Учебное пособие Москва, 2007 удк 50 Утверждено Ученым советом мгупи

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Волновые процессы 2. Электромагнитные (переменное электромагнитное поле). 3. Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн. 1. Квантовая механика в системе физических теорий. 2. Гипотеза квантов. 3. Развитие представлений о строении атома. 4. Концепция вероятностного описания состояний объекта в квантовой механике. 5. Корпускулярно-волновая двойственность света. 1. Строение атомных ядер. Явление радиоактивности. 2. Биологическое действие излучений.

Подобный материал:

• Учебное пособие уфа-2007 удк 330. 01 (075. 8) Ббк 65. 02., 836.31kb.
• Утверждено Ученым Советом факультета психологии Санкт-Петербургского госуниверситета, 618.84kb.
• Учебное пособие для вузов Составитель Т. А. Тернова, 165.31kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург 2007 удк алексеева С. Ф., Большаков В. И. Информационные, 1372.56kb.
• Учебное пособие Кемерово 2007 удк, 1748.31kb.
• Учебное пособие Казань кгту 2007 удк 31 (075) 502/ 504 ббк 60., 1553.23kb.
• Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим советом угаэс уфа-2005 удк 330., 1365.17kb.
• Учебное пособие Москва Издательство Российского университета дружбы народов удк 811., 4061.47kb.
• М. К. Аммосова Институт физической культуры и спорта рабочая программа, 137.47kb.
• Базовый курс Учебное пособие Третье издание, исправленное и дополненное Томск 2007, 1615.15kb.

Лекция 10

Волновые процессы

1. Понятие волны. Описание волнового движения.

Если какой-либо механический осциллятор находится в среде (жидкой, газообразной и др.), то его взаимодействие со средой не исчерпывается только диссипацией энергии. При этом происходит также передача частицам среды упорядоченного, а именно колебательного движения. При наличии связей между частицами среды данное движение передаётся вдоль среды, т.е. распространяется механическая волна.

Передаваться может не только движение, но и какое-либо другое изменение состояния. Волна – это любое возмущение, распространяющееся в среде и несущее с собой энергию; при этом не происходит переноса вещества. Волновой процесс возможен при наличии у среды континуальных свойств, т.е. должен существовать механизм передачи возмущения. Это обеспечивается моделью непрерывной материальной среды, будь то вещество или поле (в последнем случае мы говорим, например, об электромагнитных волнах, т.е. немеханических). Таким образом, волны можно считать специфическим видом движения континуума.

Наиболее важными и часто встречающимися волнами являются :

Упругие волны, связанные с распространением деформаций в веществе.

Волны на поверхности жидкости, связанные с действием сил тяжести и поверхностного натяжения (в море - приливные, корабельные, ветровые и др.).

2. Электромагнитные (переменное электромагнитное поле).

Многие закономерности волновых процессов имеют универсальный характер и справедливы для волн любой физической природы. Волны различаются по тому, как возмущения ориентированы относительно направления их распространения. В продольных волнах колебания частиц происходят в направлении распространения волны, в поперечных волнах колебания перпендикулярны этому направлению. Упругие продольные волны связаны с деформацией растяжения – сжатия, поэтому могут распространяться в твёрдых, жидких и газообразных средах; поперечные волны связаны с деформацией сдвига, поэтому возможны лишь в твёрдых телах. Звуковые волны являются продольными.

Особое значение в теории волн имеет представление о гармонической волне, в которой возмущения могут быть описаны с помощью функций синус или косинус. В случае механической волны это означает, что все точки среды совершают гармонические колебания с одной и той же частотой ν и амплитудой А. При этом фазы колебаний всех точек различны, т.к. возмущение доходит до них неодновременно. Скорость v распространения возмущения в среде называется скорость волны. Расстояние между ближайшими точками, фазы колебаний которых различаются на 2π, называется длиной волны и обозначается λ. Можно сказать, что λ – это расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний Т = 1 /ν . Для любых волн справедлива формула v = λν = λ / Т.

Всем волнам присущи некоторые общие свойства. В частности, волны могут отражаться от препятствий, изменять направление распространения при переходе из одной среды в другую, т.е. преломляться. Свойство дисперсии состоит в том, что скорость волн в различных средах зависит от частоты. Принцип суперпозиции для волн означает, что два (или несколько) волновых процесса протекают независимо, а при их наложении результирующее возмущение есть сумма возмущений от отдельных волн. Этот принцип используется при описании таких общих для всех волн явлений как интерференция (сложение волн) и дифракция (огибание волнами препятствий).

