Носители электрических зарядов в металлах, электролитах и газах.

Вопрос №1

Все вещества состоят из отдельных мельчайших частиц: молекул и атомов. Молекула - это мельчайшая частица вещества, обладающая свойствами этого вещества. Так, молекула сахара - сладкая, а соли - соленая.
Молекулы состоят из атомов.

Твердое тело, агрегатное состояние вещества, отличительными признаками которого при нормальных условиях являются устойчивость формы и характер теплового движения структурных единиц твердого тела (атомов, ионов. молекул), совершающих малые колебания относительно некоторых фиксир. положений равновесия.

Свойства твердых тел определяются их химическим составом и зависят от характера межатомных связей, типа кристаллической структуры и степени структурного совершенства, а также от фазового состава. В зависимости от количества образующих их элементов твердое тело можно подразделить на простые (однокомпонентные) и сложные (многокомпонентные), которые, в свою очередь, могут представлять собой хим. соединения (неорг. или орг.) либо твердые растворы разл. типа (замещения, внедрения). Твёрдые тела классифицируют на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Особенности жидкого состояния вещества. Молекулы вещества в жидком состоянии расположены вплотную друг к другу. Поэтому объем жидкости мало зависит от давления. Постоянство занимаемого объема является общим свойством для жидкостей и твердых тел.

Возможность свободного перемещения молекул относительно друг друга обусловливает текучесть жидкостей. Тело в жидком состоянии не имеет постоянной формы. Форма жидкостей определяется формой сосуда где находится жидкость, действием внешних сил и сил поверхностного натяжения. В жидкостях происходит ускоренная диффузия, что обеспечивает растворение твердых веществ в жидкостях.

ГАЗЫ

Расстояние между атомами или молекулами в газах в среднем во много раз больше размеров самих молекул. Газы легко сжимаются, при этом уменьшается среднее расстояние между молекулами, но молекулы не сдавливают друг друга. Молекулы движутся с огромными скоростями — сотни метров в секунду. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга в разные стороны. Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их друг возле друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Они не сохраняют ни формы, ни объема.

Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.

Теплово́ е движе́ ние — процесс хаотического (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество.

Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние), физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Вну́ тренняя эне́ ргия тела (обозначается как E или U ) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы.

Состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды, называется тепловым равновесием.

Внутренняя энергия тела зависит от средней кинетической энергии его молекул, а эта энергия, в свою очередь, зависит от температуры. Поэтому, изменяя температуру тела, мы изменяем и его внутреннюю энергию.При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении уменьшается.

ВИДЫ ТЕПЛООБМЕНА:

Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур, то

тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой

вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное).

Конвекция. Как мы уже говорили, при подводе тепла к жидкости или газу

увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается

давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются;

локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря

выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). Данное явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться

современными богревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха.

Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен –

отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в

том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение – это один

из видов электромагнитного излучения. Другие его виды – радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности температур.

КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ:

Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин. Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.

Внутренняя энергия тела может изменяться за счет работы внешних сил. Для характеристики изменения внутренней энергии при теплообмене вводится величина, называемая количеством теплоты и обозначаемая Q.

Количество теплоты, передаваемое от одного тела к другому, может идти на нагревание тела, плавление, парообразование, либо выделяться при противоположных процессах – остывании тела, кристаллизации, конденсации. Теплота выделяется при сгорании топлива.

Между массой вещества и количеством теплоты, необходимым для его нагревания, существует прямая пропорциональная зависимость.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ:

Удельная теплоёмкость вещества – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1 кг этого вещества на 1 °С.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ:

Изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, полученного системой:

Из этого уравнения следует, что если систему тел изолировать от внешних воздействий, то ее внутренняя энергия будет оставаться неизменной, несмотря ни на какие процессы, происходящие внутри системы.

Действительно, в этом случае A = 0 и Q = 0. Поэтому AU = 0. Но если изменение внутренней энергии равно нулю, то, значит, внутренняя энергия является величиной постоянной.

Итак,

При любых процессах, происходящих в изолированной системе, ее внутренняя энергия остается неизменной.

В этом заключается закон сохранения внутренней энергии. Сохранение внутренней энергии у изолированной системы означает вечность теплового движения частиц, из которых состоит эта система.

УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА:

Применим закон сохранения внутренней энергии к изолированной системе, состоящей из двух тел с разной температурой. При контакте этих тел между ними начнет происходить теплообмен. В процессе теплообмена более горячее тело будет отдавать энергию, а менее нагретое - ее получать. Это будет происходить до тех пор, пока температура тел не станет одинаковой. Так как суммарная внутренняя энергия этих тел должна сохраняться, то, на сколько внутреняя энергия уменьшится при этом у одного тела, точно на столько же она возрастет у другого тела. Но изменение внутренней энергии каждого из этих тел равно количеству теплоты. Поэтому количество теплоты, отданное при теплообмене более горячим телом, будет равно по модулю количеству теплоты, полученному менее горячим телом:

Qпол = |Qотд|

Это уравнение называют уравнением теплового баланса.

Кипе́ ние — процесс парообразования в жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние).

Температу́ ракипе́ ния — температура, при которой происходит кипение жидкости

Снижая давление, мы понижаем температуру кипения.

Влажность — показатель содержания воды в физических телах или средах.

Абсолютная влажность — количество влаги, содержащейся в одном кубическом метре воздуха.

Относительная влажность— отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной при данной температуре. Измеряется в процентах и определяется по формуле:

·Агрегатное состояние вещества. Испарение и конденсация Удельная теплота парообразования. Плавление и отвердевание. Удельная теплота плавления.

Агрегатное состояние вещества - — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами

Агрегатное состояние

Твердое тело Газ Плазма

Жидкость

·Твердое тело-Состояние, характеризующееся способностью сохранять объём и форму. Атомы твёрдого тела совершают лишь небольшие колебания вокруг состояния равновесия.

·Жидкость - Состояние вещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняет объём, однако не способно сохранять форму. Жидкость легко принимает форму сосуда, в который она помещена. Атомы или молекулы жидкости совершают колебания вблизи состояния равновесия, запертые другими атомами, и часто перескакивают на другие свободные места.

·Газ - Состояние, характеризующееся хорошей сжимаемостью, отсутствием способности сохранять как объём, так и форму. Газ стремится занять весь объём, ему предоставленный. Атомы или молекулы газа ведут себя относительно свободно, расстояния между ними гораздо больше их размеров.

·Плазма - Часто причисляемая к агрегатным состояниям вещества плазма отличается от газа большой степенью ионизации атомов.

Испарение и конденсация. Удельная теплота парообразования.

Испарение — процесс перехода из жидкого агрегатного состояния в газообразное.

Конденсация — обратный процесс испарению, т. е. Процесс перехода из газообразного состояние в жидкость.

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения. Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ:
[ L ] = 1 Дж/ кг

Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно рассчитать
по формуле: Q=Lm

Плавление и отвердевание. Удельная теплота плавления.

Плавление – это процесс, в котором вещества переходят из твердого состояния в жидкое.

Отвердевание – это процесс, в котором вещества переходят из жидкого состояния в твердое.

Удельная теплота плавления - количество теплоты, которое необходимо сообщить одной единице массы кристаллического вещества чтобы перевести его из твёрдого состояния в жидкое.То же количество теплоты выделяется при кристаллизации вещества

Удельная теплота сгорания топлива. Тепловые машины. КПД теплового двигателя.

Удельная теплота сгорания топлива — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг или объёмом 1 м³

КПД теплового двигателя — отношение совершённой полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле

где Qн— количество теплоты, полученное от нагревателя, Qх— количество теплоты, отданное холодильнику.

Тепловые машины.

Тепловые машины — устройство, преобразующее тепловую машину в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник).

Идеальная тепловая машина— машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны

Колебательными называют повторяющиеся в той или иной степени прцессы.
колебания в механике - такие движения, при которых происходит повторение всех положений тела в пространстве.
Если такое повторение происходит через одинаковые промежутки времени, то такие колебания называются периодическими.
Период колебания – продолжительность (время) одного колебания.
[T] =1с

Частота колебаний – число колебаний в единицу времени.
v=1/Т; [v] = 1 Гц
Смещение – отклонение тела от положения равновесия.
Амплитуда колебаний – максимальное по модулю смещение тела от положения равновесия.
В пружинном маятнике в положении равновесия:

1) Сила упругости равна нулю
2) Скорость максимальна
При x=A:
1) Скорость равна нулю
2) Сила упругости максимальна
Гармоническими называют колебания, которые происходят под действием силы, пропорциональной смещению и направленной в сторону, противоположную смещению. Колебания шарика на пружинке являются гармоническими.

