Год – искусственно получен неизвестный до этого элемент с порядковым номером 43, заполнивший соответствующее место в Периодической системе и получивший название технеций (Тс)

Распад

Виды распада.

Средние элементы Е

Синтез Деление

Е легкие элементы тяжелые элементы Е

Химический элемент – вид атомов, характеризующийся определенной величиной заряда ядра.

17 17

Cl Cl

35 37

· каждый элемент – совокупность нескольких изотопов (поэтому атомные массы в периодической системе не целые числа):

изотопы водорода ¹Н, ²Н – дейтерий (D), ³Н – тритий (Т); в обычном водороде дейтерия примерно 0,017%; тритий – радиоактивный изотоп (период полураспада 12 лет), получают только искусственным путем.

7.3. Радиоактивность.

Радиоактивность – самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер:

· -излучение – поток ядер гелия

· -излучение – поток электронов

· -излучение – поток -фотонов (электромагнитные волны).

Естественная радиоактивность – радиоактивность, проявляемая природными изотопами элементов:

· процессы радиоактивных превращений протекают у разных изотопов с различной скоростью, которая характеризуется постоянной радиоактивного распада – она показывает, какая часть общего числа ядер радиоактивного изотопа распадается в 1 секунду

· количество атомов радиоактивного изотопа, распадающихся в единицу времени, пропорционально общему количеству атомов этого изотопа, имеющемуся в данный момент, - всегда распадается одна и та же часть имеющегося числа атомов

· например, для радона (элемент №86): через 3,85 суток распадается ½ первоначального количества атомов (ядер); еще через 3,85 суток – ½ оставшегося количества и т.д.

· период полураспада Т_1/2 – промежуток времени, в течение которого распадается ½ первоначального количества радиоактивного элемента – характеризует продолжительность жизни элемента (от долей секунды до миллиардов лет для различных радиоактивных изотопов элементов:

ü большинство радиоактивных ядер в силу коротких Т_1/2 в природе не встречается

ü долгоживущих изотопов известно около 20, важнейшие из них - торий-232 (№90) Т_1/2=10¹⁰лет, уран-238 (№92) Т_1/2=4,5.10⁹лет.

1. -распад – ядро атома испускает 2p⁺ и 2n⁰

2p⁺ + 2n⁰ = ядро атома Не ⁴ Не

Заряд ядра уменьшается на 2, т.е. образующийся атом элемента смещается к началу Периодической системы на 2 места:

²³⁸U (уран) ²³⁴Th (торий)

⁹² 4,5.10^{9 90}

По современным представлениям протон и нейтрон представляют собой два состояния одной и той же частицы – нуклона; при некоторых условиях, например, когда избыток нейтронов в ядре приводит к его неустойчивости, нейтрон превращается в протон, одновременно рождая электрон: n⁰= p⁺ + e^-. Конечный продукт распада – устойчивый изотоп свинца. Накопление свинца в результате распада содержащихся в минералах радиоактивных элементов позволяет определить возраст соответствующих горных пород: зная скорость распада урана-238, урана-235, тория-232 и определив их содержание, а также содержание и изотопный состав свинца в минерале, можно вычислить возраст минерала, т.е. время, прошедшее с момента его образования – свинцовый метод.

Для определения возраста сравнительно молодых образований – до 70000 лет применяют радиоуглеродный метод, основанный на радиоактивном распаде углерода-14 (Т_1/2=5600 лет):

· этот изотоп образуется в атмосфере под действием космического излучения и усваивается организмами, после гибели которых его содержание убывает по закону радиоактивного распадаN = N₀, где N₀ – число радиоактивных ядер в произвольно выбранный начальный момент t=0, - вероятность распада ядра за единицу времени; N – число одинаковых нестабильных ядер

· возраст органических остатков (ископаемые организмы, торф, осадочные карбонатные породы) может быть определен путем сравнения радиоактивности содержащегося в них углерода с радиоактивностью углерода атмосферы.

7.4. Искусственная радиоактивность. Ядерные реакции.

