Радиоактивность элемента не зависит от того, является ли он химически чистым или находится в составе какого-либо химического соединения. Радиоактивность представляет собой внутриядерный процесс.

Это вытекает из того, что на него не оказывают никакого воздействия ни вид химического соединения, в которое входит данное ядро, ни агрегатное состояние вещества, ни большие давления, ни очень высокие температуры, ни электрические и магнитные поля, т. е. все те воздействия, которые могут изменить состояние электронной оболочки атома.

Итак, под естественной радиоактивностью понимают явление самопроизвольного превращения атомных ядер неустойчивых изотопов в устойчивые, сопровождающееся испусканием_ частиц и излучением энергии. Таким образом, открытие явления радиоактивности вплотную подвело физиков к изучению строения атомного ядра.

Закон радиоактивного распад

При изучении естественной радиоактивности перед экспериментаторами возник вопрос: по какому закону происходит распад радиоактивных элементов? Многочисленные опыты показывают, что с течением времени числе радиоактивных атомов в данном объеме вещества уменьшается. Для одних элементов это уменьшение происходит очень быстро — в течение минут и даже секунд; для других на это требуются миллиарды лет. Было установлено, что распад ядер — явление случайное. Невозможно сказать, что произойдет с данным ядром: оно может в равной мере и претерпеть распад, и сохраниться целым независимо от того, сколько времени оно вообще существует. Можно только утверждать, что имеется некоторая вероятность распада каждого радиоактивного элемента за определенный промежуток времени; следовательно, изменение радиоактивности со временем должно подчиняться статистической, закономерности. Одной из основных характеристик радиоактивного элемента является величина, которая определяет вероятность распада каждого отдельного атома за секунду. Ее обозначают и называют постоянной радиоактивного распада.

Если в начальный момент времени t = 0 имеется No радиоактивных атомов, то в момент времени t число оставшихся радиоактивных атомов

(22.1)

где е ~2,72 — основание натурального логарифма.

Выражение (22.1) называется законом радиоактивного распада.

Билет № 26

1. Соединение потребителей тока.
2. Способы наблюдения заряженных частиц.
3. Задача на нахождения числа молекул.

 

Ответы:

1. Современные материалы позволяют изготовить резисторы с самыми разнообразными значениями сопротивлений, но из этого не следует, что отсутствует необходимость разнообразного соединения проводников друг с другом. Это связано с современными технологиями производства. Потребители электрической энергии к их источникам также присоединяются различными способами.

Различают последовательное, параллельное и смешанное соединения проводников. При последовательном соединении (рис. 37, а) через все резисторы проходит один и тот же ток. При параллельном соединении (рис. 37, б) на всех резисторах создано одно и то же напряжение. При смешанном соединении используются и последовательное, и параллельное соединения проводников (рис. 37, в).

 

 

На рисунке 38 показано параллельное соединение двух проводников 1 и 2 с сопротивлениями R1 и R2. В этом случае электрический ток I разветвляется на две части. Силу тока в первом и втором проводниках обозначим через 11ш 12. Так как в точке разветвления проводников (в точке А) электрический заряд не накапливается, то заряд, поступающий в единицу времени в эту точку, равен заряду, уходящему из нее за это же время. Следовательно,

I = I1 +I2 (1)

 

Напряжение U на проводниках, соединенных параллельно, одно и то же,

В осветительной сети поддерживается напряжение 220 или 127 В. На это напряжение рассчитаны приборы, потребляющие электрическую энергию. Поэтому параллельное соединение — самый распространенный способ соединения различных потребителей. В этом случае выход из строя одного прибора не отражается на работе остальных, тогда как при последовательном соединении выход из строя одного прибора размыкает всю цепь.

Применяя закон Ома для участка цепи с сопротивлениями R1 и R2, можно доказать, что величина, обратная полному сопротивлению участка AВ, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных проводников.

Действительно, заменим в формуле (1) значение силы тока, пользуясь законом Ома: (1)

После сокращения получим (2)

Отсюда следует, что

Формулы, аналогичные (1) и (2), можно применять к соединению любого числа проводников. Силы тока в проводниках и их сопротивления

при параллельном соединении связаны соотношением

Для того чтобы измерить напряжение на участке цепи с сопротивлением R, к нему параллельно подключают вольтметр. Напряжение на вольтметре будет совпадать с напряжением на участке цепи (рис. 39).

Если сопротивление вольтметра Rv, то после включения его в цепь сопротивление участка будет уже не R, а

Из-за этого измеряемое напряжение на участке цепи уменьшится. Для того чтобы вольтметр не вносил заметных искажений в измеряемое напряжение, его сопротивление должно быть большим по сравнению с сопротивлением участка цепи, на котором измеряется напряжение. Вольтметр можно включить в сеть без риска, что он сгорит, если только он рассчитан на напряжение, превышающее напряжение сети.

 

2. Способы наблюдения и регистрации заряженных частиц

Исследования излучения радиоактивных веществ производятся различными методами, с которыми мы ознакомимся в общих чертах. Цель таких исследований — выяснение природы частиц, излучаемых при радиоактивном распаде, измерение энергии этих частиц и интенсивности излучения (т.е. определение числа частиц, излучаемых радиоактивным веществом за 1 с).

