VI.4 Фотоелектричний ефект

Фотоефектом називають повне або часткове звільнення електронів від зв’язків з атомами і молекулами речовини під дією світла.

Розрізняють два види фотоефекту – внутрішній і зовнішній.

При внутрішньому фотоефекті під дією світла електрони звільняються від зв’язків з атомами і стають вільними, але не виходять за межі речовини. Внаслідок цього збільшується електропровідність тіла (зменшується опір електричному струмові).

При зовнішньому фотоефекті електрони не тільки відриваються від атомів, а й виходять за межі освітлюваного тіла.

У явищі фотоефекту яскраво проявляється квантова природа світла. Так, при фотоефекті один електрон поглинає тільки один квант світла (мінімальну неподільну порцію електромагнітної енергії). Очевидно, що енергія поглинутого електроном кванта світла hn повинна бути рівною або більшою ніж робота виходу А_вих електрона з речовини. Згідно з рівнянням Ейнштейна, яке виражає собою закон збереження енергії при зовнішньому фотоефекті, енергія фотона витрачається на виконання роботи виходу А_вих електрона з тіла, а залишок її – на надання цьому електрону кінетичної енергії (де m i v – маса і швидкість електрона, відповідно).

. (VI.3)

Зрозумілою, що при hn < A_вих електрони не виходять за межі тіла.

Мінімальна частота n_min світла (електромагнітної хвилі), при якій починається зовнішній фотоефект (тобто коли hn_min = A_вих ) називається червоною межею фотоефекту.

Знаходячи експериментальним шляхом чисельне значення червоної межі фотоефекту n_min, визначають таку важливу характеристику речовин, як робота виходу електрона з них. Якщо робота виходу електрона з речовини мала, то речовина хімічно активна, а якщо велика – хімічно пасивна.

VII. Ядра атомів хімічних елементів

VII.1 Будова ядер атомів. Ізотопи. Ядерні сили

Ядра атомів всіх хімічних елементів складаються із двох типів елементарних частинок – протонів і нейтронів та мають розмір порядку 10^-15м. Протон – це елементарна частинка, яка має позитивний заряд, рівний за величиною заряду електрона (е = 1,6 10^-19 Кл), і масу m_p = 1,6726 10^-27 кг. Нейтрон – не заряджена частинка з масою m_n = 1,6749 10^-27 кг. Загальна назва цих частинок – нуклони.

Кількість протонів N_p в ядрі атома хімічного елемента дорівнює його порядковому номеру Z в таблиці Менделєєва, а кількість нейтронів N_n – різниці між масовим числом А атома і атомним номером елемента:

N_n = A – Z.

У всіх ядрах атомів даного хімічного елемента кількість протонів однакова, але нейтронів – може бути різним.

Атоми, ядра яких мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів, називають ізотопами.

Наприклад, водень має чотири ізотопи – протій, дейтерій, тритій, чотиринуклонний ізотоп. У ядрі протію – один протон (масове число А = 1), дейтерію – один протон і один нейтрон (А = 2), тритію – один протон і два нейтрони (А = 3), чотиринуклонного ізотопа – один протон і три нейтрони (А = 4).

Нуклони утримуються в ядрі завдяки ядерним силам притягання, що мають неелектричну природу, діють на відстанях менше 10^-15м, і за величиною переважають сили електростатичного відштовхування, що діють між протонами. При більших відстанях ядерні сили різко спадають до нуля. Ці сили притягання називають ядерними (або сильними) і вони є одними з чотирьох видів фундаментальних сил, що існують у природі (поряд з електромагнітними, гравітаційними і так званими “слабкими” силами).

VII.2 Радіоактивність. Радіоактивне випромінювання

Серед ізотопів хімічних елементів є такі, ядра атомів яких стабільні і можуть існувати нескінченно довго, але є й такі, ядра яких самовільно розпадаються. До перших належать ядра атомів легких елементів, у яких приблизно однакова кількість протонів і нейтронів. Ядра атомів ізотопів, важчих від свинцю, в яких кількість нейтронів переважає кількість протонів, не стабільні.

