ПРОЧИТАТЬ ОБЯЗАТЕЛЬНО И ОЧЕНЬ ВНИМАТЕЛЬНО
Порядок работы:
1. Внимательно читаете теоретическую часть урока, просматриваете видеофрагменты, иллюстрации которые помогут вам лучше понять новую тему.
2. Делаете конспект в рабочую тетрадь в который записываете термины, определения, формулы.
3. Отвечаете на "запитання для уроку" устно. Если они требуют письменного ответа, то даёте его в рабочую тетрадь.
4. После задач вы можете увидеть надпись (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі), которая даёт возможность просмотреть решение задачи кликнув на ее номер.
5. При выполнении д/з обязательно работаете с учебником, и выполняете в рабочей тетради задачи, фото которых отправляете мне на электронную почту.
6. После некоторых тем есть тестовые задания которые обязательны к выполнению. Контрольные работы тоже обязательны для выполнения.
7. ПІСЛЯ ТЕСТІВ ТА ЗАВДАНЬ КОНТРОЛЬНИХ ТА САМОСТІЙНИХ РОБІТ ВИ МОЖЕТЕ ПОБАЧИТИ НАПИС "Заполните форму для ответа", ПЕРЕЙШОВШИ ЗА ЯКИМ ВИ МОЖЕТЕ ВПИСАТИ ВАРІАНТИ ВІДПОВІДЕЙ ТА ВІДРАЗУ ПОБАЧИТИ КІЛЬКІСТЬ НАБРАНИХ БАЛІВ. Фото тестов присылать не нужно.
8. ВАЖНО При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный.
9. Семестровое оценивание будет выставлятся на основе выполненных работ указанных выше.
10. Отсутсвие вышеперечисленного будет караться неаттестацией.
РОЗВ’ЯЗКИ ДОМАШНІХ ЗАДАЧ, ПИСЬМОВИХ РОБІТ НАДСИЛАТИ НА ЕЛЕКТРОННУ СКРИНЬКУ MUHACHOV15081976@GMAIL.COM
ВАЖНО При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный
Тема Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду
28.04.2020
Радіоактивність. Спостереження за різними ізотопами показали, що в природі існують стабільні і нестабільні ядра хімічних елементів. Ця їх якість зумовлена значенням енергії зв’язку ядер та співвідношенням у них кількості протонів і нейтронів. Наприклад, серед ізотопів легких елементів стабільними є ті, в яких кількість протонів і нейтронів приблизно однакова.
Якщо в ядрі переважатимуть протони, то на його стабільність впливатиме також енергія кулонівської взаємодії.
Ядра важких елементів як правило нестабільні, оскільки у них значно переважають нейтрони, а їх надлишок веде до збільшення енергії ядра, яку воно намагається вивільнити. Тому ядра окремих ізотопів можуть самочинно перетворюватися в інші хімічні елементи завдяки випромінюванню мікрочатинок або шляхом поділу на більш стійкі утворення.
Радіоактивність - це здатність ядер деяких хімічних елементів довільно перетворюватися на ядра інших елементів з випромінюванням мікрочастинок.
Радіоактивність буває природною, яка спостерігається за звичайних умов, і штучною, коли радіоактивні перетворення відбуваються внаслідок зовнішнього втручання, наприклад, бомбардування ядер стабільних ізотопів протонами, нейтронами, іншими частинками або ядрами хімічних елементів.
Уран, Торій, Радій і низка інших елементів мають природну радіоактивність.
Радіоактивність відкрив у 1896 р. Антуан Анрі Беккерель. Сталося це випадково. Вчений працював із солями урану і загорнув свої зразки разом із фотопластинами в непрозорий матеріал. Фотопластини виявилися засвіченими, хоча доступу світла до них не було. Беккерель зробив висновок про невидиме оку випромінювання солей урану. Він дослідив це випромінювання і встановив, що інтенсивність випромінювання визначається тільки кількістю урану в препараті і абсолютно не залежить від того, в які сполуки він входить. Тобто, ця властивість характерна не сполукам, а хімічному елементу урану. На відміну від рентгенівських променів, випромінювання Беккереля було не результатом збудження від зовнішнього джерела енергії, наприклад від світла, а внутрішньою властивістю самого урану.
Знайчний внесок у вивченні радіоактивності зробили подружжя М. Склодовська-Кюрі та П. Кюрі.
Види радіоактивного випромінювання. У 1899 р. Ернест Резерфорд досліджував проходження променів, відкритих Беккерелем, крізь сильне магнітне поле. На малюнку зображено схему одного з таких дослідів.
У свинцевому контейнері (1) з невеликим отвором розміщували радіоактивну речовину (2). Пучок радіоактивного випромінювання, що виходив з отвору, спочатку потрапляв у сильне магнітне поле постійного магніту (3), а потім на фотопластинку (4), розміщену напроти отвору.
Після проявлення фотопластинки на ній було чітко видно три темні плями. Це означає, що у магнітному полі радіоактивне випромінювання розділилося на три складові. Їх було названо 
(альфа)-випромінювання, 
(бета)-випромінювання та 
(гама)-випромінювання.
Альфа-розпад - це пертворення нестійкого ізотопу в інший хімічний елемент, що супроводжується випромінюванням альфа-частинки.
Бета-розпад - це перетворення нейтрона в протони або протона в нейтрон в ядрі, яке супроводжується утворенням нового хімічного елемента.
У більшості людей слово “радіація” асоціюється з небезпекою. І це, безумовно, правильно. Радіоактивне випромінювання не фіксується органами чуття людини, проте відомо, що воно може призвести до згубних наслідків. Від впливу радіації можна захиститися, побудувавши на шляху випромінювання перешкоду.
Простіше за все захиститися від - і - випромінювань. Хоча - і - частинки летять із величезною швидкістю, їх потік легко зупиняє навіть тонка перешкода. Як показали експерименти, достатньо тонкого аркуша паперу (0,1 мм) щоб зупинити -частинки; - випромінювання повністю поглинається алюмінієвою пластинкою завтовшки 1 мм.
Найбільш важко захиститися від -випромінювання - воно проникає крізь доволі товсті шари матеріалів. В окремих випадках для захисту від -випромінювання необхідні бетонні стіни завтовшки кілька метрів.
Встановлено, що радіоактивні перетворення ядер підкоряються так званим правилам зміщення, які вперше сформулював англійський вчений Фредерік Содді (1877-1956):
Позначення елементарних частинок, що беруть участь у ядерних перетвореннях:
- альфа-частинка -
;
- електрон -
;
- позитрон -
;
- протон -
;
- нейтрон -
;
- електромагнітне випромінювання (світло, рентгенівські промені,
- нейтрино -
.
Закон радіоактивного розпаду. Досліджуючи перетворення радіоактивних речовин, учені встановили, що інтенсивність випромінювання одних речовин зменшується з часом швидко, а інших - набагато повільніше. Для кожної радіоактивної речовини є певний час, протягом якого кількість її атомів зменшується вдвічі. Цей інтервал називають періодом піврозпаду Т.
Період піврозпаду - це проміжок часу, за який вихідне число радіоактивних ядер у середньому зменшується вдвічі (Т).
Закон радіоактивного розпаду: 
.
Період піврозпаду характеризує активність радіонукліда: 
. Величина 
- називається сталою розпаду радіонукліда; 
- часом життя.
Активність радіонукліда А в СІ вимірюється в беккерелях (Бк). 1 Бк рівний активності радіонукліда, в якого за 1 с відбувається 1 розпад. На практиці користуються також одиницею активності, яка називається кюрі (Кі): 1Кі=
Бк.
- Запитання до уроку.
Запитання 54.1. Дайте визначення радіоактивності. Якою буває радіоактивність?
Запитання 54.2. Що собою являє 
випромінювання?
Запитання 54.3. Що собою являє 
ропад?
Запитання 54.4. Назвіть правила зміщення Содді.
Запитання 54.5. Що таке період піврозпаду?
Запитання 54.6. Сформулюйте закон радіоактивного розпаду.
Запитання 54.7. Поясніть дослід Резерфорда.
Запитання 54.8. Яка проникна здатність радіоактивного випромінювання?
Запитання 54.9. Чи можна передбачити момент розпаду радіоактивного ядра? Чому?
- Домашнє завдання.
Підручник: §72-75.
Письмова відповідь: запитання 54.9.
- Перевір себе.
Тестові завдання:Тема Радіоактивність.
