Принципи (постулати) теорії відносності Ейнштейна

I постулат (Принцип відносності Ейнштейна): всі закони природи мають однакову форму у всіх інерціальних системах відліку. Цей постулат явився узагальненням принципу відносності Ньютона не тільки на закони механіки, але і на всі закони фізики.

II постулат (Сталість швидкості світла): швидкість світла у вакуумі однакова у всіх інерціальних системах відліку - вона не залежить ні від швидкості джерела, ні від швидкості приймача світлового сигналу.

СЛІДСТВА З ПОСТУЛАТІВ СТО

1. Відносність одночасності: події, одночасні в одній інерціальній системі відліку, можуть не бути одночасними в іншій системі відліку, тобто одночасність подій відносна.

2. Відносність проміжків часу. В ІСО, які рухаються відносно власної системи відліку, інтервал часу між подіями збільшується, час уповільнюється.

3. Відносність відстаней. Довжина рухомого предмета скорочується в напрямку руху.

4. Релятивістський закон додавання швидкостей: швидкість руху тіла відносно нерухомої системи відліку дорівнює відношенню векторної суми швидкості цього тіла відносно рухомої системи відліку υ ₁ і швидкості самої рухомої системи відліку υ ₂ відносно нерухомої системи до суми одиниці і добутку цих швидкостей віднесеному до квадрату швидкості світла.

ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК МАСИ І ЕНЕРГІЇ - будь-яке тіло має енергію вже тільки завдяки факту свого існування, і ця енергія, називається власною енергією тіла Е₀, дорівнює добутку маси тіла (m) на квадрат швидкості світла у вакуумі (с²). Власну енергію тіла інакше називають енергією спокою. У неї не входять ні кінетична енергія тіла, ні його потенційна енергія в зовнішньому полі.

Із закону взаємозв'язку маси і енергії випливає: якщо нерухомому тілу повідомити деяку енергію, то його маса зміниться. Однак у звичайних макроскопічних процесах, з якими ми маємо справу в житті і техніці, зміни маси, зумовлені зміною енергії тіл, надзвичайно малі. Так, при нагріванні одного літра води від 0 до 100 ° С маса води збільшується всього лише на 5 · 10 ^-9 грам. Але, наприклад, маса Сонця через втрати енергії на випромінювання щомиті зменшується більш ніж на 4 мільйони тонн.

 

КВАНТОВА ФІЗИКА

Квант світла (фотон) - порція енергії електромагнітного випромінювання, елементарна частинка, що є порцією електромагнітного випромінювання, переносник електромагнітного взаємодії.

Гіпотеза Планка - гіпотеза, висунута 14 грудня 1900 Максом Планком і полягає в тому, що при тепловому випромінюванні енергія випускається і поглинається не безперервно, а окремими квантами (порціями). Кожна така порція – квант має енергію Е, пропорційну частоті ν випромінювання.

Стала Планка (h) - фундаментальна фізична стала, коефіцієнт, що зв'язує величину енергії електромагнітного випромінювання з його частотою. Має розмірність добутку енергії на час. Фізичний зміст постійної Планка полягає в тому, що величини з розмірністю дії (енергія · час) зустрічаються в природі тільки як цілі, кратні постійної Планка.

Фотоефект - явище виривання електронів з речовини під дією світла. Якщо вирвані електрони вилітають за межі речовини, фотоефект називається зовнішнім. Якщо під дією світла збільшується електропровідність напівпровідника за рахунок електронів, вирваних з молекул або атомів, фотоефект називається внутрішнім.

Закони фотоефекту:

1 закон: сила фотоструму насичення прямо пропорційна світловому потоку, що падає на катод;

2 закон: максимальна початкова швидкість (кінетична енергія) фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою;

3 закон: для кожної речовини існує мінімальна частота (максимальна довжина хвилі світла, нижче якої фотоефект неможливий. Її називають червоної межею фотоефекту.

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту - це рівняння, що виражає зв'язок між енергією фотона (Е), який бере участь у фотоефекті, максимальною кінетичної енергією (Е_к.mах), з якою вилетів електрон із речовини, і характеристикою метала, на якому спостерігається фотоефект, - роботою виходу для металу (Ав).