Волновые процессы широко распространены в природе, их часто учитывают и применяют в технике, науке и других областях практической деятельности. Например, в одном из разделов геофизики – сейсмологии – изучаются сейсмические волны, т.е. упругие волны в земной коре, возникающие при землетрясениях и других процессах в недрах Земли. Таким образом получают данные, необходимые для предсказания землетрясений, а также для геологической науки, разведки полезных ископаемых и др. В последние годы учёные разных направлений проявляют интерес к так называемым автоволнам - самоподдерживающимся волновым процессам в средах с распределёнными источниками энергии. Автоволны встречаются в физических, химических и биологических системах, их изучение важно и для медицины.

3. Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн.

Электромагнитные волны представляют собой процесс распространения в пространстве электромагнитного поля, т.е. взаимосвязанных колебаний электрического и магнитного полей. Поскольку электромагнитное поле может существовать как в веществе, так и в вакууме, говорят о возможности распространения электромагнитных волн в пустоте.

Существование электромагнитных волн, предсказанное в 1832 г. Фарадеем, было теоретически обосновано в 1865 г. Максвеллом путём анализа системы уравнений поля. Максвелл показал, что электромагнитное поле может существовать и в отсутствие источников – зарядов и токов. Это происходит за счёт того, что изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле. В результате оказывается возможным существование таких «самоподдерживающихся» и распространяющихся в пространстве полей на большом расстоянии от источника (электрического вибратора). Поле в этом случае имеет вид волн, распространяющихся со скоростью с= 3 ▪ 10 ⁸ м/с, в которых векторы напряжённости электрического Е и магнитного Н полей в каждый момент времени в каждой точке пространства перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волны. Таким образом, электромагнитные волны являются поперечными. Из уравнений Максвелла также следует, что в каждой точке пространства векторы Е и Н изменяются по одному и тому же гармоническому закону, т.е. синфазно. Экспериментально электромагнитные волны были открыты немецким физиком Герцем в 1888 г., спустя 10 лет после смерти Максвелла..

Как отмечалось ранее, созданная Максвеллом классическая электродинамика сыграла и продолжает играть огромную роль для описания широчайшего круга электромагнитных явлений и лежит в основе многих прикладных наук, прежде всего электротехники и радиотехники. Кроме этого уравнения Максвелла являются математическим основанием крупного раздела физики – волновой оптики, где свет рассматривается как поперечная электромагнитная волна и изучаются явления, в которых проявляются волновые свойства света. Важнейшие из этих явлений – интерференция, дифракция, поляризация и дисперсия света.

Поляризация света связана с определённой ориентацией векторов Е и Н в пространстве. Дисперсия заключается в зависимости скорости света в среде от его частоты. Интерференция света заключается в том, что при наложении двух световых волн происходит усиление или ослабление освещённости по разным направлениям в пространстве, что является следствием сложения колебаний электромагнитного поля двух волн. Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения в среде с ярко выраженными неоднородностями называется дифракцией света. Объяснение интерференции и дифракции на основе квантовой теории сыграло большую роль в установлении корпускулярно-волнового дуализма света.

Весь спектр (полный набор) частот электромагнитного излучения наглядно представляется в виде своеобразной диаграммы – шкалы электромагнитных волн, где излучения расположены обычно в порядке увеличения частоты, т.е. по убыванию длины волны. Между различными диапазонами можно провести лишь условные границы, но для каждого диапазона можно указать характерные свойства и основные источники. Перечислим диапазоны частот и укажем источники излучения:

Волны звуковых частот (от 0 до 20 000 Гц) излучаются переменным током той же частоты, однако при малых частотах излучением можно пренебречь из-за малой интенсивности.

Радиоволны (от 2 ▪ 10⁴ до 10⁹ Гц) также излучаются переменными токами.

СВЧ – излучение (от 10⁹ до 3 ▪ 10¹¹ Гц ) , источник – изменение направления спина валентного электрона атома или скорости вращения молекул вещества.

Инфракрасное излучение (от 3 ▪ 10¹¹ до3,85 ▪ 10¹⁴ Гц), источник – колебание и вращение молекул вещества.

Видимый свет (от 3,85 ▪ 10¹⁴ до7,89 ▪ 10¹⁴ Гц) , источником являются электроны в атомах и молекулах, изменяющие своё энергетическое состояние, а также свободные заряды, движущиеся с ускорением.

Ультрафиолетовое излучение (от 8 ▪ 10¹⁴ Гц до3 ▪ 10¹⁶ Гц), источники те же, что у видимого света.

Рентгеновское излучение (от 3 ▪ 10¹⁶ до3 ▪ 10²⁰ Гц), источники – изменение энергетического состояния электронов внутренних оболочек атомов, а также ускоренно движущиеся электроны.

Γамма – излучение (частота более 3 ▪ 10²⁰ Гц), возникает при изменении энергетического состояния атомного ядра, а также при большом ускорении свободных заряженных частиц.

Все перечисленные диапазоны частот встречаются в природе, создаются искусственно и находят своё практическое применение.

Лекция 11

Элементы физики микромира. Квантовая механика.

1. Квантовая механика в системе физических теорий.

Квантовая механика – теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с величинами, непосредственно измеряемыми на практике. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, их составляющих, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. На этой основе, например, удалось объяснить ферромагнетизм, сверхтекучесть и сверхпроводимость, понять природу многих астрофизических объектов (белых карликов, нейтронных звёзд и др.), выяснить механизм протекания термоядерных реакций в недрах Солнца. Ряд крупнейших технических достижений 20 в. основан на специфических законах квантовой механики (работа ядерных реакторов, применение полупроводников, создание новых материалов и др.).

В начале 20 в. выяснилось, что механика Ньютона имеет ограничение в применении не только при больших скоростях, но и в области описания микропроцессов. Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой константы – постоянной Планка h =6,63 · 10^-34 Дж·с, называемой также квантом действия. Если в условиях данной задачи физические величины размерности действия значительно больше h , применима классическая механика, в противном случае – квантовая.

2. Гипотеза квантов.

К открытию законов квантовой механики привело обнаружение в начале 20 в. двух казалось бы, не соприкасающихся друг с другом групп явлений, связанных с одной стороны с двойственностью свойств света, с другой – с невозможностью объяснения устойчивости атома на основе классических представлений. Остановимся вначале на первой группе явлений.

Впервые гипотеза квантов как наименьших порций энергии излучения была выдвинута немецким физиком М.Планком в 1900 г. в работе по теории теплового излучения. Существовавшая в то время классическая теория приводила к бессмысленному результату, что термодинамическое равновесие между излучением и веществом не может быть достигнуто т.к. вся энергия должна перейти в излучение. Планк разрешил это противоречие, предположив, что свет испускается нагретыми телами не непрерывно (как это следовало из классической теории), а определёнными дискретными порциями – квантами. Величина такого кванта энергии пропорциональна частоте излучения: E=hν. На основе этой гипотезы Планк вывел формулу, описывающую закономерности электромагнитного излучения тел и получил идеальное согласование с опытными данными и экспериментально полученными законами. С этой работы Планка можно проследить две взаимосвязанные линии развития идеи квантов, завершившиеся к 1927 г. окончательной формулировкой законов квантовой механики.

Первая начинается с работы Эйнштейна (1905 г.) по теории фотоэффекта. Фотоэлектрический эффект – это явление вырывания электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был изучен экспериментально (Столетов и др.), были выявлены его количественные законы, однако их полное теоретическое обоснование было невозможно на базе классических волновых представлений о свете. В работе Эйнштейна развивается мысль, что свет не только излучается и поглощается квантами, но и распространяется в виде потока световых квантов, названных впоследствии фотонами. Термин «фотон» был введён в 1926 г. американским физиком Дж. Льюисом. Энергия фотона E_ф= hν, т.е. она пропорциональна волновой характеристике излучения – частоте ν . На основе представления о дискретных элементах , составляющих излучение, Эйнштейн дал исчерпывающее объяснение законов фотоэффекта. Таким образом, свет с одной стороны может рассматриваться как электромагнитная волна и обладает вследствие этого континуальными свойствами, с другой стороны ему присуща дискретность. Корпускулярно-волновой дуализм света был доказан в 1922 г. американским физиком А.Комптоном в опытах по рассеянию света свободными электронами.

Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было считать, что свет имеет волновую природу, для объяснения других – корпускулярную. Разрешение этого противоречия предложил в 1924 г. французский физик Л. де Бройль, пытаясь найти объяснение постулированным в 1913 г. датским физиком Н.Бором условиям квантования атомных орбит (см. ниже). Идея де Бройля состояла во всеобщности корпускулярно-волнового дуализма. Каждой частице, независимо от её природы, следует поставить в соответствие волну, длина которой λ_дБ связана с импульсом p частицы соотношением: p=h/ λ_дБ . Следовательно, не только фотоны, но и все «обыкновенные» частицы обладают волновыми свойствами. Это в 1927 г. было подтверждено опытами К.Дэвиссона и Л.Джермера по дифракции электронов. О свойствах волн де Бройля будет сказано ниже.

Вторая линия развития идеи Планка о квантах касается теории теплоёмкости, развитой Эйнштейном в 1907 г. В его работах показано, что находящиеся в тепловом движении атомы вещества следует рассматривать как набор осцилляторов, энергия которых квантуется, т.е. принимает лишь определённые значения и изменяется порциями, кратными hν . Эта идея сыграла выдающуюся роль в теории твёрдых тел.

3. Развитие представлений о строении атома.

Открытие сложного строения атома – важнейший этап становления современной физики. В процессе создания количественной теории строения атома были сформированы новые представления о свойствах микрочастиц, которые описываются квантовой механикой. Во второй половине 19 в. было экспериментально доказано, что электрон входит в состав любого вещества. Эти и другие данные привели к тому, что в начале 20 в. серьёзно встал вопрос о строении атома. Открытие закономерной связи между всеми химическими элементами, выраженное в периодической системе Менделеева, говорило о едином принципе построения всех атомов.

В 1911 г. английским физиком Э.Резерфордом были проделаны опыты по зондированию атомов металлов альфа-частицами. Результаты опытов привели Резерфорда к ядерной (планетарной) модели атома, согласно которой весь положительный заряд атома считается сосредоточенным в ядре – области, занимающей весьма малый объём по сравнению со всем объёмом атома и в то же время сосредотачивающей в себе почти всю массу атома. Электроны, суммарный отрицательный заряд которых равен по модулю заряду ядра, образуют электронные оболочки, занимающие основную часть объёма атома.

Однако такая модель приводила к парадоксальным выводам. По классическим представлениям электроны должны двигаться вокруг ядра по определённым траекториям со скоростями порядка 10⁶ м/с , т.к. в противном случае в результате действия кулоновских сил они упали бы на ядро. При движении вокруг ядра электрон имеет центростремительное ускорение. Но ускоренное движение электрического заряда должно сопровождаться излучением электромагнитных волн с частотой, равной частоте обращения. При этом энергия электрона должна непрерывно уменьшаться за счёт излучения, и атом не может быть устойчивым. Электрон не будет удерживаться на орбите и должен по спирали, с непрерывно изменяющейся частотой приближаться к ядру и упасть на него (по расчётам за время 10 ^-8 с). При этом спектр излучения атома должен иметь всевозможные частоты, точнее, быть непрерывным. Однако наблюдаемый в опытах спектр является линейчатым, т.е. содержит лишь определённый набор частот.

Для объяснения устойчивости атомов Бор предположил, что из всех орбит, допускаемых классической механикой для движения электрона вокруг ядра, реально осуществляются лишь те, которые удовлетворяют определённым условиям квантования. Идея Бора была отражена в трёх постулатах, которые называются его именем.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные квантовые состояния, не изменяющиеся с течением времени без внешних воздействий на атом. В этих состояниях атом не излучает электромагнитных волн. Каждому стационарному состоянию соответствует определённая энергия атома. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты электронов, двигаясь по которым электроны не излучают электромагнитных волн.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух этих стационарных состояниях: hν = Е _n-E _k .

Третий постулат Бора (правило квантования орбит): в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные, квантованные значения момента импульса, кратные постоянной Планка: mv_n r_n = nħ , где m - масса электрона, v_n - его скорость на данной орбите, r_n - радиус орбиты, n - номер орбиты или квантового состояния, называемый главным квантовым числом; ħ = h/2π.

Подтверждением теории Бора явилось совпадение рассчитанных частот спектральных линий атома водорода с ранее полученными эмпирическими результатами. Существование уровней энергии в атомах было подтверждено опытами Франка-Герца (1913 - 14).

