём установлены законы фотоэффекта:

1. Число электронов, вырываемых из вещества, пропорционально интенсивности света.

2. Наибольшая кинетическая энергия вылетаю щах электронов пропорциональна частоте света и не зависит ом его интенсивности.

З. Для каждого вещества существует красная граница фотоэф­фекта, т.е.. наименьшая частота света, при которой ещё возмо­жен фотоэффект.

Волновая теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта. Трудности в объяснении этих законов привели Эйнштейна к созданию квантовой теории света. Он пришёл к выводу, что свет представляет собой поток особых частиц, называемых фотонами или квантами. Энергия фотонов  равна =h , где  — частота cвeтa, h - постоянная Планка.

Известно, что для вырывания электрона ему надо сообщить минималь­ную энергию, называемую работой выхода А электрона. Если энергия фотона больше или равна работе выхода, то электрон вырывается из вещества, т.е. происходит фотоэффект. Вылетающие электроны имеют различ­ные кинетические энергии. Наибольшей энергией обладают электроны, вырываемые с поверхности вещества. Электроны же, вырванные из глуби­ны прежде, чем выйти на поверхность теряют часть своей энергии при соударениях с атомами вещества. Наибольшую кинетическую энергию Wк, которую приобретает электрон, найдём, используя закон сохранения энер­гии,

или

где m и Vm – масса и наибольшая скорость электрона. Это соотношение можно записать иначе:

или

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно формулируется: энергия поглощённого фотона расходуется на работу выхода электрона и приобретение им кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Пусть на вещество падает монохроматический свет. Согласно квантовой теории, интенсивность света пропорциональна энергии, которая перено­сится фотонами, т.е. пропорциональна числу фотонов. Поэтому с увеличе­нием интенсивности света увеличивается число фотонов, падающих на вещество, а следовательно, и число вырываемых электронов. Это есть пер­вый закон внешнего фотоэффекта. Из формулы (87.1) следует, что наи­большая кинетическая энергия фотоэлектрона зависят от частоты v света и от работы выхода А, но не зависит от интенсивности света. Это второй за­кон фотоэффекта. И, наконец, из выражения (87.2) вытекает вывод, что внешний фотоэффект возможен, если hv  А. Энергии фотона должно по крайней мере, хватить хотя бы на вырывание электрона без сообщения ему кинетической энергии. Тогда красную границу v₀ фотоэффекта находим из условия hv₀ = А или v₀ =А/h. Таким образом объясняется третий закон фо­тоэффекта.

2.Применение фотоэффекта. Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строение окружающего нас мира, но и в том, что она даёт нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.

С помощью фотоэффекта «заговорило» кино и стала возможной передача движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без всякого участия человека изготовляют детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше любого человека, вовремя включают и выклю­чают маяки и уличное освещение и т. п.

Все это оказалось возможным благодаря изобретению особых устройств — фотоэлемен­тов, в которых энергия света управляет энер­гией электрического тока или преобразуется в нее.

Современный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода (рис. 208). Это катод. Через прозрачное «окош­ко» свет проникает внутрь колбы. В ее центре расположена проволочная петля или диск — анод, который служит для улав­ливания фотоэлектронов. Анод присоединяют к положительному полюсу батареи. Применяемые фотоэлементы реагируют на ви­димый свет и даже на инфракрасные лучи.

При попадании света на катод фотоэлемента в цепи возникает электрический ток, который включает или выключает то или иное реле. Комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество различных видящих автоматов. Одним из них явля­ется автомат в метро. Он срабатывает (выдвигает перегородку) при пересечении светового пучка, если предварительно не опу­щена пятикопеечная монета.

Подобного рода автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне.

При попадании света на фотоэлемент в цепи батареи G1 через резистор R идет слабый ток. К концам резистора присоединены база и эмиттер транзистора. Потенциал базы выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует. Когда рука чело­века попадает в опасную зону, она перекрывает световой поток, падающий на фотоэлемент. Переход эмиттер база открывает­ся для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле сработает, и контакты реле замкнут цепь питания механизма, который остановит пресс.

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке.