1934 год – Кюри – обнаружили, что некоторые легкие элементы (B, Mg, Al) при бомбардировке их -частицами испускают позитроны e⁺; если убрать источник, тоиспускание e⁺ продолжается еще некоторое время. Это значит: при бомбардировке -частицами образуются какие-то радиоактивные атомы, обладающие определенной продолжительностью жизни, но испускающие не -частицы и не e^-, а позитроны

²⁷Al + ⁴He ³⁰P + n^{0 30}P ³⁰Si + e⁺

^{13 2 15 15 14}

неуст. уст.

Таким образом, была открыта искусственная радиоактивность. Радиохимия – раздел химии, изучающий радиоактивные элементы и их поведение.

Получение изотопа фосфора путем бомбардировки атомов алюминия -частицами – пример ядерных реакций – взаимодействие ядер с элементарными частицами (n⁰, p⁺, -фотоны) или с другими ядрами (-частицы, дейтроны ²Н):

· для проникновения в ядро-мишень и осуществления ядерной реакции бомбардирующая частица должна обладать большой энергией

· установки, позволяющие сообщать огромную энергию заряженным частицам – ускорители (циклотроны, синхрофазотроны, …)

· также используются потоки нейтронов, образующиеся при работе атомных реакторов.

Первая ядерная реакция, которую применили для получения энергии, - реакция деления урана-235 под действием проникающего в ядро n⁰, При этом образуются два новых ядра-осколка близкой массы, испускаются несколько нейтронов («вторичные») и освобождается огромная энергия: в результате деления 1 г урана-235 энергии выделяется больше, чем при сгорании 2 т каменного угля. Вторичные нейтроны могут захватываться другими ядрами урана-235 и, в свою очередь, вызывать их деление. Таким образом, число отдельных актов распада прогрессивно увеличивается, возникает цепная реакция деления ядер урана.

Не все вторичные нейтроны участвуют в развитии этого цепного процесса:

· некоторые успевают вылететь за пределы куска урана, не успев столкнуться с ядром способного к делению изотопа; поэтому в небольшом куске урана начавшаяся цепная реакция может оборваться

· для ее непрерывного продолжения масса куска урана должна быть не менее критической массы.

При делении урана цепной процесс может приобрести характер взрыва:

· для управления процессом нужно регулировать скорость процесса, меняя число нейтронов способных продолжать реакцию

· в реакционный объем вводят стержни, содержащие элементы, ядра которых интенсивно поглощают нейтроны (например, кадмий).

Реакция ядерного синтеза также может служить источником энергии:

· при образовании ядра атома гелия из ядер дейтерия и трития на 1 г выделяется в 5 раз больше энергии, чем при распаде 1 г урана-235

²Н + ³Н ⁴Не + n⁰

1 1 2

· запасы дейтерия на Земле (4.10¹³т) могли бы стать неисчерпаемым источником энергии для человечества

· но нужна очень высокая температура (более 1млн градусов) – это термоядерные реакции (ТЯР)

· неуправляемая ТЯР – водородная бомба

· сейчас активно исследуются возможности осуществления управляемых реакций ядерного синтеза

· рабочее вещество – высокотемпературная плазма – сильно разогретый и сильно ионизированный газ

· проблема – создание и удержание в ограниченном объеме высокотемпературной плазмы достаточной плотности

· природные ТЯР протекают в звездах, Солнце – гигантский термоядерный реактор.

7.5. Кристаллы. Полупроводники. Микро- и наноэлектроника.

Квантовая механика объяснила поведение электронов не только в отдельных атомах, но и в твердом теле – кристалле, отличительной чертой которого является упорядоченная периодическая пространственная структура (кристаллическая решетка), образованная атомами или ионами вещества. С использованием квантовой механики разработана квантовая теория твердого тела, ставшая основой более узких направлений в физике, в частности – физики полупроводников:

· важнейшее свойство полупроводниковых кристаллов – высокая чувствительность их электропроводности к изменениям температуры, давления, освещенности, магнитного поля; это позволяет использовать полупроводники в качестве основы для создания эффективных датчиков, реагирующих на различные воздействия (обеспечивают работу устройств автоматики, сигнализации, дистанционного управления и т.д.)