Наиболее, распространенными при регистрации ядерных частиц и излучений являются методы, основанные на ионизирующем и фотохимическом действии частиц. К ним относятся химические, калориметрические и фотографические методы. Ионизирующее действие излучения используется в ионизационных камерах, счетчиках Гейгера—Мюллера и сцинтилляционных счетчиках.

Камера Вильсона

Этот прибор был сконструирован в 1911 г. английским физиком Ч.Вильсоном. Он основан на способности быстро летящих частиц ионизировать молекулы вещества, находящегося в парообразном состоянии.

Схема камеры Вильсона изображена на рис. 22.2.

Рабочий объем камеры 1 заполнен воздухом или другим газом и содержит в себе насыщенный пар воды или спирта. При быстром передвижении поршня 2 вниз пар или газ в объеме 1 адиабатно расширяется и охлаждается, при этом пар становится перенасыщенным. Когда через объем камеры пролетает заряженная частица, то на своем пути она создает ионы, на которых при расширении объема 1 образуются капельки сконденсировавшегося пара. Таким образом, частица оставляет за собой видимый след (трек) в виде узкой полоски тумана. Этот трек можно наблюдать или сфотографировать.

Альфа-частицы вызывают сильную ионизацию газа и поэтому оставляют в камере Вильсона жирные следы. Бета-частицы после себя оставляют очень тонкие треки (рис. 22.3).

Гамма-кванты могут быть обнаружены с помощью камеры Вильсона по фотоэлектронам, которые они выбивают из молекул газа, заполняющего рабочий объем камеры.

Камеру Вильсона часто помещают в сильное магнитное поле, что позволяет по искривлению треков частиц определять их энергию и знак заряда, а по толщине треков — заряд и массу частиц.

Газоразрядные счетчики

В исследованиях по ядерной физике часто используют счетчики заряженных частиц, которые служат для регистрации отдельных частиц. Рассмотрим принцип действия одного из видов счетчиков — пропорционального

(рис. 22.4).

Счетчик состоит из наполненного газом цилиндра 1, в который введены два электрода: анод 3 представляет собой тонкую металлическую нить, оба ее конца укреплены на изоляторах. Катод 2 выполнен в виде токопроводящего металлического слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность цилиндра.

Между катодом и анодом прикладывается напряжение порядка нескольких сотен вольт, вследствие чего внутри счетчика создается электрическое поле. При попадании в счетчик частица ионизует молекулы газа и в электрическом поле между катодом и анодом возникает направленное движение ионов, т. е. происходит газовый разряд. Разрядный ток создает большое падение напряжения на сопротивлении Rн, и напряжение между электродами сильно уменьшается, поэтому разряд прекращается. После прекращения тока между катодом и анодом вновь восстанавливается большое напряжение и счетчик готов к регистрации, следующей частицы. Импульс напряжения, возникающий на сопротивлении Rн, усиливается и регистрируется специальным счетным устройством. Пропорциональными счетчики называют потому, что сила тока газового разряда, возникающего после прохождения ионизирующей частицы, пропорциональна числу образованных ею ионов.

Одна из разновидностей пропорциональных счетчиков была предложена Э. Резерфордом и Г.Гейгером в 1908 г. Впоследствии в 1928 г. счетчик был усовершенствован Э. Мюллером и получил название счетчика Гейгера—Мюллера.

 

Билет № 27

1. Работа и мощность электрического тока. Закон Джо-Ленца.
2. Строение атома и атомного ядра. Изотопы. Дефект масс. Энергия связи.
3. Задача на определение объёма воздуха в нормальных условиях.

 

Ответы:

1. Работа и мощность электрического тока. Закон Джо-Ленца

Из формулы определения напряжения (U = A/q) легко получить выражение для расчета работы по переносу электрического заряда А = Uq; так как сила тока связана с зарядом соотношением q = It, то работа тока: А = Ult, или

А = I Rt = U t/R.

Мощность по определению N = A/t, следовательно, N = UI = I R = U /R.

Русский ученый X. Ленц и английский ученый Д. Джоуль опытным путем в середине XIX в, установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля—Ленца и читается так: при прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившееся в проводнике, прямо пропорционалыго квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока: Q = I Rt.

Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внешние сопротивления и источник тока (рис. 17).

Как один из участков цепи, источник тока обладает сопротивлением, которое называют внутренним, r.

Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщалась дополнительная энергия, она появляется за счет работы по перемещению зарядов, которую производят силы неэлектрического происхождения (сторонние силы) против сил электрического поля. Источник тока характеризуется энергетической характеристикой, которая называется ЭДС — электродвижущая сила источника. ЭДС измеряется отношением работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к величине этого заряда = Aст/q.

Пусть за время t через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд q. Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда можно записать так: А ст = q. Согласно определению силы тока, q = It, поэтому Ас т = It. При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых R и r, выделяется некоторое количество теплоты. По закону Джоуля—Ленца оно равно: Q = I Rt + I rt. Согласно закону сохранения энергии, А = Q. Следовательно, = IR +Ir. Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: I = /(R +r). Эту зависимость опытным путем получил Георг Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так: