Ядерная физика. Строение атомного ядра

Рис.18.4

2. Спонтанное(самопроизвольное) излучение возбужденных атомов при переходе с верхнего энергетического уровня с энергией Е₂на нижний уровень с энергией Е₁. Частота испущенного кванта n такая же, как частота поглощенного при возбуждении кванта, но направление распространения и фаза колебаний излучения произвольны.

3. Вынужденное излучение атомов при переходе возбужденных атомов в исходное состояние под действием падающего электромагнитного излучения. С квантовой точки зрения новый квант вынужденного излучения ничем не отличается от кванта, стимулировавшего его появление. Вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшим его излучением, интенсивность результирующей электромагнитной волны увеличивается. Следует отметить, что вероятность переходов 1 и 3 одинакова, поэтому преобладание поглощения или вынужденного излучения определяется соотношением числа атомов среды N₁и N₂ в состояниях с энергией Е₁и Е₂.

В условиях термодинамического равновесия, которое чаще всего и реализуется в веществе, населенность N₁ нижнего уровня всегда больше населенности N₂ верхнего уровня. Поэтому электромагнитная волна теряет больше энергии, чем приобретает, интенсивность излучения уменьшается .

Однако в некоторых случаях можно создать такие условия, когда возникает, так называемая, инверсная населенность уровней (N₂> N₁), среда с такой населенностью называется активной. В такой среде вынужденные переходы (Е₂® Е₁) происходят чаще, чем возбуждение атомов, интенсивность излучения возрастает. Для того чтобы обеспечить инверсную населенность в активной среде, необходимо устройство для возбуждения среды, устройство, которое поставляет энергию для возбуждения атомов среды.

Двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. В условиях равновесия N₁> N₂.

Обычно в лазерах используется так называемая трехуровневая система создания активной среды (рис.18.5). Атомы среды возбуждаются каким либо воздействием и переходят из основного состояния с энергией Е₁в возбужденное состояние с энергией Е₃. На уровне 3 атом живет очень мало, порядка 10^-8с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света (энергия при этом передается другим атомам среды). Время жизни в состоянии 2 гораздо больше, порядка 10^-3с, и в этом возбужденном состоянии накапливается большое количество атомов среды. Создается среда с инверсной населенностью уровней 2 и 1. Каждый фотон, случайно родившийся при переходе 2®1, движется в активной среде и может порождать множество вынужденных переходов 2®1, в результате чего возникает лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичного фотона.

Первым лазером (от первых букв английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 0,69мкм) был рубиновый лазер (Т. Мейман, 1960г). Рубин – это красный кристалл оксида алюминия Al₂O₃ с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно ионы хрома в кристалле рубина имеют три уровня энергии, обладающие необходимыми свойствами для создания инверсной населенност

и. С устройством рубинового лазера Вы можете познакомиться, прочитав [2, §96].

В настоящее время разработано много различных типов оптических квантовых генераторов (ОКГ), которые находят широкое применение в научных исследованиях, медицине, разработке новых технологий в производстве. Излучение лазера отличается рядом замечательных особенностей: оно обладает высокой степенью монохроматичности, когерентностью, большой интенсивностью, малой угловой расходимостью.

Важнейшими из существующих типов лазеров являются:

1) твердотельные лазеры (активная среда – твердое тело, например, рубиновый лазер);

2) газовые лазеры (активная среда – газ, например, He-Ne-лазер, CO₂-лазер);

3) жидкостные лазеры (активная среда – жидкое тело);

4) полупроводниковые лазеры (активная среда – полупроводник, такие лазеры используются в лазерных указках).

[2]. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений.- М.: «Просвещение», 2009 и др. Глава 12.

 

 

 

Тема 19. (2 часа)

Ядерная физика. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра. Ядерные реакции.

Э. Резерфорд, проделав эксперимент по изучению рассеяния a-частиц при прохождении через тонкие пленки золота, пришел к выводу о том, что атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Резерфорд показал, что атомные ядра имеют размеры примерно 10^-14–10^-15 м, в то время как линейные размеры атома примерно 10^-10 м. Открытие атомных ядер привело к возникновению новой проблемы в экспериментальной и теоретической физике – проблемы строения и свойств атомного ядра.

Физики-экспериментаторы, инженеры разработали совершенную экспериментальную технику, методы исследования объектов микромира, с помощью которых смогли получить, проанализировать и обобщить огромный объем информации об атомных ядрах различных атомов.

Электрический заряд ядра. Точные измерения электрического заряда Q атомных ядер были выполнены в 1913 году Г.Мозли. Оказалось, что электрический заряд ядра атома

Q = Ze (19.1)

где e – элементарный электрический заряд, Z – порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева или зарядовое число ядра. Атомы, ядра которых обладают одинаковыми зарядами, имеют одинаковое строение электронных оболочек и поэтому химически идентичны.

Масса атомного ядра. Другой важной характеристикой атомного ядра является его масса m_я. В ядерной физике и физике элементарных частиц в качестве единицы массы используется атомная единица массы (а.е.м.), равная 1/12 массы атома углерода :

1 а.е.м. =1,66^. 10^-27 кг .

Энергетический эквивалент атомной единицы массы, т.е. энергия покоя частицы массой 1 а.е.м. :

Е₀ = m₀ c² = 1,66^. 10^{-27 .}(3^. 10⁸ )² Дж = 931,5Мэв.

Изотопы. Развитие техники масс-спектрометрии позволило установить, что большинство химических элементов представляют собой смесь атомов с одинаковым зарядовым числом Z, но с различными массами М. Такие атомы назвали изотопами элемента. Например, в природе есть три вида атомов водорода. Масса ядра самого легкого изотопа водорода – протия – равна примерно 1а.е.м.; масса ядра атома второго изотопа водорода – дейтерия – равна примерно 2 а.е.м. ; масса ядра атома третьего изотопа водорода – трития – равна примерно 3 а.е.м.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: , где X – символ химического элемента, Z – атомный номер элемента (заряд ядра в единицах элементарного заряда), А – массовое число.

Состав атомного ядра.Первая частица, входящая в состав атомных ядер, была открыта Э.Резерфордом в 1919 г. Он исследовал взаимодействие a-частиц с ядрами атомов азота и установил, что a-частицы выбивают из ядра положительно заряженные частицы, масса которых равна массе ядра атома водорода :

. (19.2)

Эти частицы назвали протонами. Выполнив опыты с атомами других веществ, Резерфорд получил такой же результат: a-частицы выбивают из ядер протоны. Было сделано предположение, что ядра атомов всех элементов содержат протоны. Заряд протона положительный и равен элементарному заряду е. Масса протона m_p = 1,6726×10^-27 кг = 1,00728 а.е.м. » 1836 m_е , где m_е – масса электрона. Обозначение протона - .

В 1932 г. Дж. Чедвик выполнил опыты по изучению свойств излучения, возникающего при облучении бериллия a-частицами в следующей реакции:

. (19.3)

Он установил, что излучение является потоком нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Опыты Чедвика явились экспериментальным доказательством существования нейтронов. Заряд нейтрона равен нулю, масса нейтрона m_n= 1,6749×10^-27 кг = 1,00866 а.е.м. » 1839 m_е, обозначение нейтрона – . Важно отметить, что масса нейтрона немного больше массы протона. Это объясняет отсутствие нейтронов в природе в свободном состоянии. Покидая ядро, нейтрон может распадаться на протон, электрон и электронное нейтрино и делает это в среднем за семнадцать минут.

После открытия нейтрона Д. Иваненко и В. Гейзенбергом в 1932 г. была предложена протонно-нейтронная модель ядра. Согласно этой модели атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно зарядовому числу Z, число нейтронов обозначается буквой N , общее число протонов и нейтронов в ядре равно массовому числу А:

А = Z + N . (19.4)

Протоны и нейтроны называют­ся нуклонами (от лат. nucleus – ядро).