Самовільний розпад ядер атомів і перетворення їх в ядра атомів легших хімічних елементів називається природною радіоактивністю.

Природна радіоактивність властива урану, радію, полонію, актинію та іншим елементам. Такі хімічні елементи називають радіоактивними.

Явище радіоактивності супроводжується трьома видами радіоактивного випромінювання: і - випромінюваннями, які називають радіоактивними.

a – випромінювання – потік ядер атомів гелію , які складаються із 2-х протонів, 2-х нейтронів і мають заряд +2.

b – випромінювання – потік електронів із середньою швидкістю біля 160 тис. км/с.

g – випромінювання – електромагнітні хвилі з частотою 10²⁰ Гц.

Під час руху в середовищі -частинка, яка має дуже велику енергію, іонізує атоми і, втративши енергію, захоплює 2 електрони із числа вільних електронів речовини перетворюється в атом гелію. На довжині пробігу 1 см -частинка створює біля 30 тис. пар іонів і пробігає в повітрі 3–9 см. У металах довжина пробігу -частинок складає соті долі міліметра, а в біологічних тканинах – десяті долі міліметра.

Іонізуюча здатність -частинок приблизно в сто разів менша, а довжина пробігу в стільки ж разів більша, порівняно з -частинками. У повітрі -частинки розповсюджуються на відстань біля 40 м, у металах – на ~ 2см, у біологічних тканинах – на ~ 6 см.

-випромінювання має низьку іонізуючу здатність порівняно з - і -

випромінюванням (у повітрі приблизно сто пар іонів, 1–2 пари іонів на відстані

1 см), але велику проникну здатність. У повітрі воно розповсюджується на сотні метрів, проходить через шар свинцю товщиною 5 см і наскрізь пронизує тіло людини.

Існує ряд методів, які дозволяють визначати інтенсивність радіоактивного випромінювання (лічильники Гейгера-Мюллера, камера Вільсона, бульбашкова камера, сцинциляційні лічильники тощо).

Радіоактивне випромінювання справляє виражений негативний вплив на біологічні об’єкти через те, що призводить до іонізації молекул в біологічних тканинах. При цьому іонізація (або розрив) функціонально важливих макромолекул у живих клітинах веде до суттєвих порушень метаболізму в організмі тварин чи людини. Вираженість негативного впливу радіоактивного випромінювання на біологічні об’єкти має дозозалежний характер і при значних дозах опромінення веде до летального ефекту.

VII.3 Реакції ділення та синтезу ядер

Ядра атомів при їх збудженні діляться на дві частини. Для переведення

ядер у збуджений стан їх "обстрілюють" частинками з великими енергіями (протонами, -частинками, нейтронами). Найбільший ефект дає обстріл ядер нейтронами, які є електронейтральними і не відштовхуються від ядер атомів.

Ділення ядер атомів супроводжується і - випромінюванням і вилітанням 2–3-х нейтронів. Ці нейтрони, попадаючи в ядра інших атомів, збуджують їх і викликають ділення. Таким чином розвивається ланцюгова реакція, що обумовлює ділення величезної кількості ядер за дуже короткий час. Продукти розпаду мають дуже великі енергії, а виділення великої енергії за дуже короткий час є вибух. Описане явище використовують в атомних бомбах, робочою речовиною в яких служать ізотопи урану чи плутоній.

Для використання енергії ділення ядер в мирних цілях необхідно керувати ланцюговою реакцією так, щоб запобігти вибуху. Для цього в робочу речовину реактора вводять керівні стержні, що містять у собі графіт, кадмій або бор, які сильно поглинають нейтрони, що запобігає розвитку ланцюгової реакції. Енергія продуктів розпаду передається теплоносію (важка вода, розплавлений метал), що циркулює по трубах навколо реактора, відводиться по них із активної зони реактора і перетворюється в генераторах струму в механічну, а потім в електричну енергію.

