Мультимедийные лекции по физике

1.

Мультимедийные
лекции
по физике

2. Ядерная физика

Темы лекций
1. Радиоактивность.
2. Строение ядра.
3. Энергия связи ядер. Ядерные реакции.
4. Элементарные частицы.

3. Литература

1.
Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высшая школа,
1997. – 542 с.
2.
Савельев и.в. Курс общей физики. Т. 3. – М.: Наука,
1979. – 304 с.
3.
Калистратова Л.Ф., Ярош Э.М. Основы квантовой
механики, физики атома и ядра. – Омск: Изд-во
ОмГТУ, 2002. – 90 с.

4. Тема 1. Радиоактивность

План лекции
1.1. Естественная и искусственная радиоактивность.
1.2. Радиоактивные превращения.
1.3. Закон радиоактивного распада.

5. 4.1. Естественная и искусственная радиоактивность

С момента установления ядерной модели атома вопрос
о составе атомного ядра являлся и является одним
из актуальных вопросов современной физики.
Ключом к изучению атомного ядра послужило открытие
Беккерелем естественной радиоактивности.
Но ученым, сделавшим первый шаг в “бездну” атома,
не подозревая о ней, стал немецкий физик, первый
лауреат Нобелевской премии В.К. Рентген.

6.

В 1896 году он объявил об открытии им неизвестного
излучения, способного беспрепятственно проникать
через различные вещества.
Он назвал его Х-лучами, а позже стали называть
рентгеновским излучением.
В 1896 году французский физик школы Анри
Беккерель, изучая люминесценцию различных
веществ, обнаружил, что соли урана являются
источником какого-то излучения.

7.

Это излучение обладало большой проникающей
способностью, воздействовало на завернутую в
черную бумагу фотопластинку.
Следует отметить, что сообщения Беккереля на
современников большого впечатления не произвели.
Всех в значительно большей степени интересовали не
какие-то “урановые” лучи Беккереля, а открытые
Рентгеном всепроникающие Х-лучи.

8.

В 1897 году А. Беккерель оставляет исследования
открытых им лучей и начинает заниматься эффектом
Зеемана.
Исследования нового явления, получившего
впоследствии название “радиоактивность”, были
поручены молодой сотруднице М. СкладовскойКюри.
Она продолжила исследования вместе с известным
уже к тому времени талантливым физиком П. Кюри.

9. Естественная радиоактивность

За 1898 год они обнаружили, что источником лучей
Беккереля может быть не только уран, но и торий,
радий и полоний.
Впоследствии был открыт целый ряд других
радиоактивных элементов.
Радиоактивностью называется явление
самопроизвольного превращения одних атомных
ядер в другие, сопровождаемое испусканием
невидимых излучений.

10.

Эти лучи можно обнаружить по ионизации воздуха,
свечению некоторых веществ, выделению тепла,
химическим превращениям.
Радиоактивное излучение делится на 3 вида:
-,
-и
- излучение.
Эти излучения ведут себя по-разному в магнитном и
электрическом полях.
Исследования позволили сделать следующие
заключения.

11. - излучение

- излучение – поток ядер гелия ( He ).
4
2
Заряд - частицы равен +2е (e – заряд электрона),
а масса равна 4 массам протона, поэтому частица считается “тяжелой” частицей.
Энергия вылетающих из ядра - частиц велика и
составляет ( 2....8) МэВ , скорости порядка
(1,4 2,0) 108 м/с.

12.

Двигаясь в веществе,
- частица испытывает
соударения с атомами вещества, производит
ионизацию атомов и постепенно теряет свою
энергию.
На ионизацию 1 атома вещества
среднем тратится 33 эВ.
- частица в
На пути в 1 см
- частица создает около 1,3 10
пар ионов, следовательно, ее энергия теряется очень
быстро.
5
После того, как скорость - частицы уменьшается до
скорости теплового движения, она теряет свои
ионизационные свойства.

13.

Расстояние, на котором энергия частицы уменьшается
до энергии теплового движения, носит название
длины свободного пробега.
Пробеги
- частиц в воздухе составляют (2 – 10) см.
Таким образом, при сильной ионизирующей
- частицы имеют малую
способности
проницающую способность.
От - частиц легко защититься, поставив на их пути
преграду, например, металлическую фольгу
толщиной 0,1 мм.

14.

Туннелирование α-частицы сквозь потенциальный
барьер.