Теория Бора связала постоянную Планка, отражающую дуализм света, с движением электронов в атоме и тем самым положила начало развитию идеи о корпускулярно-волновом дуализме материи. Однако в теории нарушалась логическая стройность: с одной стороны использовалась ньютонова механика, с другой – привлекались чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике. Существовали и другие трудности теории Бора, которые были в дальнейшем разрешены в работах Гейзенберга, Шредингера, Дирака, Паули и других видных учёных. В частности, детальный анализ спектров атомов привёл к представлению о том, что электрону, кроме заряда и массы, должна быть приписана ещё одна внутренняя характеристика –спин, модельное представление о котором можно связать с вращением электрона вокруг собственной оси. В 1925 г. швейцарским физиком В.Паули был открыт фундаментальный закон природы, получивший название принципа запрета Паули. В частности, для электронов в атоме этот принцип проявляется в том, что два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии.

Описание микрообъектов в квантовой механике имеет вероятностный характер, о чём будет рассказано в следующей лекции.

4. Концепция вероятностного описания состояний объекта в квантовой механике.

Микрочастицы вследствие наличия у них волновых свойств не могут быть описаны классическими законами. Одно из существенных различий состоит в том, что нельзя говорить о движении микрочастицы по определённой траектории и об одновременных точных значениях её координаты и импульса. К такому выводу пришёл в 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг. Математическим выражением этой идеи является соотношение неопределённостей Гейзенберга, которое может быть выражено в виде: Δp_x·Δx ≥ ћ . Это означает, что в отличие от классической механики значения координаты и импульса не могут быть определены с любой точностью, т.к. чем точнее измерена координата, тем больше неопределённость в значении импульса и наоборот. Невозможно также одновременно с одинаковой точностью определить энергию и время взаимодействия частиц. Необходимо подчеркнуть, что невозможность одновременного точного измерения импульса и координаты (энергии и времени взаимодействия) не связана с методами измерения, особенностями приборов и т.д., а вытекает из особенностей физической природы квантовых объектов.

Значения координат и импульсов (энергии и времени) сосредоточены в некоторой области значений, в которой они распределены по вероятностному закону. В квантовой механике в отличие от классической случайный характер поведения присущ не только коллективу частиц, но и одной, отдельно взятой частице. Наиболее широкое распространение для описания вероятностного поведения квантовых объектов получило так называемое уравнение Шредингера, открытое этим австрийским учёным в 1926 г. Это дифференциальное уравнение было получено для описания поведения электрона в атоме. В уравнении фигурирует так называемая волновая функция Ψ(x,y,z,t) или «пси-функция», смысл которой был истолкован позднее М.Борном: квадрат модуля волновой функции |Ψ|² пропорционален плотности вероятности нахождения частицы в данной точке объёма. Отсюда следовало, что волны де Бройля – это не волны в классическом смысле, их нельзя представить в виде механических или электромагнитных волн. О них часто говорят как о волнах вероятности, но точнее это волны амплитуды вероятности. Особенности описания квантовых объектов отражают фундаментальное свойство материи – корпускулярно-волновой дуализм.

Один из основоположников квантовой физики Нильс Бор сформулировал следующие важнейшие принципы, на которых строится квантовомеханическое описание объекта:

Принцип неопределённости: для величин, произведение которых имеет размерность действия (импульс и координата, энергия и время и др.) невозможно одновременное точное измерение, причём величина неопределённости характеризуется статистическим законом.

Принцип соответствия: понятия классической физики могут быть использованы в квантовой теории для поиска новых закономерностей; при этом квантовое и классическое описания совпадают в некоторой области значений параметров.

Принцип дополнительности: представления объекта в виде частицы и в виде волнового процесса отражают различные свойства этого объекта и взаимно дополняют друг друга; каждое из описаний в отдельности не является полным и имеет ограниченные возможности применения.

Принцип суперпозиции состояний: законы квантовой механики позволяют объекту находиться сразу в двух состояниях , что исключено с точки зрения классической физики. В одном и том же эксперименте при различных способах наблюдения фиксируются корпускулярные свойства (движение по определённой траектории и т.д.) и волновые (непрерывное распределение энергии частицы в пространстве и т.д.). Полное описание объекта – суперпозиция этих описаний.

5. Корпускулярно-волновая двойственность света.

К середине 20-х годов прошлого века были получены казалось бы неопровержимые доказательства квантовых (корпускулярных) свойств света. Однако большая группа оптических явлений убедительно свидетельствует о волновых его свойствах. Необходимость приписывать свету, с одной стороны, квантовые свойства, а с другой стороны – волновые, может создать впечатление о несовершенстве наших знаний.

