Пропорциональная камера

 

Пропорциональная камера обычно имеет плоскую или цилиндрическую форму и в каком-то смысле является аналогом многоэлектродного пропорционального счетчика. Высоковольтные проволочные электроды отстоят друг от друга на расстоянии нескольких мм. Заряженные частицы, проходя через систему электродов, создают на проволочках импульс тока длительностью ~10-7 с. Регистрируя эти импульсы с отдельных проволочек можно с точностью до нескольких микрон восстановить траекторию частиц. Разрешающее время пропорциональной камеры составляет несколько микросекунд. Энергетическое разрешение пропорциональной камеры ~5-10%.

Дрейфовая камера.

Это аналог пропорциональной камеры, позволяющий с ещё большей точностью восстановить траекторию частиц. Искровая, стриммерная, пропорциональная и дрейфовая камеры обладая многими преимуществами пузырьковых камер, позволяют запускать их от интересующего события, используя их на совпадения со сцинтиляционными детекторами.

Сцинтиляционный детектор.

Сцинтиляционный детектор использует свойство некоторых веществ светиться (сцинтилировать) при прохождении заряженной частицы. Кванты света, образующиеся в сцинтиляторе, затем регистрируются с помощью фотоумножителей. Используются как кристаллические сцинтилляторы, например, NaI, BGO, так и пластиковые и жидкие. Кристаллические сцинтилляторы в основном используются для регистрации гамма-квантов и рентгеновского излучения, пластиковые и жидкие - для регистрации нейтронов и временных измерений. Большие объёмы сцинтиляторов позволяют создавать детекторы очень высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением взаимодействия с веществом.

Калориметры.

 

Калориметры представляют собой чередующиеся слои вещества, в котором тормозятся частицы высоких энергий (обычно это слои железа и свинца) и детекторы, в качестве которых используют искровые и пропорциональные камеры или слои сцинтиляторов. Ионизирующая частица высокой энергии (E > 1010 эВ), проходя через калориметр, создаёт большое число вторичных частиц, которые, взаимодействуя с веществом калориметра, в свою очередь создают вторичные частицы - образуют ливень частиц в направлении движения первичной частицы. Измеряя ионизацию в искровых или пропорциональных камерах или световой выход сцинтиляторов, можно определить энергию и тип частицы.

14. Черенковский счётчик.

