СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА
I.
Теория относительности
1. Все процессы природы протекают одинаково в различных инерциальных системах
отсчета.
2. Скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника и наблюдателя. Это
максимальная скорость передачи взаимодействия.
3. Принцип относительности временных промежутков:
;
t = t0 /
где t0 –
время в подвижной системе отсчета, а t – время в неподвижной системе отсчета
4. Принцип относительности длин: l = l0
;
5. Релятивистский закон сложения скоростей: v – скорость тела в неподвижной системе
отсчета; v1 - скорость тела в подвижной системе отсчета; v2 – скорость подвижной
системы отсчета относительно неподвижной:
v = (v1 + v2) / (1 + v1 v2/c2)
6. Связь массы и энергии (уравнение Эйнштейна)
II.
Е = m c2
Квантовая физика
Теория Планка: атомы излучают электромагнитную энергию отдельными порциями –
квантами. Квант еще называю световой частицей или фотоном (фотоэлектроном)
Энергия одного кванта
E = hν = hc/λ
Где h – постоянная Планка.
Фотоэффект – явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного
излучения.
Законы фотоэффекта:
1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна мощности светового излучения,
падающего на поверхность тела.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света
и не зависит от мощности светового потока
3. Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества частоты, то
фотоэффект не наблюдается (красная граница фотоэффекта)
hνmin = Aвых
где Aвых - работа по вырыванию электронов с поверхности
Уравнение Эйнштейна
hν = Aвых + mv2/2
Энергия фотона
E = hν = hc/λ
Масса фотона
Импульс фотонов
p = mc = hν/c = h/λ
eUз = mv2/2
m = hν/c2 = h/c λ
Свойства фотонов:
 фотон является квантом электромагнитного поля; его скорость равна скорости света
 фотон существует только в движении
 энергия фотона - Е = m c2 = hν
Гипотеза Де Бройля: каждая частица при движении излучает определенную длину волны, но
из-за большой массы длина волны мала и не обнаруживается.
Длина волны Де Бройля: λ = h/mv
Корпускулярно-волновой дуализм: свет обладает волновыми свойствами (интерференция,
дифракция и т.д.) и корпускулярными свойствами (давление света, фотоэффект,
фотохимическое действие).
III. Атомная физика
Опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц:
 основная часть ядер не рассеивается, что свидетельствует о том, что размеры ядра
много меньше размеров всего атома
 часть α-частиц рассеиваются на большой угол, следовательно действует очень большая
Кулоновская сила
Итог: планетарная модель атома
размер ядра 10-15м размер атома
10-10 м
Постулаты Бора:
1. Атомная система может находиться только в некоторых стационарных состояниях, в
которых атом не излучает, хотя при этом частицы в атоме движутся с ускорением
2. При переходе атома из стационарного состояния с энергией Еn в состояние с энергией Еm
излучается или поглощается квант света, частота которого определяется уравнением:
hν = Еn - Еm
если Еn > Еm – излучает, Еn < Еm – поглощает
Выводы:
 чем больше n, тем меньше отличаются друг от друга энергетические состояния
 первое состояние имеет наименьшее значение Е, это основное состояние атома
Квантовая механика:
 состояние электрона в атоме характеризуется квантовыми числами: n – главное
квантовое число – 1,2,3,… - определяет энергетический уровень электрона
Испускаемое излучение при прохождении через призму или дифракционную решетку
раскладывается в спектр.
Спектральный анализ: метод определения химического состава тел по их спектру.