Одним из наиболее значительных достижений физики 20 века является убеждение в ошибочности противопоставления друг другу квантовых и волновых свойств света. Свойства непрерывности (континуальности), характерные для электромагнитного поля световой волны, не исключают свойств дискретности, характерных для световых квантов - фотонов. Свет одновременно обладает свойствами континуальности и дискретности, однако в проявлении этих противоположных свойств имеется вполне определённая закономерность. С уменьшением длины волны света (увеличением частоты) всё более отчётливо сказываются квантовые свойства света, а волновые выражены весьма слабо. Наоборот, у длинноволнового излучения квантовые свойства видны в малой степени и основную роль играют волновые. Таким образом, «перемещаясь» по шкале электромагнитных волн в сторону возрастания частоты, можно видеть, как волновые свойства уступают место квантовым.

Сочетание и взаимозависимость между волновыми и корпускулярными свойствами света наиболее просто истолковать, пользуясь статистическим подходом. Свет – это поток дискретных фотонов, в которых локализованы энергия и импульс излучения. Взаимодействие фотонов с веществом (щель, препятствие и др.) приводит к перераспределению фотонов в пространстве и возникновению на экране, расположенном на пути света, дифракционной картины. Освещённость в различных местах экрана пропорциональна числу фотонов, попавших туда за единицу времени, т.е. пропорциональна вероятности попадания фотонов в данную точку. Но из волновых представлений следует, что освещённость пропорциональна интенсивности волны, зависящей от квадрата амплитуды волны. Таким образом, квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в эту точку.

Корпускулярные и волновые свойства не исключают, а взаимно дополняют друг друга, отражают две различные, но в то же время взаимосвязанные закономерности распространения электромагнитного излучения и его взаимодействия с веществом. Корпускулярные свойства обусловлены тем, что энергия и импульс излучения локализованы в дискретных «частицах» – фотонах, волновые – статистическими закономерностями распределения фотонов в пространстве. Существенно, что волновые свойства присущи не только совокупности фотонов, но и одному, отдельно взятому фотону. Нельзя указать точно, куда попадёт данный фотон после прохождения через какую-либо оптическую систему. Можно говорить лишь о вероятности его попадания в различные точки пространства.

Лекция 12

Радиоактивность

1. Строение атомных ядер. Явление радиоактивности.

Виды радиоактивного распада.

Существование атомных ядер было впервые доказано в опытах Резерфорда по рассеянию альфа-частиц в 1911 г. В этих же опытах удалось установить, что диаметр ядра имеет порядок 10^-15 м. В 1913 г. было установлено, что положительный заряд ядра, выраженный в единицах элементарного заряда, равен атомному номеру элемента в таблице Менделеева. В 1919 г. Резерфорд осуществил первую ядерную реакцию: при облучении ядер азота альфа-частицами (ядрами гелия) образовались ядра кислорода и водорода. Ядро водорода как простейшее и легчайшее из ядер Резерфорд предложил назвать протоном (от греч. Protos – первый).

В 1932 г. ученик Резерфорда английский физик Чедвик доказал, что при облучении ядер бериллия альфа-частицами кроме ядра углерода образуется ещё и нейтральная частица с массой, равной массе протона. Эту частицу назвали нейтроном, и вскоре советский физик – теоретик Иваненко и немецкий физик Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра, подтверждённую последующими экспериментами. Ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Основные характеристики стабильных ядер – это зарядовое число Z, равное числу протонов в ядре, а также заряду ядра в единицах элементарного заряда, и массовое число А, равное полному числу нуклонов в ядре. Число N нейтронов в ядре, очевидно, равно разности А – Z. Наряду с термином «ядро атома» используется также термин «нуклид». Нуклиды с одинаковыми Z, но различными N, называются изотопами данного химического элемента. Нуклоны в ядре объединены ядерными силами, которые являются проявлением свойственного адронам сильного взаимодействия. Наряду со стабильными ядрами существуют радиоактивные ядра, в которых происходит самопроизвольное изменение состава с излучением определённых частиц. В этом и состоит явление радиоактивности. Большая часть известных науке радиоактивных ядер получена искусственно путём бомбардировки ядра-мишени различными частицами.