Застосування фотоефекту в техніці

Прилади, принцип дії яких заснований на явищі фотоефекту, називають фотоелементами. Фотоелементи застосовують у різних схемах автоматики для керування електричними ланцюгами з допомогою світлових пучків, в управлінні виробничими процесами, у фотометрії для вимірювання сили світла, яскравості, освітленості... Фотоелементи застосовуються для сортування виробів за розмірами і забарвленням, приладах нічного бачення. Напівпровідникові фотоелементи, що працюють на принципі перетворення світлової енергії сонячного випромінювання безпосередньо в електрику називають сонячними батареями. Їх використовують для отримання електричної енергії в електронних годинниках, калькуляторах, радіоприймачах і магнітофонах, садових ліхтарях, для виробництва електрики …

Тиск світла - тиск, який чинить світлове (і взагалі електромагнітне) випромінювання, що падає на поверхню тіла. Квантова теорія світла пояснює тиск світла як результат передачі фотонами свого імпульсу атомам або молекулам речовини. Тиск світла показує, що потік випромінювання має не тільки енергію, а й імпульс, а отже, і масу.

Дослід Лебедєва - вперше виміряв тиск світла на тверді тіла та гази. Прилад Лебедєва складався з дуже легкого стрижня на тонкій скляній нитці, по краях якого були приклеєні легкі крильця: з одного боку білі, з іншого - чорні. Весь прилад знаходився у посудині, звідки було викачане повітря. Світло падало на крильця, розташовані по одну сторону від стрижня. Про значення тиску судили по куту закручування нитки. Тиск світла залежить від коефіцієнта відбиття поверхні: при відбитті від дзеркальної поверхні крильце отримує імпульс 2р. Поверхня чорного крильця поглинає світло імпульсом р.

АТОМ ТА АТОМНЕ ЯДРО

Дослід Резерфорда: від радіоактивного джерела, покладеного в свинцевий контейнер, α - частинки направлялися на тонку металеву фольгу. Розсіяні частинки потрапляли на екран, покритий шаром кристалів сульфіду цинку, здатних світитися під ударами швидких заряджених частинок.

Було виявлено, що більшість α - частинок проходить через тонкий шар металу, практично не відчуваючи відхилення. Однак невелика частина часток відхилилася на значні кути, що перевищують 30°. Деякі α - частинки (приблизно одна на десять тисяч) відчували відхилення на кути, близькі до 180°.

Резерфорда прийшов до висновку, що атом майже порожній, і весь його позитивний заряд зосереджений в малому об’ємі.

Ядерна модель атома - в центрі атома розташовується позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома. Атом в цілому нейтральний. Навколо ядра, подібно до планет, під дією кулонівських сил з боку ядра обертаються електрони.

Квантові постулати Бора

Перший постулат Бора: атом може перебувати не у всіх станах, що допускаються класичною фізикою, а тільки в особливих квантових (або стаціонарних) станах, кожному з яких відповідає певна енергія; в стаціонарному стані атом не випромінює.

Другий постулат Бора: при переході атома з одного стаціонарного стану в інший випромінюється або поглинається квант електромагнітного випромінювання. Енергія кванта (фотона), яка випромінюється або поглинається, дорівнює різниці енергій стаціонарних станів.

ВИПРОМІНЮВАННЯ І ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА АТОМОМ

Випромінюючи світло, атом переходить із стаціонарного стану з більшою енергією в стаціонарний стан з меншою енергією.

Поглинаючи світло, атом переходить із стаціонарного стану з меншою енергією в стаціонарний стан з більшою енергією. Поглинання світла - процес зворотний випромінюванню. Атом, поглинаючи світло переходить із нижчих енергетичних станів до більш високих. При цьому він поглинає випромінювання з такою ж чистотою, що й випромінює.

ВИДИ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Теплове випромінювання - генерується при порушенні пов'язаної системи атомів за рахунок нагрівання тіла, тобто за рахунок внутрішньої енергії.

Люмінесценція - вид холодного світіння, який відрізняється від теплового випромінювання тим, що не залежить від температури випромінюючого тіла (люмінофора) і може бути досить інтенсивним, навіть якщо тіло холодне. Люмінесценція має кінцевий час загасання: світіння припиняється не відразу після припинення дії його причини, а продовжується ще деякий час.

Триболюмінесценція - вид люмінесценції, який збуджується тертям, ударом, тобто за рахунок механічної енергії (наприклад, цукор світиться при розколюванні в темряві).

Хемілюмінесценція - люмінесцентне світіння, що відбувається при хімічних і біологічних процесах: світіння фосфору при його окисленні, світіння живих організмів (світлячків, планктону в море, тухлої риби), трухлявих пеньків.

Електролюмінесценція - світіння розріджених газів при пропусканні через них електричного струму: полярне сяйво, що породжується потоком заряджених частинок, які випускаються Сонцем, газорозрядні трубки, лампи денного світла.

Фотолюмінесценція - світіння тіла під дією світла.

ЛАЗЕР - це джерело світла, що працює на принципі вимушеного випромінювання. Саме слово "лазер" складено з перших букв англійського словосполучення, що означає «посилення світла в результаті вимушеного випромінювання». Високий ступінь когерентності і гостра спрямованість лазерного випромінювання, а також можливість сконцентрувати в імпульсі дуже велику потужність (при достатній інтенсивності лазерний промінь плавить і звертає в пар будь-яка речовина) призвело до широкого поширення лазерів в самих різних областях техніки і медицини.

