Методы регистрации элементарных частиц и радиоактивных излучений

 

Частицы больших энергий, возникающие при радиоактивных превращениях, наблюдаемые в космических лучах и создаваемые на специальных мощных ускорителях, могут воздействовать на фотопластину, ионизировать молекулы, вызывать свечение и т.д. По этим проявлениям можно наблюдать пролетающие частицы, считать их, отличать друг от друга и измерять их энергию. Остановимся на основных методах наблюдения этих частиц:

а) метод сцинтиляций

Самый простой. Он основан на том, что люминесцирующее вещество (сернистый цинк) испускает свет под ударами частиц. Этот свет можно воспринимать глазом, адаптированным в темноте, через лупу или микроскоп (вместо глаза можно использовать фотоэлемент)

б) метод конденсации паров вокруг заряженных частиц (камера Вильсона)

Этот метод позволяет визуально наблюдать и фотографировать следы, оставленные пролетающими частицами (используется в основном для a-частиц). Действие метода основано на том, что ионы в воздухе, насыщенном парами, могут являться центрами конденсации этих паров.

a-частица при движении в воздухе образует около 200000 пар ионов, каждый из которых служит центром конденсации паров. В камере возникает след частицы в виде траектории, состоящей из капелек (“нить тумана”).

 

Энергия связи

 

Для того чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер. Ядерные силы заметно проявляются, как показали опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц, лишь на расстояниях порядка размеров ядра (10^–12–10^–13 см). На больших расстояниях проявляется действие сравнительно медленно убывающих кулоновских сил.

На основании опытных данных можно заключить, что протоны и нейтроны в ядре ведут себя одинаково в отношении сильного взаимодействия, то есть ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.

Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра. Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов.

 

Элементарные частицы

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно 2,2·10^–6 с, нейтрального π-мезона – 0,87·10^–16 с. Многие массивные частицы – гипероны имеют среднее время жизни порядка 10^–10 с.

Существует несколько десятков частиц со временем жизни, превосходящим 10^–17 с. По масштабам микромира это значительное время. Такие частицы называют относительно стабильными. Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена жизни порядка 10^–22–10^–23 с.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (то есть исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, то есть обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

 

Вопросы для самоконтроля:

1) Что называют потоком излучения, энергетической светимостью, спектральной плотностью энергетической светимости, коэффициентом поглощения,

3) Что такое спектральный анализ? О чем гласят постулаты Бора?

4) Какие из элементарных частиц можно считать стабильными?

5) В чем сущность гипотезы о квантовой природе света?

6) Как объясняется световое давление по электромагнитной и квантовой теориям?

7) Что такое фотолюминесценция? Что называют радиоактивностью?

8) Какие из известных вам законов сохранения выполняются при радиоактивных превращениях?

9) Что называют периодом полураспада радиоактивного вещества? Что он характеризует?

10) Благодаря чему оказалось возможным существование цепной ядерной реакции деления?

11) Что называют энергетическим выводом ядерной реакции? В каких случаях реакция идет с поглощением энергии, а в каких – с выделением?

Список литературы

Основная

1. Матвеев, А.Н. Механика и теория относительности. Учебное пособие / А.Н. Матвеев. –С.-Петербург: Издательство «Лань», 2009 г.

 

Дополнительная

1. Основы физики и биофизики / А.И. Журавлев и др. М.: Мир. 2005. – 384 с.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Теоретическая механика: Учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования / С.В. Болотин, [и др.] – М.: Издательский центр «Академия», 2010г.- 432 с..

2. Грабовский, Р.И. Курс физики. 6-е изд. / Р.И. Грабовский.– СПБ.: Издательство «Лань», 2007.- 608 с.

3. Едунов, В.В. Механика: учебное пособие для студентов ВУЗов / В.В. Едунов, А.В. Едунов – М. Издательский центр «Академия», 2010 г. – 352 с.

4. Матвеев, А.Н. Механика и теория относительности. Учебное пособие / А.Н. Матвеев. – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2009г.

5. Основы физики и биофизики / А.И. Журавлев [и др.]. – М.: Мир. 2005. – 384с.