Работа черенковского счётчика основана на регистрации излучения Черенкова - Вавилова, возникающего при движении частицы в среде со скоростью v превышающей скорость распространения света в среде (v > c/n). Свет Черенковского излучения направлен вперёд под углом theta по направлению движения частицы.Световое излучение регистрируется с помощью фотоумножителя. При помощи черенковского счётчика можно определить скорость частицы и отселектировать частицы по скоростям. Самым большим водяным детектором, в котором частицы детектируются с помощью черенковского излучения, является детектор Суперкамиоканде (Япония). Детектор имеет цилиндрическую форму. Диаметр рабочего объёма детектора 39.3 м., высота 41.4 м. Масса детектора составляет 50 ктонн, рабочий объём для регистрации солнечных нейтрино 22 ктонн. Детектор Суперкамиоканде имеет 11000 фотоумножителей, которые просматривают ~40% поверхности детектора.Современные измерительные установки в физике высоких энергий представляют из себя сложные системы, включающие десятки тысяч счетчиков, сложную электронику и способны одновременно регистрировать десятки частиц, рождающихся в одном столкновении. В качестве примера приведем установку ATLAS (рис.1), которая предназначена для работы на LHC.Основная задача установки ATLAS - поиск Хиггсовских бозонов. Область соударения пучков окружена внутренним детектором. Он помещен в соленоид, который обеспечивает внутри детектора магнитное поле. Задача детектора определить точки соударения протонов и траектории вторичных частиц, которые образуются в результате соударения. Для этого применяются кремниевые детекторы (их в установке 12 тысяч) и детектор переходного излучения, состоящий из 440 тысяч дрейфовых трубок. Кремниевые детекторы обеспечивают измерение траектории частиц по 6-ти точкам с точностью 22 мкм, дрейфовые трубки - по 36-ти точкам с точностью 150 мкм. Внутренний детектор заключен в оболочку калориметров. Они обеспечивают прецизионное измерение энергий электронов, фотонов, "струй" адронов, возникающих при адронизации кварков, и "недостающей" энергии, уносимой нейтрино или другими слабовзаимодействующими частицами, например суперсимметричными партнерами. За калориметрами, в которых поглощаются все электроны, фотоны и адроны расположены мюонные детекторы. Мюоны имеют высокую проникающую способность и слабо поглощаются в электронном и адронном калориметрах. Поэтому практически все зарегистрированные мюонной системой заряженные частицы являются мюонами. Результаты измерений, полученные с помощью мюонной системы (внешней трековой системы), анализируются совместно с данными внутреннего детектора для полной идентификации частиц. Электронная система установки способна выделять 100 "интересных" событий в секунду из 1 миллиарда.Твердотельные трековые детекторыПроходя сквозь вещество, частицы могут буквально «расталкивать» атомы на своем пути и оставлять за собой след, видимый в электронном микроскопе. Впервые подобные треки наблюдались в слюде. Эти слабые следы можно выявлять селективно разъедающими материал агрессивными средами. След от частицы возникает, только если она создает на своем пути много ионов. Поэтому такие ядерные частицы, как протоны и альфа-частицы, не оставляют следов. Видимыми будут лишь треки целых ядер (например, ядер железа) и осколков их деления.Специфика таких детекторов определяется их чувствительностью к очень тяжелым частицам, а также способностью сохранять следы событий, произошедших в далекой древности. Для исследования космических лучей большие листы пластиков поднимают на стратостатах. Таким способом регистрировались ядра урана и других тяжелых элементов, проникающие с первичным космическим излучением в земную атмосферу. Треки в минералах позволяют точно определить их возраст. Этим методом исследовались породы не только земного, но и метеоритного, а также лунного происхождения.

62. Радиоактивность. Радиоактивные излучение и их воздействия на живые организмы.

РАДИОАКТИВНОСТЬ – превращение атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц и электромагнитного излучения. Отсюда и название явления: на латыни radio – излучаю, activus – действенный. Это слово ввела Мария Кюри (см. РАДИЙ). При распаде нестабильного ядра – радионуклида из него вылетают с большой скоростью одна или несколько частиц высокой энергии. Поток этих частиц называют радиоактивным излучением или попросту радиацией.

Рассмотрим механизм воздействия радиации на организм человека: пути воздействия радиоактивных различных веществ на организм, их распространение в организме, депонирование, воздействие на различные органы и системы организма и последствия этого воздействия. Существует термин "входные ворота радиации", обозначающий пути попадания радиоактивных веществ и излучений изотопов в организм. Радиоактивные различные вещества по-разному проникают в организм человека. Это зависит от химических свойств радиоактивного элемента.

Радиоактивные изотопы могут проникать в организм вместе с пищей или водой. Через органы пищеварения они распространяются по всему организму.

Радиоактивные частицы из воздуха во время дыхания могут попасть в легкие. Но они облучают не только легкие, а также распространяются по организму.

Изотопы, находящиеся в земле или на ее поверхности способны облучить организм снаружи. Эти изотопы также переносятся атмосферными осадками.

Ионизирующее излучение - это только один из сотен факторов, которые могут оказывать серьезное влияние на здоровье людей. Степень ущерба, вызываемого радиационным облучением, зависит от многих показателей, например, от дозы облучения, ее мощности, типа радиации, части тела, подвергнутого облучению, возраста и здоровья человека. Также по истечению многих лет после облучения человека могут проявляться факторы, приводящие к потенциальной причине возникновения рака и появлению других болезней. Об этом, однако, нельзя говорить с уверенностью, так как существуют многие другие причины возникновения рака. Курение, неправильное питание и солнечное облучение находятся среди наиболее вероятных причин. Но, тем не менее, очевидно, что радиация, используемая ненадлежащим образом, может также стать серьезным фактором риска. С другой стороны, большие дозы радиации, направленные на опухоль, используются в лучевой терапии, чтобы подавить злокачественные клетки. Наиболее высокие дозы используются для того, чтобы уничтожить вредные бактерии в продуктах питания, стерилизовать медицинское оборудование. Различные органы человеческого тела по-разному реагируют на облучение и обладают разной чувствительностью к радиационному воздействию.