Ядром називається центральна частина атома, у якій зосере джена практично вся маса атома і позитивний заряд. Атомне ядро складається з елементарних частинок - протонів і нейтронів. Частинки які входять до складу ядра називають одним словом - нуклони, а загальне число нуклонів в атомному ядрі - масовим числом А: A = N + Z, N - кількість нейтронів, Z - порядковий номер хімічного елемента в періодичній системі елементів, що дорівнює числу протонів у ядрі.

Ізотопи - це різновиди даного хімічного елемента, що розрізняються масовим числом своїх ядер. Ядра ізотопів одного елементу містять однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. Ізотопи мають практично однакові хімічні властивості. Однак за фізичними властивостями ізотопи можуть відрізнятися досить різко.

Енергія зв`язку атомних ядер (Е_зв) - це мінімальна енергія, необхідна для повного розщеплення ядра на окремі нуклони, без надання їм кінетичної енергії. Вимірюється в (МеВ).

Питома енергія зв'язку (ε_зв) - енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон, називається питомою енергією зв'язку. Вимірюється в (МеВ /нуклон).

Ядерні реакції - це перетворення атомних ядер в результаті взаємодії один з одним або будь-якими елементарними частинками. Для здійснення ядерної реакції необхідно, щоб частинки, які стикаються зблизилися на відстань близько 10 ^-15 м. Ядерні реакції підкоряються законам збереження енергії, імпульсу та електричного зарядів. Ядерні реакції можуть протікати як з виділенням, так і з поглинанням енергії.

Ланцюгова реакція - це реакція поділу важких ядер, яка сама себе підтримує, в якій безперервно відтворюються нейтрони, що ділять все нові і нові ядра.

Ядерний реактор - це пристрій, в якому здійснюється керована ланцюгова реакція поділу ядер. Головною частиною ядерного реактора є активна зона, в якій протікає ланцюгова реакція і відбувається виділення ядерної енергії. Управління протіканням ланцюгової реакції здійснюється за допомогою спеціальних регулюючих стрижнів, які за допомогою дистанційного пульта управління вводять в активну зону реактора. Ці стрижні виготовляють з матеріалів, що сильно поглинають нейтрони (кадмій або бор). Для підтримки безпечної роботи на АЕС є спеціальні пристрої, основними з яких є системи регулювання ланцюгової реакції, охолоджування активної зони та радіаційного захисту. Для забезпечення радіаційної безпеки обслуговуючого персоналу в приміщенні навколо реактора передбачено біологічний захист. Біологічний захист створюють з матеріалів, які добре поглинають всі види випромінювання.

Термоядерні реакції - це ядерні реакції між легкими атомними ядрами, що протікають при дуже високих температурах (~ 10 ⁸ К і вище). Необхідність високих температур пояснюється тим, що для злиття ядер в термоядерній реакції необхідно, щоб вони зблизилися на дуже малу відстань і потрапили в сферу дії ядерних сил. Цьому зближенню перешкоджають кулонівські сили відштовхування, що діють між однойменно зарядженими ядрами. Щоб їх подолати, ядра повинні мати дуже велику кінетичну енергію.

Радіоактивність - явище спонтанного перетворення нестійкого ізотопу хімічного елемента в інший ізотоп, що супроводжується випусканням частинок або квантів випромінювання.

АЛЬФА -, БЕТА-, ГАММА-ВИПРОМІНЮВАННЯ

Альфа-випромінювання являє собою потік ядер атома гелію, що поширюються з початковою швидкістю близько 20 тис. км /с. Іонізуюча здатність альфа - випромінювання величезна, а проникна - незначна: довжина пробігу в повітрі становить 3-11 см, а в рідких і твердих середовищах - соті частки міліметра. Лист щільного паперу повністю затримує їх. Надійним захистом від альфа-частинок є також одяг людини.

Правило зміщення для α - розпаду. При α - розпаді ядро втрачає позитивний заряд, рівний 2е, його маса зменшується приблизно на чотири атомні одиниці. У результаті елемент зміщується на дві клітини до початку періодичної системи.

Бета-випромінювання - потік електронів, які в залежності від енергії випромінювання можуть поширюватися з швидкістю, близькою до швидкості світла (300 тис. км / с). Електронний β - розпад полягає в тому, що один з нейтронів ядра перетворюється на протон, при цьому з ядра випромінюється електрон і антинейтрино. Вони мають меншу ніж α - частки іонізуючу здатність, але більшу проникну. Довжина пробігу бета-часток з високою енергією складає в повітрі до 20 м, воді і живих тканинах - до 3 см, металі - до 1 см. На практиці бета-частинки майже повністю поглинають віконні або автомобільне скло та металеві екрани товщиною в кілька міліметрів. Одяг поглинає до 50% бета-частинок.

