Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии 


Тема 1 - Элементы современной физической картины мира




Тема 1 - Элементы современной физической картины мира

Лекция №1

«Становление современной физической картины мира»

Физическая картина мира.

Механическая картина мира.

Электромагнитная картина мира.

Материальный мир.

 

 

Физическая картина мира.

Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой - вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания: старые физические понятия и принципы ломаются, новые возникают, картина мира меняется.

Ключевым в физической картине мира служит понятие "материя", на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Материя- это объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания и отражаемая им. Материя охватывает бесконечное множество реально существующих объектов и систем мира, является субстанциональной основой всевозможных свойств и форм движения; не существует иначе, как только в бесчисленном множестве конкретных форм, различных объектов и систем. Она несотворима и неуничтожаема, вечна во времени и бесконечна в пространстве. Субстанциональность, всеобщность и абсолютность материи характеризуют материальное единство мира. Материю нельзя сводить к определенным ее конкретным формам, например веществу или атомам, так как существуют невещественные виды материи - электромагнитные и гравитационные поля, нейтрино различных типов, обладающие весьма сложной структурой.

Поле– это форма материи, не обладающая массой покоя.

Вещество – это форма материи, обладающая в состоянии относительного покоя массой.

Основные формы существования материи:

1) системы неживой природы (элементарные частицы и поля, атомы, молекулы, макроскопические тела, космические системы различных порядков);

2) биологические системы (вся биосфера - от микроорганизмов до человека);

3) социально организованные системы.

Но материя не сводится только к этим формам, т.к. в бесконечном мире существуют и качественно иные виды материи как объективной реальности, например кварки или другие возможные микрообъекты в структуре элементарных частиц.

Время и пространство – основные формы существования материи. Материализм подчеркивает объективный характер времени и пространства, которые неотделимы от материи, чем проявляется их универсальность и всеобщность. Пространствовыражает порядок расположения одновременно сосуществующих объектов. Времяже - последовательность существования сменяющих друг друга явлений. Время необратимо, так как всякий материальный процесс развивается в одном направлении - от прошлого к будущему.

Взаимодействие- это процесс взаимного влияния тел друг на друга путем переноса материи и движения, универсальная форма изменения состояний тел. Взаимодействие определяет существование и структурную организацию всякой материальной системы, ее свойства, ее объединение наряду с другими телами в систему большего порядка. Без способности к взаимодействию материя не могла бы существовать. Во всякой целостной системе взаимодействие сопровождается взаимным отражением телами свойств друг друга, в результате чего они могут меняться.

Единство и многообразие миразаключается в его материальности, в том, что все предметы и явления в мире представляют собой различные состояния и свойства движущейся материи.

В конце XIX в. и начале ХХ в. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми частицами материи, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце XIX в. были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишённых заряда частиц).



 

Механическая картина мира

 

Смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым - континуальным. Затем, в XX в., континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира.

Одной из первых возникла механистическая картина мира, поскольку изучение природы началось с анализа простейшей формы движения материи - механического перемещения тел.

Механическая картина мира складывается в результате научной революции XVI-XVII вв. на основе работ Галилео Галилея, который установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал механический принцип относительности. Но главная заслуга Галилея в том, что он впервые применил для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и математической обработкой результатов измерений.

Принципиальное отличие нового метода исследования природы от ранее существовавшего натурфилософского способа состояло в том, что в нем гипотезы систематически проверялись опытом. Эксперимент рассматривался как вопрос, обращенный к природе. Чтобы получить на него определенный ответ, необходимо так сформулировать вопрос, чтобы получить на него вполне однозначный и определенный ответ. Для этого следует так построить эксперимент, чтобы по возможности максимально изолироваться от воздействия посторонних факторов, которые мешают наблюдению изучаемого явления в "чистом виде". В свою очередь гипотеза, представляющая собой вопрос к природе, должна допускать эмпирическую проверку выводимых из нее некоторых следствий. В этих целях, начиная с Галилея, стали широко использовать математику для количественной оценки результатов экспериментов.

Таким образом, каждая гипотеза или теоретическое предположение систематически проверяются опытом и измерениями.

Ключевым понятием механистической картины мира было понятие движения. Движение- важнейший атрибут, способ существования материи, и оно включает в себя все происходящие в природе и обществе процессы. В самом общем виде движение - это изменение вообще, всякое взаимодействие материальных объектов и смена их состояний. В мире нет материи без движения так же, как не может быть и движения без материи. Движение материи абсолютно, тогда как всякий покой относителен и представляет собой один из моментов движения.

Именно законы движения Ньютон считал фундаментальными законами мироздания. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инертности является масса, другое важнейшее понятие классической механики. Универсальным свойством тел является тяготение.

Три основных законов механики, которые Ньютон формулирует в своем главном труде "Математические начала натуральной философии", опубликованном в 1687г.

1) Закон инерции, утверждает: всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не нуждается приложенными силами изменить это состояние.

2) Изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

3) Действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

На основе механистической картины мира в XVIII-начале XIX вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механистической картины мира, к тому, что она стала рассматриваться в качестве универсальной.

 

Материальный мир

 

В науке выделяются три уровня строения материи.

1. Микромир- мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10–8 до 10–16 см, а время жизни - от бесконечности до 10–24 с.

Основные структурные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы.

2. Макромир - мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта. Пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

Основные структурные элементы: тела на Земле, Земля и другие планеты, Звёзды, гравитационные и электромагнитные поля.

3. Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

Основные структурные элементы: Галактики, гравитационные и электромагнитные поля.

Своеобразная граница раздела макро- и микромира была установлена в связи с открытием постоянной Планка. Существенным аспектом этой константы явилась «конечность взаимодействия», означавшая, что любые взаимодействия между объектами в микромире (в том числе между прибором и микрочастицей) не могут быть меньше значения кванта действия. Энергия фотона:

W=h*n,

где h – постоянная Планка по современным данным h = 6,626 × 10–34 Дж·с.

n- частота световых колебаний.

Макромир характеризуется типовыми свойствами: тепловыми, электромагнитными и др. В XIX в. было установлено, что механические, тепловые и электромагнитные процессы связаны взаимными переходами для сохранения количественной меры всех этих видов движения - энергии.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны. Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро- и мегамиры. При несомненном качественном различии они связаны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля представляет макромир. Но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира.

Лекция №2

«Модель строения атома и вещества»

Модель строения атома

Модель строения вещества

Модель строения атома

Структура микро- и макромира имеет схожую природу и основана на одних физических явлениях. Эти представления и положены в основу существующей модели строения вещества, микро- и макромира.

Обратимся к опыту. Зарядим металлический шар, прикрепленный к стержню электроскопа.

 

Рисунок 1 – Внешний вид электроскопа

 

Соединим этот шар металлическим проводником держа его за ручку, изготовленную из диэлектрика, с другим точно таким же, но незаряженным шаром, находящимся на втором электроскопе. Половина заряда перейдет с первого шара на второй. Значит, первоначальный заряд разделился на две равные части.

Теперь разъединим шары и коснемся второго шара рукой. От этого он потеряет заряд — разрядится. Присоединим его снова к первому шару, на котором осталась половина первоначального заряда. Оставшийся заряд снова разделится на две равные части, и на первом шаре останется четвертая часть первоначального заряда. Таким же образом можно получить одну восьмую, одну шестнадцатую часть первоначального заряда и т. д.

А существует ли предел деления заряда? Для деления заряда на очень маленькие порции нужно передавать его не шарам, а маленьким крупинкам металла или капелькам жидкости. Измеряя заряд, полученный на таких маленьких телах, установили, что можно получить порции заряда, в миллиарды раз меньшие, чем в описанном опыте. Однако во всех опытах разделить заряд дальше определенного предельного значения не удавалось. Это позволило предположить, что электрический заряд имеет предел делимости или, точнее, что существует заряженная частица, которая имеет самый малый заряд, далее уже не делимый.

Чтобы доказать, что существует предел деления электрического заряда, и установить, каков этот предел, ученые проводили специальные опыты. Например, советский ученый А. Ф. Иоффе поставил опыт, в котором электризовали мелкие пылинки цинка, видимые только под микроскопом.

 

Рисунок 1 – Портрет А.Ф. Иоффе

 

Заряд пылинок несколько раз меняли, и каждый раз измеряли, насколько изменился заряд. Опыты показали, что все изменения заряда пылинок были в целое число раз (т, е. в 2, 3, 4, 5 и т, д.) больше некоторого определенного наименьшего заряда, т. е. заряд пылинки изменялся хотя и очень малыми, но целыми порциями. Так как заряд с пылинки уходит вместе с частицей вещества, то Иоффе сделал вывод, что в природе существует такая частица вещества, которая имеет самый маленький заряд, далее уже неделимый. Эту частицу назвали электрон (от греческого слова «электрон» — янтарь).

 

Рисунок 2 – Опыт Иоффе и Милликена

 

Значение заряда электрона впервые определил американский ученый Р. Милликен. В своих опытах, сходных с опытами А. Ф. Иоффе, он пользовался мелкими капельками масла.

Рисунок 3 – Портрет Милликена

 

Заряд электрона — отрицательный, равен он – 1,6*10-19 Кл. Электрический заряд — одно из основных свойств электрона. Этот заряд нельзя «снять» с электрона. Масса электрона равна 9,1*10-31 кг.

Опыты Иоффе и Милликена и ряд других опытов доказали существование электрона — частицы, имеющей наименьший электрический заряд.

Опыты по исследованию состава и строения атома были поставлены английским физиком Э. Резерфордом.

 

Рисунок 4 – Портрет Резерфорда

 

На основании этих специальных опытов Резерфорд предположил, что атом имеет сложное строение. В центре атома находится заряженная положительным зарядом частица — ядро атома.

На большом расстоянии от ядра (по сравнению с его размерами) в атоме находятся электроны. Они притягиваются, но не приближаются вплотную к ядру, потому что быстро движутся вокруг него. Масса всех электронов составляет незначительную часть массы атома – сотые доли процента.

Расстояния между ядром и электронами очень велики по сравнению с размерами этих частиц. Если бы весь атом увеличился так, что ядро приняло размеры десятикопеечной монеты, то расстояние между ядром и электронами стало бы равно целому километру! Подсчитали, что если бы все электроны примкнули вплотную к ядрам, т.е. не было бы внутриатомных промежутков, то объем тела взрослого человека стал бы равным одной миллионной доле кубического миллиметра!

Ядро имеет положительный заряд, равный абсолютному значению заряда всех электронов, имеющихся в атоме. Но заряд электронов отрицателен, поэтому весь атом в целом не имеет заряда, т. е. нейтрален.

Атомы разных элементов в обычном состоянии отличаются друг от друга числом электронов, движущихся вокруг ядра. Так, в атоме водорода вокруг ядра движется один электрон, в атоме гелия — два электрона.

Но все же главной характеристикой данного химического элемента является не число электронов, а заряд ядра.

Дело в том, что электроны могут иногда отрываться от атома и тогда общий заряд электронов в атоме изменится. Заряд же ядра изменить очень трудно. А если он изменится, то получится уже другой химический элемент.

Так как заряд ядра равен по абсолютному значению общему заряду электронов атома, можно предположить, что в составе ядра находятся положительно заряженные частицы, их назвали протонами. Каждый протон имеет массу, в 1840 раз большую, чем масса электрона, заряд протона положителен, равен по абсолютному значению заряду электрона.

После того как было доказано существование протонов, ученые продолжали исследование состава ядра. Они обнаружили, что, кроме протонов, в ядрах атомов содержатся еще нейтральные (не имеющие заряда) частицы, получившие название нейтронов. Масса нейтрона немного больше массы протона.

Итак, строение атома таково: в центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а вокруг ядра движутся электроны.

Атомы элементов состоят из большого числа электронов, протонов и нейтронов.

Максимальное число электронов на оболочках равно:

на первой оболочке — 2 электрона;

на второй оболочке — 8 электронов;

на третьей оболочке — 18 электронов;

на четвертой оболочке — 32 электрона и т. д.

Отсчет номеров оболочек проводится от ядра. Количество электронов на последней (от ядра) оболочке определяет химические свойства атома. Последняя оболочка и находящиеся на ней электроны называются валентными.

Для того чтобы атом обладал электрическим зарядом, необходимо уменьшить суммарный заряд электронов путем удаления хотя бы одного электрона за пределы атома. Для удаления электрона за пределы атома необходимо увеличить его скорость движения. При увеличении скорости электрона увеличивается радиус его орбиты и энергия. Поэтому электроны, обладающие большей энергией, располагаются на электронных оболочках с большим радиусом (дальше от ядра).

Различают следующие энергетические зоны:

1 Зона заполнения – диапазон энергий, которыми могут обладать электроны атома, находящиеся на данной оболочке.

2 Запретная энергетическая зона – диапазон энергий, которыми не могут обладать электроны атома.

3 Валентная энергетическая зона – диапазон энергий, которыми могут обладать электроны, находящиеся на последней электронной оболочке.

4 Зона проводимости – диапазон энергий, которыми обладают свободные электроны. Свободными электронами называются электроны, находящиеся за пределами атома.