· на свойства полупроводника радикально влияют малейшие примеси различных элементов; в зависимости от характера примесей, вводимых в полупроводниковые кристаллы, их относят к электронному (n) или дырочному (p) типам:

ü кристаллы n-типа проводят электрический ток за счет перемещения по кристаллу электронов

ü в кристаллах p-типа положительный заряд переносят электронные вакансии (дырки)

· современная технология позволяет создавать в пределах единого полупроводникового кристалла областью с проводимостью электронного и дырочного типов:

ü граница раздела между двумя такими областями – электронно-дырочный переход (p-n-переход)

ü свойства p-n-перехода позволяют использовать его как основу для создания полупроводниковых приборов и полупроводниковых интегральных схем:

простейший – полупроводниковый диод – содержит один p-n- переход;

транзистор содержит два p-n- перехода;

в солнечной батарее p-n- переходы превращают световую энергию в электрическую;

в светодиодах и полупроводниковых лазерах p-n- переход используется для обратного превращения.

Развитие квантовой теории полупроводников, технологии полупроводниковых кристаллов и приборов явилось одной из важнейших предпосылок и основ современной цивилизации. Новым направлением полупроводниковой технологии стала микроэлектроника – технология создания электронных устройств на основе интегральных микросхем (ИМ):

· ИМ – совокупность большого числа электронных элементов малых размеров, созданных в едином технологическом цикле в пределах одного кристалла и объединенных в единый функциональный узел

· ИМ – элементная база компьютерной техники, техническая база информационных технологий

Уровень, достигнутый микроэлектроникой, позволяет создавать более миллиона элементов на 1 см² поверхности кристалла (размеры элементов микросхемы – десятые доли микрометра). Микроэлектроника непрерывно развивается в направлении уменьшения размеров элементов и увеличения плотности их размещения на кристалле – новейшие достижения физики, химии и технологии позволили проводить разработки ИМ, размеры элементов которых измеряются нанометрами (10^-9 м). На этапе наноэлектроники реализуются возможности управления структурой кристалла на уровне отдельных атомных слоев и индивидуальных атомов.

7.6. Квантовые генераторы (лазеры).

LASER – L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation (усиление света при помощи вынужденного излучения).

Лазерный луч состоит из когерентных волн, которые настолько параллельны между собой, что могут передаваться на большие расстояния без существенного расхождения в конечной точке: с помощью точно сфокусированного луча можно подогреть кофейник на расстоянии нескольких тысяч километров; в 1962 году лазерный луч достиг Луны, образовав на лунной поверхности пятно диаметром около 3 км.

Лазер – устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую и др.) в энергию монохроматического когерентного узконаправленного оптического излучения. Работа лазера основана на процессе вынужденного излучения возбужденными квантовыми системами – атомами газов, жидкостей и кристаллов:

· электрон в возбужденном атоме может перейти на один из своих разрешенных энергетических уровней с меньшей энергией, отдав при этом избыток энергии в виде излучения

· процесс испускания фотона возбужденным атомом без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным излучением (случайный процесс) - излучение разных атомов происходит в разные моменты, в произвольных направлениях, со случайными фазами колебаний; это делает излучение большинства источников света немонохроматическим и ненаправленным

· вынужденное излучение - если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует излучение, какое способен испустить сам этот этом, то в нем стимулируется переход в нижнее состояние:

ü первичный фотон при этом не поглощается и, таким образом, после акта вынужденного излучения распространяются уже два фотона (первичный и «вынужденный»)

ü вынужденное и первичное излучения совпадают по частоте и фазе колебания (когерентны), распространяются в одном направлении

· явление вынужденного излучения позволяет усиливать свет – это возможно в среде, состоящей из атомов, большинство из которых к определенному моменту находится в одинаковом возбужденном состоянии; соответствующие вещества являются основой для создания лазеров, из них изготавливается основная часть лазера – рабочее тело

· в такой среде любой фотон спонтанного излучения, взаимодействуя с попадающимися на его пути возбужденными атомами, образует нарастающую лавину вторичных фотонов вынужденного излучения – в этом направлении происходит многократное усиление света за счет энергии среды

Разработаны модели световых генераторов, дающих лазерные лучи сотен различных длин волн от УФ- до ИК-областей спектра:

· первая удачная модель создана в 1960 году; в качестве рабочего тела использовались оксиды металлов (например, искусственный рубин – оксид алюминия с примесью оксида хрома), фториды, полупроводниковые кристаллы, газы, жидкости

· в 1964 году появился первый химический лазер, в котором источником энергии является химическая реакция; преимущество – энергия вырабатывается в самом устройстве

· органические лазеры – генераторы, дающие когерентное излучение с помощью органических красителей; сложное строение органических молекул делает возможными самые разнообразные переходы электронов во время химических реакций, следовательно, самые различные длины когерентных волн; с помощью одного и того же органического лазера можно при желании «настроиться» на любую нужную волну.