Закон радіоактивного розпаду
Запитання.1.Т. Укажіть вид електромагнітного випромінювання, яке має найбільшу частоту.
А. видиме світло
Б. радіохвилі
В. інфрачервоне випромінювання
Г. рентгенівське випромінювання
Запитання 2.Т. Установіть відповідність між видом випромінювання та його характеристикою.
Запитання 3.Т. Установіть відповідність між прізвищами видатних учених та їхнім науковим доробком.
Розв'язування задач
на закон радіоактивного розпаду
30.04.2020
04.05.2020
- Вчимося розв’язувати задачі.
Задача 55.1. Який ізотоп утвориться з радіоактивного ізотопу Літію 
після одного -розпаду та одного -розпаду? Запишіть рівняння реакції.
Задача 55.2. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) У результаті серії послідовних розпадів атом Урану 
перетворився на стабільний атом Плюмбуму 
. Визначте кількість 
розпадів і 
розпадів.
Задача 55.3. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Активність радіоактивного елемента зменшилася в 4 рази за 8 діб. Визначте період піврозпаду елемента.
Задача 55.4. Період піврозпаду Цезію-137 дорівнює 30 років. Визначте, скільки відсотків атомів цього ізотопу розпадеться за 180 років? В: 98,4%)
Задача 55.5. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Визначте, яка частина від початкової кількості радіоактивних атомів розпадеться за час, що дорівнює двом періодам піврозпаду.
Задача 55.6. Було 8 кг радіоактивного цезію. Визначте масу цезію, який не розпався після 135 років радіоактивного розпаду, якщо період його піврозпаду дорівнює 27 рокам. (В:0,25 кг)
Задача 55.7. (Перейдіть за посиланням для перегляду розв’язку задачі) Джерело радіоактивного випромінювання містить 800 мг ізотопу Барію 56133Ba, період піврозпаду якого дорівнює 10,5 року. Визначте проміжок часу, через який маса ізотопу Барію, що не розпався, складатиме 200 мг. Відповідь запишіть у роках.
16)
- Домашнє завдання.
Підручник: §§ 72-75 - повторити.
Задача 55.9. Ядро торію 
унаслідок низки і розпадів перетворилося на ядро Плюмбуму . Визначте кількість розпадів і розпадів, що відбулися.
Задача 55.10. Обчисліть період піврозпаду радіоактивного ізотопу, якщо за 6 год в середньому розпадається 3750 атомів з 5000 атомів.
Лабораторна робота №8. Моделювання радіоактивного розпаду
05.05.2020
МОДЕЛЮВАННЯ РАДІОАКТИВНОГО РОЗПАДУ.
Мета роботи: перевірити математичну залежність, що описує закон радіоактивного розпаду і побудувати графік розпаду.
Теоретичні відомості.
Методи реєстрації йонізуючого випромінювання.
07.05.2020
Радіоекологічний контроль. Дозиметри.
Радіоекологічний контроль. Вивчення складної радіаційної ситуації на Україні потребує проведення досліджень з метою організації системи радіоекологічного (дозиметричного) контролю з використанням приладів, доступних для широкого кола користувачів. Завдання радіоекологічного контролю полягає у кількісній і якісній оцінці параметрів радіаційної ситуації, зумовленої наявністю природних і техногенних джерел радіації та в розробці оптимального способу господарювання за таких умов.
Системою сучасного радіоекологічного контролю передбачається доступність і простота вимірювання рівня гамма-фону, ступеня радіаційної чистоти та рівня індивідуальних доз зовнішнього опромінення за допомогою різноманітних дозиметричних приладів (дозиметрів, радіометрів). Вони повинні бути призначені як для наукових радіоекологічних досліджень, так і для широкого використання населенням та відзначатися портативністю, простотою в експлуатації і низькою вартістю.
Дозиметр - прилад для вимірювання потужності дози йонізуючого випромінювання, отриманого приладом, а також тим, хто ним користується, за деякий проміжок часу.
Сьогодні на Україні випускається понад двадцять дозиметричних приладів різного функціонального призначення. Однакнайбільше використовуються дозиметри-радіометри, що відповідають вимогам щодо радіоекологічного контролю:
- дозиметр ДГР-01Т призначений для вимірювання потужності експозиційної дози рентгенівського і гамма-випромінювання;
- дозиметр «Бета» дає змогу вимірювати густину потоку бета-випромінювання і питому активність речовини;
- дозиметр «Прип'ять» застосовується для вимірювання щільності експозиційної дози гамма-випромінювання, густини потоку і питомої активності бета-випромінювання.
Рис. Типова блок-схема дозиметра
Маса побутових дозиметрів коливається від декількох десятків грамів до 400 г,а розмір дозволяє покласти їх у кишеню. Деякі сучасні моделі можна носити на зап’ясті, як годинник.
Для вимірювання потужності випромінювання і отриманої дози існує багато різних одиниць. Рентген - прийнята в 1928 році. В ренгенах вимірюють експозиційну дозу йонізуючого випромінювання. Зіверт - використовується з 1979 року. 100 Р = 1 Зв, якщо розглядати біологічну дію рентгенівського випромінювання.
Якщо радіаційний фон перевищує 0,4 мкЗв/год - потрібно шукати причину перебільшення. Якщо радіаційний фон перебільшує 1,2 мкЗв/год - перебувати в даному місці небезпечно.
Лічильник Гейгера-Мюллера. Основною частиною дозиметра є детектор. Детектором (чутливим елементом дозиметра або радіометра, що слугує для перетворення явищ, викликаних іонізуючими випромінюваннями в електричний або іншій сигнал, легко доступний для вимірювання) може бути іонізаційна камера, лічильник Гейгера, сцинтилятор, напівпровідниковий діод та і ін. В йонізаційних дозиметрах детектором служить лічильник Гейгера-Мюллера, дія якого грунтується на властивості радіоактивного випромінюваня значно збільшувати провідність газів.
Датчик лічильника Гейгера-Мюллера являє собою скляний циліндр, який зазвичай заповнюють розрідженим газом. Стінки циліндра вкриті металевою плівкою, що є катодом. усередині циліндра натягнуто металевий дріт (анод). Між дротом і стінками циліндра створюють сильне електричне поле.
Рис. Принципова схема лічильника Гейгера-Мюллера
Коли радіоактивне випромінювання потрапляє всередину циліндра, відбувається йонізація атомів газу. Вільні електрони та йони, що виникають внаслідок йонізації, розганяються електричним полем і після ударів об нейтральні атоми розбивають їх на електрони та йони. У результаті в об’ємі циліндра кількість електронів та йонів лавиноподібно зростає. під дією електричного поля електрони спрямовуються до дроту - через коло проходить імпульс струму, який підсилюється й передається на приймач. Якщо приймачем є, наприклад, динамік, то з приладу лунає характерне клацання: чим сильніше радіоактивне випромінювання, тим частіше клацання. Зазвичай приймачем слугує цифровий вимірювальний пристрій. У такому випадку на дисплеї дозиметра з’являється числове значення дози йонізуючого випромінювання.
Для допитливих.
Радіоекологічний контроль в Україні. Початок спостережень за радіоактивним забрудненням довкілля відноситься до 1954 року, коли на території України були відкриті перші 16 пунктів по відбору проб атмосферних випадів. Організація систематичних спостережень за радіоактивним забрудненням навколишнього середовища саме у ті часи була обумовлена необхідністю оцінки наслідків використання ядерної енергії у різних сферах діяльності людини, найбільш значущими з яких на ті часи було проведення випробувань ядерних пристроїв у атмосфері, що проводились Радянським Союзом та США, та розповсюдження продуктів ядерних вибухів у планетарному масштабі. <<Читати детальніше>>
Лабораторна робота №9. Дослідження треків заряджених частинок за фотографіями
12.05.2020
Інструкція до вивчення теми уроку
1. Перейти за посиланням та ознайомитися з ходом лабораторної роботи. https://www.youtube.com/watch?v=mG3nE2zDVBA
2. Проаналізувавши відео, заповніть таблицю та запишіть висновок .
3. Дайте відповіді на запитання.
Контрольні питання
1. Яке призначення камери Вільсона?
2. Що називають треком зарядженої частинки?
3. Опишіть механізм утворення трека зарядженої частинки в камері Вільсона.
4. Сформулюйте правило, за яким можна визначити напрямок сили, що діє на заряджену частинку, яка рухається у магнітному полі?