15. - излучение

- излучение – поток электронов, скорости
которых близки к скорости света.
Благодаря большой скорости - частицы пролетают
мимо атома вещества за время (10 -15) раз
меньшее, чем - частица той же энергии.
Вследствие этого уменьшается вероятность ионизации
атома при столкновении его с - частицей, и
число пар ионов, образованных на пути в 1 см при
прохождении - частиц, в сотни раз меньше, чем
при прохождении - частиц.

16.

Поскольку ионизирующая способность
частиц мала и потеря энергии на ионизацию
незначительна, то - частицы обладают гораздо
большей проникающей способностью, чем частицы.
В воздухе пробег
1 м.
- частиц составляет около
Защита от - излучения много сложнее:
металлическая фольга.

17. - излучение

- частицы – короткие электромагнитные волны,
длиной волны порядка
(10 3 10 5 )
нм.
Они обладают большой проникающей
способностью, и очень слабой ионизирующей
способностью.
На пути в 1см в воздухе ионизируются 1 – 2 атома
вещества.

18.

Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений.

19.

Если интенсивность радиоактивного излучения
значительно выше существующей в нормальных
условиях на поверхности земли и в атмосфере, то
оно оказывает вредное воздействие на живые
организмы.
Радиоактивные частицы вызывают химические
превращения, которые могут приводить к
канцерогенному перерождению клеток или их гибели.

20.

Существует целый ряд естественных радиоактивных
элементов, получаемых при ядерных реакциях.
Различные радиоактивные вещества весьма сильно
различаются между собой по количеству и
интенсивности испускаемых радиоактивных
излучений.

21. Искусственная радиоактивность

В 1934 году супругами Жолио-Кюри была
открыта искусственная радиоактивность.
Ей присущи те же закономерности, что и
естественной радиоактивности.
Однако, есть и различия: некоторые
искусственно радиоактивные вещества
испускают позитроны (e+).

22.

Открытие полония и радия положило начало новой
науки о получении и свойствах радиоактивных
элементов – радиохимии.
Получение тяжелых нестабильных элементов и
изучение их свойств чрезвычайно важно для
познания закономерностей, действующих в атомном
ядре.
Радиоактивные изотопы получили широкое
распространение в промышленности, медицине,
сельском хозяйстве, геологии и научных
исследованиях.

23. Применение радиоактивности

Радиоактивные излучения применяются в качестве:
- радиоактивных индикаторов;
- источников излучения (
-дефектоскопия в
промышленности, лучевая терапия в медицине).
Метод меченых атомов широко используется в
биологии, физике, медицине.
В сельском хозяйстве существенно облегчает
разработку рациональной подкормки растений, а
облучение зерен повышает урожайность культуры.

24.

В геологии:
- с одной стороны, радиоактивность позволяет
получать и изучать исключительно малое количество
радиоактивного вещества;
- с другой стороны, знание законов распада дает
возможность определить геологический возраст
пород.

25. 1.2. Радиоактивные превращения

Радиоактивное излучение всегда сопровождается
химическим превращением излучающего
элемента.
При вылете - и - частиц происходит изменение
ядра: изменяется его заряд, масса, то есть ядро
одного элемента превращается в ядро другого
элемента.
Обнаружение радиоактивности впервые
экспериментально доказало, что ядра:
- не являются неделимыми;
- они имеют сложный состав;
- способны превращаться один в другой.

26.

X Z 2Y
A
Z
238
U
92
A 4
2 .
4

27.

- распада.
2. Существует три разновидности
Первый вид: электронный распад – протекает по
схеме:
~
Z X Z 1Y 1 e .
A
A
0
Дочернее ядро имеет атомный номер на единицу
больше, чем у материнского ядра.
Наряду с электроном испускается также антинейтрино.
Например:
Th
90
234
91 Pa
234
~
1 e .
0

28.

Второй вид: позитронный распад – протекает по
схеме:
A
A
0
Z
Z 1
1
X Y e .
N 6 C 1 e .
13
Например:
7
13
0
Атомный номер дочернего ядра на единицу меньше,
чем материнского.
Процесс сопровождается испусканием позитрона e+ и
нейтрино .

29.

Третий вид: электронный захват – заключается в том,
что ядро поглощает один из K – электронов (реже L–
или M - электрон) своего атома, в результате чего
один из протонов ядра превращается в нейтрон.
Схема процесса выглядит следующим образом:
p e n
X 1e Z 1Y .
A
Z
Например:
0
A
K 1 e 18 Ar .
40
19
;
0
40

30.

