1598082858-6569a6dfdd5f5256840e639f93a97b0b (805659), страница 49

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 49)

к. вероятность ионизации больше, чем возбуждения.4. Тлеющий разрядφСвечение возникает из-за рекомбинации электронов и ионов (см. энергетическую диаграмму наРИС. 47.8; ε2 – энергия, необходимая для ионизацииатома).εε25. Фарадеево тёмное пространствоРис. 47.8Здесь нет быстрых электронов. Ионы уже рекомбинировали. Идёт медленный разгон электронов.6. Светящийся положительный столбРазогнанные электроны возбуждают атомы (удар I рода), которые в свою очередь высвечиваются.6.8.5. ПлазмаПлазма – это ионизованный квазинейтральный газ, занимающий такой большойобъём, что в нём не происходит сколько-нибудь заметного нарушения квазиней-371тральности из-за тепловых флуктуаций. Квазинейтральность означает, что количество положительных и отрицательных зарядов почти одинаково в любой малойобласти газа.Плазмавысокотемпературная(изотермическая)термическая ионизациягазоразряднаяионизация электронным ударомОценим размер области, в пределах которой могут происходить заметные нарушения квазинейтральности.

Мысленно⊝⊝⊝ lвыделим в плазме некоторый объём MNAB (РИС. 47.9). Пусть MNпо причине тепловой флуктуации электроны из этого объёма сместились вверх от границы MN на расстояние l. Тогда⊕⊕⊕ lна границе AB останутся нескомпенсированные положи- ABтельные ионы. Поверхностная плотность заряда на граниРис. 47.9enlS enl , где n – концентрацияцах MN и AB будет равна σ Sэлектронов и ионов, S – площадь граничной поверхности. Напряжённость электриε E 2 e2n2l 2σ enlческого поля в этой области E  . Плотность энергии поля w  0 .22ε0ε0 ε0Так как энергия поля черпается из кинетический энергии теплового движения, она3не может превосходит величины 2n kT (на одну степень свободы приходится2энергия ½kT), т.

е.e2n2l 2 3nkT ,2ε0откудаl6ε0kT.e2nε0kT.2e2nВеличина l характеризует размеры области, в пределах которой возможны флуктуационные нарушения квазинейтральности плазмы. Эта величина носит названиерадиуса Дебая;Более точный расчёт даёт формулу l ε0kT.2e2nДля того чтобы ионизированный газ был плазмой, необходимо, чтобы размеры области, которую он занимает, были много больше радиуса Дебая. В этом случаеплазма выступает как связанный коллектив.

В ней могут возникать колебания,распространяться волны. Дебаевский радиус определяет также глубину проникновения электрического поля в плазму.D372Из-за большой разности в подвижности электронов и ионов в плазме возможно такое квазиравновесное состояние, которое может характеризоваться двумя температурами. Если плазму предоставить самой себе, то в ней сначала устанавливаетсямаксвелловское распределение по энергиям электронов, а затем ионов. Такаяплазма называется неизотермической или двухтемпературной.

Так, в положительном столбе тлеющего разряда температура электронов te ≈ 50 000°С, а температура ионов – несколько сотен градусов.373Лекция 48837. Физика атомного ядраи элементарных частиц7.1. Атомное ядро7.1.1. НуклонЯдро атома состоит из протонов и нейтронов – нуклонов (ТАБЛ. 48.1). Нуклон – этоодна частица в различных квантовых состояниях.Таблица 48.1ХарактеристикаПротонНейтронЭлектрический зарядqp  eqn  0mp  1836me  1,673  1027 кг Масса покоя 938,28 МэВ c 2sСпин12Время жизни(период полураспада)ДжТлЗдесь me =кг = 0,511– скорость света в вакууме.МэВ/c212μn  1,91μБ  9,647  1027ДжТлTn  12 минTp 9,110∙10–31 939,55 МэВ c 2sμp  2,79μБ  1,411  1026Магнитный моментmn  1838,5me  1,675  1027 кг (в свободном состоянии)– масса электрона; μБ = 9,274·10–24 Дж/Тл; c7.1.2.

Состав ядраЗаряд ядраQ  Ze ,где Z – число протонов в ядре (зарядовое число) – порядковый номер химическогоэлемента в периодической системе.Масса ядраm  Am1 , A  Z  N ,где A – массовое число, N – число нейтронов в ядре;m1 m C  1 а. е. м.  1,6606  1012612– атомная единица массы.27кг  931,50 МэВ c 2Лекции 48-51 представлены в дополнительных материалах к настоящему ЭУМК в виде презентации.83374Обозначение ядра: ZA XПРИМЕРКалий-40:4019K : A  40 , Z  19 , N  40  19  21 .Изотопы – ядра одного химического элемента, имеющие разную массу (разныемассовые числа при одинаковом зарядовом числе).ПРИМЕРИзотопы водорода11H – протий, T → ∞;21H  12 D – дейтерий, T → ∞;31H  31T – тритий, T = 12 лет.Изобары – ядра, имеющие одинаковое массовое число, но разный заряд.ПРИМЕРЫ157N и 158O , 13 H и 32 He7.1.3.

Размер ядраРадиус ядраr0  1,2  1,3 3 A фм .Для сравнения: размер атомаr ~1010 м ⇒ r0  105 r .Объём ядра4V  πr03  9,2 A  1045 м3 .3Плотность ядраρ  1,3  1017кг.м37.1.4. Спин ядраСпин ядра I равен сумме спинов и орбитальных моментов нуклонов.9В основном состоянии стабильных ядер I  . У всех ядер с чётным числом нукло2нов в основном состоянии I = 0.7.1.5.