5. Що називають питомим зарядом частинки? Яка його одиниця вимірювання?
6. По якій траєкторії рухатиметься заряджена частинка, що влітає в однорідне магнітне поле, вектор індукції якого перпендикулярний до вектора швидкості руху частинки?
Ланцюгова реакція поділу ядер урану. Термоядерні реакції.
14.05.2020
Ядерні перетворення.
Ядерна реакція - це процес взаємодії атомного ядра з іншим ядром чи елементарною частинкою, що супроводжується зміною складу і структури ядра та виділенням вторинних частинок чи -випромінювання.
Ядерні реакції відбуваються тоді, коли внаслідок зіткнень частинки впритул (на відстань близько
|
Мал. Перетворення Урану-238 на Плутоній-239
|
Ядерні реакції записують подібно до хімічних реакцій: зліва записують частинки і ядра, що вступають у взаємодію, а справа - продукти реакції, ядра і електромагнітне випромінювання.
Позначення елементарних частинок, що беруть участь у ядерних реакціях:
| |
|
|
|
|
|
|
Якщо реакція відбувається під дією позитивно зарядженої частинки, треба, щоб вона мала кінетичну енергію, достатню для подолання дії сил електричного відштовхування. Таку енергію надають протонам, -частинкам та іншим важчим ядрам за допомогою прискорювачів елементарних частинок та йонів.
Першу штучно викликану ядерну реакцію спостерігав у 1919 році Ернест Резерфорд, опромінюючи альфа-частинками азот. Реакція відбувалася за схемою:
.
Для здійнення ядерних реакцій прискорені частинки ефективніші, ніж -частинки, що їх випромінюють природні радіоактивні елементи. По-перше, їм можна надати значно більшої енергії; по-друге, можна використати протони, які в процесі радіоактивного розпаду не з’являються (це доцільно, тому що їхній заряд удвічі менший від заряду альфа-частинок, внаслідок чого сила, що діє на протони з боку ядер, теж удвічі менша). По-третє, можна прискорювати ядра важчі, ніж ядра гелію.
Перше перетворення атомних ядер за допомогою протонів великої енергії, добутих на прискорювачі, здійснено і 1932 р., коли вдалося розчепити Літій на дві альфа-частинки:
.
Проте найбільш цікавими для практичного використання стали реакції, що протікали при взаємодії ядер з нетронами. Оскільки нейтрони не мають заряду, тому вони без перешкод проникають в атомні ядра і спричиняють їх перетворення. Великий італійський фізик Енріко Фермі, який першим почав вивчати реакції, спричинювані нейтронами, виявив, що ядерні перетворення зумовлюються навіть повільними нейтронами. Причому повільні нейтрони здебільшого навіть ефективніші, ніж швидкі. Тому швидкі нейтрони доцільно спочатку сповільнювати. Сповільнюються нейтрони до теплових швидкостей за допомогою речовин-сповільнювачів, одним з яких може бути і звичайна вода. Цей ефект пояснюється тим, що у воді є багато ядер водню - протонів, маса яких майже дорівнює масі нейтронів. А під час зіткнення куль однакової маси найбільш інтенсивно передається кінетична енергія. Під час центрального зіткнення нейтрона з протоном, що перебуває в стані спокою, він повністю передає протону свою кінетичну енергію, тобто сповільнюється до швидкостей теплового руху.
Подібно до хімічних реакцій деякі ядерні реакції перебігають з виділенням енергії, а деякі - з поглинанням (відповідно екзотермічні і ендотермічні реакції). Одиницею енергії є 1 Дж, але це завелика одиниця для запису значень енергії, характерних для елементарних ядерних процесів. Для цього застосовують
.
Поділ атомних ядер - це особливий вид ядерних реакцій, коли ядро важкого елемента ділиться на дві частини, одночасно випромінюючи два-три нейтрони, -випромінювання і значну кількість енергії.
Поділ ядер Урану відкрили в 1938 р. німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрассман. Але правильне тлумачення цього факту, саме як поділу ядра Урану, що захопило нейтрон, у 1939 р. дали фізики - англієць О. Фріш і австрійка Л. Мейтнер.
Ланцюгові ядерні реакції.
Ланцюгові ядерні реакції - це ядерні реакції, під час яких частинки, що їх спричинюють, утворюються як продукти цих реакцій.
Мал. Ланцюгова ядерна реакція.
|
Мал. Ланцюгова реакція поділу ядер атомів Урану.
|
Ланцюгові ядерні реакції починаються з процесу потрапляння окремого вільного нейтрона в ядро атома урану-235. Ядро розпадається на два менших і вивільняє декілька нейтронів, які рухаються з великою швидкістю. Далі вони повинні бути вповільнені для того, щоб викликати розщеплення інших ядер.
Ядерний реактор.
Термоядерні реакції.
Термоядерні реакції - це реакції синтезу (злиття) легких ядер при дуже високій температурі.
Термоядерні реакції відіграють вирішальну роль в еволюції Всесвіту. Енергія випромінювання Сонця та інших зір - термоядерного походження.
- Вчимося розв’язувати задачі.
Задача 53. 1. Внаслідок ядерної реакції між ядрами гелію 
і тритію 
утворилося ядро гелію та ще одна частинка. Яка саме частинка утворилася?
Задача 53.2. Протонами опромінюють алюмінієву мішень. При цьому вилітають -частинки. У ядра атомів якого елемента перетворюються ядра атомів Алюмінію? Напишіть рівняння реакції.
- Запитання до уроку.
Запитання 53.1. Що таке ядерна реакція?
Запитання 53.2. Які реакції називають ланцюговими?
Запитання 53.3. У чому полягає суть термоядерних реакцій?
Запитання 53.4. На яких ізотопах здійснена ланцюгова ядерна реакція?
- Домашнє завдання.
Задача 53.4. Якою частинкою треба “обстріляти” ядро атома Літію 
, щоб отримати ядро атома Берилію 
та нейтрон? Напишіть рівняння реакції.
- Перевір себе.
Тестові завдання: Ланцюгова реакція поділу ядер урану. Термоядерні реакції.
Запитання .1.Т. У результаті якого процесу виділяється енергія в надрах Сонця?
А. Ядерної реакції.
Б. Гравітаційного стиснення.
В. Термоядерної реакції.
Г. Горіння водню..
Запитання .2.Т. Термоядерні реакції …
А. є реакціями поділу важких ядер
Б. є реакціями синтезу між легкими ядрами
В. завжди йдуть з поглинанням енергії
Г. відбуваються тільки в штучно створених установках
Запитання 3.Т. Деякі радіоактивні ізотопи можуть зазнавати як -, так і - розпаду. Які частинки випромінюються при цьому?
А. протони та електрони.
Б. нейтрони та електрони.
В. електрони та ядра Гелію.
Г. нейтрони та протони.
Запитання 4.Т. Період піврозпаду радіоактивної речовини - це…
А. половина кількості ядер, що розпадається за одиницю часу.
Б. відношення активності елемента в даний момент часу до активності його через півроку.
В. час, за який активність елемента зменшується удвічі.
Г. час, за який активність елемента збільшується вдвічі.
Запитання 5.Т. Як зміниться маса ядра атома після двох послідовних альфа-розпадів.
А. зменшиться на 4 а.о.м.
Б. зменшиться на 8 а.о.м.
В. збільшиться на 4 а.о.м.
Г. збільшиться на 8 а.о.м.
Запитання 6.Т. Визначте, на скільки змінюється електричний заряд ядра внаслідок α-розпаду (e — елементарний електричний заряд).
А. збільшується на 4e
Б. збільшується на 2e
В. зменшується на 2e
Г. зменшується на 4e
- Для допитливих.
Розширюємо кругозір. Природні ядерні реактори. У відкритому кар’єрі для дослідження покладів урану в Окло, у Габоні, знайдено більше дюжини зон, де колись відбувалися ядерні реакції.
Скрізь: і в земній корі, і на Місяці, і навіть у метеоритах атоми урану-235 становлять 0,720 % загальної кількості урану. Але в зразках з родовища Окло в Габоні вміст урану-235 становив всього 0,717 %. Цієї крихітної невідповідності було достатньо, щоб насторожити французьких учених.
Фахівці французької Комісії з атомної енергії були спантеличені. Відповіддю стала стаття 19-літньої давнини, у якій Джордж Ветрилл з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі й Марко Інгрем із Чиказького університету висловили припущення про існування в давньому минулому природних ядерних реакторів. Незабаром Пол Курода, хімік з Університету Арканзасу, визначив “необхідні й достатні” умови для того, щоб у тілі уранового родовища спонтанно виник процес самопідтримуючого поділу.
Згідно з його розрахунками, розмір родовища повинен перевищувати середню довжину пробігу нейтронів, що викликають поділ (близько ⅔ метра). Тоді нейтрони, випущені одним ядром, що розчепилося, будуть поглинені іншим ядром до того, як вони покинуть уранову жилу.
Мал. Уранова копальня поруч Окло.
|
Мал. Функціонуючий ядерний реактор Окло.
|
Бачите на знімку велику купу світлих скель? Ці скелі фактично являють собою функціонуючий ядерний реактор, і цьому реактору приблизно два мільярди років. Що являє собою ядерний реактор? Це область, де висока концентрація ядерного матеріалу, урану 235. Коли концентрація урану 235 стає рівною або перевищує 3 відсотки, при достатній кількості урану, стає можливим виникнення ланцюгової ядерної реакції розщеплення.
У сучасному світі для отримання ядерного палива уранові руди піддають процедурі збагачення, видаляючи з них порожні породи і домагаючись підвищення концентрації урану 235. Хіба таке неможливо і в природі? Виявляється, в районі одного з африканських уранових рудників більше двох мільярдів років тому сформувалася область, у якій концентрація урану 235 виявилася достатньою для виникнення ланцюгової ядерної реакції. Завдяки втручанню ґрунтових вод, які спрацювали як природний сповільнювач нейтронів, ядерна реакція протікала вкрай повільно і запасів урану вистачило на дуже тривалий термін.
Вік однієї з шістнадцяти таких областей, ядерних реакторів природного походження, які були виявлені у надрах уранового рудника, на думку вчених, становить близько двох мільярдів років. А вік "наймолодшого ядерного реактора" становить приблизно кілька сотень тисяч років. Визначення віку цих областей вчені провели, ґрунтуючись на аналізі матеріалу, в якому була виявлена висока концентрація окису урану і ксенону, які є побічними елементами ядерної реакції.
Звичайно, 100 кіловат – це невелика кількість енергії, цього ледь вистачить на забезпечення енергією мешканців одного під’їзду п’ятиповерхового будинку. Але, погодьтеся, для купи скель це зовсім непогано.
Природні реактори були знайдені не тільки в серці Африки - у Габоні, в Окло й сусідніх уранових шахтах в Окелобондо, а також на ділянці Бангомбе.
Коли 1,8 млрд. років тому сформувалися уранові поклади в Окло, природний вміст урану-235 становив близько 3%, подібно до палива для ядерних реакторів. Коли приблизно 4,6 млрд. років тому сформувалася Земля, співвідношення перевищувало 20%, тобто рівень, за якого уран вважається “збройовим”. Сьогодні навіть велике родовище не може стати ядерним реактором, тому що містить менше 1% урану-235.
Американський дослідник, професор Джон Бранденбург з компанії Orbital Technologies Corp озвучив теорію про те, що кілька сотень мільйонів років тому на Марсі сталася масштабна ядерна катастрофа - вибух природного ядерного реактора, що засипав половину планети радіоактивним пилом і уламками.
Однак інші вчені висловлюють сумніви в достовірності цієї гіпотези.
За словами Бранденбурга, на Марсі присутні обидва компоненти природної АЕС - підземна вода і запаси урану. "Існують свідчення, що великий ядерний реактор сформувався і діяв у західній півкулі Марса. Мабуть, реактор виробляв уран-233 з торію, і, судячи з усього, зруйнувався в результаті вибуху, викинувши значну кількість радіоактивних речовин на поверхню Марса", - йдеться в доповіді Бранденбурга на планетологічній конференції в США.
За оцінками вченого, на Марсі близько мільярда років тому на глибині близько кілометра існувало рудне тіло, яке складалося з концентрованого урану, торію і калію. Через те, що на Марсі, на відміну від Землі, відсутній тектонічний рух плит, рудне тіло залишалося цілісним, і в ньому підтримувалася ядерна реакція з виділенням тепла. Цей процес почався приблизно мільярд років тому, коли частка урану-235 в родовищі становила 3%, і міг бути запущений проникненням у рудне тіло підземної води.
Через кілька сотень мільйонів років реактор почав виробляти ядерне паливо у формі урану-233 і плутонію-239 швидше, ніж спалювати його. Сильний потік нейтронів також призвів до утворення великої кількості радіоактивних ізотопів калію.
У якийсь момент реактор перейшов у критичний режим - вода википіла, що призвело до зростання потоку нейтронів і запуску мимовільної ланцюгової реакції за участю урану-233 і плутонію-239.
Через великі розміри самого рудного тіла та його положення на глибині близько 1 кілометра, реакція тривала без вибухового руйнування до досить високих ступенів вигорання.
"Вивільнення енергії було катастрофічним і призвело до викиду хмари пилу й попелу, як від потужного удару астероїда. Це призвело до випадання радіоактивного пилу та уламків на значній частині поверхні планети, і цей шар був збагачений ураном і торієм. Через вибух сформувалася западина шириною приблизно 400 кілометрів", - говориться в доповіді.
Згідно з розрахунками Бранденбурга, енергія вибуху була еквівалентна енергії від падіння на поверхню 30-кілометрового астероїда. Однак на відміну від астероїдного удару, вогнище вибуху було ближчим до поверхні, і западина, утворена ним, була значно меншою за глибиною, ніж ударні кратери.
Склад слідів торію та радіоактивних ізотопів калію вказує, що ядерна катастрофа сталася кілька сотень мільйонів років тому, всередині або наприкінці Амазонійської епохи. На цю катастрофу вказує також присутність газів, що виникають у результаті ядерних реакцій - аргону-40 і ксенону-129 - в атмосфері планети.
"Існування такого великого природного ядерного реактора може пояснити деякі загадкові особливості в марсіанських даних, такі, як підвищений вміст калію і торію на поверхні і великий набір радіогенних ізотопів в атмосфері", - зазначає вчений.
Інші дослідники висловлюють сумніви в реальності описаної Бранденбургом катастрофи.
Так, доктор Девід Біті з Лабораторії реактивного руху зазначає, що нинішні геологічні умови як на Марсі, так і на Землі існують вже тисячоліття і відчували мало різких змін.
На думку вченого з Ліверморської національної лабораторії Ларса Борга, особливості, на які вказує Бранденбург, можуть бути пов'язані зі звичайними геологічними процесами, а не з ядерною реакцією.
"Ми вивчаємо марсіанські метеорити вже 15 років і в деталях знаємо їхній ізотопний склад. Однак немає нікого, хто думав би про можливості природного ядерного вибуху на Марсі", - говорить Борг.
Тема Елементарні частинки. Космічне випромінювання
18.05.2020
Елементарні частинки. Здавна вчені намагалися знайти найменші «цеглинки» матерії, які б допомогли зрозуміти ієрархічну структуру будови речовини. Спочатку, у давніх греків, це були атоми як неподільні частинки, з яких складаються, всі тіла (Демокрит, Епікур). На початку XIX ст. це поняття було конкретизоване в дослідженнях хіміків і набуло значення найдрібнішої частинки речовини, що визначає її хімічні властивості (Я. Берцеліус, Дж. Дальтон, А. Авогадро).
Наприкінці XIX ст., після відкриття електрона (Дж. Томсон) і ґрунтовного дослідження явища радіоактивності (А. Беккерель, П’єр і Марія Кюрі), вчені засумнівалися в елементарності атома і припустили, що він має складну будову. На початку XX ст. Е.Резерфорд підтвердив це експериментально і запропонував ядерну модель атома, згідно з якою ядро — теж складне утворення. У 1919 р. він відкрив нуклон, що має позитивний заряд, незваний протоном. Інша частинка — нейтрон, яка входить до окладу ядра і не має електричного заряду, була відкрита у 1932 р. Дж. Чедвіком.
Для пояснення обмінного характеру сильної взаємодії нуклонів у ядрі X. Юкава у 1935 р. висловив гіпотезу про існування пі-мезонів, які були виявлені в космічних променях у 1947 р. (С. Пауел). Раніше, у 1932 р. у складі космічних променів була виявлена перша античастинка — позитрон (К. Андерсон). Загалом дослідження космічних променів у 40—50-х роках XX ст., які виявили багато нових мікрочастинок, змусили вчених інакше поглянути на проблему їх елементарності. За сучасними уявленнями це не просто первинні неподільні частинки, що входять до складу матеріального світу, а специфічні об'єкти, яким, окрім іншого, властивий особливий вид фундаментальної взаємодії — так звана слабка взаємодія.