63. Строение атомного ядра. Опыты Резерфорда.

А́том (от др. -греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств [1]. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.

Опыты Резерфорда

Один из самых знаменитых физиков первой половины XX в. - Эрнест Резерфорд. Когда-то он первый анатомировал атом и обнаружил в нем ядро. К нему можно отнести исследования сложных явлений, протекающих в этой чрезвычайно маленькой частице вещества, а впоследствии он в своей лаборатории расщепил ядра атомов.

Когда он еще был студентом 2-го курса университета, на одной из конференций Резерфорд выступил с докладом на тему “Эволюция элементов”. Было высказано предположение, что каждый химический элемент представляет сложную химическую систему, содержащую одни и те же элементарные частицы. Это было на тот момент, когда все считали, что атом неделим – в физике господствовала теория Дальтона о неделимости атомов.

На основе накопленных экспериментальных данных, первая попытка создания модели атома принадлежит ДЖ. ДЖ. Томсону. Томсон думал, что электроны вкраплены в сверхминиатюрную сферу диаметром 10 ^–8 см., а в сфере распределены равномерно положительные заряды, однако вместе с отрицательно заряженными электронами сфера электрически вообщем-то нейтральна - это и есть атом. На тот момент Резерфорд думал также. Он работал в одной лаборатории с Томсоном, и даже не думал о создании более совершенную модель, основанную на новых представлениях.

А.Беккерель, изучая люминесценцию различных веществ, в 1896 г., случайно обнаружил, что соли урана без предварительного освещения производят излучение, которое обладает большой проникающей силой и способно воздействовать на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу. Резерфорд заинтересовался данным явлением и сразу же занялся изучением Беккерелиевых лучей. Так как и рентгеновские и беккерелиевы лучи производили ионизацию воздуха, то он начал исследования рентгеновских лучей с проверки своего предположения о связи между ними. Результат был далек от успешного.

Но самым важным было то, что Резерфорд открыл частицы в составе излучения, испускаемого ураном, он поместил урановый источник в сильное магнитное поле и разделил на три различных вида излучение. То есть, тогда он открыл состав радиоактивности: альфа– и бета–частицы, а также гамма-лучи.

В результате этого Резерфорд мгновенно сделал гениальное заключение, что именно с помощью них можно проникнуть в глубь атома. Это было абсолютно правильно, что и подтвердилось немного позднее.

Резерфорд широко применял частицы в последующих исследованиях в качестве снарядов, проникающих атомное ядро – сердце атома.

Этот великий физик открыл и доказал эманацию тория. Он объяснил, что этот радиоактивный газ, который выделяется из тория – это химический элемент, отличающийся от самого тория. Позднее ним же был определен атомный вес эманации и Резерфорд показал, что она представляет собой благородный газ нулевой группы системы Д.И.Менделева.

Впервые объясняли радиоактивный распад как самопроизвольный переход одних элементов в другие Резерфорд и Фредерик Содди. После эманации тория Резерфорд была открыта эманация радия – радон. Он понял, что радий, испуская частицы, перевоплощается в новое активное вещество, сходно с эманацией тория. Это послужило окончательным доказательством теории радиоактивного распада.

В результате опытов Резерфорд в начале 1903 года пытается выяснить химический состав этих частиц. Его замысел состоит в том, чтобы сравнить массу такой частицы с массами атомов известных элементов. Данное исследование позволило ему первому идентифицировать частицы с атомами гелия. Далее это было подтверждено и спектрографически.

В 1908 году Резерфорд прибегнул к помоши сцинтилляционного счетчика Гейгера для широких опытов по исследованию частиц методом подсчета.