Электроны могут перемещаться из одной энергетической зоны в другую при облучении вещества, помещении его в электрическое поле и т. д. При неограниченном увеличении энергии электрон последовательно переходит в зоны, расположенные дальше от ядра. Из валентной зоны электрон переходит в зону проводимости, т. е. в межатомное пространство. Дальнейшее увеличение энергии электрона приведет к выходу его за пределы данного тела.

Явление выхода электрона за пределы тела называется электронной эмиссией.

В зависимости от величины, запретной зоны между зоной проводимости и валентной зоной, все материалы делятся на диэлектрики (изоляторы), полупроводники и проводники.

Проводникаминазываются материалы, в которых между зоной проводимости и валентной зоной нет запретной зоны. В проводниках валентная зона и зона проводимости перекрывается. Вследствие этого валентные электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости в обычных условиях, без дополнительного увеличения их энергии, и становятся свободными электронами.

Диэлектрикаминазываются материалы, в которых между валентной зоной и зоной проводимости существует большая запретная зона. Это значит, что для перехода валентных электронов в зону проводимости им надо сообщить относительно большую энергию – десятки электрон-вольт. При обычных условиях валентные электроны диэлектрика не могут получить такую добавочную энергию и их переход в зону проводимости практически исключается.

Полупроводниками называются материалы, в которых между валентной зоной и зоной проводимости существует небольшая запретная зона (порядка единиц электрон-вольт). Энергию порядка единиц электрон-вольт валентные электроны получают при незначительных изменениях внешних условий (температуры, света, полей и т.д.).

 

 

Модель строения вещества

Множественные физические опыты показывают, что вещества могут быть представлены в виде модели в основу которых положены кристаллические структуры. В чистом веществе они представлены в виде плоскостей (рис1.4). В веществах состоящих из нескольких элементов, это представление соответствует изображенному на рис.1.5, при этом химические и механические свойства веществ определяется степенью связей их молекул и атомов в кристаллических структурах.

 

Рис1. 5
Рис1.4

Лекция № 3.

«Теория отражения»

 

Врезультатах измерений всегда отражается реальный мир. В качестве объектов измерения могут выступать вещества (тела и среды), энергия и информация, циркулирующие в природе, технологических процессах, машинах и системах. В общем случае объекты измерений, например тела, характеризуются множеством независимых и взаимосвязанных параметров. К таким параметрам можно отнести геометрические размеры, массу, температуруи т.д.

При любом измерении всегда измерительная процедура состоит в сравнении неизвестного размера с известным, информация о котором заложена в мере данной физической величины заданного размера.

Теория измерительных приборов, главным содержанием которой является учение о точности, причинах возникновения ошибок и методах их уменьшения, базируется на ряде физических принципов, которые составляют аксиоматику измерительной техники. Эти аксиомы (или принципы) определяют принципиальные и практические ограничения на достижимые точности.

Принципиальные ограничения обусловлены дискретностью измеряемых величин (например, нельзя измерить заряд, меньший заряда электрона) или флюктуациями, определяемыми дискретностью вещества и энергии.

На квантово-механическом уровне предельные точности определяются принципом неопределенности Гейзенберга, а на молекулярном уровне – законами термодинамики.

Практические ограничения вызываются несовершенством технологий производства средств измерений (СИ), технологией измерения, нестабильностью материалов, из которых сделаны приборы, влиянием внешних и внутренних возмущений на приборы и т.д.

Принцип неопределенности Гейзенбергазаключается в том, что невозможно одновременно точно измерить координаты (х, у, z) и импульсы (Рх, Ру, Pz) частицы. Этот принцип справедлив на квантово-механическом уровне.

Принцип неопределенности Найквистаможет быть описан неравенством, представляющим собой ограничение, накладываемое на точность измерения на молекулярном уровне:

Р × t ≥ Wш,

где Р - энергия измеряемого сигнала;

Wш - энергия шума;

t - время измерения.

Принцип взаимодействия прибора и объекта измерениязаключается в том, что при этом взаимодействии при получении информации от объекта сам объект затрачивает энергию.

В ряде случаев прибор оказывает влияние на объект, меняя его характеристики. Все это приводит к изменению измеряемой величины и возникновению ошибок.

Принцип несовершенства полезных сигналов состоит в том, что воспроизводимые прибором измеряемые сигналы, как правило, засорены помехами, что является причиной возникновения ошибок.