Масса и энергия связи ядра(Ниже в данном разделе используются обозначения: mp – масса протона, mn – массанейтрона, mя – масса ядра, m – масса атома, mH – масса атома водорода.)Масса ядра меньше суммарной массы нуклонов, из которых оно состоит:mя    mp  mn  .375Энергия связи Wсв – работа, которую нужно совершить для полного разделенияядра на свободные нуклоны.Полная энергия ядраW  mc 2 ;Wсв    mp  mn c 2  mяc 2 ,Wсв   Zmp   A  Z  mn  mя  c 2или, с учётом массы электронов,Wсв   ZmH   A  Z  mn  m c 2 .Дефект массΔ  Zmp   A  Z  mn  mя .Удельная энергия связи – энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон:wсв Wсв.AГрафик зависимости удельной энергии связи ядер от массового числа представленна РИС.

48.1.Рис. 48.1Тяжёлым ядрам энергетически выгодно делиться, а лёгким – сливаться.ПРИМЕРЫПри делении ядра урана23592U выделяется около 200 МэВ.При синтезе ядер гелия21D 13 T  42 He  01n376выделяется около 17,6 МэВ.7.1.6. Ядерные силыСуществование атомных ядер обусловлено сильным взаимодействием, описываемым ядерными силами.Свойства ядерных сил1. Притяжение; ядерные силы притяжения намного больше кулоновских отталкивания.2.

Короткодействие (радиус действия ядерных сил r ~ 10–15 м). На расстояниях,много больших r, притяжение нуклонов сменяется кулоновским отталкиванием.3. Зарядовая независимость: силы взаимодействия двух протонов, двух нейтронов и протона с нейтроном одинаковы.4. Нецентральность: ядерные силы нецентральны.5. Насыщение: каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом нуклонов.6. Взаимодействие нуклонов наиболее эффективно, если их спины сонаправлены.7.1.7. Виртуальные частицыЧастицы-переносчики сильного взаимодействия в ядрах – виртуальныеπ-мезоны.Виртуальные частицы – частицы, испускание и поглощение которых происходитс кажущимся нарушением закона сохранения энергии.Соотношение неопределённостей:ΔWΔt 2– виртуальная частица с энергией W = mπc2 (mπ – масса π-мезона) может возникнутьниоткуда и существовать в течение времени, не превышающегоΔt ~W.Получается, что mπ ≈ 270me.Если поблизости от нуклона нет других сильновзаимодеиствующих частиц, то всеиспущенные нуклоном π-мезоны поглощаются этим же нуклоном.

Одиночныи нуклон окружен т. н. мезонной шубой. Когда два нуклона сближаются и их мезонныешубы начинают соприкасаться, создаются условия для обмена виртуальными мезонами.7.1.8. Модели атомного ядраАтомное ядро – система многих частиц. Квантовомеханическая задача многих частиц сложна для решения. Поэтому были созданы модели атомного ядра.1. Капельная модельЯдро – капля заряженной несжимаемой жидкости с очень высокой плотностью. Этамодель позволяет вывести формулу для энергии связи ядра, обусловливает процесс деления ядра.3772.

Оболочечная модельКаждый нуклон движется в поле остальных нуклонов ядра. Энергетические уровнизаполняются с учётом принципа Паули и формируют оболочки. Данная модельобъясняет спин и магнитный моменты основных и возбуждённых состояний ядер.Полностью заполненные оболочки образуют особо устойчивые структуры – магические ядра: Z, N или оба этих числа равны 2, 8, 50, 82, 126.7.2. РадиоактивностьРадиоактивность – явление самопроизвольного распада атомных ядер с испусканием одной или нескольких частиц. Самопроизвольно распадающиеся ядра называются радиоактивными.Общий вид уравнения радиоактивного распада:X Ya.материнское дочернееиспускаемаяядрочастицаядроРадиоактивный распад происходит с выделением энергии: mX > mY + ma.Радиоактивностьестественнаяискусственная7.2.1.

Закон радиоактивного распадаПусть имеется N ядер некоторого радиоактивного изотопа. Число ядер dN, распадающихся за малый промежуток времени dt, пропорционально N и dt:(48.1)dN  λNdt ,λ – постоянная распада – характеристика радиоактивного вещества,[λ] = с–1.Проинтегрируем выражение (48.1) (в начальный момент времени было N0 ядер):NtdNNN N   λ 0 dt ⇒ ln N0  λt ,0N  N0e λt(48.2)– основной закон радиоактивного распада.График зависимости (48.2) изображён на РИС. 48.2.Активность препарата A – число радиоактивных ядер, распадающихся за единичный промежуток времени.

Из (48.1) следует, чтоdN λN ⇒ A  λN ;dtраспад.сВнесистемная единица: кюри (Ки); 1 Ки = 3,7∙1010 Бк. A Бк беккерель  378NN00tРис. 48.2Удельная активность – активность препарата единичной массы:aA,mБк Ки,кг кг(здесь m – масса радиоактивного препарата).Период полураспада T – время, за которое распадается половина начального количества радиоактивных ядер:a ln2 0,693N N0e  λT ⇒ T .λλ2Среднее время жизни радиоактивного ядраτN0   λt1111tdNttλNdtλetdtze z dz N0 0N0 0N0 0λ 0λ(здесь сделана замена переменных z = –λt);τ1, T  τ ln2 .λ7.2.2. Альфа-распадα-частица – ядро 42 He .α-распад – самопроизвольное испускание α-частицы ядром.

Характеристики

Список файлов лекций