Вместе с Гейгером и Ройдсом Резерфорд произвел серию опытов, подтверждавших, что; -частицы есть ничто иное как дважды ионизированные (т.е. потерявшие по 2 электрона) атомы гелия. Этот исторический опыт, благодаря которому уже ни у кого не могло остаться сомнения в правильности его теории распада, заключался в следующем:

в запаянную трубку 2 Резерфорд поместил некоторое количество радона – эманации радия. Толщина стенок этой трубки 0,01 мм. Они достаточно тонки, чтобы испускаемые радоном; -частицы могли проходить через них во внешнюю трубку 3. Перед опытом трубка 3 тщательно откачивалась, и в ней спектрографическим путем нельзя было обнаружить линий гелия. Через несколько дней в трубке 3 обнаружилось накопление газа. Повышая давление в приборе, накопившийся газ можно было сконцентрировать в трубке 1. Через трубку пропускался электрический заряд и тогда оказывалось, что в ней спектральный анализ показывает характерные линии гелия. В трубке был гелий. Но может быть он попал в трубку 2 по недосмотру вместе с радоном, а оттуда проник в трубки 3 и 1? Контрольный опыт дал на этот вопрос отрицательный ответ. Точно в такой же прибор (в трубку 2) Резерфорд помещал не радон, а чистый гелий. Однако через несколько дней в трубке 1 линии гелия не обнаруживались. Гелий не мог пройти через стеклянные стенки трубки 2 в трубку 3.; -частицы же легко проходили через стекло и накапливались в трубке 3, а затем концентрировались в трубке 1, где и подвергались спектральному анализу, давая линии гелия.

После этого Резерфорд, вместе с Гейгером и Марсденом провели новую серию экспериментов. Результаты произвели переворот в физике. Это была наиболее драматическая глава в науке нашего времени. Резерфорд открыл атомное ядро и тем самым основал новую исключительно важную науку – ядерную физику.

Что это были за эксперименты? Резерфорд и Гейгер на первых порах продолжили наблюдения сцинтилляций, вызываемых; -частицами при ударе о люминесцентный экран из сернистого цинка. Прежде всего опыты привели Резерфорда к заключению, что каждая вспышка (сцинтилляция) вызывается одной; -частицей. Таким образом оправдалось предположение, выдвинутое им ранее. Резерфорд писал тогда, что наблюдение сцинтилляций на экране из сернистого цинка представляет собой очень удобный способ счета частиц, если каждая частица вызывает вспышку. Следовательно, если каждая вспышка вызвана одной; -частицей, то перед физиками открывается возможность наблюдать за поведением отдельных атомов.

Резерфорд и Гейгер визуально подсчитали, что в продолжение секунды из излучателя в одну тысячную грамма радия вылетает 130 000; -частиц. Точность подсчета была безукоризненна. Оба ученых, к которым позднее присоединился Марсден, помногу часов проводили в затемненной лаборатории за утомительным счетом сцинтилляций. Гейгер рассказывал, что ему одному пришлось подсчитать в общей сложности миллион; -частиц.

Свою работу начал ученик Резерфорда Марсден. Ему было поручено считать; -частицы, проходящие через тонкие металлические пластинки. Эти пластинки помещались в прибор между излучателем; -частиц и люминесцентным экраном.

Поручая Марсдену эту работу, Резерфорд не рассчитывал обнаружить что=либо любопытное. При условии, что модель атома Томсона правильна (а тогда не было никаких причин сомневаться в этом), опыт должен был показать, что; -частицы свободно проходят через металлические преграды. Однако что-то все-таки заставило Резерфорда пойти на этот новый эксперимент.

Марсдена поразило, что; -частицы в этом простом опыте ведут себя иначе, чем должны вести, если принять модель атома такой, какой ее предложил Томсон. Согласно модели Томсона положительный заряд распределен по всему объему атома и уравновешивается отрицательным зарядом электронов, каждый из которых имеет массу гораздо меньшую, чем масса; -частицы. Поэтому даже в редких случаях, когда; -частица столкнется с гораздо более легким по сравнению с ней электроном, она может лишь незначительно отклониться от своего прямолинейного пути. Но в опытах Марсдена; -частицы отнюдь не беспрепятственно проходили через металлическую пластинку. Нет, некоторые из них отклонялись после удара о пластинку на угол около 150 ^о, т.е. почти обратно возвращались к излучателю. Таких возвращавшихся частиц было, правда, очень мало. Когда экспериментатор преграждал путь; -частицам более толстой пластинкой, то в его поле зрения появлялось больше; -частиц, отклонившихся на большие углы. Это указывало, что замеченное Марсденом рассеяние; -частиц не представляет собой какого-то поверхностного эффекта, т.е. оно не связано с поверхностью пластинки. Но Марсден не мог высказать каких-либо соображений по поводу увиденного им странного поведения; -частиц. Он рассказал подробно о своих наблюдениях Резерфорду.

Позднее Резерфорд признался, что сообщение Марсдена произвело на него потрясающее впечатление: “это было почти неправдоподобно, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в кусок папиросной бумаги и снаряд отскочил бы обратно и поразил вас”.

Резерфорд сразу представил себе, что эффект, наблюдаемый Марсденом, мог быть только в одном случае: если; -частица, проникнув в атом, натыкалась на какую-нибудь массивную преграду, имеющуюся в нем, и отбрасывалась, получив при столкновении мощный удар.

На основании этих исследований Резерфорд предположил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно этой модели, вокруг положительного ядра, имеющего заряд ze (z – порядковый номер элемента в системе Менделеева, e – элементарный заряд), размер 10 ^-15 – 10 ^-14 м и массу, практически равную массе атома, в области с линейными размерами порядка 10 ^-10 м по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т.е. вокруг ядра должно вращаться z электронов.

Для простоты предположим, что электрон движется вокруг ядра по круговой орбите радиуса r. При этом кулоновская сила взаимодействия между электроном и ядром сообщает электрону центростремительное ускорение. Второй закон Ньютона для электрона, движущегося по окружности под действием кулоновской силы, имеет вид, где m _e и v – масса и скорость электрона на орбите радиуса r, - электрическая постоянная.

Данное уравнение содержит два неизвестных: r и v. Следовательно, существует бесчисленное множество значений радиуса и соответствующих ему значений скорости (а значит и энергии), удовлетворяющих этому уравнению. Поэтому величины r, v (следовательно и E) могут меняться непрерывно, т.е. может испускаться любая, а не вполне определенная порция энергии. Тогда спектры атомов должны быть сплошными. В действительности же опыт показывает, что атомы имеют линейчатый спектр. Также из данного выражения следует, что при м скорость движения электронов м/с, а ускорение м/с ² . Согласно классической электродинамике, ускоренно движущиеся электроны должны излучать электромагнитные волны и вследствие этого непрерывно терять энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него. Таким образом, атом Резерфорда оказывается неустойчивой системой, что опять-таки противоречит действительности.

Попытки построить модель атома в рамках классической физики не привели к успеху: модель Томсона была опровергнута опытами Резерфорда, ядерная же модель оказалась неустойчивой электродинамически и противоречила опытным данным. Преодоление возникших трудностей потребовало создания качественно новой – квантовой – теории атома.

В 1914 году началась первая мировая война и Резерфорду пришлось на время отложить свои исследования. Но периодически, работая на военную промышленность, он возвращался к своим собственным экспериментам. В своих следующих экспериментах Резерфорд планировал взломать атом.

Все это привело к потрясающему успеху, взлет гения Резерфорда привел к открытию, революционировавшему впоследствии всю науку и даже технику современности. Дан первый толчок к началу атомного века. Резерфорд расщепил атомное ядро.

Мысль о расщеплении ядра атома появилась у Резерфорда при наблюдении в камере Вильсона и в стинцилляционном счетчике загадочных треков (следов). Они были гораздо более длинные, чем треки частиц, которые были емухорошо знакомы по бесчисленным опытам. Он решил найти неизвестные ему причины резкого удлинения пробега частиц. И он также предположил, что длинные следы оставляют другие неопознанные частицы. Резерфорду нужно было выяснить, какое из этих двух предположений истинно.