Принцип технологического несовершенства приборовсостоит в том, что невозможно создать измерительный прибор, характеристики которого точно соответствовали бы проектным характеристикам - вследствие несовершенства технологического процесса изготовления прибора и его элементов. Технологическое несовершенство характеризуется совокупностью параметров и характеристик таких, как: неточность изготовления деталей и элементов; настройки и регулировки прибора; выдерживания режимов тепловой обработки (закалки, отжига и т.д.); обработки поверхностей и т.д.

Принцип воздействия внешних возмущений на приборзаключается в том, что сигналы в приборах подвергаются влиянию внешних возмущений (электромагнитных и гравитационных полей, полей ускорений и вибраций и др.), приводящему к появлению ошибок при измерениях. Возмущающие факторы, взаимодействуя с сигналами в приборе, изменяют их, что и приводит к ошибкам.

Принцип несовершенства технологии измерениязаключается в том, что любое измерение даже при идеальном приборе не может быть абсолютно точным, поскольку сама технология измерения несовершенна (неточность снятия показаний и установки прибора, конечное время произведения измерения, непостоянство внешних условий и т.д.).

Вышеприведенные принципы указывают на наличие предельных ограничений, накладываемых природой и уровнем развития техники на точность измерений, и показывают принципиальную невозможность полного устранения неопределенности результатов измерений.

 

Лекция №4.

«Фундаментальные физические константы и их использование при выборе единиц физических величин»

 

Константы макромира

Константы микромира

Константы макромира

Сведения о некоторых фундаментальных константах макромира приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Фундаментальные константы макромира

Константа Обзначения Значение Относи­тельное стандартное отклонение ×10-6 Примечание
Длина земного меридиана на уровне моря   L   40007817,6 м   По результатам измерений 1964...1967 гг.
Период обращения Земли вокруг оси Тсут 86400 с 0,1 Среднее значение суток
Период обращения Земли вокруг Солнца Тгод 31556925,9747 с 0,0001 в 1900 году
Ускорение при свободном падении G ≈ 9,8 м/с2 -  
Скорость света в вакууме С 299792458 м/с   Приписанное значение

 

Ряд констант макромира использовался в метрологии. Так, одна сорокамиллионная часть окружности земного меридиана применялась в качестве единицы длины (метра). Период обращения Земли вокруг оси соответствует суткам, а период обращения Земли вокруг Солнца соответствует году. Скорость света в вакууме является самой большой в мире скоростью.

Константы микромира

В таблице 2 приведены основные сведения о фундаментальных константах микромира.

 

Таблица 2 - Фундаментальные константы микромира

Константа Обозначение Значение Относительное, стандартное отклонение х10-6 Примечание
Масса электрона me 9,1093897х10 -31 кг 0,59  
Заряд электрона е 1,60217733х10 -19 Кл 0,30  
Гиромагнитное отношение электрона γe 1,7608144х1011 с -1Тл -1 0,30  
Гиромагнитное отношение протона γp 2,67515255х108 с -1Тл -1 0,30  
Квант магнитного потока h/2e 2,06783461х10-15 Вб 0,30 Определен точнее, чем е и h
Постоянная фон-Клицинга h/e2 25812,8056 Ом 0,045 Определена точнее, чем eиh
Постоянная тонкой структуры а 7,2973508×10-3 0,045  
Гравитационная постоянная γ 6,67259x10-11 м3 кг-1 с2  

 

Отношение магнитного момента Рm элементарной частицы к ее механическому моменту М называется гиромагнитным отношением. Для электрона оно равно

Квант магнитного потока

Лекция №5

«Основные явления микромира»

Радиоактивность

Радиотермолюминесценция

Эффект Мессбауэра

Радиоактивность

 

Под радиоактивностью обычно понимают самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного вещества в изотопы другого; при этом происходит испускание элементарных частиц и жесткого электромагнитного излучения. Различают естественную и искусственную радиоактивность.

Процессы, происходящие при естественной радиоактивности позволяют судить о структуре и свойствах радиоактивных веществ. В настоящее время все большее значение получают процессы, связанные с искусственной радиоактивностью. Практически все вещества имеют радиоактивные изотопы, поэтому, не изменяя химического строения вещества можно его пометить, сделав часть ядер радиоактивными. Это позволяет с большей точностью следить за перемещением этого вещества или изучать его внутреннюю структуру.

 

Фотоэффект

При фотоэффекте рентгеновский или гамма-квант передает всю энергию электрону атома. При этом, если электрон получает энергию, большую, чем энергия связи его в атоме, то он вылетает из атома. Этот электрон называется фотоэлектроном. При потере атомами фотоэлектронов освободившиеся места в электронных оболочках в дальнейшем заполняются электронами с внешних оболочек. Переход электронов на более близкую к ядру оболочку сопровождается испусканием кванта характеристического излучения, которое можно зарегистрировать, например, фотоэмульсией.