Кроме рассмотренного в этой главе фотоэффекта, называемого внешним фо­тоэффектом, разнообразные применения находит внутренний фотоэффект в по­лупроводниках. Это явление использу­ется в фоторезисторах — приборах, сопро­тивление которых зависит от освещеннос­ти. Кроме того, сконструированы полупроводниковые фотоэлементы, непосредственно преобразующие световую энергию в энергию электрического тока. Эти приборы сами могут служить источниками тока. Их можно использовать для измерения освещенности, например в фотоэкспонометрах. На том же принципе основано действие солнечных батарей, устанавливаемых на всех космических кораблях.

Билет № 25

Состав атомного ядра. Эксперименты Резерфорда показали, что атомы имеют очень малое ядро, вокруг которого вращаются электроны. По сравнению с размерами ядра, размеры атомов огромны и, поскольку практически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объёма атома фактически является пустым пространством. Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Элементарные частицы, образующие ядра (нейтроны и протоны) — назы­ваются нуклонами. Протон (ядро атома водорода) обладает положитель­ным зарядом +е, равным заряду электрона и имеет массу в 1836 раз боль­ше массы электрона. Нейтрон — злектрически нейтральная частица с мас­сой примерно равной 1839 масс электрона.

Количество протонов Z в ядре нейтрального атома равно числу элек­тронов в его электронной оболочке и определяет его заряд, равный +Ze. Число Z называется зарядовым числом и определяет порядковый номер химического элемента периодической системы Менделеева. N — число нейтронов в ядре, А — массовое число, равное суммарному количеству протонов Z и нейтронов N в ядре. Ядро атома обозначается тем же симво­лом, что и химический элемент, снабжаясь двумя индексами (например, ), из которых верхний обозначает массовое, а нижний зарядовое число.

Изотопами называются ядра с одним и тем же зарядовым числом и различными массовыми числами. Большинство химических элементов имеет несколько изотопов. Они обладают одинаковыми химическими свойствами и занимают одно место в таблице Менделеева. Например, водород имеет три изотопа: протий ( ), дейтерий ( ) и тритий ( ). У кислорода встречаются изотопы с массовыми числами А = 16, 17, 18. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химическо­го элемента обладают почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода)

Приближённо размеры ядра были определены в опытах Резерфорда по рассеянию -частиц. Наиболее точные результаты получаются при изуче­нии рассеяния быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерно сферическую форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле м.

Энергия связи ядра. Атомные ядра, состоящие из положительно заряженных протонов и нейтронов, представляют собой устойчивые образования несмотря на то, что между протонами существует сильное отталкивание. Устойчивость ядер свидетельствует, что между нуклонами в ядре действуют силы при­тяжения, превосходящие силы электростатического отталкивания прото­нов. Их назвали ядерными силами. Эти силы обладают рядом особенностей:

1) Они являются только силами притяжения и значительно сильнее электростатического отталкивания протонов.

2) Эти силы короткодействующие. Расстояние, на котором ещё дейст­вуют ядерные силы, называют радиусом действия этих сил. Он равен примерно м.

3) Ядерные силы являются зарядово независимыми. Это означает, что взаимодействие двух нуклонов совсем не зависит от того, обладают или не обладают они зарядом. Ядерные силы между двумя протонами, или двумя нейтронами, или протоном и нейтроном одинаковы

4) для ядерных сил характерно насыщение, подобно насыщению сил химической связи валентных электронов атомов в молекуле. Насыщение проявляется в том, что нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра, а лишь с некоторыми ближайшими соседями.

Для изучения ядерных сил, казалось бы, надо знать их зависимость от расстояния между нуклонами. Однако изучение связи между нуклонами может быть проведено и энергетическими методами.

О прочности того или иного образования судят по тому, насколько легко или трудно его разрушить: чем труднее его разрушить, тем оно прочнее. Но разрушить ядро — это значит разорвать связи между его ну­клонами. для разрыва этих связей, т.е. для расщепления ядра на состав­ляющие его нуклоны, необходимо затратить определённую энергию, на­зываемую энергией связи ядра.

