 |
Макроскопический уровень вещества и его состояния
|
|
|
|
На этом уровне вещество может находиться в трех основных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом+ плазма, которая представляет собой частично или полностью ионизованный газ, в котором положительно и отрицательно заряженные частицы (обычно положительные ионы и свободные электроны) компенсируют свои электрические заряды. Плазма в целом электрически нейтральна.
Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних (неустойчивых) атомных ядер (распад) в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Такие ядра и соответствующие им нуклиды (атомы) называют радиоактивными (радионуклиды).
Необходимое условие радиоактивного распада – масса исходного ядра (материнского ядра) должна превышать сумму масс продуктов распада (дочерних ядер). Поэтому каждый распад происходит с выделением энергии в форме невидимого (ультракороткого) излучения.
Радиоактивность следует рассматривать как внутриядерный процесс.
Радиоактивность, наблюдаемая у ядер в природных условиях, называется естественной.
Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций в лабораторных условиях, называется искусственной.
К числу радиоактивных процессов относятся:
· α – распад, т.е. самопроизвольное испускание радионуклидом α-частицы (ядро атома гелия (_2^4)𝐻𝑒);
· β – распад, т.е. самопроизвольный процесс превращения материнского ядра в дочернее ядро с тем же массовым числом А, но с зарядовым числом Z, отличающимся от исходного на ±1, и сопровождающимся испусканием β-частиц (электрон или позитрон) или возможным захватом ядром электрона из собственной оболочки атома;
• γ – распад заключается в испускании возбужденным ядром (при переходе его в основное состояние) γ-квантов, энергия которых варьируется в пределах от 10 кэВ до 5 МэВ; возбужденные ядра образуются при β-распаде в случае, если распад материнского ядра в основное состояние дочернего ядра запрещен;
|
|
|
Все три типа излучения обладают различной проникающей способностью.
· α-частицы задерживаются тонким листом картона).
· β – частицы способны проникать через миллиметровый лист алюминия.
· Отдельные γ- фотоны могут проникать через сантиметровый лист свинца.
α и β - лучи подвержены электромагнитному воздействию, γ - лучи (как поток нейтральных фотонов) – нет.
Все три типа излучения (α, β, γ) можно обнаружить только в смесях различных радионуклидов. Чистый радионуклид испускает или α -, или β - лучи, которые могут сопровождаться γ - лучами. Испускание только γ - излучения наблюдается крайне редко.
Закон радиоактивного распада:
число ядер dN, распадающихся за малый промежуток времени dt, пропорционально как числу имеющихся (еще нераспавшихся) ядер N на момент времени t, так и промежутку времени dt:
, (1)
где λ– постоянная распада (характеристика радионуклида).
Интегрированием (1) получается классический закон радиоактивного распада:
,
где 
- количество радиоактивных ядер на начальный момент, N - количество нераспавшихся ядер на момент времени t.
Интенсивность радиоактивного распада характеризуют числом распадов в единицу времени, т.е. отношением:
| dN/dt |= λ∙N.
Эту величину принято обозначать как А и называть активностью; единицей измерения активности в СИ считается беккерель 1 (Бк) = 1 (распад/с), также на практике используется кюри 1 (Ки) = 
(Бк).
Период полураспада Т – время, за которое распадается половина первоначального количества ядер; это время определяется из условия:
Специальной формой закона распада через активность, т.е.
|
|
|
, где 
- активность радиоактивного препарата на начальный момент времени.
Связь периода полураспада и среднего времени жизни радионуклида: 
.
α - распад
Распад происходит по схеме: 
где X – материнское ядро, Y – дочернее ядро.
Кинетическая энергия α – частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и α – частицы. Эта избыточная энергия распределяется между α – частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам.
Скорости, с которыми α – частицы вылетают из распавшегося ядра – велики (~ 
), а кинетическая энергия составляет ~ 1 МэВ. Пролетая через вещество, α – частица постепенное теряет свою энергию, растрачивая ее на ионизацию молекул (атомов) вещества, и в конце концов останавливается.
α – частица возникает только в момент радиоактивного распада ядра. Покидая ядро, ей приходится преодолевать потенциальный барьер, высота которого превосходит энергию частицы.
Внутренняя сторона барьера обусловлена ядерными силами, а внешняя – силами кулоновского отталкивания α – частицы и дочернего ядра
Преодоление α – частицей потенциального барьера в данных условиях происходит за счет туннельного эффекта. У α – частицы с энергией Е скорость 
, а частота соударения ее со стенкой барьера 
. Согласно квантовой теории и с учетом волновых свойств α – частиц, существует определенная вероятность прохождения такого барьера 
, а вероятность выхода α – частицы из ядра в единицу времени, т.е. 
, и она также равна λ = 
.
Различают три вида β - распада
• Электронный 
- распад протекает по схеме:
, т.е. дочернее ядро имеет атомный номер Z на единицу больший, чем у материнского ядра. Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра 
превратился в протон по схеме 
, поэтому часто говорят, что свободный нейтрон β -радиоактивен.
• Позитронный 
- распад протекает по схеме:
. Этот процесс протекает так, как если бы один из протонов ядра превратился в нейтрон по схеме 
+ 
, причем этот процесс может идти только в составе ядра, где протон заимствует требуемую энергию у других нуклонов.
• Электронный захват протекает по схеме:
|
|
|
. Этот процесс заключается в том, что ядро поглощает один из К -электронов (реже один электрон из L- или М- оболочек) своего атома, а в результате – один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино: 
+ 
; возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии и испустит γ–кванты.
Место в электронной К -оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электроном из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские, характеристические лучи. β-электроны обладают самой разнообразной кинетической энергией от 0 до 
.
• γ – распад
Этот вид распада заключается в испускании возбужденным ядром при переходе его в основное состояние γ–квантов, энергия которых варьируется в пределах от 10 кэВ до 5 МэВ. Возбужденные ядра образуются при β–распаде в случае, если распад материнского ядра в основное состояние дочернего ядра – запрещен.
Существенно, что спектр испускаемых γ–квантов дискретный, так как дискретны энергетические уровни самих ядер.
Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.
Звезда – основная структурная единица мегамира. Это шар из газа в состоянии плазмы, природный термоядерный реактор, в котором происходит химическая эволюция вещества, переработка его на ядерном уровне. В центре звезды температура примерно 15 млн. градусов. Звезды производят химические элементы, дают свет и жизнь. Звезды по сложным орбитам движутся вокруг центра Галактики. Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр, – переменные звезды и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Возможно, из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения и образование газовых туманностей. Самые крупные звезды называются красными гигантами и сверхгигантами. Существуют также нейтронные звезды, они состоят из огромного сгустка нейтронов.
|
|
|
Астероиды (малые планеты) – тела Солнечной системы с диаметром от 1 до 1000 км.
Планеты – несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет.
Галактика – гигантское скопление звезд и звездных систем. Они разнообразны по форме и размерам. Размеры галактик (их видимой части) изменяются в пределах от 1 до 100 Кпк. Большинство галактик выглядят как гигантские спирали (туманность Андромеды, туманность Треугольника). Примерно четверть всех известных галактик имеют круглую или эллиптическую форму. Третий тип галактик – неправильные. Они имеют неправильную асимметрическую форму. Масса галактик изменяется в пределах от 109 до 1012 массы Солнца. В центре галактики (ядро галактики) обычно располагается звездное скопление, но может находиться и черная дыра – особый космический объект с чрезвычайно высокой плотностью (до 
), образовавшийся в результате гравитационного коллапса (схлопывания) некоторой неустойчивой звезды. Скопления звезд бывают двух типов: шаровые и рассеянные. В нашей Галактике около 500 шаровых скоплений и примерно 20 тыс. рассеянных. Шаровые скопления – это массивные объекты правильной сферической формы, содержащие сотни тысяч и даже миллионы звезд. Рассеянные звездные скопления можно найти в любой части неба, но больше всего их около Млечного Пути.
Закон Хаббла: закон расширения, определяет для достаточно удаленных от нас космических объектов (например, галактика на расстоянии r > 10 Мпк) их скорость «убегания» 
, где 
– постоянная Хаббла. По величине, обратной H, можно оценить возраст Вселенной: 
Теория Большого взрыва
около 
лет назад вся Первовселенная находилась в так называемом сингулярном состоянии с «бесконечно» большой плотностью (ρ ≈ ) и чрезвычайно высокой температурой (Т ≈ 
K) и представляла собой точечный микрообъект размером порядка 
м, затем произошел Большой взрыв и Вселенная начала расширяться
Этапы эволюции Вселенной:
1. Адронная эра (длилась до момента времени t = 
c) – этап образования тяжелых частиц − барионов и мезонов; на этом этапе средняя плотность материи ρ ≥ 
, температура Т ≤ K. Существуют протон и антипротон, нейтрон и фотон, но отсутствует полная зарядовая симметрия. Наличие избытка нуклонов определяет реликтовое излучение, которое регистрируется и сегодня.
- Лептонная эра (длилась до момента времени t = 10 c) – этап с характерными плотностью материи ρ ≈
и температурой Т ≈ 
К. Началу этого этапа свойственно равномерное распределение энергии между фотонами, электронами и позитронами, мезонами, нейтрино и антинейтрино. По мере уменьшения температуры в ходе термоядерных реакций образуются изотопы водорода и гелия. - Эра фотонной плазмы - (длилась до момента времени t =
c = 1 млн лет) – этап с характерными плотностью материи ρ ≈ 
и температурой Т ≈ 
К. На этом этапе шло интенсивное рассеяние фотонов на электронах, обеспечивающее зарядовую нейтральность вещества Вселенной. Атомы водорода начинают накапливаться во Вселенной. Происходит «отрыв» излучения от вещества, и главную роль начинает играть вещество, а не излучение, как это было на ранних этапах. - Послерекомбинационная эра - этап накопления и структуризации космического вещества, продолжается до настоящего времени. С некоторого момента времени этого периода при средней плотности материи ρ ≈
начали формироваться галактики и звезды.
|
|
|
|
|
|
