Лекции по оптике и ядерной физике

в) электронный захват, характеризующийся захватом электронов с электронных оболочек

11p+−01e→01 n+00ν.

Нейтрино ν – электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя много меньше массы покоя электрона и очень малым магнитным моментом. Обладает колоссальной проникающей способностью, может спокойно проходить сквозь Землю и Солнце.

Античастицы – группа элементарных частиц, отличающихся от своих “двойников” – частиц знаком заряда или направлением магнитного момента. В частно-

сти, позитрон +01e – античастица электрона −01e, антинейтрино ~ν – античастица

нейтрино ν.

Проникающая способность электронов при β-распаде в десятки раз превышает проникающую способность α-частиц.

3)Спонтанное деление представляет собой самопроизвольный распад тяжелых ядер на два (реже 3 или 4) осколка – ядра тяжелых элементов.

4)Протонная радиоактивность – это самопроизвольный распад ядра с испусканием протонов.

Следует сказать, что испускаемые при делении ядра некоторые частицы и античастицы (электрон, позитрон, нейтрино и др.) не входят в состав ядра, а рождаются за счет изменения массы при ядерных превращениях.

3. Гамма – излучение радиоактивных ядер.

Гамма – излучение не является самостоятельным типом радиоактивности, так как не вызывает изменения заряда и массового числа ядер. Оно сопровождает процессы α- и β-распадов. Ядра атомов могут находиться как в стабильном

(нормальном), так и в возбужденном состояниях. При переходе ядра из возбужденного состояния в нормальное и испускается квант γ-лучей. которые представ-

ляют собой жесткое электромагнитное излучение с длиной волны λ < 10 нм. Они обладают большой проникающей способностью. Для ослабления интенсивности

излучения γ-лучей в 1000 раз необходим защитный экран из железа толщиной 15

см или из свинца толщиной 8 см. Действие γ-лучей и других видов ионизирующих излучений на вещество оценивается поглощенной дозой излучения Д – отношением энергии излучения к массе облучаемого вещества.

Единица поглощенной дозы в системе СИ – грэй (Гр).

Д(СИ) = Гр = Дж/кг.

При облучении живых организмов, в частности человека, возникают биологические эффекты, величина которых при одной и той же поглощенной дозе различна для различных видов излучения. Поэтому вводится эквивалентная доза излучения. Единица эквивалентной дозы в СИ – зиверт (Зв).

1 Зв = 1 Дж/кг.

61

Специальная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рентгена)

1 бэр = 10–2 Дж/кг.

Естественные источники ионизирующего излучения (космические лучи, радиоактивность почвы и т.д.) создают дозу порядка 40÷200 мбэр в год (5÷23 мкбэр/ч). Доза в 5 бэр в год считается предельно допустимой, смертельная доза

при общем γ-облучении равна ≈ 600 бэр.

§ 5. Правила смещения

При радиоактивном распаде ядер соблюдаются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел:

Zя = ∑Zi ;

Aя = ∑Ai ,

(4.6)

где Zя, Ая – заряд и массовое число распадающегося ядра, Zi, Аi – заряды и массовые числа ядер и частиц, возникающих в результате распада.

Эти соотношения обычно формулируются в виде так называемых правил смещения, позволяющих установить, какое дочернее ядро Y возникает в резуль-

тате распада данного материнского ядра AZ X .

При α-распаде: AZ X →AZ−−42 У+42Не.

При β-распаде: AZ X →Z+A1У+−01е.

Ядро, претерпевшее α-распад смещается на два места левее в таблице Менделеева, а при β-распаде – ядро смещается на одно место правее.

§ 6. Ядерные реакции

Ядерной реакцией называется процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром, приводящей к преобразо-

ванию ядра. Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы «а» с ядром Х, в результате которого образуется ядро У и легкая частица «b»:

Х + а → У + b.

Частицами а и b могут быть нейтрон, протон, α-частица и т.д. Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии в зависимости от разности масс покоя исходных и конечных ядер.