Явление радиоактивности начали изучать до того, как выяснилось само существование ядра. В 1896 г. французский учёный Беккерель обнаружил радиоактивность солей урана. В 1899 г. Резерфорд обнаружил наличие двух компонентов излучения урана. Уже в 1902 г. он выяснил, что так называемые β-лучи представляют собой поток электронов, а в 1909 г. выяснил, что α-лучи - это дважды ионизированные атомы гелия. Третий компонент излучения, γ-лучи, был открыт Вилларом в 1900 г. Это жёсткое ,т.е. очень коротковолновое электромагнитное излучение, поток γ-квантов с большой энергией. В 1903 г. было доказано, что радиоактивность связана с образованием одного элемента из другого, т.е. происходит радиоактивный распад исходного ядра.

Существуют следующие виды радиоактивного распада:

α-распад, при котором из ядра спонтанно вылетает α-частица - ядро атома гелия. При этом зарядовое число Ζ ядра в соответствии с законом сохранения электрического заряда уменьшается на 2, и образуется ядро нового элемента, который сдвинут на две клетки к началу периодической системы (правило смещения). Массовое число А уменьшается на 4.

β- минус-распад, при котором из ядра вылетает электрон и электронное антинейтрино, причём образуется ядро элемента, сдвинутого на одну клетку к концу периодической системы. Вылетающий электрон не содержится внутри ядра, а образуется там при превращении нейтрона в протон, что объясняется особым, так называемым слабым взаимодействием между нуклонами. Массовое число при этом распаде не меняется.

β- плюс-распад, при котором из ядра вылетает позитрон и электронное нейтрино. Данный вид распада был открыт как искусственная радиоактивность, т.е. у изотопов, полученных искусственно в ходе ядерных реакций.

Понятия γ-распада не существует, т.к. γ-кванты излучаются при переходе ядер из некоторого возбуждённого состояния в основное. Возбуждённые ядра образуются, например, в результате α-распада.

2. Биологическое действие излучений.

К радиации (или ионизирующему излучению) относят не только α, β и γ-излучения, но и рентгеновское излучение, потоки протонов и нейтронов, образующиеся, например, в ядерных реакторах, ионы тяжёлых элементов. Все излучения могут привести к ионизации живой ткани, разрыву хромосом и увеличению числа мутаций, вызывают изменение формулы крови, разрушают иммунную систему и могут привести к необратимым нарушениям в жизненно важных системах организма. В результате облучения в тканях образуются свободные радикалы, имеющие неспаренный электрон. Они легко вступают в химические взаимодействия и инициируют каскад разрушительных реакций, подавляющих действие ферментов, нарушающих функционирование клетки и т.д.

Воздействие облучения зависит от поглощённой энергии и вида излучения. Дозой поглощённого излучения называется отношение поглощённой телом энергии излучения к его массе: D = E_изл / m. Единицей D является 1 грэй: 1 Гр = 1 Дж/кг. Значение дозы, от которой в течение 30 суток погибает 50 % живых существ, обозначается LD₅₀(30). Для человека эта величина равна 3 Гр, для обезьян - 5,5 Гр, для золотых рыбок – 20 Гр.

При одной и той же D разные излучения вызывают неодинаковый биологический эффект, что характеризуется коэффициентом относительной биологической активности (КОБА) или коэффициентом качества k. Для рентгеновского и γ-излучения он принят за 1, остальные сравниваются с ним. Например, для электронов это 1- 1,5, для медленных нейтронов 3 – 5, для быстрых нейтронов и для протонов 10, для α-частиц 20. Для более точной характеристики учитывается ещё и характер облучаемой ткани. Биологическая степень воздействия поглощённой дозы характеризуется эквивалентной дозой (ЭД), равной произведению D·k. Единица ЭД – зиверт (1 Зв). Предельно допустимая индивидуальная ЭД равна 350 мЗв; максимальное годовое облучение не должно превышать 5 мЗв, а мощность дозы – 0,6 мкЗв/час. Природный радиационный фон в среднем составляет 0,28 мЗв/год. Применяется также единица измерения бэр: 1 Зв = 100 Бэр.

Другая единица – рентген – связана с оценкой числа образующихся ионов. При поглощении в биологической ткани 1 Бэр = 1 рентген. Естественный радиационный фон на территории России – от 4 до 25 микрорентген в час. Доза, получаемая при рентгеновском обследовании, - от 10 до 3000 миллирентген.

Защита от ионизирующих излучений представляет собой одну из важнейших проблем современности. Это связано в первую очередь с развитием ядерной энергетики, с работой реакторов и ускорителей, с необходимостью захоронения радиоактивных отходов, военными испытаниями. Возникло новое научное направление – радиационная экология.