За інтенсивністю слабка взаємодія в багато разів менша за сильну і навіть електромагнітну взаємодії (приблизно в 1014 разів). Проте вона значно більша за гравітаційну взаємодію, оскільки маси елементарних частинок надто малі і радіус їхньої взаємодії становить лише 10-18 м.
Усі елементарні частинки характеризуються малими розмірами (у більшості з них порядку 10-15 м) і незначними масами. Це зумовлює квантову специфіку їхньої поведінки — вони підлягають квантовим закономірностям і властивостям утворюватися (випромінюватися) або зникати (поглинатися) внаслідок взаємодії.
Загальними характеристиками елементарних частинок є їхня маса 
, електричний заряд 
, спін 
і час життя 
. Окремі з них характеризуються також особливими величинами — лептонним зарядом, баріонним зарядом тощо. Як правило, всі вони визначаються у відносних одиницях, кратних певним значенням, наприклад, масі чи електричному заряду електрона, сталій Планка тощо.
Масу елементарних частинок виражають числом, кратним масі електрона; електричний заряд — в одиницях, кратних заряду електрона е; спін — кратний значенню сталої Планка h.
Отже, кожна елементарна частинка має набір дискретних квантових чисел, що визначають її специфічні властивості, за якими їх можна класифікувати.
Залежно від властивого їм типу взаємодій усі елементарні частинки, крім фотона, поділяються на дві основні групи: адрони, які беруть участь в усіх типах взаємодій — гравітаційній, електромагнітній, сильній і слабкій, та лептони, яким не властива сильна взаємодія.
Щохвилини через людину проходить 1 000 000 000 000 000 елементарних частинок - нейтрино. Проте це не шкодить здоров'ю людини. Нейтрино можуть проникати через будь-які предмети, не взаємодіючи з ними.
За часом життя елементарні частинки поділяють на стабільні (фотон, електрон, протон, нейтрино, відносно стабільний нейтрон), квазістабільні ( >10-20 с), які розпадаються внаслідок електромагнітної чи слабкої взаємодії, і нестабільні ( < 10-22 с), які розпадаються внаслідок сильної взаємодії.
У фізиці існують й інші класифікації елементарних частинок. Зокрема, їх можна поділити на частинки й античастинки (електрон— позитрон, нейтрино—антинейтрино); за значенням спінового квантового числа, яке може бути цілим або напівцілим, адрони поділяють на бозони і баріони. Бозони з нульовим спіном називають мезонами. Цю класифікацію можна продовжити на основі значень різних квантових чисел.
Назви кварків походять від анг лійських слів: up — угору, down - униз, strange — дивний, charm - зачарування, beauty — привабливість, краса, truth — істина.
Дослідження елементарних частинок високих енергій (~ 10 ГеВ) за допомогою прискорювачів показало, що лептони не мають якоїсь структури, тобто справді є елементарними частинками. Водночас адрони виявили властивості, які вказують на те, що вони мають певну структуру і складаються з кількох «елементарніших» частинок. У 1964 р. американські вчені М. Гелл-Манн і Дж. Цвейг незалежно один від одного запропонували кваркову модель адронів. Вони вважали, що всі адрони можна будувати, комбінуючи три кварки (для баріонів) або кварк та антикварк (для мезонів). Цим трьом кваркам були присвоєні імена: u, d, s.
Згодом з'ясувалося, що побудувати все розмаїття елементарних частинок за допомогою трьох кварків не вдається, тому їх набір доповнили ще трьома — с, Ь, і t. Сукупність із шести кварків та їхніх анти-кварків дає змогу розкрити складну структуру всіх відомих на сьогодні адронів.
Отже, дослідження елементарних частинок і пояснення механізмів їх перетворення за допомогою слабкої взаємодії створило цілісне уявлення сучасної фізичної картини світу на основі чотирьох фундаментальних взаємодій. Водночас теоретичні пошуки їх об'єднання в єдину фізичну теорію (так зване «велике об'єднання»), спроможну дати цілісне трактування законів фізичного світу, поки не мали успіху, хоча окремі здобутки в цьому вже є. Так, в останні роки створена єдина теорія електромагнітної і слабкої (електрослабкої) взаємодії. Квантовий опис гравітаційної взаємодії на основі гіпотетичних частинок — гравітонів наближає вчених до цілісного розуміння картини світу як єдиної фізичної суті природи.
Космічне випромінювання. Вивчення будови атомів, атомних ядер, процесів у космічному випромінюванні, реакцій на швидких заряджених частинках, які дістають у прискорювачах, дало змогу встановити існування великої кількості частинок, які названо елементарними. До них належать електрони і позитрони, протони і антипротони, нейтрони і антинейтрони, нейтрино і антинейтрино, мезони, гіперони, фотони та ін. Деякі з цих частинок стабільні, тобто самочинно не розпадаються, не перетворюються в інші частинки, тоді як більшість елементарних частинок через певний проміжок часу перетворюється в інші. Назва «елементарні частинки» в буквальному розумінні слова означає найпростіші частинки, які не можна розкласти на складові частини. Насправді це не так.
Поки що можемо дуже мало сказати про будову елементарних частинок, але інтенсивні дослідження в цьому напрямі проводяться в багатьох лабораторіях світу. Добре вивчено явища перетворення одних елементарних частинок в інші і встановлено закономірності цих перетворень. Тому всі частинки, які називають «елементарними», насправді не є елементарними, так само як і атомні ядра, атоми й молекули.
Часто фізику елементарних частинок називають фізикою високих енергій, оскільки для проведення більшості експериментів у цій сфері потрібні частинки високих енергій. Так, якщо при вивченні ядерних реакцій було достатньо енергій бомбардувальних частинок порядку енергії зв’язку нуклонів у ядрі, то для дослідів, пов’язаних з народженням піонів, необхідні протони, прискорені до енергій 300 МеВ, а для експериментів, пов’язаних із народженням протон-антипротонних пар, потрібні частинки з енергією 6 ГеВ.
До застосування потужних прискорювачів заряджених частинок єдиним джерелом частинок з енергією, достатньою для утворення мезонів і гіперонів, було космічне випромінювання.
Космічне випромінювання — потік атомних ядер (в основному протонів), що попадає на Землю із світового простору і утворює в земній атмосфері вторинне випромінювання, в якому виявлено багато елементарних частинок. Відкриття космічного випромінювання пов’язане з проведенням на початку XX ст. дослідів, які вказували на існування слабкої йонізації повітря, що спричиняла розряд електроскопів, екранованих товстим шаром речовини. Дослідження причин цього ефекту привели до відкриття випромінювання неземного походження, яке пізніше назвали космічним. Середня енергія космічних частинок становила близько 10 ГеВ, а енергія окремих частинок досягала 1010 ГеВ. Потік первинного космічного випромінювання на межі атмосфери в період мінімуму сонячної активності становить 7 ∙ 102...104 частинок на квадратний метр за секунду і збільшується в кілька разів із наближенням до максимуму активності. Потік заряджених частинок на рівні моря дорівнює в середньому 1,7 ∙ 102 частинок на квадратний метр за секунду і мало змінюється із сонячною активністю.
Вчені вважають, що головним джерелом космічного випромінювання є так звані пульсари, яких у нашій Галактиці нараховується близько 10 мільйонів. Характерну перевагу важких елементів у складі первинного космічного випромінювання, очевидно, можна пояснити переважним прискоренням важких ядер (Z > 20) у джерелах космічного випромінювання. Поява легких елементів у складі космічного випромінювання спричинена розщепленням важких ядер при взаємодії з ядрами міжзіркового газу.
У 1958 р. під час перших польотів штучних супутників Землі і космічних ракет було виявлено навколоземні радіаційні пояси. Вони становлять дві просторово розділені зони навколо Землі з різко підвищеною концентрацією iонізуючого випромінювання. Існування поясів радіації зумовлене захопленням і утриманням заряджених космічних частинок магнітним полем Землі. Тому утворення поясів радіації має бути характерним для всіх небесних тіл, які мають магнітне поле. При дослідженні космічного випромінювання було зроблено багато принципово важливих відкриттів. Так, 1932 р. К. Андерсон відкрив у космічному випромінюванні позитрон, а 1937 р. К. Андерсон і С. Неддермейєр відкрили μ-мезони і визначили тип їхнього розпаду. В 1947 р. С. Пауелл відкрив μ-мезони. У 1955 р. в космічному випромінюванні було виявлено K-мезони, а також важкі нейтральні частинки з масою, що перевищує масу протона, — гіперони. Дослідження космічного випромінювання привело до необхідності введення квантової характеристики, названої дивністю.