Полная механическая энергия системы в каждом из крайних положений:

E=Ek+Eп=0+kA^2/2=kA^2/2
Когда тело проходит положение равновесия его полная энергия

E=Ek+Eп= 0+ mV^2/2=mV^2/2

kA^2/2=mV^2/2

В реальных колебаниях
kA1^2/2=kA2^2/2 + 2Q, где А1 и А2 – смещения в разных положениях.

Период колебаний пружинного маятника

1)Колебаниями в механике называют такие движения, при которых происходит повторение положения тела в пространстве через одинаковые промежутки времени.

2)Математический маятник – это подвешенный на тонкой невесомой нити груз, размерами которого можно пренебречь по сравнению с размерами нити.

3)Период колебаний – продолжительность (время) одного колебания. [T] – 1 секунда.

4)Гармоническое колебательное движение можно представить в виде графика зависимости координаты тела x от времени t.

5) Фаза колебаний — физическая величина, при заданной амплитуде и коэффициенте затухания, определяющая состояние колебательной системы в любой момент времени

Свободные колебания.

Свободные колебания – это колебания, которые происходят после однократного возбуждения без дополнительных внешних возбуждений.

Колебательные системы – системы тел, которые способны совершать свободные колебания.

Свободные колебания являются затухающими.

Затухающие колебания – колебания, амплитуда которых уменьшается с течением времени.

Собственная частота.

Собственная частота колебаний системы – частота ее свободных колебаний

Собственная частота системы не может быть произвольной. Она определяется для каждой конкретной системы.

Вынужденные колебания.

Вынужденные колебания – колебания, совершаемые под действием внешней периодически изменяющейся силы.

Вынужденные колебания происходят с частотой вынуждающей силы.

Амплитуда вынужденных колебаний растет с ростом амплитуды вынуждающей силы. Амплитуда вынужденных колебаний зависит также от частоты вынуждающей силы, она может быть любой.

Резонанс

Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды колебаний в случае, когда частота вынуждающей силы v совпадает с частотой собственных колебаний v0.

Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы.

График зависимости амплитуды вынужденных колебаний Ат от частоты вынуждающей силы υ представлен на рисунке, этот график называется резонансной кривой:

Звук — упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания.

Инфразвук — упругие волны с частотой менее 16 Гц.

Гиперзвук — упругие волны с частотами от 10⁹ до 10¹²—10¹⁸ Гц.

Ультразвук — упругие волны с частотами от 20 кГц до 10⁹ Гц

Колебательная скорость — величина, равная произведению амплитуды колебаний частиц среды, через которую проходит периодическая звуковая волна, на угловую частоту:

v = Aω

Вынужденные колебания — колебания, происходящие под воздействием внешних сил, меняющихся во времени.

Скорость звука — скорость распространения упругих волн в среде. Скорость звука в однородной жидкости (или газе) вычисляется по формуле:

где — адиабатическая сжимаемость среды; — плотность.

Для газов эта формула выглядит так:

В однородных твёрдых телах могут существовать два типа объемных волн, отличающихся друг от друга поляризацией колебаний относительно направления распространения волны: продольная (P-волна) и поперечная (S-волна). Скорость распространения первой всегда выше, чем скорость второй :

где — модуль всестороннего сжатия; — модуль сдвига; — модуль Юнга; — коэффициент Пуассона. Как и для случая с жидкой или газообразной средой, при расчетах должны использоваться адиабатические модули упругости.

Гро́ мкость зву́ ка — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения).

Уровень громкости звука — относительная величина. Она выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления (в децибелах — дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук (равногромким данному звуку).

Высота звука — качество звука, определяемое человеком на слух и зависящее в основном от его частоты, т. е. от числа колебаний в секунду

Резона́ нс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы

Дифра́ кция во́ лн — явление, которое можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн.

Дифракция волн наблюдается независимо от их природы и может проявляться:

§ в преобразовании пространственной структуры волн.

§ в разложении волн по их частотному спектру;

§ в преобразовании поляризации волн;

в изменении фазовой структуры волн.

Электризация тел т. е. возникновение в них электрического состояния, происходит при чрезвычайно разнообразных процессах, совершаемых с этими телами.

Электри́ ческий заря́ д — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.