Окрім ядерних реакцій ділення існують ядерні реакції синтезу, коли із двох чи декількох легких ядер утворюється ядро атома більш важкого хімічного елемента. При цьому виявляється, що синтезоване, наприклад, ядро атома гелію із ядер дейтерію і тритію має приблизно в десять разів більшу енергію, ніж енергія, що виділяється при розпаді ядра атома урану.

Але, щоб зблизити два ядра до відстані ~ 10^-13 см, на якій діють ядерні сили притягання, необхідно подолати сили кулонівського відштовхування. Це означає, що ядра атомів повинні мати достатньо велику енергію. Виявляється, що таку енергію частинки мають при температурах в десятки мільйонів кельвінів. Тому такі реакції синтезу називають термоядерними. Поки що термоядерна реакція реалізована у водневій бомбі, що являє собою герметичну посудину із сумішшю дейтерію і тритію, у верхній частині якої знаходиться невелика атомна бомба. Під час вибуху останньої температура досягає десятків мільйонів кельвінів, що спричиняє термоядерну реакцію і вибух водневої бомби.

Над здійсненням керованих термоядерних реакцій і використанням їх для отримання енергії працює багато колективів учених всього світу. Успішне завершення цих наукових досліджень дозволить забезпечити людство практичним джерелом енергії на тисячі років, враховуючи величезні запаси водню у світовому океані.

ДОВІДКОВІ ТАБЛИЦІ

1. Основні фізичні сталі

Фізична стала	Позначення	Числове значення
Прискорення вільного падіння Гравітаційна стала Число Авогадро Універсальна газова стала Заряд електрона та протона Маса електрона Маса протона Швидкість світла у вакуумі Стала Планка Об’єм моля газу при нормальних умовах Електрична стала Магнітна стала	g G NA R e, p me mp с h   Vм e0 μ0	9,81 м/с^2 6,67 · 10^-11м^3/кг·с^2 6,02 · 10^23 моль^-1 8.31 Дж/К·моль 1,6 · 10^-19 Кл 9,1 · 10^-31кг 1,67 · 10^-27 кг 3 · 10^8 м/с 6,63 · 10^-34Дж·с   22,4 · 10^-3 м^3 8,85 · 10^-12 Ф/м 4π · 10^-7Г/м

2. Основні одиниці СІ

Назва величини	Назва одиниці	Позначення
Довжина Маса Час Сила електричного струму Абсолютна температура Сила світла Кількість речовини	Метр Кілограм Секунда Ампер Кельвін Кандела Моль	м кг с А К кд моль

3. Префікси для утворення кратних і дольних одиниць

Префікси кратних одиниць	Відношення до основної одиниці	Українськепозна-чення	Префікси кратних одиниць	Відношення до основної одиниці	Українськепозна-чення
Екса Пета Тера Гіга Мега Кіло Гекто Дека	10^18 10^15 10^12 10^9 10^6 10^3 10^2 10^1	Е П Т Г М к г да	Деци Санти Міллі Мікро Нано Піко	10^-1 10^-2 10^-3 10^-6 10^-9 10^-12	д с м мк н п

ЛІТЕРАТУРА

1. Грабовський Р.И. Курс физики: Учеб. пособие для с/х ин-тов. – М., 1974. – 552 с.

2. Кабардин О.Ф. Физика: Справою. материалы. – М., 1991. – 367 с.

3. Белановский А.С. Основы биофизики в ветеринарии. – М., 1989. – 271 с.

ЗМІСТ

Вступ.........................................................................................................................................3

І. Основи механіки.....................................................................................................................4

І.1 Основи кінематики поступального руху...............................................................................4

І.2 Основи динаміки поступального руху. Закон Ньютона. Маса і сила.................................7

І.3 Гравітаційні сили. Закон всесвітнього тяжіння. Вага тіла...................................................8

І.4 Сила пружності.........................................................................................................................10

І.5 Сила тертя.................................................................................................................................11

І.6 Робота і потужність..................................................................................................................11

І.7 Енергія. Види механічної енергії............................................................................................13

І.8 Основи кінематики обертового руху......................................................................................14

І.9 Основний закон динаміки обертового руху...........................................................................16

І.10 Основи кінематики коливального руху................................................................................17