При малых энергиях квантов (Е 0,5 Мэв) фотоэлектроны вылетают преимущественно в направлениях, перпендикулярных направлению распространения излучения. Чем выше энергия квантов, тем ближе к их первоначальному направлению движение выбрасываемых фотоэлектронов. Процесс образования фотоэлектронов приводит к ионизации облучаемого вещества, что находит большее применение для интенсификации различных технологических процессов.

Тормозное излучение.

Помимо потерь на ионизацию и возбуждение атомов вещества, электроны могут терять свою энергию на образование тормозного излучения. Проходя вблизи атомного ядра, под действием его электрического поля электроны испытывают торможение. Поэтому в соответствии с законом сохранения энергии они будут испускать электромагнитное (тормозное) излучение. В тормозное излучение может преобразоваться любая часть кинетической энергии электрона вплоть до ее максимального значения. Поэтому энергетический спектр тормозного излучения непрерывный. Примером тормозного излучения является рентгеновское излучение возникающее при торможении электронов на аноде рентгеновской трубки. Это используется в рентгеновских аппаратах.

Радиотермолюминесценция

 

Если какое-либо твердое вещество при низкой температуре подвергнуть воздействию электронов рентгеновских или гамма-лучей, то при нагреве, даже самом незначительном, вещество начинает светиться. Причем, при плавном нагревании твердых органических веществ температура, при которой наблюдается наибольшее термолюминесцеция, совпадает с температурой структурных переходов (плавления, размягчения и т.д.). Это явление (открытие - 168) позволило создать новый эффективный метод исследования вещества.

В общих чертах метод радиотермолюминесценции или сокращенно РТД, заключается в следующем: образец исследуемого органического вещества облучают при низкой температуре (77-100 градусов К) в полной темноте. Пригодны любые источники ионизирующего излучения: нейтронные, гамма, бета-источники, ускорители заряженных частиц рентгеновские установки. Мощность дозы не играет существенной роли. Важно только, чтобы полная так называемая экспозиционная доза достигала 0,1-2 Мрад. Такие дозы, как правило не изменяют температуры структурного перехода. Затем образец плавно нагревают 10-20 градусов С в минуту. Свечение образца регистрируют с одновременной регистрацией температуры. Получают зависимость интенсивности РТЛ от температуры - кривую высвечивания. Пики, изломы кривой, их высота и ширина несут информацию об исследуемом веществе и прежде всего, позволяют оценить температуру структурных переходов. Абсолютная точность определения достигает около 1 градуса.

Эффект Мессбауэра

 

Суть эффекта состоит в упругом испускании или поглощении гамма-квантов атомными ядрами связанными в твердом теле. Причина "упругости" процесса (при упругом процессе внутренняя энергия тела не изменяется, т.е. атом остается в том же состоянии), в том, что если атом поглотитель (или излучатель входит в состав кристаллической решетки, то перестает выполняться однозначное соответствие между импульсом гамма-кванта и энергии отдачи атома. При Мессбауэровском процессе отдача атома вообще не имеет место (не происходит возбуждение фонона), и импульс гамма-кванта воспринимается всей решеткой, т.е. всем кристаллом. Благодаря этому ширина Мессбауэровских линий поглощение и испускания очень мала (весьма острая резонансная кривая); соответственно сдвиг линий очень чувствителен к параметрам, как самого излучения, так и твердого тела. В настоящее время на основе этого эффекта проведена масса очень тонких физических экспериментов, весьма важных, в частности, для физики и химии твердого тела. Малая ширина линий поглощения и следовательно, почти фантастическая точность измерений с помощью эффекта Мессбаэура позволило разработать ряд методов для технического экспресс анализа веществ, содержащих Мессбауэровские ядра.

Применение эффекта Мессбауэра для контроля железной руды при ее магнитном обогащении и использованием в качестве источника гамма-излучения кобальта-57 позволяет быстро и надежно определять содержание железа в рудном порошке, что способствует повышению качества железного концентрата.

 

Тема 1 - Элементы современной физической картины мира

Лекция №1

«Становление современной физической картины мира»

Физическая картина мира.

Механическая картина мира.





Рекомендуемые страницы:


Читайте также:



Последнее изменение этой страницы: 2016-05-30; Просмотров: 2569; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2021 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.038 с.) Главная | Обратная связь