6. Павлов, В.Е. Теоретическая механика: учебное пособие для студентов ВУЗов / В.Е. Павлов, Ф.Д. Дороник. – М.: Издательский центр «Академия», 2009 г. – 320 с.

7. Паршанов, А.Н. Введение в квантовую физику: Учебное пособие / А.Н. Паршанов. – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2010г. – 352 с.

8. Пронин, В.П. Краткий курс физики / В.П. Пронин. – Саратов: СГАУ, 2007 г. –200 с.

9. Пронин, В.П. Практикум по физике: уч. пособия / В.П. Пронин. – Саратов: СГАУ, 2007 г. – 200 с.

10. Рогачев, Н.М. Курс физики. Учебное пособие / Н.М. Рогачев. – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2010 г.- 448 с.

11. Телесин, Р.В. Молекулярная физика: Учебное пособие 3-е издание / Р.В. Телесин. – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2009 г.- 368 с.

12. Чернов, И.П. Термодинамика. Учебное пособие / И.П. Чернов, В.В. Ларионов, Ю.И. Порин. – М.: «Высш. школа». – 2007 г. – 405 с.

15. http://www.effects.ru/index.html Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов «Эффективная физика»

16. http://www.lumex.ru/files/kniga_capel_08-repaging.pdf

18. Электронная библиотека СГАУ - http://library.sgau.ru;

19. НЕБ - http://elibrary.ru;

20. http://ru.wikipedia.org/wiki/

Содержание

Введение …………………………………………………………………...……..………..……..3

Лекция 1. Основы кинематики движения материальной точки………….………….4

1.1. Связь физики с другими науками…………………………………..……….…..4

1.2.Международная Система единиц (СИ) (SystemInternational– SI)…………….….4

1.3 Элементы теории ошибок……………………………………………………………4

1.4Кинематика материальной точки…………………………………………...……….5

1.5.Перемещение, траектория, скорость, ускорение…………………….…………….8

1.6 Инерциальные и неинерциальные системы отсчета…………………………..…..8

1.7 Поступательное, колебательное, вращательное движения……………………..…8

Вопросы для самоконтроля………………………………………………..…….……..9

Список литературы………………………...…………………….………….…….……9

Лекция 2. Элементы движения. Основные законы………………………………...…10

2.1 Основные законы динамики………………………………………………………..10

2.2 Закон сохранения импульса………………………………………………………...10

2.3 Закон движения центра масс…………………………………………………...…..10

2.4 Закон сохранения энергии………………………………………………….………11

2.5 Импульс силы импульс тела………………………………………………..………11

2.6 Работа, мощность, энергия………………………………………………..………..11

Вопросы для самоконтроля……………………………...……………………………..12

Список литературы………………………...……………………………………………12

Лекция 3. Динамика вращательного и колебательного движений………..………..13

3.1 Момент силы и момент инерции………………………………………………13

3.2 Математический и физический маятники…………………………………………13

3.3 Энергия при вращательном и колебательном движениях………………….……14

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………….…....14

Список литературы………………………...……………………………………………14

Лекция 4. Волновые процессы…………………………………………………….……..15

4.1 Волна…………………………………………………………………………………15

4.2 Уравнение волны. Фронт волны. Принцип Гюйгенса-Френеля…………………15

4.3 Сложение гармонических колебаний………………………………………...……15

4.4.Сложение взаимно перпендикулярных колебаний………………………….…...16

4.5 Сложение двух одинаково направленных колебаний одинаковой амплитуды

с мало отличающимися частотами……………………………………………………16

4.6 Сложение сонаправленных гармонических колебаний одинаковой частоты…17

4.7 Сложение встречных волн одинаковой частоты и амплитуды…………………17

4.8 Звук и его восприятие………………………………………………………………17

Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………….18

Список литературы………………………...……………………………………………18

Лекция 5.Статистический и термодинамический методы исследования ……….....19

5.1 Статистический метод ………………………………………………………….…..19

5.2 Термодинамический метод…………………………………………………………19

5.3 Уравнения неразрывности и Бернулли…………………………………………….19

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………...……..20

Список литературы………………………...……………………………………………20

Лекция 6. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов……………...…… 21

6.1Основы молекулярно-кинетической теории строения вещества…………………21

6.2 Основные газовые законы………………………………………………………….22

6.3 Уравнение Клапейрона-Менделеева……………………………………………….23

6.4. Реальный газ. Уравнение Ван-дер-Ваальса……………………………………….23

6.5 Сжижение газов………………………………………………………………………23

Вопросы для самоконтроля………………………………………………...……………23

Список литературы………………………...…………………………………………… 23

Лекция 7.Свойства жидкости………………………………………………………..…..25

7.1 Поверхностное натяжение…………………………………………………………25

7.2 Внутреннее трение (вязкость)……………………………………………………...25

7.3 Теплота и температура……………………………………………….……………..26

7.4 Внутренняя энергия газа……………………………………………………………27

7.5 Теплоемкость………………………………………………………………..……....27

7.6 Явления переноса…………………………………………………………………...28

7.7 Особенности строения жидкостей и твердых тел………………………………..28

7.8 Изменение агрегатного состояния………………………………………………...29

Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………….29

Список литературы………………………...……………………………………………29

Лекция 8 Основы термодинамики………………………………………………………31

8.1 Первое начала термодинамики…………………………………………………….31

8.2 Второе начало термодинамики…………………………………………………….31

8.3 Тепловая машина. К. п. д. тепловой машины…………………………………..…32

8.4 Понятие об энтропии…………………………………………………………….…32

Вопросы для самоконтроля……………………………………………...……………..33

Список литературы………………………...……………………………………………33

Лекция 9 Электрические явления……………………………………………………….34

9.1 Электрический заряд………………………………………………………………..34

9.2 Диэлектрическая проницаемость среды………………………………………..…34

9.3 Напряженность и потенциал электрического поля……………………………....35

9.4 Связь между напряженностью и потенциалом……………………………………35

9.5 Поток вектора………………………………………………………………………..36

9.6 Теорема Остроградского-Гаусса…………………………………………………...36

9.7 Проводники и диэлектрики в электрическом поле……………………………….36

9.8 Электрическая емкость……………………………………………………………..38

Вопросы для самоконтроля………………………………………………………...…..38

Список литературы………………………...……………………………………………38

Лекция 10 Постоянный электрический ток в проводниках………………………....39

10.1 Сила тока и плотность тока……………………………………………………….39

10.2 Закон Ома для участка цепи……………………………………………………....39

10.3 Сопротивление и удельная проводимости……………………………………….39

10.4 Зависимость сопротивления от температуры…………………………………....40

10.5 Э. д. с. Закон Ома полной цепи…………………………………………………..40

10.6 Работа и мощность постоянного тока………………………………………..…..41

10.7 Электрический ток в жидкостях…………………………………………….……41

10.8 Электрический ток в вакууме…………………………………………………….42

10.9 Электролиз и его применение. Законы Фарадея……………………………..…42

Вопросы для самоконтроля………………………………………………………..…...42

Список литературы………………………...……………………………………………42

Лекция 11Термоэлектронные явления…………………………………………...………43

11.1 Контактная разность потенциалов. Термоэлектричество……………………….43

11.2.Законы Вольта……………………………………………………………………...43

11.3 Электрический ток в полупроводниках………………………………………….45

Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………….45

Список литературы………………………...……………………………………………45

Лекция 12 Магнетизм. Электромагнетизм…………………………………………….. 46

12.1 Постоянное магнитное поле. Рамка с током. Направление магнитного поля…46

12.2 Макротоки и микротоки……………………………………………………….…..47

12.2 Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов…………………………..47

12.3 Закон Био-Савара-Лапласа…………………………………………………….….47

12.4 Магнитное поле прямого тока…………………………………………………….47

12.5 Магнитный момент контура с током. Магнитная индукция.