Спектральный анализ основан на том, что:
 каждый химический элемент характеризуется определенным спектром
 интенсивность линий и полос в спектре зависит от концентрации того или иного
элемента в веществе
Виды спектров:
 непрерывный – в спектре нет разрывов – солнечный свет, нагретые вещества в
твердом, жидком и сжатом газообразном состоянии
 линейчатый спектр – цветные линии разделенные темными полосами – все вещества в
газообразном атомарном состоянии при небольших давлениях
 полосатый спектр – отдельные полосы разделенные темными промежутками – газы в
молекулярном состоянии
 спектры поглощения – на фоне непрерывного спектра появляются темные линии –
линии у одного этого же элемента спектры поглощения и излучения идентичны, в
спектре поглощения на месте цветных линий – темные
Лазер – оптический квантовый генератор, создающий мощные, узконаправленные,
когерентные пучки монохроматического света
Люминесценция: излучение света, избыточного при данной температуре над тепловым
Виды люминесценции:
 катодолюминесценция – свечение тел, вызванное бомбардировкой вещества
электронами или другими заряженными частицами
 электролюминесценция – пропускание через вещество электрического тока
 хемилюминесценция – свечение тел, вызванное химическими реакциями в веществе
 фотолюминесценция – свечение тел под действием облучения
IV. Ядерная физика
Протонно-нейтронная модель ядра (Гейзенберг, Иваненко):
ядро атома состоит из протонов и нейтронов – их общее название – нуклоны
При записи элемента используют форму АzХ, где Z – порядковый номер элемента, число
протонов; А – массовое число равное сумме числа протонов и числа нейтронов
A = N + Z , где N – число нейтронов
Элементы с одинаковым числом Z, но разным числом А называются изотопами
Методы наблюдения элементарных частиц:
 сцинтилляционный счетчик – наблюдение вспышек света при попадании быстрых
частиц на флуоресцирующий экран – визуальное наблюдение
 газоразрядный счетчик Гейгера - быстрая частица, пролетающая через газ вызывает
ионизацию, возникает ток, попадающий на регистрирующее устройство
 камера Вильсона – цилиндр заполненный насыщенными парами, при пролетании
частиц в пересыщенном паре вдоль их траекторий образуются треки из тумана
(капельки воды)
 пузырьковая камера – то же что и камера Вильсона, но в воде образуются пузырьки
пара
 метод толстослойной фотоэмульсии – частица, попавшая на фотоэмульсию, выбивает
электроны из атомов бромистого серебра, при проявлении образуется след – трек.
Ядерные силы – силы, действующие между нуклонами и обеспечивающие устойчивость ядер
Свойства ядерных сил:
1. силы притяжения
2. короткодействующие (радиус действия 10-15 м)
3. зарядово независимы
4. насыщаемы (нуклон взаимодействует с ограниченным числом нуклонов)
Т.к. масса ядра всегда меньше суммарной массы составляющих его нуклонов, то возникает
дефект массы: ∆m = Z mp + N mn - mя
Энергия связи
Есв = ∆m с2
Есв/А = Есв
удельная энергия связи
 наиболее устойчивы ядра средней части таблицы Менделеева
 тяжелые и легкие ядра менее устойчивы
 энергетически выгодны следующие реакции: деление тяжелых ядер на легкие и слияние
легких ядер в тяжелые
Ядерные реакции –превращение одних ядер в другие при взаимодействии их с
элементарными частицами или друг с другом X + a = Y + b
Если энергия связи в первой части реакции больше чем во второй, то реакция идет с
выделением энергии, если наоборот, то с поглощением энергии
Энергетический выход ядерной реакции Q = 931,5 (𝛴Мi – 𝛴Mk) МэВ ,
где 𝛴Мi – сумма масс частиц до реакции, а 𝛴Mk – сумма масс частиц после реакции (массы в
а.е.м.)
Радиоактивность – самопроизвольное превращение одних ядер в другие с испусканием α-,
β-, γ- частиц
Виды радиоактивности:
 α – излучение – поток ядер гелия (защита-листок бумаги)
 β – излучение – поток быстрых электронов (защита свинцово-цементные пластины
толщиной несколько см)
 γ – излучение – электромагнитная волна с длиной от 10-10 до 10-13 м – поток нейтронов
(нет защиты)
Период полураспада – время, за которое распадается ровно половина наличных ядер – Т1/2
Закон радиоактивного распада N = N0 2-t/T
частиц через время t.
N0 - начальное число частиц; N – число
Ядерная реакция деления тяжелого ядра при захвате нейтрона, заключается в разделе
исходного ядра на две приблизительно равные части, называемые продуктами деления.
Основную долю энергии несут осколки.
Цепная реакция – процесс, в котором определенная реакция вызывает последующие реакции
того же типа.