Оценим энергию связи атомных ядер. Пусть масса покоя нуклонов, из которых образуется ядро, равна , Согласно специальной теории относительности, ей соответствует энергия , рассчитываемая по формуле , где с — скорость света в вакууме. После образования ядро об­ладает энергией . Здесь М— масса ядра. Измерения показывают, что масса покоя ядра всегда меньше, чем масса покоя частиц в свободном состоянии, составляющих данное ядро. Разность этих масс называют де­фектом массы. Поэтому при образовании ядра происходит выделение энергии . Из закона сохранения энергии можно заключить, что такая же энергия должна быть затрачена на расще­пление ядра на протоны и нейтроны. Поэтому энергия связи равна . Если ядро с массой М образовано из Z протонов с массой И из N = А - Z нейтронов с массой , то дефект массы равен

C учетом этого энергия связи находится по формуле:

Об устойчивости ядер судят по средней энергии связи, приходя­щейся на один нуклон ядра, которая называется удельной энергией связи. Она равна

На рис.91.1 показана зависимость удельной энергии связи от массово­го числа А. Видно, что самое большое значение удельной энергии связи имеют нуклоны химических элементов, занимающих середину таблицы

Менделеева (30 <А <140). В них удельная энергия связи близка к 8,7 МэВ (1 МэВ 1,6*1О^-13Дж). В то же время ну­клоны самых лёгких и самых тяжёлых эле­ментов таблицы имеют меньшее значение удельной энергии связи. для ядер, распо­ложенных в конце таблицы Менделеева(например, для ypана), приблизительно составляет 7,6 МэВ.

Ход зависимости удельной энергии связи, приведённый на рис. 91.1, позволяет
понять механизм выделения ядерной энер­гии. Из общих соображений ясно, что энергия будет выделяться при таких ядерных реакциях, при которых удельная энергия связи продуктов реак­ции будет превышать удельную энергию исходных ядер. Это условие мо­жет быть выполнено двумя способами: или делением тяжёлых ядер на бо­лее лёгкие, лежащие в средней части таблицы Менделеева, или синтезом лёгких ядер, находящихся в начале таблицы, в более тяжёлое ядро. На­пример, если ядро изотопа урана-235 (у которого удельная энергия связи7,6 МэВ) разделить на два ядра, близких по массовому числу к железу и никелю (у которых удельная энергия связи около 8,75 МэВ), то выделится избыток ядерной энергии, равный 8,75 — 7,6 =1,15 МэВ на каждый нуклон или свыше 200 МэВ на каждое разделившееся ядро урана. При синтезе(соединении) же двух изотопов водорода — дейтерия , имеющих удельные энергии связи 1,11 МЭВ, в ядро гелия, у которого = 7,05 МэВ, выделяется энергия 7,05-1,11=6,94 Мэв.

Цепная реакция. Установлено, что при бомбардировке ядер урана нейтронами происхо­дит распад ядра на две примерно равные части. Отметим три важные осо­бенности таких реакций:

1. Легко делятся ядра одного из изотопов урана

2. В результате реакции деления высвобождается огромное количество энергии. Это связано с тем, что масса ядра урана больше суммарной массы осколков деления. Образующийся дефект массы и приводит к выделению энергии в соответствии с формулой Эйнштейна .

Важной особенностью рассматриваемой ядерной реакции является то, что при делении ядра урана выделяется 2 или З нейтрона. Физики по­няли, что нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно исполь­зовать для осуществления цепной реакции: один нейтрон делит одно ядро урана, два или три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные де­ления и таким образом процесс лавинообразно нарастает, как показано на рис. 95.1. для трёх нейтронов.

При практическом осуществлении цепной ядерной реакции приходит­ся решать ряд сложных проблем, из которых рассмотрим три:

а) Легко делятся ядра изотопа урана-235, а его содержится в природ­ном уране лишь 0,7%, остальное — изотоп урана-238. Поэтому приходится решать проблему увеличения процентного содержания (“обогащения”) урана изотопом-235. Это и составляло основную проблему в процессе соз­дания атомной бомбы и реакторов.

б) Оказалось, что ядра урана де­лятся медленными нейтронами, а при делении выделяются быстрые ней­троны. Появляется задача уменьшить кинетическую энергию нейтронов(замедлить нейтроны), т.е. создать замедлитель. Такими замедлителями являются тяжёлая вода 1)20 и графит.