Единица измерения заряда в СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. q=I*t

Элемента́ рный электри́ ческий заря́ д, e, — наименьший электрический заряд, известный в природе. В квантовой механике элементарный заряд рассматривается как минимальная порция (квант) электрического заряда. Величина e элементарного электрического заряда была установлена прямыми измерениями Р. Милликена в 1909-1911 гг. и А. Ф. Иоффе в 1911-1913 гг.

Современное значение е: e = ≈ 1, 6021892 ± 0, 0000046 × 10^—19 Кл в системе СИ (и 4, 803242±0, 000014× 10^—10 ед. СГСЭ в системе СГС). Элементарный электрический заряд тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.

Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах).

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее электрический ток.

Проводники́ — это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этих тел

Электри́ ческий ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля

Сила тока (часто просто « ток ») в проводнике — скалярная величина, численно равная заряду q, протекающему в единицу времени t через сечение проводника. Обозначается буквой

I=U/R

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов

Электрическая цепь

Источники тока, потребители электроэнергии, соединенные провода и выключатель образуют электрическую цепь.

Потребители электроэнергии( приемники) – двигатели, лампы, всевозможные бытовые электроприборы.Провода необходимы для доставки электроэнергии от источника к потребителю.

Чтобы в цепи был электрический ток, она должна быть замкнутой.

Источники тока

Источники тока бывают различными, но не во всех из них происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частей, которые накапливаются на полюсах источника. Один полюс источника заряжен положительно, другой отрицательно.

Химические источники тока – гальванические элементы и аккумулятор.

Механические источники тока –электрофорные машины.

Тепловые источники тока – термоэлектрические батареи.

Квантовые источники тока – солнечные батареи.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение между двумя точками – это скалярная физическая величина, равная отношению работы электрического поля по перемещению заряда между этими точками к величине этого заряда.

U=A/q[1В]

Закон Ома

Формулировка закона Ома

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению:

I = U / R; [A = В / Ом]

Ом установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.

R = ρ l / S,

где ρ - удельное сопротивление, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм. Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р. Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь площадь поперечного сечения проводника:

R = р l / S,

где - R - сопротивление проводника, ом, l - длина в проводника в м, S - площадь поперечного сечения проводника, мм2.

Последовательное соединение

При последовательном соединении проводников (рис. 1.9.1) сила тока во всех проводниках одинакова:

I1 = I2 = I.

Рисунок

Последовательное соединение проводников

По закону Ома, напряжения U1 и U2 на проводниках равны

U1 = IR1, U2 = IR2.

Общее напряжение U на обоих проводниках равно сумме напряжений U1 и U2:

U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR,

где R – электрическое сопротивление всей цепи. Отсюда следует:

R = R1 + R2.

При последовательном соединении полное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

Этот результат справедлив для любого числа последовательно соединенных проводников.

Параллельное сопротивление

При параллельном соединении напряжения U1 и U2 на обоих проводниках одинаковы:

U1 = U2 = U.

Сумма токов I1 + I2, протекающих по обоим проводникам, равна току в неразветвленной цепи:

I = I1 + I2.

Этот результат следует из того, что в точках разветвления токов (узлы A и B) в цепи постоянного тока не могут накапливаться заряды. Например, к узлу A за время Δ t подтекает заряд IΔ t, а утекает от узла за то же время заряд I1Δ t + I2Δ t. Следовательно, I = I1 + I2.

Рисунок

Параллельное соединение проводников

Записывая на основании закона Ома

где R – электрическое сопротивление всей цепи, получим

1/R=1/R1+1/R2....

1)Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа. A= I*U*T

2)Мощность электрического тока равна работе, совершенной в единицу времени. P=A/T=U*I.

3)Закон Джоуля Ленца – Количество теплоты, выделяемое проводником с током прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивления проводника и времени. Q=A=I^2*R*T

Электромагни́ тное по́ ле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представляющее собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга.

Электромагнитная волна - процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.
Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают измененияэлектрического поля.

Дисперсия света.

Дисперсия света – это зависимость скорости света в веществе от частоты световой волны и связанные с этим явления

Скорость электромагнитной волны в среде меньше, чем в вакууме: v=c/n. Следовательно показатель преломления n зависит от частоты световой волны.

Ядерные силы

Длина в ядерной физике измеряется в фемпометрах(фм), хотя физики называют ее ферми.

1фм = 10^-15 м.

Единица энергии – электровольт (эВ) – это энергия, которую приобретет покоящийся электрон, если попадет в электрическое поле и пролетит область с напряжением 1 вольт.

Между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядре действуют силы притяжения, которые называют ядерными силами. Ядерные силы действуют на коротких расстояниях, порядка 1фм.

Связь нуклонов в ядре настолько велика, что требуется очень большая энергия, чтобы разорвать эту связь.

Энергия связи ядра

Энергия связи ядра – это энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны.

Наоборот, при образовании ядра из нуклонов выделяется энергия, равная энергии связи.

Внутренняя энергия ядра меньше совокупной внутренней энергии нуклонов, создавших это ядро, на величину (дельта E0)

Ядерные реакции

При искусственных ядерных реакциях необходимо сблизить частицу с ядром на очень малое расстояние, чтобы произошел захват частицы ядерными силами.

Во всех ядерных реакциях обязательно выполняются условия сохранения зарядового и массового чисел.

Потребляется или выделяется энергия – зависит от совокупного дефекта масс правой и левой частях уравнения ядерной реакции. Если в правой части дефект масс больше, то и энергия связи в образовавшихся ядрах больше, следовательно, такая реакция сопровождается выделением энергии.

Деление и синтез ядер

Важной характеристикой устойчивости ядер является удельная энергия связи.

Удельная энергия связи – энергия связи ядра данного элемента, приходящаяся на один нуклон: .

Рассмотрим график зависимости удельной энергии связи от числа нуклонов в ядре (от массового числа А).

эВ/нуклон

Легкие ядра

Тяжелые ядра

Удельная энергия связи для легких ядер сначала быстро, а затем медленно растет до величины 8, 7 Мэв/нуклон. Далее она мало изменяется и слабо падает у тяжелых ядер, достигая величины 7, 6 МэВ/нуклон для урана.

Энергетически возможны два процесса: деление тяжелых ядер на несколько более легких с выделением энергии и слияния легких ядер с образованием ядра средней массы с еще большим выделением энергии.

Деления ядер на примере происходит при захвате тяжелым ядром урана медленного нейтрона. При этом ядро делится на два дочерних ядра примерно равной массы и 2 – 3 быстрых нейтрона. Осколки деления обладают огромной кинетической энергией, кроме того, часть энергии высвобождается в виде-квантов. Если уран представляет собой компактный шар диаметром 9 – 10 см, то выделившиеся нейтроны успевают поразить еще одно или два ядра и т. д..Такая реакция называется цепной реакцией, а масса вещества в которой такая реакция возможна, называется критической массой. Для урана эта масса равна 50 кг. Такой принцип лежит в основе неуправляемой цепной реакции деления, которая используется в ядерном оружии. Использование отражателей нейтронов (бериллий) и другие изобретения, позволяют уменьшить критическую массу до нескольких сот граммов.

Для того чтобы управлять реакцией деления, необходимо поддерживать число нейтронов постоянным. В этом случае равномерно выделяется энергия, которая может использоваться для полезных целей. Число нейтронов можно немного увеличить – реакция пройдет быстрее, теплоотдача увеличится и т. д.

Синтез ядер можно рассмотреть на примере таких реакций:

где дейтерий и тритий образуют гелий и нейтрон с выделение еще большей удельной энергии, чем в реакции деления:

где водород и литий образуют два ядра гелия и тоже с выделением энергии.

Чтобы осуществить такую реакцию в массе вещества (килограммы), необходимо эту смесь нагреть до температуры в несколько миллионов градусов, тогда атомы смеси начнут интенсивно двигаться, терять электроны и превратятся в ионный газ – плазму. При больших скоростях движения появляется вероятность сближения ядер до расстояний, где действуют ядерные силы. Начнется реакция – она называется термоядерной. Так как для ее начала требуется высокая температура. Неуправляемая термоядерная реакция осуществлена в термоядерной (водородной) бомбе. Там в качестве источника высокой температуры использован ядерный заряд.

Управляемую термоядерную реакцию в принципе можно осуществить. Вся проблема состоит в том. Как разогреть плазму, как удержать высокотемпературную плазму в контейнере, не касаясь ее стенок. Созданные экспериментальные установки не позволяют решить эти вопросы для использования с целью практического получения энергии.

Вопрос №1

ГАЗЫ

Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.

Теплово́ е движе́ ние — процесс хаотического (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество.

12 3 Следующая ⇒