Узкая форма лазерного пучка создает возможность сконцентрировать огромную энергию практически в одной точке и довести температуру этого крохотного участка до очень высоких значений:

· можно испарять образцы металлов; резать, сваривать, делать отверстия любой формы в самых твердых и тугоплавких материалах

· удается восстановить отслоившуюся сетчатку глаза, уничтожить злокачественные опухоли; проводить сверхтонкие операции на сосудах и многое другое.

Диапазон практического использования лазеров:

· удаление напечатанного на бумаге текста (испаряет краситель)

· сверхточные измерения, например, контроль малейших сдвигов земной коры с точностью до 1.10^-10%

· лазерный отражатель, установленный на Луне, для точного измерения расстояния до Луны с помощью лазерного сигнала с Земли

· средства связи и коммуникации:

ü благодаря тому, что частота когерентного лазерного излучения намного выше частоты радио- и телеволн, появляется возможность разместить тысячи каналов связи в узком пространственном диапазоне, который сейчас занимает один традиционный радиоканал

ü для волн светового диапазона, в отличие от радиоволн, облака, туман, пыль – существенная помеха; но создан лазер, работающий на оксиде углерода, который генерирует ИК-лазерный луч такой мощности, что тот без помех проходит через земную атмосферу.

7.7. Квантовая физика и развитие современной цивилизации.

В громадном перечне современных технических и технологических применений естествознания особое место занимает небольшое число тех, которые формируют лицо современной цивилизации, определяют характер и динамику развития общества:

· Основой современной энергетики все больше становится энергия атомного ядра. Соответственно достижения ядерной физики, их производственное использование имеют для человечества громадное значение сейчас и в перспективе.

· Информационные технологии, пронизывающие все сферы современной жизни и производства, базируются на компьютерной техники, основанной на достижениях физики полупроводников, микро- и наноэлектроники.

· Лазерные технологии и устройства настолько широко внедрены в производственную и непроизводственную сферы, что нет никакого сомнения в роли лазерной физики как ключевого фактора научно-технического прогресса.

Все ключевые направления техники и технологии, в решающей мере определяющие характер современной цивилизации, возникли и развиваются благодаря становлению и развитию квантовой физики.

7.8. Основные методологические следствия квантовой концепции.

Квантовая механика дала естествознанию несколько новых методологических открытий, важных не только для физики и естествознания, но и для формирования научного мировоззрения вообще:

1. Важнейший общеметодологический вывод из истории развития квантовой концепции: всякий раз, когда мы имеем дело не с повседневным опытом, все обычные, устоявшиеся представления нужно применять с осторожностью. Так, на уровне микроявлений невозможно обойтись наглядными образами и простыми механическими моделями.

2. Описание микрообъектов в квантовой механике неоднозначное, вероятностное. Квантовая механика дает лишь вероятность того или иного результата. Именно этот вероятностный, статистический характер закономерностей квантовомеханического описания ознаменовал переход от эпохи классического естествознания к неклассическому.

3. Квантовая механика привела к выводу о том, что в природе фундаментальную, приоритетную роль играют статистические, вероятностные законы. Закономерности динамического типа носят подчиненный характер. Квантовая механика показала, что вероятностное поведение характерно не только для большого коллектива частиц – поведение даже одного микрообъекта имеет вероятностный характер.

4. Мы вынуждены описывать объекты микромира на языке классической физики, на котором «говорят» наши средства наблюдения и на котором мы формулируем наши мысли. Но наглядной модели микрообъекта не существует. Мы пытаемся представить цельный, но непредставимый из-за своей многомерности микрообъект, изучая как бы его отдельные, но воспринимаемые нами проекции, и дополняя одну проекцию другими (принцип дополнительности). При этом существует ограничение на одновременное точное представление цельного объекта с помощью отдельных «проекций» (принцип неопределенности).

Дата добавления: 2014-01-11