Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Если I — сила тока, U — напряжение, a R — сопротивление, то

I =

Этот закон носит название закона Ома, по имени ученого, его открывшего.

Часто бывает нужно регулировать силу тока в цепи. Для этого используются специальные приборы, называемые реостатами. В реостате проволока, сделанная из материала с большим удельным сопротивлением, намотана на керамический цилиндр. Над обмоткой расположен металлический стержень, по которому может перемещаться контакт. Контакт прижимается к обмотке; при его перемещении меняется длина обмотки, по которой проходит ток, и соответственно сопротивление реостата. Реостат и его условное обозначение на схемах показаны на рисунке 17.

Закон ома для полной цепи

Пусть за время t через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд q. Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда можно записать так:

Аст = q.

Согласно определению силы тока

q = It.

Поэтому

Аст = It .

При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых R и r, выделяется некоторое количество теплоты Q. По закону Джоуля—Ленца оно равно:

Q = I Rt + I r.

Согласно закону сохранения энергии

A = Q.

Следовательно,

= IR + Ir.

Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так:

I = /( R + r ).

Эту зависимость опытным путем получил Г. Ом, и называется она законом Ома для полной цепи и читается так:

Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна эдс источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.

f 214. Ядерные силы

В состав ядра входят протоны, испытывающие взаимное кулоновское отталкивание, и нейтроны. Устойчивость ядер, не разлетающихся под действием кулоновских сил отталкивания, свидетельствует о том, что в ядрах действуют специфические силы притяжения, называемые ядерными силами. Ядерные силы не могут быть обычными силами кулоновского взаимодействия. Кулоновское взаимодействие между протоном и протоном сводится к отталкиванию, а между нейтроном и протоном, нейтроном и нейтроном отсутствует. Электрические силы зависят от заряда и малы по сравнению с ядерными. Гравитационные силы также не могут удерживать частицы в ядре, так как они слишком малы. Например, гравитационное взаимодействие двух протонов в 1036 раз меньше их кулоновского взаимодействия. В роли ядерных сил не могут выступать и силы магнитного взаимодействия. Расчеты ' показывают, что энергия' магнитного взаимодействия, например протона и нейтрона в ядре атома дейтерия |Н, составляет около 0,1 МэВ, что гораздо меньше энергии связи нуклонов в ядре (2,2 МэВ).

Все это говорит о том, что ядерные силы не могут быть сведены ни к электрическим, ни к магнитным, ни к гравитационным, а представляют собой специфический вид сил.

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 м. Расстояние, на котором действуют ядерные силы, называют радиусом действия ядерных сил;

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;

5) ядерные силы обладают свойством насыщения.

Каждый нуклон взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Следствием этого свойства является почти линейная зависимость энергии связи в ядре от массового числа А. Если бы насыщения не было, то каждый нуклон в ядре взаимодействовал бы с остальными (А — 1) нуклонами и энергия связи была бы пропорциональна числу пар нуклонов в ядре, т. е. А . Кроме того, удельная энергии связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов остается примерно постоянной (рис. 22.7). Примером полного насыщения ядерных сил может служить ядро атома гелия, т. е. - частица, которая является устойчивым образованием из двух протонов и двух нейтронов.

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 X. 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 л-мезонами. Строение нуклона в настоящее время представляется следующим: в центре нуклона находится ядро — керн, радиус которого ~ 0,ЗХ10 м. Керн окружён «облаком», состоящим из мезонов. Носителем ядерных сил являются - мезоны: существуют положительный - и нейтральный -мезоны.

Нуклоны в атомных ядрах находятся в состоянии движения и взаимных превращений, это влияет на распределение энергии между частицами атомного ядра во времени. Наиболее устойчивым из всех образований внутри ядра является образование из двух протонов и двух нейтронов. При вероятностном распределении энергии между частицами ядра возможно, что именно это образование будет обладать значительной частью энергии ядра и при определенных условиях может покинуть ядро в виде -частицы. Превращения атомных ядер, сопровождаемые испусканием -частиц, называют -распадом. Если — материнское ядро, то превращение этого ядра при -распаде происходит по схеме

(22.7)

где —символ дочернего ядра, — ядро атома гелия Не ( -частица),

hv — квант, испускаемый ядром Y, находящимся в возбужденном состоянии.

Как видно из (22.7),

-распад уменьшает массовое число ядра на 4, а заряд ядра — на 2 элементарных положительных заряда,

т.е. происходит перемещение химического элемента на две клетки влево в Периодической системе элементов Менделеева.

Это положение названо правилом смещения. Оно вытекает из закона сохранения электрического заряда и массового числа:

сумма зарядов (а также массовых чисел) продуктов распада равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

Проиллюстрируем этот закон на примере -распада радия:

Скорости, с которыми -частицы вылетают из ядра, составляют примерно Ш7 м/с, что соответствует энергии порядка нескольких мегаэлектрон-вольт. Двигаясь в веществе, -частицы ионизуют атомы или молекулы вещества, теряя при этом энергию и образуя на своем пути около 105 пар ионов. Израсходовав свою энергию на ионизацию, -частица присоединяет два электрона и становится нейтральным атомом гелия. Под пробегом -частицы понимают то расстояние в веществе, на котором она производит ионизацию. Экспериментальные данные говорят о том, что скорости, а следовательно, и энергии -частиц, возникающих в результате -распада ядра, имеют определенные для данного ядра значения.

Изучение радиоактивных излучений Э. Резерфордом и М. и П. Кюри показало, что под действием сильного магнитного поля радиоактивный пучок распадался на три. Два из них отклонялись в противоположные стороны, а значит, были разноименно заряжены, третий — не отклонялся вовсе — был нейтральным. Положительный компонент излучения назвали

-лучами, отрицательно заряженный — -лучами, а нейтральный —

-лучами.

-Частицы — это ядра атомов гелия. При - распаде происходит следующее превращение:

-Лучи по сравнению с другими излучениями обладают наименьшей проникающей способностью.

-Частицы — это электроны. Превращение при - распаде таково:

Проникающая способность - частиц выше, чем - частиц.

-Лучи жесткое электромагнитное излучение очень высокой частоты, поэтому у них сильно

выражены квантовые свойства, и они ведут себя как поток частиц — -квантов. Это лучи, обладающие наибольшей проникающей способностью.

Несмотря на указанные различия, все виды радиоактивных излучений обладают и рядом общих свойств. Прежде всего, эти излучения обладают химическим действием (например, вызывают почернение фотопластинок). Важным аспектом, который необходимо учитывать и можно использовать, является биологическое действие, оказываемое радиоактивными излучениями на все живые организмы.