в) Третья проблема состоит в том, что часть нейтронов вылетает из мас­сы урана, не успев вызвать дальней­шее деление. Поэтому для того, что­бы цепная реакция проходила, масса Рис. 95.1 урана должна превышать некоторое значение называемое критической массой, которая составляет несколько килограмм.

Ядерная цепная реакция осуществляется в атомной бомбе и в атомных реакторах. для осуществления взрыва атомной бомбы необходимо сбли­зить две массы с суммарной массой равной критической. При взрыве атомной бомбы выделяется огромное количество энергии и возникает ин­тенсивная радиация вследствие того, что образовавшиеся осколки ядер являются радиоактивными. После взрыва образуется радиоактивное обла­ко, которое после выпадения на землю загрязняет окружающую среду. Ядерную реакцию, происходящую в атомной бомбе, называют неуправ­ляемой. Управляемая реакция осуществляется в ядерных реакторах, ис­пользуемых на атомных электростанциях (АЭС).

А

1 - ядерный реактор; 2 — горючее с замедлителем; З - управляющие стержни; 4 — защитная оболочка; 5 — замкнутый контур; б - насос; 7- теплообменник; 8 - паровая турбина; 9 - электрогенератор; 10 - конденсатор; 11 - искусственный водоём

томные электростанции. Если в атомной бомбе происходит не­управляемая цепная реакция, то в созданных ядерных реакторах она носит управляемый характер. Суть управляемой реакции заключается в том, что создаются условия, когда на каж­дый процесс деления ядра урана-235 или плутония приходится в среднем о—,. только один нейтрон, вызывающий новый акт деления, другие же обра­зовавшиеся нейтроны вылетают из системы или поглощаются атомными ядрами других веществ (рис. 95.2). Таким образом, скорость выделения энергии будет поддерживаться одинаковой. Сердцем атомной электро­станции является ядерный реактор 1 (рис. 95.3). В качестве горючего ис­пользуются ураи-235 и плутоюiй-239. Для управления потоком нейтронов в атомных реакторах применяются управляющие стержни 3, содержащие кадмий или бор, которые хорошо поглощают нейтроны. Эти стержни вво­дят в активную зону реактора 2 (топливо — замедлитель). Когда стержни полностью погружены в реактор, они поглощают столько нейтронов, что цепная реакция в реакторе не идёт. При выведении стержней увеличивает­ся число нейтронов в реакторе и начинается реакция. В качестве замедлителя нейтронов (а именно такие нейтроны вызывают деление ядер урана-235) используют графит или тяжелую воду. для обеспечения безопасности работающего персонала от радиоактивных излучений реактор помещают в защитную оболочку 4. Необходимо отметить, что для получения самопод­держивающейся цепной реакции, как и в атомной бомбе, масса топлива должна быть не меньше критической. Критическая масса зависит от вида горючего и составляет несколько килограмм. Энергия, выделяемая реакто­ром (1) в виде тепла, снимается теплоносителем (вода, жидкий натрий), циркулирующим в замкнутом контуре (5). Циркуляция обеспечивается на­сосом (б). В теплообменнике (7) теплоноситель отдаёт тепло воде, пре­вращая её в пар, который вращает паровую турбину (8). Турбина соедине­на с электрогенератором (9), вырабатывающим электроэнергию. Из паро­вой турбины пар поступает в конденсатор 10. Происходит его конденсация в воду, которая поступает в теплообменник. Охлаждение пара в конденса­торе осуществляется водой из искусственно созданного водоёма (11)..