Докладно вивчати властивості частинок, особливості їхньої взаємодії і перетворення можна лише на прискорювачах. Прискорювачі використовуються для різних досліджень, але головне їхнє призначення — дослідження фундаментальних властивостей речовини, елементарних частинок. Для цього проектувались і будувались все крупніші прискорювачі заряджених частинок. Вже на перших прискорювачах, споруджених для вивчення нуклонів, дістали важливі результати. В багатьох зіткненнях при високих енергіях виникали нові частинки, часто у великих кількостях, але, що найважливіше, зовсім не обов’язково менші або легші, ніж початкові. Більше того, виникали одні й ті самі частинки для різних партнерів по зіткненню. Це не вписувалось у межі простих звичних уявлень про структуру частинок. Експеримент показує, що всі вторинні частинки не «вибиваються» з первинних, а «народжуються», строго дотримуючись релятивістських законів збереження енергії й імпульсу в акті розсіяння.
Успіхи фізики елементарних частинок зумовлені, поряд з високим рівнем техніки наукового експерименту, розвитком новітніх фізичних теорій, які привели до багатьох відкриттів у фізиці ядра і елементарних частинок. Так, при поясненні суцільного спектра β-розпаду В. Паулі передбачив існування нейтрино. П. Дірак, виходячи з виведеного ним релятивістського рівняння, передбачив існування позитрона (античастинки). X. Юкава передбачив існування піонів, була також висловлена гіпотеза про існування анти-сигмагіперона та ін.
Багато теоретичних висновків підтверджено експериментально. Нині здійснюється експериментальний пошук кварків, передбачених теорією елементарних частинок.
У 1952 р. в Брукхейвені (США) введено в дію перший синхрофазотрон, на якому можна одержувати протони набагато більшої енергії (до 3 ГеВ), ніж давали прискорювачі, що існували до цього часу. Енергія в 3 ГеВ — це вже енергія первинного космічного випромінювання. Тому брукхейвенський синхрофазотрон дістав назву космотрона. З появою прискорювачів космічне випромінювання втратило своє виняткове значення при вивченні елементарних частинок. Проте воно залишається єдиним джерелом частинок надвисоких енергій.
Нині відомо близько 400 елементарних частинок, головна особливість яких полягає у їхній здатності до взаємоперетворення.
Характерною особливістю елементарних частинок є те, що вони існують у вигляді частинок і античастинок. Це виражається, зокрема, в тому, що поряд з позитивно зарядженими частинками певного виду існують негативно заряджені частинки такого самого виду. Для нейтральних частинок відмінність полягає в протилежній орієнтації механічних і магнітних моментів. У цьому фундаментальному факті яскраво проявляє себе основний закон матеріалістичної діалектики, який розглядає рухому матерію як єдність протилежностей, між якими постійно точиться боротьба, що є основою саморуху матерії. Елементарні частинки характеризуються основними фізичними властивостями, які визначають їхні характерні особливості. Всі елементарні частинки мають ту чи іншу масу, енергію, момент кількості руху, спін. Деякі частинки мають магнітний момент, електричний, баріонний, лептонний заряди тощо. Всі перетворення елементарних частинок строго підлягають законам збереження цих величин. Щоб описати процеси, пов’язані з перетворенням елементарних частинок, потрібно враховувати співвідношення між масою й енергією.
Термін «елементарна» швидше належить до рівня наших знань, оскільки на кожному етапі розвитку науки елементарними називають частинки, будову яких не знають і які розглядають як точкові.
Експерименти на прискорювачах елементарних частинок поки не дали доказів існування яких-небудь субчастинок. Можна припустити, що досягнута на прискорювачах енергія не перевищує енергії зв’язку субчастинок усередині елементарної частинки, і тому їх не можна виділити. Внаслідок цього після кожної нової серії експериментів субчастинкам вимушені приписувати все більшу масу. Отже, теоретичні міркування обмежують масу можливих субчастинок, а експеримент потребує збільшення її. Якщо відносно атомів і молекул справедливе твердження, що молекула «складається» з атомів, а атом — з ядра і електронів, то було б неадекватним уявлення, що ядро «складається» з протонів і нейтронів у тому розумінні, в якому молекула «складається» з атомів. Якісна специфіка будови мікрочастинок ще сильніше проявляється для елементарних частинок у сучасній фізиці.
Методи спостереження і реєстрації заряджених частинок.
- Перша група реєструвальних приладів (детекторів) ґрунтується на здатності заряджених частинок і γ-квантів, які проходять через газ, йонізувати його.
Йонізаційна камера. Найпростіша йонізаційна камера має вигляд замкненої посудини, заповненої газом при певному тиску, всередині якої між електродами створюється електричне поле. Принцип дії йонізаційної камери розглянемо на прикладі лічильника Гейгера-Мюллера.
Схему її електричного кола зображено нижче (А, К — електроди iонізаційної камери).
До електродів лічильника прикладають напругу 0,8...3 кВ. Лічильник заповнюють найчастіше сумішшю аргону з повітрям або зі спиртовою парою при тиску 0,01 МПа. Проходження зарядженої частинки через лічильник супроводжується йонізацією атомів газу, що заповнює камеру лічильника. Під дією електричного поля електрони набувають такої енергії, що під час зіткнень йонізу- ють нові атоми газу. Кількість йонів зростає лавиноподібно, в газі лічильника відбувається електричний розряд, а в його колі з’являється імпульс струму. Поблизу анода лічильника утворюється велика кількість позитивних йонів, які мають малу рухливість і створюють просторовий позитивний заряд, що оточує нитку анода. Дія цього заряду зменшує напруженість електричного поля між електродами лічильника, внаслідок чого розряд припиняється. Через деякий проміжок часу, коли позитивні йони просторового заряду досягнуть катода, напруга на лічильнику знову досягає початкового значення і в ньому знову може відбутися розряд при проходженні нової зарядженої частинки.
Мінімальну кількість частинок, що їх здатний зареєструвати лічильник за одиницю часу, називають роздільною здатністю лічильника. Вона визначається тривалістю фізичних процесів, що виникають у лічильнику, коли в нього потрапляє заряджена частинка. Для різних лічильників роздільна здатність має значення від 103 до 1010частинок за секунду.
Кількість відліків, яку може зробити лічильник за одиницю часу (роздільна здатність), залежить також від прикладеної до електродів лічильника напруги. Цю залежність показано на рис. 17.3. За допомогою одного лічильника Гейгера — Мюллера можна лише зареєструвати факт проходження частинки через лічильник. Для спостереження за рухом якої-небудь частинки, для встановлення напряму її руху звичайно використовують систему лічильників, розташованих послідовно один за одним і з’єднаних за спеціальною радіотехнічною схемою «збігіву або «антизбігів». При проходженні швидкої зарядженої частинки через два або більше лічильників, з’єднаних за схемою «збігів», лічильники спрацьовують, і частинки реєструються. Це дає змогу реєструвати частинку, що летить лише в певному напрямі.
Напівпровідникові (кристалічні) лічильники. До iонізаційних лічильників належать також напівпровідникові лічильники, які часто називають кристалічними. Принцип роботи напівпровідникового лічильника такий самий, як і iонізаційного. У кристалічному лічильнику частинка, що пролітає, породжує електрони провідності й «дірки». Із відповідного напівпровідникового матеріалу — сульфіду кадмію (СdS) або сульфіду цинку (ZnS), алмазу, хлориду аргентуму (АgСl) — виготовляють пластинку невеликих розмірів, яку підключають до спеціальної радіотехнічної схеми. На цю пластинку спрямовують потік досліджуваних частинок, кількість яких треба підрахувати.
Простота пристрою та експлуатації, малі розміри, висока чутливість і швидке зростання імпульсу струму є характерними позитивними властивостями кристалічних лічильників.
Відео. Лічильник Гейгера-Мюллера (Час показу 9:54 хв)
- Друга група приладів (фотоемульсійні пластинки, кристалічні лічильники) використовує здатність зарядженої частинки iонізувати кристали броміду аргентуму, що містяться у фотоемульсії, або iонізувати кристали напівпровідника і, отже, різко змінювати його електропровідність.