Чтобы найти ответы на свои вопросы Резерфорд провел серию опытов по бомбардировке частицами различных веществ. Для этого ученый построил прибор, необыкновенно простой по нашим меркам. Но нельзя не учесть, что он был наиболее пригоден только для наглядного решения задачи.здесь мишенями для бомбардировки должны были быть газы (т.е. легкие атомы), а не металлические пластинки, обычно использовавшиеся Резерфордом во многих предыдущих опытах.

На схеме изображен прибор, построенный Резерфордом, с помощью которого ему удалось впервые расщепить ядра атомов легких элементов. Его устройство заключается в том, что латунная трубка 6 длиной 20 см с двумя кранами наполняется газом. Внутри нее находится диск радиоактивного излучателя 7, испускающего частицы. Диск этот укреплен на стойке, двигающейся по рельсу 4. Во время опыта один конец трубки закрывается матовой стеклянной пластинкой, а другой конец – стеклянной пластинкой, прикрепляемой воском. Маленькое прямоугольное отверстие в латунной пластинке закрывалось серебряной пластинкой 3, которая обладала способностью задерживать частицы, аналогичные слою воздуха толщиной примерно 5 см. Против отверстия помещался люминесцирующий экран из цинковой обманки. Для счета сцинтилляций исследователь пользовался зрительной трубой 1.

После того, как Резерфорд наполнил трубку азотом, то в поле зрения появились частицы, оставляющие очень длинный след, подобно тому, что он уже наблюдал. Конечно, до того как прийти к окончательным выводам, Резерфорд проделал еще много опытов. Но в итоге он пришел к заключению, что при столкновении частиц с ядрами азота, некоторые из них разрушаются, испуская ядра водорода – протоны, а после этого образуется ядро кислорода.

С самого начала Резерфорду было понятно огромное значение данного открытия. Расщепление атомных ядер было произведено впервые. Представления, считавшиеся до этого момента непоколебимыми, были наглядно опровергнуты. Открывались совершенно новые и удивительные возможности искусственного получения одних элементов из других, выделения огромной энергии, содержащейся в ядрах, и т.д.

Продолжая исследования, он получает экспериментальное подтверждение ранее уже установленного им положения – что небольшое количество атомов азота при бомбардировке распадается, испуская быстрые протоны – ядра водорода. В свете позднейших исследований, писал Резерфорд, “общий механизм этого превращения вполне ясен. Время от времени; -частицы действительно проникают в ядро азота, образуя на мгновение новое ядро типа ядра фтора с массой 18 и зарядом 9. Это ядро, которое в природе не существует, чрезвычайно неустойчиво и сразу же распадается, выбрасывая протон и превращаясь в устойчивое ядро кислорода с массой 17 …”

Проделывая длительные эксперименты, Резерфорду удалось вызвать ядерные реакции в 17 легких элементах. Не прекращая опытов по расщеплению ядер, Резерфорд пришел к следующему выводу: хотя частицы и обладают огромной энергией, но они все же являются недостаточно мощными снарядами для проникновения в ядра элементов. Было решено повысить энергию частиц, разгоняя их в высоковольтной установке. Это первый шаг в последующем развитии ускорительной техники.

64. Энергия связи. Связь массы и энергии

Энергия связи (для данного состояния системы) — разность между энергией состояния, в котором составляющие части системы бесконечно удалены друг от друга и находятся в состоянии активного покоя и полной энергией связанного состояния системы:

 

Где — энергия связи компонентов в системе из N компонентов (частиц), — полная энергия i-го компонента в несвязанном состоянии (бесконечно удалённой покоящейся частицы) и E — полная энергия связанной системы.

Для системы, состоящей из бесконечно удалённых покоящихся частиц энергию связи принято считать равной нулю, то есть при образовании связанного состояния энергия выделяется. Энергия связи равна минимальной работе, которую необходимо затратить, чтобы разложить систему на составляющие её частицы. Она характеризует стабильность системы: чем выше энергия связи, тем система стабильнее.

Для валентных электронов (электронов внешних электронных оболочек) нейтральных атомов в основном состоянии энергия связи совпадает с энергией ионизации, для отрицательных ионов — со сродством к электрону.

Энергии химической связи двухатомной молекулы соответствует энергия её термической диссоциации, которая составляет порядка сотен кДж/моль.