3.
- излучение не приводит к изменению
порядкового номера элемента, поскольку вылетает
из ядра при его переходе из возбужденного
состояния в основное.
Оно, как правило, сопровождает
излучения.
-
и
-
Распадающееся радиоактивное ядро неустойчивое,
обладает избытком энергии.
Новое ядро может оказаться также неустойчивым и
испытать дальнейшее превращение.

31.

При последующих друг за другом превращениях
получается радиоактивный ряд.
На Земле наиболее значительными являются три
радиоактивных ряда:
- урана;
- тория;
- актиния.
Они имеют много общих свойств.
Все три ряда оканчиваются нерадиоактивным свинцом,
поэтому свинца в земной коре достаточно много.

32.

Схема распада радиоактивной серии

33.

В обычных условиях радиоактивный распад не зависит
от температуры и давления.
Но скорость распада можно изменить:
- в результате воздействия быстрыми частицами;
- очень высокой температурой (порядка миллиона
градусов).

34. 1.3. Закон радиоактивного распада

Нестабильность радиоактивных атомных ядер
обусловлена их внутренним строением, и их распад
происходит с определенной вероятностью.
Мы не можем предсказать за какое время распадется
то или иное ядро.
Однако, при наличии большого числа ядер, можно
вычислить сколько ядер в среднем подвергается
радиоактивным превращениям в течение заданного
интервала времени.

35.

Распады любых атомов одного и того же вещества
равновероятны.
Если ядер достаточно много, то статистически среднее
число не распавшихся ядер пропорционально числу
ядер и времени распада: dN ~ Ndt.
Запишем
dN
N,
dt
где - не зависящая от времени постоянная распада,
имеющая смысл вероятности распада в единицу
времени;
N – число не распавшихся к моменту времени t
ядер.

36.

Решим уравнение при условии, что в момент времени
t = 0 число ядер было NO , а к моменту времени t
их останется N .
N
t
dN
N N 0 dt;
0
N
ln
t.
N0
N NO e
t
Последняя формула выражает закон радиоактивного
распада.

37.

Таким образом, число не распавшихся к моменту
времени ядер уменьшается по
экспоненциальному закону.
N
N0
N0
2
T
tt

38.

Закон радиоактивного распада

39.

Скорость радиоактивного распада, кроме постоянной
распада , характеризуют периодом полураспада
T.
Период полураспада - время, в течение которого
половина ядер испытывает радиоактивный распад.
Например, период полураспада полония ( 84 Po
равен 140 дням.
210
Если взять 1 г полония, то через 140 дней останется
0,5 г, еще через 140 дней – 0,25 г и т.д.
)

40.

Уран
лет.
238
U
92
имеет период полураспада 4,5 109
Периоды полураспада радиоактивных элементов лежат
в пределах от лет до секунд.
И период полураспада Т и постоянная распада :
- не зависят от начального количества радиоактивного
вещества;
- они характеризуют саму реакцию распада, то есть
сам радиоактивный элемент.

41.

Для установления связи между Т и следует в законе
радиоактивного распада заменить N на NО/2 , а t
на T:
NO
T
NO e
2
Тогда
ln 2 T;
или
T
ln 2
0,693
.
Число ядер, распавшихся к моменту времени , можно
определить по формуле:
N P N O N N O (1 e
t
)

42. Активность радиоактивного препарата

Активность препарата - число распадов в
единицу времени.
dN
A
N ,
dt
где N – число нераспавшихся ядер в данный
момент времени.
Так как N уменьшается со временем, значит и
активность препарата уменьшается со
временем по закону:
t
A AO e

43.

При данном N, чем больше период полураспада T, тем
меньше активность препарата а.
Препарат с большим периодом полураспада менее
активен.
За единицу активности в системе СИ принято 1
превращение в секунду – Беккерель (Бе).
Внесистемной единицей активности является Кюри
(КИ).
1КИ = 3,7 1010 распадов/с, что соответствует
активности 1 радия.

44.

Воздействие облучения характеризуется
поглощенной веществом дозой: энергией,
поглощенной единицей массы вещества.
Поглощённая доза измеряется в Греях: 1Грей = Дж/кг.
Ионизационную способность излучений характеризует
экспозиционная доза - это заряд одного знака,
созданный в единице объема вещества.
Экспозиционная доза измеряется в Кл/кг.

45.

Внесистемной единицей экспозиционной дозы является
рентген.
1 рентген соответствует такому поглощению излучения,
которое в 1 см3 образует количество ионов,
суммарный заряд которых равен по 1 ед. одного
заряда одного знака, то есть 2,08 10 9
пар ионов.