5. Условия термоядерной реакции. Ядерные реакции, в которых из лёгких ядер образуются более тяжёлые ядра, называются реакциями термоядерного синтеза (термоядерными реакциями). При синтезе суммарная масса исходных ядер, превышает массу образовавшегося ядра, в результате выделяется энергия. Например, ядра дейтерия D ( ) при слиянии образуют ядро гелия . Расчёты по­казывают, что два грамма дейтерия выделяют 1013 Дж энергии. Особенно благоприятными по ряду причин оказались условия синтеза ядер тяжёлых изотопов водорода — дейтерия и трития: Для того чтобы произошла термоядерная реакция надо положительно- заряженные ядра сблизить настоль малые расстояния, чтобы между ними возникли ядерные силы, для преодоления кулоновского отталкивания ядер, нужно сообщить им огромную энергию, нагреть вещество до температуры 10⁷ К. В водородной бомбе, в которой осуществляется написанная выше реакция, высокая температура достигается за счёт взрыва атомной бомбы, при ко тором получается температура 10 млн, град. Взрыв водородной бомбы представляет собой не управляемую термоядерную реакцию: энергия вы­деляется в огромном количестве в одно мгновение и е~ можно использо­вать только для разрушения. Однако человечеству необходима управляе­мая термоядерная реакция, т.е. реакция, в ходе которой энергию можно было бы отбирать в нужном количестве в нужное время. Такая реакция очень выгодна, поскольку запасов дейтерия и трития хватит практически на неограниченное время, тогда как запасы источников энергии, которыми пользуемся в настоящее время (нефть, газ, уголь) ограничены.

Условие, необходимое для протекании термоядерной реакции, было сформулировано физиком Лоусоном (критерий Лоусона). Оно записывает­ся как для реакции для реакции , где n — концентрация частиц, т.е. число частиц в од­ном см³,— время их удержания вместе в секундах. Эти соотношения от­ражают необходимость сохранения высокой плотности частиц при упомя­нутой высокой температуре (порядка нескольких десятков миллионов гра­дусов) в течение определённого времени. Из этого соотношения, кстати, видно, что реакция синтеза ядра гелия из дейтерия и трития более выгод­на, чем из двух ядер дейтерия, поскольку накладываемые требования в первом случае менее жесткие.

Реакция термоядерного синтеза не взрывного характера осуществлена природой на Солнце и звёздах, где достигается температура в миллионы градусов. При таких высоких температурах возникает особое состояние вещества — плазма. Высокотемпературная плазма представ­ляет собой сильно ионизированный газ, в котором ядра и электроны суще­ствуют независимо друг от друга. Степень ионизации плазмы очень вели­ка, благодаря чему плазма является хорошим проводником.

Таким образом, для осуществлены управляемой термоядерной реак­ции нужно создать высокотемпературную плазму, которую надо ещё удержать? Частицы, обладая колоссальной кинетической энергией, стре­мятся сразу же разлететься, а в природе нет такого материала, который бы выдерживал миллионы градусов. Для удержания плазмы физики предпо­ложили два пути решения этой задачи. Первый путь заключается в удер­жании плазмы с помощью магнитного поля. Если на газо-разрядную трубку наложить магнитное поле, совпадающее по направлению с электрическим полем, то в такой трубке возникает плазменный шнур. Заряженные части­цы плазмы под действием силы Лоренца будут описывать спиральные тра­ектории вокруг магнитных силовых линий. Чем сильнее магнитное поле, тем меньше радиус плазменного шара. Сила, которая действует на ток заряженных частиц, со стороны магнитного поля и есть причина образо­вания шнура, не соприкасающегося со стенами газоразрядной трубки; плазма, как бы висит в вакууме. Наибольший успех достигнут на установ­ках, получивших название токамак, разработанных в СССР. В этих уста­новках удалось разогреть плазму до 60 миллионов градусов и добиться слияния ядер дейтерия и трития. Пока не удаётся удержать плазму дли­тельное время, но исследования в этом направлении продолжаются. Вто­рое направление — это создание управляемого термоядерного синтеза с помощью лазерного излучения. Самые мощные лазеры могут разогреть вещество с помощью короткого импульса до температуры 50 млн, град. Поэтому появилась возможность осуществить термоядерную реакцию в виде микровзрыва, даже без использования удерживающего плазму маг­нитного поля, так как реакция протекает быстро и дейтерий с тритием не успевают разлететься. В этом случае технически реакция осуществляется воздействием мощного лазерного импульса на твёрдую замороженную таблетку из дейтерия и трития. Такие эксперименты уже осуществлены и термоядерная реакция проходила. Однако число прореагировавших ядер мало и технически воплотить эту идею пока не удаётся.