Энергия связи адронов атомного ядра определяется в основном сильным взаимодействием. Для лёгких ядер она составляет ~0,8 МэВ на нуклон.

масса это одна из форм энергии (одно из ее проявлений). общее количество энергии постоянно, но она трансформируется/переходит из одной формы в другую. самые известные формы энергии: пространство-время, масса, температура. полевая и геометрическая реальность вселенной это структура энергии, а например "большой взрыв" это отношение между этими двумя реальностями, другими словами существование мира это переход энергии из температуры (охлаждения вселенной) в пространство (расширение вселенной), время (на него тоже надо тратить энергию, чтобы оно "шло"), и массу (она съела почти всю энергию в самом начале). еще пример: сломанный кирпич весит больше чем целый, потому что между частям будет пространство, а его тоже надо из чего та сделать (из энергии), которую вкладывают когда разбивают кирпич, а так как масса это и есть энергия, а в понятие разбитый кирпич включается пространство между его частями, то конечно получится что у осколков масса больше.вот такая связь у этих понятий по моему мнению.

65. Правила смещения.

Под радиоактивным распадом, или просто распадом, понимают естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро - дочерним. Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что радиоактивный распад является спонтанным процессом, подчиняющимся законам статистики. Так как отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то можно считать, что число ядер dN, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t+dt, пропорционально промежутку времени dt и числу N нераспавшихся ядер к моменту времени t:

(256.1)

где (- постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.

Разделив переменные и интегрируя:

получим

(256.2)

где N₀ - начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t=0), N- число нераспавшихся ядер в момент времени t. Формула (256.2) выражает закон радиоактивного распада, согласно которому число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.

Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период полураспада T_1/2 и среднее время жизни mрадиоактивного ядра. Период полураспада T_1/2 - время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Тогда, согласно (256.2),

Периоды полураспада для естественно-радиоактивных элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет.

Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна t|dN| = (Ntdt. Проинтегрировав это выражение по всем возможным t (т. е. от 0 до () и разделив на начальное число ядер N₀, получим среднее время жизни (радиоактивного ядра:

(учтено (256.2)). Таким образом, среднее время жизни т радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада (

Активностью А нуклида (общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов Z и нейтронов N)в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих с ядрами образца в 1 с:

(256.3)

Единица активности в СИ - беккерель (Бк): 1 Бк - активность нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада. До сих пор в ядерной физике применяется и внесистемная единица активности нуклида в радиоактивном источнике - кюри (Ки): 1 Ки = 3,7(10¹⁰ Бк.

Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения:

где ^A_ZX - материнское ядро, Y - символ дочернего ядра, ²₄He - ядро гелия ((-частица), ⁰_-1 е - символическое обозначение электрона (заряд его равен -1, а массовое число - нулю). Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, - сохранения электрического заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

Возникающие в результате радиоактивного распада ядра могут быть, в свою очередь, радиоактивными. Это приводит к возникновению цепочки, или ряда, радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом. Совокупность элементов, образующих такую цепочку, называется радиоактивным семейством.

Из правил смещения (256.4) и (256.5) вытекает, что массовое число при (-распаде уменьшается на 4, а при (-распаде не меняется. Поэтому для всех ядер одного и того же радиоактивного семейства остаток от деления массового числа на 4 одинаков. Таким образом, существует четыре различных радиоактивных семейства, для каждого из которых массовые числа задаются одной из следующих формул:

где n - целое положительное число. Семейства называются по наиболее долгоживущсму (с наибольшим периодом полураспада) «родоначальнику»: семейства тория (от ²³²₉₀Th), нептуния (от ²³⁷₉₃Np), урана (от ²³⁸₉₂U) и актиния (от²³⁵₈₉Ас). Конечными нуклидами соответственно являются ²⁰⁸₈₂Pb, ²⁰⁹₈₃Bi, ²⁰⁶₈₂Pb, ²⁰⁷₈₂Pb, т. е. единственное семейство нептуния (искусственно-радиоактивные ядра) заканчивается нуклидом Bi, а все остальные (естественно-радиоактивные ядра) - нуклидами РЬ.