Наибольшее значение имеют ядерные реакции, вызванные нейтронами. В отличие от заряженных частиц, нейтроны не испытывают кулоновского отталкивания со стороны нуклонов ядра. Поэтому они могут проникнуть в ядро, обладая малой энергией. Ядерные реакции подчиняются законам сохранения электрических зарядов, массового числа, энергии и импульса.

Примером реакции, которая непрерывно протекает в атмосфере под действием нейтронов, входящих в состав космических лучей, является реакция

62

уран Рис. 55

147 N+01n→11p+146c .

Возникающий при этом радиоактивный углерод 146 C , период полураспада

которого 5600 лет, называется радиоуглеродом. Радиоуглерод усваивается растениями при фотосинтезе. Пока органическое вещество живет, в нем убыль радиоуглерода, обусловленная радиоактивным распадом, восполняется за счет круговорота веществ в природе. В момент смерти организма прекращается обмен веществ в нем, и концентрация радиоуглерода начинает убывать по закону радиоактивного распада. Таким образом, определив концентрацию радиоуглерода в останках организма, можно определить дату его смерти.

1. Деление тяжелых ядер.

Примером такой реакции служит реакция
деления ядер урана при облучении его нейтро-									запал
нами. В этом случае при делении каждого ядра
выделяется несколько нейтронов. Это делает									куски
возможным	осуществление цепной ядерной
									235 U
реакции. Действительно, испущенные при де-
лении одного ядра Z нейтронов могут вызвать
деление Z ядер, в результате чего будет испу-
щено Z2 новых нейтронов, которые вызовут
деление Z2 ядер и т.д. Таким образом, количе-						Рис. 54
ство нейтронов, рождающихся в каждом поко-		замедлитель				поглотитель
лении, нарастает в геометрической прогрессии,
и реакция носит взрывной характер. Однако,
если масса куска урана меньше определенного
критического значения (для 235 U примерно 9
кг), то большинство испущенных нейтронов
вылетает наружу, не вызвав деления и взрыва
не возникает.
На этом основано действие атомной бом-
бы. Ядерный заряд такой бомбы представляет
собой два или более кусков почти чистого
235 U или	239 Pu . Для того, чтобы вызвать

атомный взрыв, их соединяют вместе при помощи обычного взрывчатого вещества – запала (рис. 54). Иной способ цепной ядерной реакции осуществляется в ядерных реакторах (рис. 55). Здесь уран используется в виде стержней не-

большого поперечного сечения. Между стержнями находится графит, который замедляет скорость образующихся нейтронов до необходимого значения. Регулировка интенсивности реакции вплоть до ее полного прекращения производится с

63

помощью подвижных стержней – поглотителей, выполненных из кадмия (Cd) или бора (В).

Первый реактор был создан в США в 1942 г. под руководством Э. Ферми, в

СССР в 1946 г. под руководством И.В. Курчатова. Атомные реакторы используются в атомных электростанциях, первая из которых была построена в СССР в 1954 г; в качестве двигателей на больших морских судах (ледоколах, подводных лодках). Побочными продуктами работы ядерных реакторов являются радиоактивные изотопы многих элементов, которые находят разнообразные применения в биологии, медицине и технике.

2. Термоядерная реакция синтеза.

При слиянии легких ядер в одно ядро, выделяется значительно больше энергии, чем при делении тяжелых ядер. Для синтеза ядер необходимы высокие температуры (порядка 108 К) для того, чтобы взаимодействующие частицы приобрели энергию, достаточную для преодоления кулоновских сил отталкивания, препятствующих сближению ядер. По этой причине реакция называется термоядерной. Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития (изотопов водорода). Именно эти вещества образуют заряд водородной бомбы, впервые созданной в СССР в 1953 г.

Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура порядка 108К. Синтез ядер водорода в ядра гелия является источником энергии Солнца и звезд. Особый интерес представляет осуществление управляемой термоядерной реакции, с которым связывают надежды на решение энергетических проблем человечества, так как дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешевого горючего.