І.11 Хвильові процеси....................................................................................................................18

І.12 Звукові хвилі (звук).................................................................................................................20

ІІ. Основи молекулярної фізики.................................................................................................23

ІІ.1 Основні положення молекулярно-кінетичної теорії............................................................23

ІІ.2 Теплота і температура.............................................................................................................25

ІІ.3 Газовий стан речовин та його характеристики.....................................................................26

ІІ.4 Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу....................................27

ІІ.5 Рівняння стану ідеального газу...............................................................................................28

ІІ.6 Зв’язок між середньою енергією молекул і абсолютною температурою газу..................28

ІІ.7 Зв’язок тиску з абсолютною температурою газу..................................................................29

ІІ.8 Явища переносу. Дифузія.......................................................................................................29

ІІ.9 Теплопровідність......................................................................................................................31

ІІ.10 В’язкість (внутрішнє тертя)..................................................................................................32

ІІ.11 Поверхневий натяг................................................................................................................ 33

ІІ.12 Явища змочування і незмочування...................................................................................... 34

ІІ.13 Додатковий тиск під викривленою поверхнею рідин........................................................ 35

ІІ.14 Капілярні явища. Формула Жюрена.....................................................................................35

ІІ.15 Пароутворення та його види. Конденсація.......................................................................... 37

ІІ.16 Вологість повітря. Точка роси.............................................................................................. 38

ІІ.17 Основи термодинаміки. Закони термодинаміки................................................................. 39

ІІІ. Основи електрики.................................................................................................................. 40

ІІІ.1 Природа електричних явищ. Взаємодія зарядів................................................................40

ІІІ.2 Електричне поле. Напруженість поля точкового заряду. Силові лінії поля...................42

ІІІ.3 Потенціал електричного поля. Напруга..............................................................................44

ІІІ.4 Провідники в електричному полі........................................................................................45

ІІІ.5 Діелектрики в електричному полі.......................................................................................46

ІІІ.6 Електричний струм. Сила струму. Електрорушійна сила.................................................47

ІІІ.7 Опір провідників. Закон Ома для ділянки кола. Робота і потужність струму................50

ІІІ.8 Закон Ома для замкнутого кола...........................................................................................52

IV. Електромагнетизм...............................................................................................................54

IV.1 Природа магнетизму. Взаємодія електричних струмів. Напруженість

магнітного поля. Закон і формула Ампера.........................................................................54

IV.2 Силові лінії магнітного поля...............................................................................................55

IV.3 Речовини в магнітному полі. Магнітна індукція. Потік магнітної індукції..................56

IV.4 Електромагнітна індукція та її види...........................................................................57

IV.5 Електромагнітні хвилі..........................................................................................................61

V. Оптичні явища.......................................................................................................................62

V.1 Природа світла.......................................................................................................................62

V.2 Заломлення світла..................................................................................................................63

V.3 Дисперсія світла.....................................................................................................................66

V.4 Поглинання світла. Фізико-хімічна дія світла....................................................................66

V.5 Інтерференція світла.............................................................................................................68

V.6 Дифракція світла....................................................................................................................69

VІ. Атоми хімічних елементів.................................................................................................72

VІ.1 Модель будови атома. Постулати Бора..............................................................................72

VІ.2 Будова багатоелектронних атомів. Таблиця Менделєєва.................................................74

VІ.3 Утворення спектрів випромінювання і поглинання електромагнітних хвиль...............75

VІ.4 Фотоелектричний ефект...............................................................................................76

VІІ. Ядра атомів хімічних елементів........................................................................................77

VІІ.1 Будова ядер атомів. Ізотопи. Ядерні сили.........................................................................77

VІІ.2 Радіоактивність. Радіоактивне випромінювання...............................................................78

VІІ.3 Реакції ділення та синтезу ядер..........................................................................................79

Навчальне видання

Фізика

Основні поняття, явища і закони

Розумнюк Віктор Трохимович

Якименко Ігор Леонідович

Редактор В.І. Драчук

Комп’ютерна верстка:

Реквізит за зразком

Дата добавления: 2015-05-23