Второй закон вина

Вопрос 4. Закон Стефана-Больцмана. Законы Вина

Второй закон вина

Физики C. Ленгли, Э. Прингсгейм, О. Люммер, Ф. Курлбаум и др., исследуя экспериментально распределение энергии излучения АЧТ по спектру, определили излучательные способности абсолютно черного тела R(λ,T) и R(ν,T). Результаты таких экспериментов при различных значениях температуры приведены на рис. 16.4.

Рис. 16.4

В результате экспериментальных и теоретических исследований, выполненных Й. Стефаном и Л. Больцманом был получен важный закон теплового излучения абсолютно черного тела. Этот закон утверждает, что энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры, то есть

. (16.10)

По современным измерениям постоянная Стефана-Больцмана

σ = 5,6686·10-8 .

Для реальных тел закон Стефана-Больцмана выполняется лишь качественно, то есть с ростом температуры энергетические светимости всех тел увеличиваются. Однако, для реальных тел зависимость энергетической светимости от температуры уже не описывается простым соотношением (16.7), а имеет вид:

. (16.11)

Коэффициент А(T) в (16.11), всегда меньший единицы, можно назвать интегральной поглощательной способностью тела. Значения коэффициента А(T) известны для многих технически важных материалов. Так, в достаточно широком диапазоне температур для металлов А(T) = 0,1 ÷ 0,4, а для угля и окислов металлов А(T) = 0,5 ÷ 0,9.

Энергетическая светимость АЧТ, численно равная площади под соответствующими кривыми, сильно зависит от температуры. Максимум излучательной способности с увеличением температуры смещается в сторону коротких длин волн.

Закон Стефана-Больцмана не дает информации о спектральном составе излучения абсолютно черного тела.

В 1893 г. немецкий физик В.Вин теоретически рассмотрел термодинамический процесс сжатия излучения, заключенного в полости с идеально зеркальными стенками, и пришел к выводу, что испускательная способность абсолютно черного тела прямо пропорциональна кубу частоты и является функцией отношения ν/T:

, (16.12)

где α – постоянная величина, F – некоторая функция, конкретный вид которой термодинамическими методами установить невозможно.

Переходя в этой формуле Вина от частоты к длине волны, получим:

. (16.13)

Как видно, в выражение для излучательной способности температура входит лишь в виде произведения λT. Уже это обстоятельство позволило предсказать некоторые особенности функции . В частности, эта функция достигает максимума при определенной длине волны λm, которая при изменении температуры тела изменяется так, чтобы выполнялось условие: λmT = const.

Таким образом, В. Вин сформулировал закон теплового излучения, согласно которому длина волны λm, на которую приходится максимум излучательной способности абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре. Этот закон можно записать в виде

, (16.14)

где – постоянная Вина.

Закон Вина называют законом смещения, подчеркивая тем самым, что при повышении температуры абсолютно черного тела положение максимума его излучательной способности смещается в область коротких длин волн. Результаты экспериментов, приведенные на рис. 16.4, подтверждают этот вывод не только качественно, но и количественно, строго в соответствии с формулой (16.14).

С ростом температуры любого тела длина волны, вблизи которой тело излучает больше всего энергии, также смещается в сторону коротких длин волн. Это смещение, однако, уже не описывается простой формулой (16.14), которую для излучения реальных тел можно использовать только в качестве оценочной, т.е. формула (16.14) остается в силе только при больших частотах и низких температурах.

Кроме закона смещения (16.14) Вин получил выражение для максимального значения излучательной способности АЧТ. Эту зависимость называют вторым законом Вина, согласно которому максимальное значение испускательной способности АЧТпрямо пропорционально абсолютной температуре в пятой степени:

, (16.15)

где . Однако, получить теоретическое выражение для универсальной функции Кирхгофа, хорошо описывающее экспериментальные результаты во всем диапазоне длин волн излучения тела, Вину не удалось.