В настоящее время с помощью управляемого термоядерного синтеза получена мощность порядка 6 МВт, однако пока в этой реакции не удается получить больше энергии, чем требуется на ее поддержание. 28.06.2005 г. в Москве представители России, США, Евросоюза, Японии, Китая и Ю. Кореи договорились о строительстве во Франции, в г. Кадараш гигантского научного комплекса ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – Международный термоядер-

ный экспериментальный реактор) для осуществления управляемого синтеза. Реактор предполагают запустить в 2015 году.

64

Раздел 1. Волновые свойствасвета
Тема 1. Интерференция света
§ 1. Оптическая длина пути. Оптическая разность хода.........................................	3
§ 2. Монохроматичность световых волн...................................................................	4
§ 3. Наложение световых волн одинаковой частоты...............................................	4
§ 4. Когерентность световых волн. Интерференция................................................	6
§ 5. Способы получения когерентных волн .............................................................	7
§ 6. Интерференция света в тонких пленках............................................................	8
§ 7. Полосы равной толщины.....................................................................................	9
Тема 2. Дифракция света
§ 1. Принцип Гюйгенса-Френеля.............................................................................	11
§ 2. Метод зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии.................	11
§ 3. Дифракция Фраунгофера на щели....................................................................	13
§ 4. Дифракционная решётка ...................................................................................	14
§ 5. Понятие о голографии .......................................................................................	16
Тема 3. Поляризация света
§ 1. Поляризованный свет ........................................................................................	17
§ 2. Закон Малюса.....................................................................................................	17
§ 3. Закон Брюстера...................................................................................................	19
§ 4. Двойное лучепреломление................................................................................	20
РАЗДЕЛ II. КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА
Тема 1. Тепловое излучение
§ 1. Величины, характеризующие тепловое излучение ........................................	23
§ 2. Абсолютно черное тело.....................................................................................	24
§ 3. Закон Кирхгофа..................................................................................................	24
§ 4. Закон Стефана – Больцмана..............................................................................	25
§ 5. Закон смещения Вина........................................................................................	25
§ 6. Гипотеза Планка.................................................................................................	26
§ 7. Оптическая пирометрия. Тепловые источники света.....................................	27
Тема 2. Фотоэлектрический эффект
§ 1. Основные законы фотоэффекта........................................................................	30
§ 2. Квантовая теория фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна...............................	31
Тема 3. Давление света. Эффект Комптона
§ 1. Масса и импульс фотона. Давление света.......................................................	33
§ 2. Эффект Комптона и его теория ........................................................................	34
РАЗДЕЛ III. ФИЗИКА АТОМОВ И МОЛЕКУЛ
Тема 1. Элементы квантовой механики
§ 1. Волновые свойства частиц Гипотеза де Бройля. Опытное обоснование
корпускулярно – волнового дуализма вещества....................................................	37
§ 2. Соотношение неопределенностей Гейзенберга..............................................	37
§ 3. Волновая функция и её статический смысл. Уравнение Шрёдингера.........	39
§ 4. Квантование энергии. Частица в одномерной прямоугольной потенциаль-
ной яме........................................................................................................................	41

65

Тема 2. Элементы современной физики атомов и молекул

§ 1. Атом водорода....................................................................................................		43
§ 2. Квантовые числа.................................................................................................		43
§ 3. Опыт Штерна и Герлаха. Спин электрона. Спиновое квантовое число.......		44
§ 4. Принцип Паули...................................................................................................		46
Тема 3. Вынужденное излучение
§ 1. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения ....................................		48
§ 2. Принцип работы оптического квантового генератора (ОКГ) – лазера........		48
Тема 4. Элементы квантовой физики твердого тела
§ 1. Понятие о зонной теории твердого тела..........................................................		50
§ 2. Полупроводники.................................................................................................		52
РАЗДЕЛ IV. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Тема 1. Строение и свойства атомных ядер
§ 1. Состав ядра. Заряд и масса атомного ядра......................................................		57
§ 2. Понятие о свойствах и природе ядерных сил..................................................		57
§ 3.	Энергия связи ядра. Дефект массы...................................................................	58
§ 4.	Естественная радиоактивность.........................................................................	59
§ 5.	Правила смещения .............................................................................................	62
§ 6.	Ядерные реакции................................................................................................	62

66