Условия протекания цепной реакции:
1. Должны отсутствовать примеси, поглощающие нейтроны
2. Количество вещества, способного делиться должно быть достаточным для того, чтобы
нейтроны не покидали объем, не испытав взаимодействия. Критическая масса –
минимальное количество вещества, необходимое для осуществления цепной реакции.
3. Скорость нейтронов должна быть достаточной, чтобы вызвать деление ядер. Медленные
нейтроны (2 103 м/с)поглощаются продуктивнее, поэтому нейтроны замедляют (графитом
или тяжелой водой)
4. Отношение числа образовавшихся в одном акте деления нейтронов к числу нейтронов в
предыдущем акте называется коэффициентом размножения – k:
а) k = 1 – реактор работает с постоянной мощностью
б) k < 1 – цепная реакция затухает
в) k > 1 – мощность реактора возрастает
Ядерный реактор – устройство, в котором осуществляются управляемые цепные реакции
деления ядер (k = 1)
Основные элементы реактора:





ядерное топливо - 235U, 238U, 239Pu
замедлитель нейтронов – тяжелая вода, графит
теплоносители – вода, жидкий натрий
вещество для регулировки скорости реакции – кадмий, бор
защита – оболочка из бетона, железо
Термоядерные реакции – реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре
(107-109 К)Энергетически реакция выгоднее реакции деления.
Доза излучения – отношение поглощенной энергии ионизирующего излучения к массе
облучаемого вещества D = E/m
(измеряется в Гр)
На практике применяется единица измерения – рентген – 1Р = 0,01 Гр
Предельно допустимая доза – 0,05 Гр; 2 Гр приводит к лучевой болезни; 8 Гр – смертельно
Фундаментальные взаимодействия:
 гравитационное
 электромагнитное
 сильное (ядерные силы)
 слабое (процессы с испусканием и поглощением нейтрино)
V.
Методы научного познания
Теория – система основных идей в данной области знаний
Цель теории – формулировка законов природы, объяснение на их основе существующих
явлений и предсказание новых.
Гипотеза – предположительное суждение о закономерной, причинной связи явлений.
Эксперимент – научный или лабораторный опыт, результатом которого может быть
определение величин или зависимостей, опровержение или подтверждение теории или
гипотезы, открытие нового явления. Только эксперимент является критерием правильности
теории.
Модель – абстрактная система, являющаяся упрощенной копией исследуемой реальной
физической системы. При этом модель должна: иметь область применимости; допускать
достаточно простое математическое описание.
Границы применимости законов задаются:
 указанием допустимых пределов изменения физических величин, входящих в
формулировку закона;
 наивысшей допустимой точностью измерения этих величин;
 обширностью круга физических явлений, для которых закон имеет смысл
Принцип соответствия – любая новая теория, претендующая на более глубокое описание
физической реальности и на более широкую область применимости, чем старая, должна
включать последнюю как предельный случай.
Принцип причинности – устанавливает допустимые пределы влияния физических событий
друг на друга, исключает влияние данного события на все прошедшие события.
Измерения физических величин – совокупность действий, выполняемых с помощью
средств измерения (приборов) для нахождения численных значений физических величин.
Измерения бывают: прямые – измеряют непосредственно; косвенные – находят по формуле
Погрешность измерений:
 абсолютная - ∆х = хизм – хист (или половина цены деления прибора)
 относительная – σ = (∆х/ хист) 100%
По результатам эксперимента можно построить график. На графике отмечают среднее
значение величины и вдоль осей координат откладывают интервалы погрешностей в виде
отрезков. Тогда кривая зависимости будет лежать в «коридоре ошибок», проведенном по
крайним точкам этих интервалов.
Физическая картина мира
Материя
вещество
поле
 четкой границы между полем и веществом нет
 всем формам материи присущ корпускулярно-волновой дуализм
 законы движения всех микрочастиц носят статистический (вероятностный) характер,
для их описания применяют законы квантовой теории
 единство мира проявляется в единстве строения материи и взаимодействий
 окружающий нас мир – вечно движущаяся и развивающаяся материя, которая
изменяется, но не возникает и не исчезает