66. Деление тяжёлых атомов ядер. Цепная реакция деления.

Деление тяжелых ядер. В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием?- или?-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.

Цепна́яя́дернаяреа́кция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

67. Ядерный реактор. Ядерная энергетика.

Я́дерныйреа́ктор — это устройство, предназначенное для организации управляемой самоподдерживающейся цепной реакции деления, которая всегда сопровождается выделением энергии (1 МВт на 3·10¹⁶ актов деления в секунду). Иначе: ядерный реактор-это устройство, которое предназначено для осуществления управляемой ядерной реакции.

Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. Первым реактором, построенным за пределами США, стал ZEEP, запущенный в Канаде5 сентября1945 года^[1]. В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, заработавшая 25 декабря1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова.^[2]. К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов.

Ядерная энергетика (Атомная энергетика) — это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии.

Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакциюделения ядерурана-235 или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

68. Эффект Доплера и обнаружение «разбегания» галактик.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

69. Большой взрыв. Возможножные сценарии Эволюции Вселенной

Большо́й взрыв ( англ. BigBang) — общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной^[1], а именно — начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.

Сценарии дальнейшей эволюции Вселенная и в наши дни продолжает свою эволюцию, так как эволюционируют её части. Время этой эволюции для каждого типа объектов разнится более, чем на порядок. И когда жизнь объектов одного типа заканчивается, то у других всё только начинается. Это позволяет разбить эволюцию Вселенной на эпохи^[1]. Однако конечный вид эволюционной цепи зависит от скорости и ускорения расширения: при равномерной или почти равномерной скорости расширения будут пройдены все этапы эволюции и будут исчерпаны все запасы энергии. Этот вариант развития называется тепловой смертью.

Если скорость будет всё нарастать, то, начиная с определённого момента, сила, расширяющая Вселенную, сначала превысит гравитационные силы, удерживающие галактики в скоплениях. За ними распадутся галактики и звёздные скопления. И, наконец, последними распадутся наиболее тесно связанные звёздные системы. Спустя некоторое время, электромагнитные силы не смогут удерживать от распада планеты и более мелкие объекты. Мир вновь будет существовать в виде отдельных атомов. На следующем этапе распадутся и отдельные атомы. Что последует за этим, точно сказать невозможно: на этом этапе перестает работать современная физика.Вышеописанный сценарий — это сценарий Большого разрыва.Существует и противоположный сценарий — Большое сжатие. Если расширение Вселенной замедляется, то в будущем оно прекратится и начнётся сжатие. Эволюция и облик Вселенной будут определяться космологическими эпохами до того момента, пока её радиус не станет в пять раз меньше современного. Тогда все скопления во Вселенной образуют единое мегаскопление, однако галактики не потеряют свою индивидуальность: в них всё также будет происходить рождение звёзд, будут вспыхивать сверхновые и, возможно, будет развиваться биологическая жизнь. Всему этому придёт конец, когда Вселенная ужмётся ещё в 20 раз и станет в 100 раз меньше, чем сейчас; в тот момент Вселенная будет представлять собой одну огромную галактику.Температурареликтового фона достигнет 274 К и на планетах земного типа начнёт таять лёд. Дальнейшее сжатие приведёт к тому, что излучение реликтового фона затмит даже центральное светило планетной системы, выжигая на планетах последние ростки жизни. А вскоре после этого испарятся или будут разорваны на куски сами звёзды и планеты. Состояние Вселенной будет похоже на то, что было в первые моменты её зарождения. Дальнейшие события будут напоминать те, что происходили в начале, но промотанные в обратном порядке: атомы распадаются на атомные ядра и электроны, начинает доминировать излучение, потом начинают распадаться атомные ядра на протоны и нейтроны, затем распадаются и сами протоны и нейтроны на отдельные кварки, происходит великое объединение. В этот момент, как и в момент Большого взрыва, перестают работать известные нам законы физики и дальнейшую судьбу Вселенной предсказать невозможно.

70. Термоядерный синтез. Эволюция и энергия горения звёзд. Солнечная система.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________