Напряжённость магнитного поля…………………………………………………………..48

12.6 Вектор магнитной индукции……………………………………………………….…48

12.7 Подобие векторных характеристик электростатического

и магнитного полей…..……………………………………………………………………….49

12.8 Циркуляция вектора напряжённости магнитного поля. Поле соленоида

и тороида……………………………………………………………………………………..49

12.9 Принцип действия электрогенераторов и электродвигателей ………………………50

12.10 Вращение рамки в магнитном поле…………………………………………….….…51

12.11 Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в однородных электрическом

и магнитном полях……………...……………………………………………………………51

12.12. Движение частиц в магнитных и электромагнитных полях……………………….52

Вопросы для самоконтроля…………………………………………………………............52

Список литературы………………………...…………………………………………………52

Лекция 13 Электромагнитные явления……………………………………………...……….53

13.1 Электромагнитная индукция………………………………………..…………............53

13.2 Закон Фарадея…………………………………………………………..……..………..53

13.3 Вихревые токи (токи Фуко)…………………………………………………………….53

13.4 Самоиндукция………………………………………………………………..………….54

13.5 Индуктивность контура………………………………………………………………....55

13.6 Трансформаторы………………………………………………………………...………55

13.7 Энергия магнитного поля……………………………………………………………….55

13.8. Электрический ток и его получение…………………………………………………...55

13.9. Переменный ток. Принципы получения переменного тока………………………….56

Вопросы для самоконтроля……………………………………………………...…………..58

Список литературы………………………...…………………………………………………58

Лекция 14 Электрические колебания и волны……………………………………………...59

14.1 Законы Ома и их обобщение……………………………………………………..........59

14.2. Резонанс…………………………………………………………………………………60

14.3. Основы электромагнитной теории Максвелла……………………………………….60

14.4 Свойства уравнений Максвелла………………………………………………………..61

14.5 Роль уравнений Максвелла и границы их применимости……………………………62

14.6 Резонанс напряжений………………………………………………………..…………..62

14.7. Резонанс токов…………………………………………………………………………..62

14.8. Колебательные процессы в электрическом контуре……………………………..…..63

14.9. Электромагнитные волны и их свойства……………………………………………...64

14.10 Электромагнитные волны, их шкала и классификация……………………………..65

Вопросы для самоконтроля………………………………………...………………………...66

Список литературы………………………...…………………………………………………66

Лекция 15 Геометрическая оптика…………………………………………………………....67

15.1 Природа света…………………………………………………………………………...67

15.2 Основные законы геометрической оптики………………………………………….…67

15.3 Физическое объяснение явления……………………………………………………….68

15.4 Линзы…………………………………………………………………………………….68

15.5 Принцип Гюйгенса – Френеля…………………………………………………………69

15.6 Глаз как оптическая система. Аккомодация…………………………………………..70

15.7. Основные фотометрические характеристики, световые величины

в фотометрии……………………………………………………………………………….....70

15.8. Поглощение света………………………..……………………………………………..71

Вопросы для самоконтроля…………………………………………...……………………..71

Список литературы………………………...…………………………………………………71

Лекция 16 Волновая оптика…………………….……………………………………………...72

16.1 Интерференция света…………………………………………………….……………...72

16.2 Дифракция света. Принцип Гюйгенса – Френеля………………………………......73

16.3 Экспериментальное обнаружение волн де Бройля………………………….……...76

16.4. Поляризация света……………………………………………………………..……..76

Вопросы для самоконтроля………………………………………………………….…….77

Список литературы………………………...…………………………………………….…77

Лекция 17 Атомная, ядерная и квантовая физика……...……………………………..….78

17.1 Виды оптических излучений. Квантовый характер излучения. ……………….….78

17.2 Спектры. Спектральный анализ………………………………………………….…..79

17.3 Люминесценция твердых тел. Фотолюминесценция. Правило Стокса…………....80

17.4 Фотоэффект. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом,

в результате которого энергия излучения передается электронам вещества…………..80

17.5 Естественная радиоактивность………………………………………………..........…81

17.6 Состав и строение атомных ядер………………………………………………..........82

17.7. Методы регистрации элементарных частиц и радиоактивных излучений………..82

17.8. Энергия связи…………………………………………………..……………………….83

17.9 Элементарные частицы………………………………………………………..………..83

Вопросы для самоконтроля…………………………………………………...……………..84

Список литературы………………………...…………………………………..….……….…84

Библиографический список…………………………………………………..………..............85

Содержание……………………………………………………………………………………….86

 

Разработчик: доцент Иванова З.И. _____________

(подпись)

 

 

Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры «Инженерная физика, электрооборудование и электротехнологии»

«30» июня 2016 года (протокол №11).