Во всех разобранных выше случаях подход к изучению теплового излучения был термодинамическим. У.Рэлей и Д.Джинс впервые к этим явлениям применили методы классической статистической физики.

Согласно закону о равномерном распределении энергии равновесной системы по степеням свободы на каждую колебательную степень свободы осциллятора с собственной частотой ν приходится энергия, равная < > = kT, где k −постоянная Больцмана.

В соответствии с таким подходом У.Рэлей и Д.Джинс в 1905 г. получили выражение для универсальной функции Кирхгофа:

= kT. (16.16) Здесь − общее число степеней свободы системы, приходящихся на единицу объема полости.

Однако, как показал опыт, формула Рэлея – Джинса хорошо согласуясь с опытными данными только для малых частот (рис.16.5) и больших температур, не удовлетворяет закону смещения Вина, а также закону Стефана-Больцмана. Действительно, для абсолютно черного тела энергетическая светимость R(T), определяемая по формуле Рэлея−Джинса (16.16), оказывается равной бесконечности:

Рис. 16.5

.

Согласно закону Стефана-Больцмана (1.10) энергетическая светимость т.е. является конечной величиной. Поскольку вывод формулы (16.16) был безупречным в своей классической строгости и последовательности, решение проблемы описания теплового излучения в рамках классической физики оказалось невозможным в принципе.

Это обстоятельство получило в физике образное название «ультрафиолетовая катастрофа». Причина вышеуказанных трудностей, возникших при отыскании вида функции Кирхгофа, связана с одним из основных положений классической физики, согласно которому энергия любой системы может изменяться непрерывно, т.е.

может принимать любые сколь угодно близкие значения.

Вопрос 5. Формула Планка.

Выход из создавшейся ситуации нашел немецкий физик М. Планк.

В 1900 г. он впервые выдвинул гипотезу о дискретных значениях энергии осциллятора.

Согласно этой гипотезе энергия осциллятора с собственной частотой ν может принимать лишь определенные дискретные (квантованные) значения, отличающиеся на целое число элементарных порций − квантов энергии: εν = , где h= 6,625·10-34 Дж·спостоянная Планка (квант действия). Тогда полная энергия осциллятора будет равна целому числу квантов

, ( ). (16.17)

Согласно этой гипотезе Планк моделировал реальное твердое тело с помощью системы квантовых осцилляторов. Выполнив усреднение энергии осциллятора с помощью распределения Больцмана, Планк получил выражение для среднего значения энергии, приходящейся на одну колебательную степень свободы осциллятора:

. (16.18)

Подставив соотношение (16.18) в формулу Рэлея – Джинса (16.14), Планк получил формулу для излучательной способности АЧТ как функцию от частоты излучения:

. (16.19)

Эта формула как функция от длины волны излучения имеет вид:

, (16.20)

именно ее чаще всего используют в экспериментальных работах.

Из формулы Планка вытекают все законы теплового излучения тел.

В области малых частот, т.е. при условии, что квант энергии во много раз меньше средней энергии осциллятора (h , формула Планка совпадает с формулой Релея—Джинса. Для доказательства этого разложим функцию eh в ряд:

eh =1+ ) + ( ) +… (16.21)

и, ограничившись первыми двумя членами разложения, из (16.19) получаем формулу Релея—Джинса (16.14):

R( = .

В предельном случае больших частот ( >>1) единицей в знаменателе формулы (16.19) можно пренебречь, тогда получим формулу

, (16.22)

которая совпадает с выражением (16.12), т.е. с формулой Вина, причем, функция F(ν/Т) представляет собой выражение

,

которое действительно зависит от отношения частоты к температуре. График функции Вина показан на рис. 16.5. Функции Вина совпадает с формулой Планка только в области больших частот.

Интегральную излучательную способность АЧТ (закон Стефана—Больцмана) можно получить, проинтегрировав выражение (16.20) по длинам волн в интервале от 0 до :

. (16.23)

Произведем замену переменной. Обозначим , тогда подстановка и приводит выражение (16.21) к виду

, (16.24)

где . Так как , то

. (16.25)

Как видим, величина s (постоянная Стефана-Больцмана) выражается через постоянные величины c, h, k.