Метод тосвстошарових фотоемульсій. Останнім часом все більш широкого застосування в ядерних дослідженнях набуває фотоемульсійний метод, який має переваги порівняно з методом лічильників і камер.
Суть цього методу полягає в тому, що спеціально виготовлена фотоемульсія здатна реєструвати шлях зарядженої частинки. Чим більша йонізуюча дія частинки, що пролітає, тобто чим більші втрати її енергії на йонізацію, тим більше виникає чорних зернин на її шляху і тим густішим буде слід частинки. За виглядом сліду частинки (за його густиною, за наявністю звивистості) можна встановити напрям руху частинки, оцінити її енергію, зафіксувати місце виникнення частинки, зробити висновок про її вид тощо.
- Третя група приладів (сцинтиляційні та черенківські лічильники) використовує флюоресценцію, яка збуджується зарядженою частинкою, або світіння Черенкова при проходженні частинки крізь речовину.
Сцинтиляційні лічильники. Сцинтиляційні лічильники — це прилади, що складаються з речовини (люмінофора, фосфору), яка люмінесціює під дією iонізуючих частинок, фотоелектронного помножувача та відлікового пристрою.
Першим із таких реєстраторів частинок був спінтарископ. Він складався з екрана, поверхня якого була вкрита сульфідом цинку, джерела радіоактивного випромінювання і мікроскопа. Зіткнення частинок з екраном викликали спалахи (сцинтиляції), які реєструвались візуально. Проте точність такого методу не могла задовольнити зростаючих вимог експерименту. В 1947—1949 рр. було започатковано успішну реєстрацію сцинтиляцій за допомогою фотоелектронного помножувача (ФЕП). Сьогодні сцинтилятор у поєднанні з ФЕП та відліковим пристроєм є незамінним приладом в експериментальній ядерній фізиці. Позитивною властивістю сцинтиляційних лічильників є виключно короткий час та висока ефективність лічби, яка на кілька порядків перевищує ефективність іонізаційних лічильників.
- До четвертої групи приладів належать трекові прилади для реєстрування заряджених частинок — камера Вільсона, дифузійна та бульбашкова камери.
У цих приладах іони є центрами конденсації пересиченої пари і центрами, на яких утворюється пара в перегрітій рідині. При русі зарядженої частинки в такому середовищі на її шляху утворюється слід (трек) з найдрібніших краплинок рідини («туманна смуга»), а у випадку перегрітої рідини залишається трек у вигляді ланцюжка бульбашок пари. Треки можна спостерігати візуально або фотографувати.
Трекові прилади дають широку інформацію про окремі ядерні процеси, і ця інформація вирізняється певною наочністю. За допомогою трекових приладів у поєднанні з магнітним полем можна досить просто визначити імпульс та енергію частинок.
Камера Вільсона. Історично першим трековим приладом, за допомогою якого безпосередньо спостерігали сліди окремих заряджених частинок та ядерні перетворення, була камера Вільсона, створена англійським фізиком Ч. Вільсоном (1912 р.).
Принцип дії камери Вільсона ґрунтується на здатності iонів бути центрами конденсації краплинок у пересиченій парі. Камера Вільсона має вигляд герметично замкненого об’єму V (робочий об’єм), заповненого якимось газом, що не конденсується (повітря, водень, гелій, аргон, азот), і насичений парами деяких рідин, найчастіше парою суміші рідин (вода і спирт). У сучасних камерах, розрахованих для дослідження космічного випромінювання, робочий об’єм вимірюється сотнями і тисячами літрів. Для створення пересиченої пари в робочому об’ємі одна зі стінок робиться рухомою (у вигляді поршня або еластичної діафрагми).
При дослідженні космічного випромінювання використовують камеру Вільсона, керовану лічильниками. Перед камерою та за нею ставлять лічильники, з’єднані за схемою збігів. При проходженні частинки через лічильники ці лічильники спрацьовують, і камера фіксує частинку, що пролетіла.
Для визначення знака електричного заряду, імпульсу і енергії частинки камеру Вільсона вміщують у магнітне поле. Вперше такий метод застосував при дослідженнях α-частинок та космічного випромінювання Д. В. Скобельцин (1927 р.).
- Відео. Шкільна камера Вільсона (Час показу 0:52 хв)
- Відео. Камера Вільсона (Час показу 2:07 хв)
- Відео. Уран в камері Вільсона (Час показу 5:22 хв)
Дифузійна камера. Дифузійна камера — прилад, призначений для спостереження треків iонізуючих частинок, який вперше запропонував А. Лангдорф (1939 р.). Дифузійна камера — це видозмінена конструкція камери Вільсона, але на відміну від якої дифузійна камера весь час перебуває в робочому стані. В основі її роботи лежить також явище конденсації краплинок з пересиченої пари на iонах уздовж траєкторії частинки, що пролітає. В камері Вільсона пересичений стан пари досягається на короткий час, і лише в цей проміжок часу вона може реєструвати заряджену частинку, що пролітає через неї. Цей недолік усунуто в дифузійній камері, де пересичення пари створюється за рахунок постійно існуючого перепаду температури між дном та кришкою камери. Дифузійна камера є приладом безперервної дії: коли б не потрапила заряджена частинка до робочого об’єму камери, вона завжди залишить свій слід.
Бульбашкова камера. Істотним недоліком камери Вільсона та дифузійної камери є мала гальмівна здатність робочих речовин, які використовуються в них. У 1952 р. Д. Глезер (США) побудував прилад, що дістав назву бульбашкової камери. Рідина, якою заповнюють камеру, перебуває під підвищеним тиском, що запобігає її закипанню. При різкому зниженні тиску до нормального рідина виявляється перегрітою. Якщо в цей час через камеру пролетить заряджена частинка, то на утворених на її шляху йонах починається бурхливе пароутворення, а слід частинки стає видимим.
Для реєстрації проходження нових заряджених частинок камера має бути підготовленою до наступного робочого циклу. Тривалість робочого циклу бульбашкової камери становить 4... 10 с. Відношення корисного (чутливого) часу до загальної тривалості циклу у випадку бульбашкової камери менше, ніж для дифузійної, але більше, ніж для камери Вільсона. Внаслідок великої густини речовини слід частинки в більшості випадків потрапляє в поле зору.
У 1960 р. Д. Глезеру було присуджено Нобелівську премію за створення бульбашкової камери.
- Вчимося розв’язувати задачі.
Задача 57.1. Усередині камери Вільсона, що перебуває в однорідному магнітному полі, розмістили стрічку з фольги. Частинка рухається перпендикулярно до ліній магнітного поля. Радіус трека частинки після проходження крізь фольгу зменшився у 2 рази. Визначте, яку частину кінетичної енергії втратила частинка під час проходження крізь фольгу. Відповідь запишіть десятковим дробом.
- Запитання до уроку.
Запитання 57.1. Як у фізиці розвивалися уявлення про ієрархічну структуру речовини в пошуку її елементарних найдрібніших частинок?
Запитання 57.2. Який тип фундаментальних взаємодій характерний для елементарних частинок? Дайте його коротку характеристику.
Запитання 57.3. Набір яких величин визначає властивості елементарних частинок?
Запитання 57.4. На які дві основні групи поділяють елементарні частинки? Які ще класифікації елементарних частинок можуть бути?
Запитання 57.5. У чому полягає суть кваркової моделі елементарних частинок?
Запитання 57.6. Які методи слугують для виявлення та реєстрації елементарних частинок?
- Домашнє завдання.
Підручник: параграф 76.
Готуємось до ТО №5: “Атомна та ядерна фізика”.
- Для допитливих.
Чи знаєте Ви, що... Щохвилини через людину проходить 1 000 000 000 000 000 елементарних частинок - нейтрино. Проте це не шкодить здоров'ю людини. Нейтрино можуть проникати через будь-які предмети, не взаємодіючи з ними.
Узагальнення і систематизація знань.Підготовка до контрольної роботи
19.05.2020
- Вчимося розв’язувати задачі.
Задача 80.1. Атом Гідрогену при переході зі стаціонарного стану з енергією -0,85 еВ у стан з енергією -3,38 еВ випромінив фотон. Визначте частоту цього фотона.
Задача 80.2. Визначити номер стаціонарного стану атома Гідрогену, якщо енергія атома у цьому стані дорівнює -0,136 еВ.