Правило зміщення, для β - розпаду. При бета розпаді з ядра вилітає електрон, в результаті заряд ядра збільшується на одиницю, а маса залишається майже незмінною. Після бета розпаду елемент зміщується на одну клітку ближче до кінця періодичної системи.

Гамма - випромінювання - це електромагнітне випромінювання, що випускається ядрами атомів при радіоактивних перетвореннях. Воно, як правило, супроводжує альфа і бета-розпад. За своєю природою гамма - випромінювання являє собою електромагнітні хвилі з довжиною хвилі 10 ^-12 - 10 ^-15 м. Іонізуюча здатність його значно менше, ніж у бета - і альфа-частинок. Гамма-випромінювання має найбільшу проникаючу здатність і в повітрі може поширюватися на сотні метрів. Для ослаблення його енергії в два рази необхідний шар речовини (шар половинного ослаблення) товщиною: води - 23 см, сталі - близько 3 см, бетону - 10см, дерева - 30 см. Через найбільшу проникну здатність гамма-випромінювання являється найважливішим фактором вражаючої дії радіоактивних випромінювань при зовнішньому опроміненні.

На відміну від α-і β-радіоактивності γ-радіоактивність ядер не пов'язана зі зміною внутрішньої структури ядра і не супроводжується зміною зарядового або масового чисел.

Період напіврозпаду Т - це проміжок часу, протягом якого число радіоактивних ядер в середньому зменшується вдвічі.

Закон радіоактивного розпаду - кількість радіоактивних ядер, які не розпалися, в будь-якому зразку зменшується вдвічі через кожен інтервал часу, названий періодом напіврозпаду. Закон радіоактивного розпаду є статистичним законом. Він справедливий при досить великому числі радіоактивних ядер. Період напіврозпаду не залежить від зовнішніх умов і від часу початку відліку.

МЕТОДИ РЕЄСТРАЦІЇ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Основні методи реєстрації іонізуючих випромінювань:

• іонізаційний - реєструються іони, утворені випромінюванням;

• сцинтиляційний - реєструються світлові спалахи, які утворюються в спеціальному матеріалі;

• фотографічний.

Газорозрядний лічильник - газорозрядний прилад для автоматичного підрахунку числа іонізуючих частинок, які потрапили в нього. Зазвичай виконується у вигляді наповненого газом металевого циліндра (катоду) з тонким дротом (анодом), натягнутому на його осі. До електродів прикладають високу напругу, яка сама по собі не викликає будь-яких розрядних явищ. У цьому стані лічильник буде перебувати до тих пір, поки в його газовому середовищі не виникне центр іонізації - слід з іонів та електронів, що породжується іонізуючими частинками, які прийшли ззовні. Первинні електрони, прискорюючись в електричному полі, іонізують інші молекули газового середовища, породжуючи все нові й нові електрони та іони. Розвивається лавиноподібний процес, який завершується утворенням в між електродному просторі електронно – іонної хмари, різко збільшується провідність. В газовому середовищі лічильника виникає розряд, видимий в прозорому балоні навіть простим оком.

Камера Вільсона. Ємність зі скляною кришкою і поршнем в нижній частині заповнена насиченими парами води, спирту або ефіру. Коли поршень опускається, то за рахунок адіабатичного розширення пари охолоджуються і стають пересиченим. Заряджена частинка, проходячи крізь камеру, залишає на своєму шляху ланцюжок іонів (трек). Пар конденсується на іонах, роблячи видимим слід частинки.

Бульбашкова камера. У бульбашковій камері робочою речовиною є перегріта (що знаходиться під тиском) прозора рідина (рідкий водень, пропан, ксенон). Коли поршень опускається, рідина переходить в нестійкий перегрітий стан. Заряджені частки, які пролітають в цей час через камеру, викликають різке скипання рідини, і траєкторія частки виявляється позначеною ланцюжком бульбашок пари - утворюється трек, який, як і в камері Вільсона, фотографується.

Фотоемульсіонний метод. Проходження зарядженої частки в світлочутливій ​​плівці зі складом із бромистого срібла викликає іонізацію, що приводить до утворення центрів прихованого зображення. Після прояви плівки сліди заряджених частинок виявляються у вигляді ланцюжка зерен металевого срібла.

 

100	1	2	99
98	3	4	97
96	5	6	95
94	7	8	93
92	9	10	91
90	11	12	89
88	13	14	87
86	15	16	85
82	19	20	81