Анологично, исследуя функцию (16.22) по переменной ν на экстремум, можно получить значение постоянной Вина, которая выражается также через постоянные с, h и k, и выполнить проверку закона смещения Вина.

Таким образом, формула Планка не только хорошо согласуется с

экспериментальными данными, но и содержит в себе частные законы теплового излучения. Следовательно, формула Планка является полным решением основной задачи теплового излучения, поставленной Кирхгофом. Ее решение стало возможным лишь благодаря революционной квантовой гипотезе Планка.

Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 7398; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: https://helpiks.org/1-47596.html

Тепловое излучение. Внешний фотоэффект. Давление света. Эффект Комптона

Второй закон вина

Раздел 4: Квантовая физика

Лекция

Тепловое излучение. Внешний фотоэффект.

Давление света. Эффект Комптона

План

1.  Тепловое излучение. Абсолютно чёрное тело

2.  Законы теплового излучения

2.1.  Закон Кирхгофа

2.2.  Законы Вина

2.3.  Закон Стефана-Больцмана

3.  Ультрафиолетовая катастрофа

4.  Квантовая гипотеза и формула Планка

5.  Оптическая пирометрия

6.  Внешний фотоэффект. Уравнение Эйнштейна

7.  Фотоны: энергия, импульс

8.  Давление света

9.  Эффект Комптона

1. Тепловое излучение. Абсолютно чёрное тело

Излучение тела, обусловленное тепловым движением молекул, называется тепловым, так как происходит за счёт энергии теплового движения молекул (атомов). Любое тело с температурой Т≠0, излучает, причём спектр излучения – сплошной.

Тепловое излучение – единственное излучение, способное находиться в термодинамическом равновесии с веществом.

Если уменьшение энергии тела при излучении восполняется за счёт поглощения излучения, падающего на тело из окружающей среды, то излучение называется равновесным.

Тепловое излучение тел может быть охарактеризовано следующими величинами:

1) Интегральная интенсивность излучения численно равна энергии всех длин волн, излучаемой за единицу времени с единичной площади поверхности тела:

. (20.1)

Эту величину называют также полной энергетической светимостью. Она зависит от абсолютной температуры тела. Размерность :

.

2) Монохроматическая (дифференциальная) интенсивность излучения (спектральная плотность энергетической светимости) численно равна энергии, излучаемой за единицу времени с единичной площади поверхности тела в единичном интервале длин волн:

(20.2)

или частот:

. (20.2а)

Размерности:

; .

Монохроматическая интенсивность излучения является функцией длины волны и температуры (20.2) или частоты и температуры (20.2а). Найдём связь между и . Из (20.2) и (20.2а):

. (20.3)

Связь между интегральной и монохроматической интенсивностями излучения:

(20.4)

Это значит, что площадь под графиком зависимости или равна .

Из всей падающей на тело энергии dWпадающ. монохроматического света в интервале длин волн [l; l+dl] часть энергии dWпоглощ. поглощается телом.

3) Спектральная поглощательная способность тела – это величина,показывающая, какую долю энергии падающего излучения в интервале длин волн [l; l+dl] вблизи данной длины волны l тело поглощает:

, (20.5)

.

Тело называется абсолютно чёрным (АЧТ), если поглощает всё излучение, падающее на него. Для абсолютно черного тела

.

В природе не существует абсолютно чёрных тел. Тела, покрытые сажей или платиновой чернью, приближаются по своим свойствам к абсолютно черным лишь в ограниченном интервале длин волн.

Наиболее совершенной моделью черного тела может служить небольшое отверстие в непрозрачной стенке замкнутой полости (рис.20.1). Луч света, попадающий внутрь через отверстие, претерпевает многократные отражения от стенок полости, прежде чем он выйдет обратно.

При каждом отражении происходит частичное поглощение энергии света стенками. Поэтому независимо от материала стенок интенсивность света, выходящего из полости через отверстие, во много раз меньше интенсивности падающего извне первичного излучения.

Эта модель тем ближе по характеристикам к чёрному телу, чем больше отношение площади поверхности полости к площади отверстия.

2. Законы теплового излучения

2.1. Закон Кирхгофа

Исходя из второго начала термодинамики, Кирхгоф показал, что условие теплового равновесия заключается в следующем: отношение монохроматической интенсивности излучения к поглощательной способности тела не зависит от природы тела; является универсальной (одинаковой для всех тел) функцией длины волны и температуры (универсальная функция Кирхгофа):

. (20.6)

Тело, хорошо поглощающее лучи каких-либо длин волн, лучи тех же длин волн будет хорошо излучать; а если данную длину волны не поглощает, то и излучать не будет. Пример: для уменьшения теплоотдачи трубы теплотрассы покрывают фольгой: она не поглощает излучение (хорошо отражает), значит, и излучать энергии будет меньше.

Универсальная функция Кирхгофа не зависит от природы тела и является функцией лишь длины волны и температуры. Для абсолютно черного тела:

.

Следовательно, есть монохроматическая интенсивность излучения абсолютно черного тела. Её график при различных температурах тела дан на рис.20.2. Для сравнения на рис.20.3 приводится график излучения Солнца. С хорошей степенью точности Солнце можно считать абсолютно чёрным телом. Для тел, не являющихся абсолютно чёрными,

(20.7)

Для многих тел поглощательную способность можно считать не зависящей от длины волны:

.

Такие тела называются серыми; величина а называется коэффициентом серости (или коэффициентом черноты).

2.2. Законы Вина

Эксперименты показали, что с повышением температуры максимум функции смещается в область коротких волн, а интенсивность излучения растет (рис.20.2). Эти закономерности излучения АЧТ описываются законами Вина.

Первый закон Вина (закон смещения Вина). Длина волны , на которую приходится максимум монохроматической интенсивности излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре:

. (20.8)

С повышением температуры максимум излучения смещается в коротковолновую область. Железка при нагреве в пламени костра изменяет цвет: сначала тёмно-бордовая, затем красная, оранжевая; – это значит, что в спектре её излучения появляются более короткое волны (большие частоты – см. рис.20.4). Одновременно растёт полный поток излучаемой энергии и максимальное значение .

Второй закон Вина: максимальное значение спектральной плотности энергетической светимости прямо пропорционально пятой степени абсолютной температуры:

. (20.9)

Первая и вторая константы Вина в (20.7.) и (20.8) равны соответственно:

, .

2.3. Закон Стефана-Больцмана

Полная энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры:

. (20.10)

Постоянная Стефана-Больцмана s была определена опытным путем:

.

Излучение серых тел подчиняется аналогичной закономерности, однако излучение их для каждой длины волны меньше, чем для абсолютно черного тела (см.(20.7); а

Источник: https://pandia.ru/text/78/094/7744.php

Второй закон излучения Вина

Второй закон вина

В 1896 году Вин, на основе дополнительных предположений, вывел второй закон:

где C1, C2 — константы. Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина.

Позже Макс Планк показал, что второй закон Вина следует из закона Планка для больших энергий квантов, а также нашёл постоянные C1 и C2. С учётом этого, второй закон Вина можно записать в виде:

где h — постоянная Планка,

k — постоянная Больцмана,

c — скорость света в вакууме.

18. Согласно квантовой теории Планка, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями — квантами, причем энергия ванта пропорциональна частоте колебания , где — постоянная Планка. Т.к.

излучение испускается порциями, то энергия осциллятора (стоячей волны) может принимать лишь определенные дискретные значения, кратные целому числу эл-тарн порций энергии : (n=0,1,2,…).

Ф-ла Планка (нахождение универсальной функции Кирхгофа):

, где , — спектральные плотности энергетической светимости ЧТ, — длина волны, — круговая частота, с – скорость света в вакууме, к – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура, h – постоянная Планка, — постоянная Планка, дел. на = .

19. Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света. Явление внешнего фотоэффекта открыто в 1887 г. Герцем, а детально исследовано Столетовым. Теория фотоэффекта на основе квантовых представлений создана Эйнштейном.

Явление фотоэффекта получило широкое практическое применение. Приборы, в основе принципа действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами. Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют энергию излучения в электрическую лишь частично.

Так как эффективность преобразования небольшая, то в качестве источников электроэнергии фотоэлементы не используют, но зато применяют их в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

Внутренний фотоэффект используют в фоторезисторах.

Вентильный фотоэффект, возникающий в полупроводниковых фотоэлементах с p-n переходом, используется для прямого преобразования энергии излучения в электрическую энергию (солнечные батареи).

А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта.

Согласно Эйнштейну, свет частотой n не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется в пространстве ипоглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых e0=hn.

Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы вы­хода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетичес­кой энергии mv2max/2. По закону сохранения энергии,

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

20. Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названнымифотонами.Энергия фотона e0=hn. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии:

Фотон — элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоро­стью света с и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя.

Импульс фотона рg получим, если в общей формуле теории относительности

положим массу покоя фотона = 0:

Из приведенных рассуждений следует, что фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом.

Давление света – это давление, которое производят электромагнитные световые волны, падающие на поверхность какого-либо тела.

Давление р, оказываемое волной на поверхность металла можно было рассчитать, как отношение равнодействующей сил Лоренца, действующих на свободные электроны в поверхностном слое металла, к площади поверхности металла:

Квантовая теория света объясняетдавление света как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества.

Давление света на газы в сотни раз меньше, чем на твёрдые тела. Давление света показывает, что поток излучения обладает не только энергией, но и импульсом, а следовательно, и массой.

21. Свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона Е0=hv. Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии : my=hv/c2. Фотон – элементарная частица, которая всегда движется со скоростью света с и имеет массу покоя, равную нулю.

Импульс фотона р получим , если в общей формуле теории относительности положим массу покоя фотона moy=0: py=E0/c=hv/c. Выше изложенные выражения связывают корпускулярные характеристики фотона – массу, импульс и энергию- с волновой характеристикой света – его частотой v. Если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело , должен оказывать на него давление.

Это обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс. Если в единицу времени на единицу площади поверхности тела падает N фотонов, то при коэффициенте отражения р света от поверхности тела pN фотонов отразится, а (1-p)N – поглотится. Каждый поглощенный фотон передает поверхности импульс py = hv/c, а каждый отраженный – 2py= 2hv/c.

Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности в 1 с N фотонов:

p= 2hv/c*pN+ hv/c*(1-p)*N=(1+p)* hv/c*N

Nhv=Ee есть энергия всех фотонов, а Ee/c=w– объемная плотность энергии излучения. Поэтому давление, производимое светом при нормальном падении на поверхность, p= Ee/c*(1+p)=w(1+p)

22. Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются , с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия Е и импульс р, а с другой стороны – волновые характеристики – частота v и длина волны лямбда. Количественные соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же как для фотонов: E=hv, p=h/лямбда.

Любой частице, обладающей импульсом, сопоставляют волновой процесс с длиной волны, определяемой по формуле де Бройля: лямбда=h/p. Для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя , в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом.

Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна-частица.

23. В основе зонной теории лежит адиабатическое приближение. Квантово-механическая система разделяется на тяжелые и легкие частицы – ядра и электроны. Ядра в узлах кристаллической решетки неподвижны, движение электрона рассматривается в постоянном периодическом поле ядер.

Далее используется приближение самосогласованного поля. В рамках зонной теории многоэлектронная задача сводится к задаче о движении одного электрона во внешнем периодическом поле- усредненном и согласованном поле всех ядер и электронов.

Энергетические уровни атомов смещаются, расщепляются и расширяются в зоны, образуется зонный энергетический спектр. В твердых телах внутренние электроны ведут себя так же, как в изолированных атомах, валентные же электроны принадлежат всему твердому телу.

Энергия внешних электронов может принимать значения в пределах так называемых разрешенными энергетическими зонами. Каждая разрешенная зона «вмещает» в себя столько близлежащих дискретных уровней, сколько атомов содержит кристалл.

Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемыми запрещенными энергетическими зонами. В этих зонах электроны находиться не могут. Ширина зон не зависит от размера кристалла.

24. Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью. (Ge, Se, InSb, GaAs и др.) Проводимость собственных полупроводников, обусловленная электронами, называется электронной проводимостью или проводимостью n-типа.

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами – дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа. ne=np , т.к. число дырок соответствует электронам, возбужденным в зону проводимости. Проводимость полупроводников всегда является возбужденной. Концентрация электронов в зоне проводимости: ne=C1e-(E2-EF)/(kT), где E2- соотв.

Дну зоны проводимости, ЕF-энергия Ферми, Т – термодинамическая температура, C1 –постоянная, зависящая от температуры и эффективной массы электрона проводимости. Концентрация дырок в валентной зоне : np=C2e(E2-EF)/(kT). Удельная проводимость собственных полупроводников y=y0e-дельтаE/(kt).

Также в проводниках идет процесс рекомбинации: электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, отдавая энергию решетке и испуская кванты электромагнитного излучения. Примесная проводимость обусловлена примесями, а также дефектами типа избыточных атомов, тепловыми и механическими дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость.

В полупроводниках с примесью , валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока явл. электроны; возникает электронная примесная проводимость . Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей – донорными уровнями.

В полупроводниках с примесью, валентность которой на 1 меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки, возникает дырочная проводимость . Такие проводники называются дырочными, их примеси акцепторами, а уровни –акцепторными уровнями.

25.Граница соприкосновения двух полупроводников, один из который имеет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или рН -переходом)

Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов

26. Атомные ядра имеют размеры примерно 10-14— 10-15м (линейные размеры атома примерно 10-10 м).

Атомное ядро состоит из элементарных частиц — протонов и нейтронов

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Известные в настоящее время 110 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z=1 до Z=110.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: , где X — символ химического элемента, Z — зарядовое число (число протонов в ядре), А – массовое число (число нуклонов в ядре).

Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т.е. с разными числами нейтронов N = А — Z) называютсяизотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z — изобарами

27. Массу ядер очень точно можно определить с помощью масс-спектрометров — измерительных приборов, разделяющих с помощью электрических и магнитных полей пучки заряженных частиц (обычно ионов) с разными удельными зарядами . Масс-спектрометрические измерения показали, что масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов.

Энергия, которую нужно затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра.

,

где , – соответственно массы протона, нейтрона и ядра.

Часто вместо энергии связи рассматривают удельную энергию связи δЕсв энергию связи, отнесенную к одному нуклону. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, т.е. чем больше δЕсв, тем устойчивее ядро.

28.

В настоящее время под радиоактивностью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений. Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций).

Радиоактивное излучение бывает трех типов: α, β, и γ-излучение. Подробное их исследование позволило выяснить природу и основные свойства.

Закон радиоактивного распада – число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.

,

Где – начальное число нераспавшихся ядер (в момент времена t = 0); N – число нераспавшихся ядер в момент времени t.

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

– для α-распада

– для β-распада,

где — материнское ядро; Y — символ дочернего ядра; — ядро гелия (α -частица); — 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 зарядовых чисел и сохранения массовых чисел: сумма зарядовых чисел (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна зарядовому числу (массовому числу) исходного ядра

29. Реакция деления ядра – заключается в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось и других частиц, делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Замечательной особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления.

Так как для средних ядер число нейтронов примерно равно числу протонов ( — ~ 1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов ( — ~ 1,6), то образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они и выделяют нейтроны деления

Источник: https://studopedia.ru/8_4929_vtoroy-zakon-izlucheniya-vina.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.