Задача 52.1. Визначте кількість нуклонів у ядрах ізотопів таких елементів: 
; 
; 
; 
.
Задача 52.2. Визначте кількість протонів у ядрах таких елементів: 
; .
Задача 52.3. Заряд ядра атома дорівнює 
Кл. Який це елемент?
Задача 53.4. Знайти питому енергію зв’язку для ізотопу гідрогену
.
Задача 55.1. Який ізотоп утвориться з радіоактивного ізотопу Літію після одного -розпаду та одного -розпаду? Запишіть рівняння реакції.
Задача 55.2. У результаті серії послідовних розпадів атом Урану перетворився на стабільний атом Плюмбуму . Визначте кількість розпадів і розпадів.
Домашнє завдання. Підготуватися до контрольної роботи
Тематичне оцінювання. Атомна і ядерна фізика.
21.05.2020
Контрольна робота з теми «Атомна та ядерна фізика»
ВАЖНО При выполнении тестов, самостоятельных и контрольных работ в форму заносить только цифру в единицах СИ (если не указано другого), без единиц измерения и с точностью указанной в условии задачи, иначе ответ будет засчитан как не правильный.
Розв'язування задач ЗНО.
26.05.2020
Розв'язування задач ЗНО минулих років
СУЧАСНА ФІЗИЧНА КАРТИНА СВІТУ
28.05.2020
Ви завершили вивчення курсу фізики. Вивчений вами матеріал — це результат величезної дослідницької роботи, виконаної впродовж багатьох сторіч ученими всього світу з дослідження різних форм руху матерії, будови і властивостей матеріальних тіл.
У ході вивчення фізики та інших наук ви переконалися в тому, що, незважаючи на всю різноманітність, навколишньому світу властива єдність. І характерна вона, перш за все, тим, що всі явища, якими б складними вони не здавалися, є різними за станами і властивостями рухомої матерії, але всі вони мають матеріальне походження. Єдність світу виявляється також у взаємозв’язку всіх явищ, можливостях взаємних перетворень форм матерії і руху, а разом з тим, в існуванні ряду загальних законів руху матерії (закони збереження енергії, імпульсу, електричного заряду, взаємозв’язку маси і енергії та ін.). Завдання фізики та інших природничих наук полягає в тому, щоб виявити найбільш загальні закони природи і пояснити на їх основі конкретні явища і процеси.
Відображенням єдності світу в пізнанні є синтез наукових знань, отриманих у процесі досліджень природи різними науками. На кожному етапі розвитку науки виникає необхідність об’єднання наукових знань в єдину систему знань про явища природи — у природничо-наукову картину світу. Під природничо-науковою картиною світу розуміють усю сукупність знань про предмети і явища природи, об’єднані основоположними ідеями, що отримали експериментальне підтвердження і зберегли свою об’єктивну цінність у розвитку людської думки.
Фізична картина світу надає частину всієї системи знань про природу, оскільки вона стосується тільки фізичних властивостей матеріальних тіл і фізичних форм руху матерії. Фізична картина світу — сукупність уявлень про природу (матерію, рух, простір і час), заснованих на найбільш загальних принципах, гіпотезах і теоріях на певному етапі її розвитку.
Так, виникнення класичної механіки супроводжувалося створенням механічної, електродинаміки — електромагнітної, а теорії відносності і квантової механіки — квантово-релятивістської картини світу.
У розвитку людського пізнання і практичного освоєння світу завжди виявлялося прагнення сформулювати найбільш загальні закони і принципи, знання яких давало б ключ до пояснення всіх процесів. Розкриття таких законів завжди вважалося найважливішою умовою побудови єдиної наукової картини світу.
Основу єдності світу становить, перш за все, єдність будови матерії. З погляду сучасної фізики, існують дві основні форми матерії — речовина і поле. Речовина має переривчасту (дискретну) будову, а поле — неперервне. За відповідних умов частинки речовини можуть перетворюватися на кванти відповідних полів і, навпаки, кванти полів можуть перетворюватися на частинки речовини.
Усі атоми мають однакову структуру і побудовані з елементарних частинок трьох видів. У них є ядра з протонів і нейтронів, оточених електронами. Взаємодія між ядрами й електронами здійснюється електромагнітним полем, квантами якого є фотони. Взаємодію ж між протонами і нейтронами в ядрі здійснюють в основному л-мезони, які є квантами ядерного поля. При розпаді нейтронів з’являються нейтрино. Крім того, відкрито багато інших елементарних частинок. Але тільки при взаємодії частинок дуже великих енергій вони починають відігравати помітну роль.
У першій половині XX ст. було зроблено фундаментальне відкриття: усі елементарні частинки здатні перетворюватися одна в одну.
Після відкриття елементарних частинок і їх перетворень на перший план єдиної картини світу було поставлено єдність у будові матерії, в основу якої було покладено матеріальність усіх елементарних частинок. Різні елементарні частинки — це різні конкретпі форми існування матерії.
Єдність світу виявляється і в законах руху частинок, і в законах їх взаємодії.
Незважаючи на дивовижну різноманітність взаємодій тіл одного з одним, у природі, за сучасними даними, є лише чотири типи сил: гравітаційні, електромагнітні, ядерні сили і сили слабкої взаємодії. Останні виявляються, головним чином, при розпаді елементарних частинок. З проявом усіх чотирьох типів сил ми зустрічаємося в безмежних просторах Всесвіту, у будь-яких тілах на Землі (у тому числі і в живих організмах), в атомах і атомних ядрах, при всіх перетвореннях елементарних частинок.
Революційна зміна класичних уявлень про фізичну картину світу відбулася після відкриття квантових властивостей матерії. З появою квантової фізики, що описує рух мікрочастинок, почали вимальовуватися нові елементи єдиної фізичної картини світу.
Поділ матерії на речовину, що має переривчасту будову, і неперервне поле втратило абсолютний сенс. Кожному полю відповідають кванти цього поля: електромагнітному полю — фотони, ядерному п-мезони і так далі. У свою чергу, всі частинки мають хвильові властивості. Корпускулярно-хвильовий дуалізм властивий всім формам матерії.
Отже, сучасна фізика акцентує на єдності природи. Проте багато що, можливо, навіть фізичну суть єдності світу, пояснити поки що не вдалося. Невідомо, чому існує так багато різних елементарних частинок, чому вони мають ті або інші значення мас, зарядів й інших характеристик. До цього часу всі ці величини визначаються тільки експериментально. Проте все виразніше вимальовується зв’язок між різними типами взаємодій. Електромагнітні і слабкі взаємодії вже об’єднані в рамках однієї теорії. З’ясована структура більшості елементарних частинок.
«Тут приховані такі глибокі таємниці і такі піднесені думки, що, незважаючи на старання сотень кмітливих мислителів, що трудилися протягом тисяч років, ще не вдалося проникнути в них, і радість творчих пошуків і відкриттів все ще продовжує існувати». Ці слова, сказані Г. Галілеєм близько чотирьох сторіч тому, аніскільки не застаріли.
Фундаментальні закони, що встановлюються у фізиці, за своєю складністю і спільністю набагато випереджають ті факти, з яких починається дослідження будь-яких явищ. Але вони такі ж достовірні і такі ж об’єктивні,
як і знання про прості явища, спостережувані безпосередньо. Ці закони не порушуються ніколи, ні за яких умов.
Матеріальна єдність світу виявляється також в абсолютності і відносності існування матерії, в її нестворюваності і незнищенності, підтверджених усім розвитком природознавства. Про це свідчать конкретні закони збереження і перетворення фізичних величин, що характеризують різні властивості матерії і її руху. Ці окремі закони є конкретними виразами об’єктивних загальних властивостей нестворюваності і незниіцуваності матерії і руху.
Сучасна фізична картина світу є результатом узагальнення найважливіших досягнень усіх природничих наук. Проте, хоч ця картина світу і відрізняється великою узагальненістю і успішно пояснює багато явищ, все ж таки в природі існує невичерпна кількість явищ, які сучасна фізична картина світу пояснити не може. З числа таких утруднень слід, перш за все, вказати на ті, що пов’язані зі створенням єдиної теорії елементарних частинок, єдиної теорії поля, єдиної теорії електромагнітних явищ та інше. Тому не можна вважати сучасну фізичну картину світу скільки-небудь завершеною. Складність світу перевершує і завжди перевершуватиме складність людських уявлень про нього.
Комментариев нет:
Отправить комментарий