Билет № 11. 2. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений. Закон радиоактивного распада

1. Изопроцессы в газах.

Изопроцессы — термодинамические процессы, во время которых количество вещества и ещё одна из физических величин — параметров состояния: давление, объём или температура — остаются неизменными. Так, неизменному давлению соответствует изобарный процесс, объёму — изохорный, температуре — изотермический, энтропии — изоэнтропийный (например, обратимый адиабатический процесс). Линии, изображающие данные процессы на какой-либо термодинамической диаграмме, называются изобара, изохора, изотерма и адиабата соответственно. Изопроцессы являются частными случаями политропного процесса.

Изобарный процесс (др.-греч. ισος, isos — «одинаковый» + βαρος, baros — «вес») — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении (P=const*2p)

Зависимость объёма газа от температуры при неизменном давлении была экспериментально исследована в 1802 году Жозефом Луи Гей-Люссаком. Закон Гей-Люссака: При постоянном давлении и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.

Изохорный процесс (от греч. хора — занимаемое место) — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объёме (V=const). Для идеальных газов изохорический процесс описывается законом Шарля: для данной массы газа при постоянном объёме, давление прямо пропорционально температуре:

Линия, изображающая изохорный процесс на диаграмме, называется изохорой.

Ещё стоит указать что поданная к газу энергия расходуется на изменение внутренней энергии то есть Q = 3* ν*R*T/2=3*V*ΔP, где R — универсальная газовая постоянная, ν количество молей в газе, T температура в Кельвинах, V объём газа, ΔP приращение изменения давления, а линию, изображающую изохорный процесс на диаграмме, в осях Р(Т), стоит продлить и пунктиром соединить с началом координат, так как может возникнуть недопонимание.

Изотермический процесс (от греч. «термос» — тёплый, горячий) — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре (T=const)(PV=const). Изотермический процесс описывается законом Бойля — Мариотта:

При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.

Изоэнтропийный процесс — процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной энтропии (S=const). Изоэнтропийным является, например, обратимый адиабатический процесс: в таком процессе не происходит теплообмена с окружающей средой. Идеальный газ в таком процессе описывается следующим уравнением:

где — показатель адиабаты, определяемый типом газа.

2. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений. Закон радиоактивного распада.

Радиоактивностью называют способность некоторых атомных ядер превращаться в другие ядра, испуская при этом различные частицы и электромагнитное излучение. Радиоактивность была открыта в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем, обнаружившим, что соли урана испускают излучение, которое засвечивает фотопластинку. Впоследствии французские физики супруги М. Склодовская-Кюри и П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента – радий и полоний. Сейчас установлено, что все химические элементы с порядковым номером (зарядовым числом) Z > 82 являются радиоактивными.

Состав радиоактивного излучения был изучен Резерфордом и супругами Кюри с помощью установки, показанной на рис. 38а. Кусочек радия Р помещали на дно узкого канала в свинцовом цилиндре С. Выходивший из канала радиоактивный луч проходил через сильное магнитное поле с индукцией, перпендикулярной этому лучу, а потом падал на фотопластинку Ф. В магнитном поле излучение распадалось на три луча, которые приводили к появлению трёх пятен на фотопластинке, причём положение среднего пятна совпадало с тем, которое наблюдали в отсутствии магнитного поля (рис. 38а). Расщепление излучения означало, что оно является потоком разноимённо заряженных частиц, на которые сила Лоренца действует в разные стороны. Поток положительно заряженных частиц был назван a-лучами, а поток отрицательных – b-лучами. Излучение, не отклоняющееся в магнитном поле, было названо g-лучами.

Исследования показали, что α-лучи – это поток ядер гелия, β-лучи – поток электронов, а γ-лучи – электромагнитное излучение с очень малой длиной волны λ < 10–10 м. Их этих трёх видов излучения наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи, интенсивность которых ослабляется всего лишь в два раза при прохождении через слой свинца толщиной в 1 см. β-лучи обладают меньшей проникающей способностью, и их можно задержать алюминиевой пластинкой толщиной в 5-10 мм. Самой маленькой проникающей способностью обладают α-лучи, не проникающие даже через лист бумаги.

Распад ядра X, в результате которого оно превращается в ядро Y, испуская при этом α-частицу, называют α-распадом. Уравнение a-распада, следующее из законов сохранения электрического заряда и общего числа нуклонов, имеет вид:

Из (38.1) следует, что при α-распаде образуется ядро химического элемента, порядковый номер которого меньше на две единицы. Это утверждение называют правилом смещения для α-распада.

Распад ядра X, при котором оно, превращаясь в ядро Y, испускает электрон (b-частицу), а один из нейтронов, входящих в состав ядра, превращается в протон, называют b-распадом. Уравнение b-распада, следующее из законов сохранения заряда и общего числа нуклонов, имеет вид:

Из (38.2) следует, что при b-распаде образуется ядро химического элемента, порядковый номер которого больше на единицу. Это утверждение называют правилом смещения для b-распада.

Радиоактивный распад отдельного ядра является совершенно случайным событием. Однако для каждого изотопа радиоактивного элемента существует определённый интервал времени T, в течение которого число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Этот интервал времени называют периодом полураспада, T. Например, период полураспада для α-распада равен 4,5×109 лет, а для b-распада – 5700 лет. Закон, по которому убывает со временем t число N радиоактивных ядер данного изотопа, называют законом радиоактивного распада. Этот закон, который легко вывести, имеет следующий вид: