ЛЕКЦИЯ 7 ОПТИКА. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ. План 7.1 Природа света. Геометрическая оптика. 7.2 Тонкие линзы. Формула тонкой линзы. Построение изображений в линзах 7.3 Основные фотометрические величины. 7.4 Волновая оптика. Интерференция и дифракция света. 7.5 Поляризация света. Оптически активные вещества. 7.6 Элементы фотобиологии. Поглощение света. 7.7 Элементы атомной и ядерной физики. 7.1 В конце XVII века возникли две теории света: корпускулярная (И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс). Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Для случая преломления света на границе вакуум–среда корпускулярная теория приводила к следующему виду закона преломления: Развитие представлений о природе света где c – скорость света в вакууме, υ – скорость распространения света в среде. Так как n > 1, из корпускулярной теории следовало, что скорость света в средах должна быть больше скорости света в вакууме. Ньютон пытался также объяснить появление интерференционных полос, допуская определенную периодичность световых процессов. Таким образом, корпускулярная теория Ньютона содержала в себе элементы волновых представлений. Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В основу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления. В основе оптики лежат четыре закона, установленные опытным путем: I) закон прямолинейного распространения света; 2) закон независимости световых пучков; 3) закон отражения; 4) закон преломления. Первые три закона были известны еще древним грекам, четвертый закон вошел в науку в формулировке Р.Декарта (1637 г.). 1) Свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям. Опытным доказательством этого закона может быть образование теней за непрозрачными объектами S при освещении их точечными источниками света (рис.7.1). Закон о прямолинейном распространении света ограничен явлением дифракции. Рис.7.1 2. Закон независимости световых пучков состоит в том, что распространение любого светового пучка не зависит от наличия других I наблюдатель световых пучков в этой среде. Иллюстрацией этому закону может служить наблюдение двух различных объектов при условии, что световые пучки в пространстве пересекаются (рис.7.2). II наблюдатель Если пучки не влияют друг на друга, то каждый наблюдатель видит только "свой" предмет, причем неискаженным, Закон независимости световых пучков дополняется утверждением, Рис.7.2 определяющим совместное действие световых пучков при их наложении друг на друга. Освещенность экрана, создаваемая несколькими световыми пучками, равна сумме K I ср. освещенностей создаваемых каждым пучком в А С n1 отдельности. Границы применения этого закона i i’ - явление интерференции. M B N n2 3. При падении света на плоскую границу P r D II ср. раздела двух прозрачных сред свет частично проходит во вторую среду (преломляется), частично возвращается обратно (отражается) Рис.7.3 (рис.7.3). При этом выполняются законы отражения: а) падающий луч (АВ), отраженный луч (ВС) и нормаль к границе раздела в точке падения (КР) лежат в одной плоскости; б) угол падения i равен углу отражения i’: i= i’ 4. Законы преломления: а) падающий луч (АВ), преломленный луч (ВД) и нормаль в точку падения к границе раздела (КР) лежат в одной плоскости; б) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных двух сред есть величина постоянная и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой: sin i n sin r (7.1) Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем (коэффициентом) преломления этой среды. Относительный показатель преломления связан с абсолютным показателем n1 и n2 соотношением: n n 2 1 n1 2 (7.2) С учетом соотношения (7.1) закон преломления можно записать в виде: n1 sin i n2 sin r (7.3) Для воздуха, как и для вакуума, показатель преломления берется равным 1. Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной. В оптически более плотной n среде скорость света меньше, чем в оптически менее плотной. Из (рис.7.5) видно, что если n2 > n1, то r < i, и наоборот. iпр nв Частный случай: при n2< n1, и i iпр, свет не выходит из среды оптически более плотной. S Преломленный луч или скользит вдоль границы Рис.7.4 раздела, или отражается от поверхности (рис.7.4). Это явление называется полным внутренним отражением. Угол падения i= iпр, удовлетворяющий соотношению: n sin i пр 2 n1 , (7.4) называется предельным углом полного отражения. Преломлением света и полным отражением объясняется прохождение света через плоскопараллельную прозрачную пластинку, через призмы (рис.7.5, 7.6) n1 i n2>n1 r i r’ r n1 i n1 Рис.7.5 i’ n2 > n1 n1 Рис.7.6 7.2 Линза – прозрачное тело, ограниченное двумя поверхностями, преломляющими световыми лучи, способные формировать оптические изображения предметов. Материалом для линз служат стекло, кварц, кристаллы, пластмассы и т.п. По внешней форме линзы делятся на: двояковыпуклые, плосковыпуклые, двояковогнутые, плосковогнутые, выпукло-вогнутые, вогнуто-выпуклые. По оптическим свойствам линзы делятся на собирающие и рассеивающие (рис.7.7). Тонкая линза – линза, толщина которой мала по сравнению с радиусами кривизны ограничивающих поверхностей. Главная оптическая ось – прямая, проходящая через центры кривизны поверхностей линзы. собирающие линзы рассеивающие линзы (справа –условное обозначение) Рис.5.8 Рис.7.7 Оптический центр линзы – середина отрезка главной оптической оси, ограниченного поверхностями линзы. Световые пучки, падающие на линзу, преломляются на обеих поверхностях линзы. Общая формула линзы: 1 1 1 1 (n21 1) d f R1 R2 (7.5) Общая формула линзы пригодна для любой линзы при произвольном положении источника света. Нужно только принять во внимание знаки d, f, R. Расстояние от предмета до линзы d считаем положительным для действительного источника (на линзу падает расходящийся пучок лучей). Для мнимого источника это расстояние считается отрицательным (на линзу падает сходящийся пучок лучей). Расстояние от линзы до изображения f считается положительным для действительного изображения источника света и отрицательным – для мнимого изображения. Для выпуклой поверхности радиус кривизны считается положительным, для вогнутой поверхности – отрицательным. Если светящаяся точка, лежащая на главной оптической оси, удаляется от линзы, то изображение ее перемещается. Фокус линзы – положение изображения, когда источник удален в бесконечность. Другими словами, это есть точка, в которой пересекаются лучи (или их продолжения) падающие на линзу параллельно главной оптической оси (рис. 7.8). Рис. 7.8 Фокусное расстояние – расстояние от линзы до фокуса. Для определения фокусного расстояния линзы используем формулу: 1 1 1 (n21 1) F R1 R2 при d Фокусное расстояние линзы зависит только от относительного показателя преломления материала линзы и радиусов кривизны ограничивающих поверхностей. Формула тонкой линзы: 1 1 1 d f F D (7.6) 1 F называется оптической силой линзы. Единица Величина измерения м-1 = диоптрия (дптр). Линзы с положительной оптической силой называются собирающими, а с отрицательной – рассеивающими. Построение изображения предметов с помощью тонких линз. Построение изображения предмета в линзах осуществляется с помощью следующих лучей (рис.7.9): - луча, проходящего через оптический центр линзы и не меняющего своего направления распространения (2); - луча, идущего параллельно главной оптической оси; после преломления в линзе луч (или его продолжение) проходят через фокус (1). Рис. 7.9 7.3 Свет излучается атомами вещества и, попадая на сетчатку глаза, вызывает зрительное ощущение. Источник света - тело, излучающее свет в окружающее пространство. Все источники света разделяются на естественные и искусственные. Тела, излучающие свет свободно, без какого-либо вмешательства со стороны человека, называются естественными источниками света. Например: Солнце, звезды, вспышки молнии во время грозы, мерцающий свет северных сияний и т.д. Многие вещества органического или минерального происхождения светятся в результате процессов окисления, гниения. Появление искусственных источников света связано с целенаправленной деятельностью человека. Источники света, как правило, имеют определенные размеры. Различные участки источника света излучают свет неодинаково. Точечный источник света - источник, излучающий свет по всем направлениям равномерно, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до него. Фотометрия - раздел оптики, изучающий способы измерения световой энергии. При излучении света часть внутренней энергии источника света превращается в энергию излучения и уносится в окружающее пространство. Пусть за время t источник света излучает энергию W . Световой поток - физическая величина, численно равная количеству энергии, излучаемой источником света за единицу времени: Ф W t . (7.7) Основной единицей измерения светового потока в СИ является лм (люмен). Если источник света является точечным, то он излучает свет по всем направлениям равномерно и поэтому световой поток точечного источника света есть величина постоянная. Световой пучок - часть светового потока, ограниченная конической или цилиндрической поверхностью. Световой луч - линия распространения светового пучка. Чтобы определить количество энергии, излучаемой источником света в выбранном нами направлении, окружим точечный источник света шаровой поверхностью радиуса R и ограничим это направление конусом, вершина которого находится в центре сферы. Телесный угол - часть пространства, ограниченная конической поверхность. Основной единицей телесного угла в СИ является ср (стерадиан). Рисунок 7.10 Телесный угол. Если вершину телесного угла разместить в центре сферы радиуса R , то телесный угол вырезает на поверхности сферы площадку S . Эти величины связаны между собой соотношением: S R2 . Полный телесный угол - телесный угол, охватывающий все пространство вокруг точечного источника света: S 4 R2 2 4 R R2 . Световой поток, заключенный внутри полного телесного угла, характеризует излучение, которое распространяется от источника по всем направлениям. Но нередко нас интересует только часть светового потока, который распространяется внутри сравнительно небольшого телесного угла. Пусть за время t источник света внутри телесного угла излучает энергию W . Сила света - физическая величина, численно равная количеству излучаемой источником света энергии за единицу времени внутри единичного телесного угла: I ист W Ф t . (7.8) Основной единицей измерения силы света в СИ является Кд (кандела). Светимость различных участков протяженного источника света энергия, испускаемая единицей площади наружу по всем направлениям (в 2; - угол, образуемый данным пределах значений от 0 до направлением с внешней нормалью к поверхности) в единицу времени: L W . tS (7.9) Единицей светимости является люмен на квадратный метр (лм/м2). Светимость характеризует излучение (или отражение) света данным участком поверхности по всем направлениям. Для характеристики излучения (отражения) света в заданном направлении служит яркость. Яркость– энергия, излучаемая единичной поверхностью источника света в единичном телесном угле в данном направлении в единицу времени. B W . t S cos (7.10) где - угол, отсчитываемый от внешней нормали nкизлучающей площадке S ). Единицей яркости служит кандела на квадратный метр (кд/м2). Яркостью 1кд/м2 обладает равномерно светящаяся плоская поверхность в направлении нормали к ней, если в этом направлении сила света одного квадратного метра поверхности равна одной канделе. Чтобы можно было рассмотреть любой предмет, он должен быть в достаточной степени освещен. Пусть за время t на поверхность тела площадью S падает световая энергия W . Освещенность - физическая величина, численно равная количеству световой энергии, падающей на единицу поверхности тела за единицу времени: Е W Ф . S t S (7.11) Основной единицей измерения освещенности в СИ является лк (люкс). Простые наблюдения показывают, что освещенность поверхности зависит от силы света и расстояния между источником и освещаемой поверхностью. Угол падения -угол, образованный падающим лучом и перпендикуляром к освещаемой поверхности, восстановленным в точку падения луча. Основной закон освещенности: освещенность, создаваемая точечным источником света, прямо пропорциональна силе света источника, косинусу угла падения и обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником света и освещаемой поверхностью. E I cos . R2 (7.12) Если лучи падают на поверхность перпендикулярно, то угол падения лучей 0 , cos 1 , поэтому освещенность равна: E I . R2 Для сохранения зрения и создания нормальных условий труда необходимо поддерживать наиболее благоприятную освещенность. Слишком слабая освещенность рабочего места утомляет глаза, но и при очень сильном свете работать невозможно: сильный свет не менее утомляет, чем слабый. Поэтому для различных видов работ и помещений разного назначения выработаны оптимальные нормы искусственной освещенности: № Помещения Освещение рабочих поверхностей, лк Люминесцентные лампы Лампы накаливания 1 компьютерная 400 2 читальные 300 200 залы, классы, аудитории 3 кабинет 500 300 черчения, рисования 4 классная доска 500 500 7.4 Свет обладает волновой природой. Длина световой волны: с , где с=3108 м/с; – частота излучения. Абсолютный показатель n c , где –скорость света в среде. Зависимость преломления среды показателя преломления света от длины волны называют дисперсией света. Спектр белого света содержит семь основных цветов, непрерывно переходящих друг в друга. Волновая природа света наиболее ярко подтверждается явлениями интерференции и дифракции. Интерференция света – это особый случай сложения волн, при котором в одних точках пространства волны усиливают друг друга, а в других точках пространства гасят друг друга. Следовательно, при интерференции световая энергия перераспределяется в пространстве. Интерференционная картина – чередование максимумов и минимумов интенсивности (светлых и темных полос). Волны усиливают или ослабляют друг друга при условии: 1=2 (частоты колебаний одинаковы) и Δ = const (разность фаз постоянна). Волны, удовлетворяющие этому условию, называются когерентными. Таким образом, интерферируют только когерентные волны. Получить такие волны в оптике можно, разделив световую волну от одного источника на части. От двух независимых источников света получить интерференционную картину невозможно ни при каких условиях. Пусть из точек S1 и S2 распространяются волны одного направления (рис.7.11), которые встречаются в точке В. Положение темных и светлых полос на экране определяются из следующих соотношений: 2k l k 2 – условие максимума, l 2k 1 2 минимума, где l l 2 l1 r2 n2 r1 n1 условие S1 * d S2* D В l1 l2 O L d<<L – оптическая разность хода, k=0,1,2,…- порядок Рис.7.11 max, min, λ– длина волны. Если const, то интерференция отсутствует. Можно показать, что при двухлучевой интерференции расстояние между L y d ), где d – соседними полосами (ширина интерференционных полос расстояние между источниками когерентных волн, L – расстояние от источника до экрана. В геометрической оптике широко пользуются понятием светового луча, т.е. узкого пучка света, распространяющегося прямолинейно. Границы тени на экране за непрозрачным препятствием определяются лучами света, которые проходят мимо препятствия, касаясь краев его поверхности. Все явления, связанные с огибанием световыми волнами препятствий и проникновением света в область геометрической тени, носят название дифракции света. Слово дифракция происходит от латинского слова diffractus преломленный. В более широком смысле дифракцией называют совокупность явлений, наблюдаемых при распространении света в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонениями его распространения от законов геометрической оптики. Дифракционные явления присущи всем волновым процессам, но особенно отчетливо проявляются лишь в тех случаях, когда длины волн излучений сопоставимы с размерами препятствий. Так, звуковые волны хорошо слышны за углом дома, т.е. звуковая волна его огибает. Для наблюдения же дифракции световых волн необходимо создание специальных условий. Это обусловлено малостью длин световых волн (λ<1 мкм). Как объяснить огибание световыми волнами препятствий и появление системы максимумов и минимумов освещенности вместо размытого изображения препятствия на экране? По принципу Гюйгенса каждая точка волновой поверхности является источником вторичных волн, распространяющихся вперед по всем направлениям, в том числе и в область геометрической тени препятствия. По идее Френеля появление максимумов и минимумов интенсивности является результатом интерференции лучей от большого числа вторичных (когерентных) источников (принципа Гюйгенса – Френеля). Дифракция на одной щели. Практически щель представляется прямоугольным отверстием, длина которого значительно больше ширины а. Свет дифрагирует вправо и влево от щели (рис 7.12), поэтому дифракционная картина (полоска с максимумами и минимумами) на экране симметрична относительно точки С0. В соответствии c принципом а Гюйгенса - Френеля точки щели являются вторичными источниками волн, колеблющимися в одной фазе, так как x E F x плоскость щели совпадает с волновой D поверхностью падающей волны. L О Пучок параллельных лучей (плоская волна) проходит через отверстие в непрозрачном экране (щель). Линза L собирает все лучи, прошедшие x через отверстие, в различных точках ССо С Э своей фокальной плоскости, где расположен экран наблюдения. Лучи, Рис. 7.12 дифрагирующие под одним углом, линза L собирает в одной точке фокальной плоскости. Для максимумов дифракции получаем условие asin 2k 1 2, (7.13) для минимумов дифракции asin 2k 2, (7.14) где k = 1, 2, 3, ... целые числа. Величина k, принимающая значения чисел натурального ряда, называется порядком дифракционного максимума. Знаки "+" и "–" в формулах (7.13) и (7.14) соответствуют лучам света, дифрагирующим на щели под углами +φ и –φ. В направлении φ = 0 наблюдается самый интенсивный центральный максимум нулевого порядка, ибо колебания от всех зон Френеля приходят в точку С0 в одной фазе. На рис. 7.13 приведена кривая распределения интенсивности света в функции sin φ при дифракции на одной щели. Iφ I0 2λ a λ a 0 λ a 2λ a sin φ Рис. 7.13 Вид дифракционной картины существенно зависит от того, каким светом освещается щель: монохроматическим или белым. В случае монохроматического света дифракционная картина на экране представляет собой простое чередование светлых и темных полос. Рассмотрим дифракцию на одномерной дифракционной решетке, так как этот вид дифракции находит широкое применение во многих методах спектрального анализа. Дифракционная решетка представляет собой систему большого числа одинаковых по ширине и параллельных друг другу щелей, лежащих в одной плоскости и разделенных непрозрачными промежутками, равными по ширине. Изготавливается путем нанесения параллельных штрихов на поверхность стекла с помощью делительных машин. Эти места являются, таким образом, практически непрозрачными x промежутками между неповрежденными E C F а в частями пластинки, которые играют D роль щелей. Число штрихов на 1 мм d определяется областью спектра исследуемого излучения – от 300 мкм в L2 инфракрасной области до 1200 мкм – в ультрафиолетовой). Итак, имеется система из N Э параллельных щелей с шириной каждой C C цели a и расстоянием между соседними o щелями b (рис. 7.14). Сумма a + b = d Рис. 7.14 называется периодом, или постоянной дифракционной решетки. На решетку нормально падает плоская монохроматическая волна. Требуется исследовать интенсивность света, распространяющегося в направлении, составляющем угол φ с нормалью к плоскости решетки. Кроме распределения интенсивности света вследствие дифракции на каждой щели, нужно учесть интерференцию между N пучками (перераспределение световой энергии за счет интерференции волн от N щелей когерентных источников). Очевидно, минимумы будут на прежних местах, ибо условие минимума дифракции для всех щелей одинаково. Эти минимумы называются главными минимумами. Они соответствуют таким углам φ , для которых Аφ = 0, т.е. свет от разных частей каждой щели полностью гасится. В этом направлении ни одна щель не дает света. К главным минимумам, создаваемым каждой щелью в отдельности, добавляются минимумы, возникающие в результате интерференции света, прошедшего через различные щели. Появляются добавочные минимумы в областях дифракционных максимумов. Внешне это проявляется в том, что широкие полосы, создаваемые одной узкой щелью, покрываются рядом более тонких полос, вызванных интерференцией лучей, исходящих от разных щелей: первой и второй, первой и третьей и т.д. Чем больше щелей, тем больше добавочных минимумов может возникнуть. Так как общий световой поток остается неизменным, происходит усиление световых потоков около направлений, удовлетворявших условиям максимумов при интерференции от разных щелей за счет уменьшения световой энергии в других направлениях. На рис. 7.15 для примера показано распределение интенсивности света и расположение максимумов и минимумов в случае двух щелей. I sin sin 2λ a λ a 0 λ a 2λ a Рис. 7.15 7.5 Электромагнитная волна представляет собой колебания электрического и магнитного полей. Физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света на вещество вызываются электрическим полем. Поэтому в дальнейшем мы будем говорить только о световом векторе E . Плоскость, в которой происходят колебания этого вектора, называется плоскостью поляризации. Излучение светящегося тела представляет собой волны, испускаемые его атомами. Каждый атом в процессе излучения испускает цуг волн, причем в каждом цуге плоскость колебаний вектора E ориентирована в пространстве случайным образом. Цуги волн излучаются многими атомами в одном направлении. Накладываясь друг на друга, они E образуют световую волну, в которой колебания светового вектора различных направлений представлены с равной вероятностью. Такой свет называется естественным. Следовательно, в естественном свете колебания вектора E различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга. Если смотреть навстречу естественному лучу, то мы увидим E «звездочку» из векторов , лежащих в плоскости, перпендикулярной направлению распространения луча (рис. 7.16а). Явление поляризации света это третье (после интерференции и дифракции) явление, подтверждающее волновую природу света. Но в отличие от предыдущих явлений оно присуще только поперечным волнам. . Свет, в котором направления колебаний E E E упорядочены какимлибо образом, называется поляризованным светом. Свет, в а б котором колебания в E одного Рис. 7.16 направления преобладают над колебаниями других направлений, называется частично поляризованным светом (рис. 2.9в). Свет, в котором вектор E колеблется в одной определенной плоскости, называется плоскополяризованным (или линейнополяризованным) (рис.7.16б). Устройства, служащие для преобразования естественного или частично поляризованного света в плоско-поляризованный свет, называются поляризаторами. Их действие основывается на использовании поляризации света при отражении и преломлении света на границе раздела двух прозрачных изотропных диэлектриков, либо на явлении двойного лучепреломления в одноосных кристаллах. Поляризация света при отражении от поверхности диэлектрика. Если угол падения луча света на поверхность диэлектрика (например, стекла) не равен нулю, то отраженный и преломленный лучи оказываются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания вектора E , перпендикулярные к плоскости падения (на рис.7.17 следы векторов изображены точками). В E преломленном луче преобладают колебания вектора , параллельные плоскости падения луча (на рис. 7.17 изображены стрелками). В естественном падающем луче интенсивность колебаний i различных направлений Б n одинакова и э энергия этих 1 колебаний одинакова. Она /2 n распределяется между 2 отраженной и преломленной волной. Однако степень r поляризации оказывается различной в отраженном и преломленном лучах и Рис. 7.17 зависит от угла падения лучей и показателя преломления диэлектрика. Шотландский физик Д. Брюстер установил, что при угле падения iБ , называемом углом Брюстера, отражѐнный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения). Преломленный же луч при угле падения iБ оказывается частично поляризованным (в нем преобладают колебания, лежащие в плоскости падения луча). Угол Брюстера удовлетворяет соотношению, называемому законом Брюстера tgiБ = n21 , (7.15) где n21 = n2/n1 показатель преломления второй среды относительно первой. Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны (i + r = π/2). Действительно, из закона преломления света следует, что sin i sin i sin i tg i n21 sin r cos i sin i 2 . Таким образом, стеклянная пластинка или любой другой изотропный диэлектрик могут служить поляризаторами, если на них падает луч естественного света под углом Брюстера. Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена. Для этого вместо одной пластинки пользуются системой одинаковых стеклянных пластинок, расположенных друг за другом так, что свет, выходящий из первой пластинки, падает под углом Брюстера на вторую, из второй - на третью и т.д. Такая система пластин, называемая стеклянной стопой, позволяет путем многократных отражений и преломлений добиться того, чтобы свет, прошедший сквозь стопу, был практически полностью поляризован. Так, например, если для одной стеклянной пластинки степень поляризации преломленного луча составляет ~ 15 %, то после преломления на стопе из 8 10 пластинок вышедший свет оказывается практически полностью поляризованным (Р ≈1). Важно не только получить поляризованный свет, но и суметь определять степень его поляризации, а в случае плоскополяризованного света ориентацию плоскости поляризации в пространстве. Приборы, служащие для исследования поляризованного света, называются анализаторами. В качестве анализаторов используются те же устройства, что и устройства для получения плоско-поляризованного света (призма Николя, поляроиды, стеклянная стопа, турмалин и т.д.). Тот факт, что кристалл (например турмалин) дает возможность получить поляризованный луч из естественного, говорит о том, что в кристалле существуют определенные плоскости «пропускания» вектора E . На рис.7.18 у поляризатора П эти плоскости изображены в виде системы параллельных линий. Рассмотрим прохождение света через систему поляризатор анализатор. Пусть на поляризатор П падает естественный луч интенсивностью I. Из поляризатора, как было сказано ранее, выйдет плоскополяризованный свет с интенсивностью I П I0 2 . ( 7.16) I EП I а EA I 0 А П EП I I б П 0 I EП I в 0 I А =E A 0II П Рис.7.18 АА Для исследования этого луча ставим на его пути анализатор А. При вращении анализатора вокруг луча, интенсивность прошедшего через него света изменяется от Imax = IA (рис.8.18 а) до Imin = 0 (рис.7.18 б). Если E плоскости пропускания поляризатора и анализатора параллельны друг другу, то свет, выходящий из поляризатора, полностью проходит через анализатор; если плоскости пропускания анализатора перпендикулярны плоскостям пропускания поляризатора (П и А скрещены), то свет через эту систему не пройдет. Расположение направлений пропускания поляризатора и (0 2) анализатора, под некоторым углом , дает лишь частичную интенсивность света на выходе из анализатора. EП Пусть амплитуда электрического вектора плоскополяризованного света, вышедшего из поляризатора (рис. 7.18в). На входе в анализатор этот свет разложится на две волны, поляризованные соответственно в плоскости пропускания анализатора – E е и в перпендикулярной ей плоскости – E о . Амплитуды векторов E е и E о соответственно равны: E e E П cos Eo E П sin ; . (7.17) Первая волна полностью пройдет через анализатор, а вторая поглотится в нем. Так как интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды вектора | E |, то интенсивность света, прошедшего соответственно через анализатор и поляризатор, запишется так: I A I Пcos ; 2 Ie 1 I 0cos 2 2 . (7.18) Соотношение (7.18) носит название закона Малюса: интенсивность света, прошедшего через анализатор IA, равна интенсивности света, прошедшего через поляризатор IП, умноженной на квадрат косинуса угла α между плоскостями пропускания поляризатора и анализатора. 7.6 Изучение биофизических аспектов фотобиологических процессов является центральным разделом квантовой биофизики. К фотобиологическим относят процессы, начинающиеся с поглощения кванта света биологически важной молекулой и заканчивающиеся какойлибо физиологической реакцией (позитивной или негативной) на уровне организма. К таким процессам относятся: Фотосинтез – синтез органических молекул за счет энергии солнечного света; Фототаксис – движение организмов, например бактерий, к свету или от света; Фототропизм – поворот листьев или стеблей растений к свету или от света; Зрение – превращение световой энергии в энергию нервного импульса в сетчатке глаза или в аналогичных фоторецепторах; Действие ультрафиолетовых лучей (бактерицидное или бактериостатическое действие на микроорганизмы, мутагенное действие, канцерогенное действие, образование витамина D из провитаминов, эритемное действие на кожу, образование загара, терапевтические эффекты). В настоящее время широкое применение получило применение освещения определенных участков тела пациентов с целью лечения. Это направление получило название фотомедицины. К нему относятся: Ультрафиолетовая терапия, основанная на облучении поверхности тела УФ лучами. ПУФО терапия – облучение поверхности кожи ближним ультрафиолетом после приема больными фурокумаринов (таких как псорален) с целью лечения псориаса и некоторых других кожных болезней. УФО крови – облучение крови больных УФ лучами с целью улучшения общего состояния больных сердечно-сосудистыми и некоторыми другими заболеваниями. Фотодинамическая терапия раковой болезни – избирательное разрушение раковых клеток и ткани при облучении зоны опухоли после приема больным фотосенсибилизаторов, таких как порфирины или фталоцианины.. Лазерная терапия ускорение заживления ран, улучшение микроциркуляции или общего кровообращения при облучении светом лазера раны или крови больного без использования экзогенных сенсибилизаторов. 2 К фотобиологическим процессам также может быть отнесена биохемилюминесценция (сверхслабые свечения, биолюминесценция). (Здесь, наоборот, определенные биохимические реакции сопровождаются появлением электронно-возбужденного продукта с последующим испусканием кванта люминесценции.) Фотобиологические процессы весьма разнообразны. Каждый из них состоит из многих стадий, начиная с акта поглощения кванта света и кончая физиологическими реакциями на уровне целого организма. Условно всякий фотобиологический процесс можно разбить на несколько стадий: 1) поглощение кванта света, 2) внутримолекулярные процессы размена энергией (фотофизические процессы); 3) межмолекулярные процессы переноса энергии возбужденного состояния; 4) первичный фотохимический акт; 5) темновые реакции, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов; 6) биохимические реакции с участием фотопродуктов; 7) общефизиологический ответ на действие света. При распространении света через вещество часть энергии расходуется на возбуждение атомов или молекул. Некоторая доля этой энергии возвращается излучению в виде вторичных волн. Однако другая доля переходит во внутреннюю энергию вещества. В результате световая энергия уменьшается. Этот процесс называют поглощением света. Поглощение света – ослабление интенсивности света при прохождении через вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды. Интенсивность света – величина, численно равная количеству энергии, протекающей в единицу времени через единицу площади поверхности перпендикулярно к этой поверхности. W I S t . (7.19) Основной единицей измерения интенсивности волны в СИ является Дж Вт м2 с м2 . Существуют вещества, слабо поглощающие свет (прозрачные тела) и вещества, обладающие сильным поглощением (непрозрачные тела). Рассмотрим закономерности ослабления интенсивности света при прохождении его через вещество вследствие поглощения. Сначала рассмотрим прохождение монохроматического света через тонкий слой вещества толщиной dx. Изменение интенсивности света dI будет пропорционально толщине этого слоя и интенсивности падающего света: dI k I dx . Коэффициент пропорциональности kλ характеризует поглощательную способность данной среды и называется натуральным показателем поглощения. Его величина зависит от длины волны света, но не зависит от его интенсивности. Знак «-» означает, что интенсивность света уменьшается. Рассмотрим теперь ослабление света при его прохождении через слой вещества с произвольной толщиной l. Рисунок 7.19 Поглощение света слоем вещества Изменение интенсивности при прохождении выделенного слоя dx dI k dx I . можно записать в виде: При изменении «х» от 0 до l интенсивность изменяется от I0 до I. Интегрируя в этих пределах, получим: I l dI I I k 0 dx 0 ; ln I ln I 0 k l 0 I ln k l I0 ; I e k l I0 . ; Закон Бугера: интенсивность света при поглощении в веществе убывает экспоненциально в зависимости от пройденного пути I I 0 e k l . (7.20) Из уравнения выясним физический смысл натурального показателя поглощения. Пусть свет проходит путь I I 0 e 1 l 1 k . I0 I 0 e 2,8 . Получим: Таким образом, натуральный показатель поглощения есть величина, обратная толщине такого слоя, который ослабляет интенсивность света в «е» раз (приблизительно в 3 раза). Для различных веществ значения коэффициента поглощения весьма различны. Например, для воздуха (при нормальном давлении) k имеет порядок 10-3 м-1, для стекла – 1 м-1, для металлов – 106 м-1. Это означает, что для трехкратного ослабления интенсивности света достаточен слой металла толщиной 1 мкм; слой стекла толщиной 1 м; слой воздуха толщиной 1 км. Зависимость интенсивности света от толщины поглощающего слоя показана на графике. Рисунок 7.20.Зависимость интенсивности света, прошедшего через вещество от толщины слоя вещества. Закон Бугера используется для определения концентраций растворов, в которых основным поглотителем являются молекулы растворенного вещества, а сам растворитель практически не поглощает свет. Обычно в лабораторных исследованиях используют молярную концентрацию раствора С – моль/м3. В этом случае показатель поглощения запишется в следующем виде: k C , где χλ – натуральный молярный показатель поглощения, зависящий от вида растворенного вещества и длины волны света. Подстановка этого выражения приводит к закону Бугера – Ламберта I I 0e l – Бера: . (7.21), Иногда бывает удобнее перейти к степени с основанием 10. Тогда: I I 0 10 Cl (7.22), 2,3 - молярный показатель поглощения. где Этот закон описывает поглощение монохроматического света в однородных растворах, когда молекулы растворенного вещества практически не взаимодействуют между собой. Этот закон перестает выполняться, когда интенсивность падающего света очень высока (лазерное излучение). Прохождение света через весь слой вещества характеризуют коэффициентом пропускания (прозрачностью). Коэффициент пропускания – физическая величина, численно равная отношению интенсивности света, прошедшего через данный слой вещества, к интенсивности падающего света: T I I0 . (7.23) Этот коэффициент зависит от длины волны. Зависимость T f называется спектром пропускания. C l В соответствии с законно Бугера – Ламберта – Бера T 10 . Зависимость, выражаемая этой формулой, является нелинейной. Поэтому в лабораторных исследованиях используют ее десятичный логарифм. Оптическая плотность раствора – физическая величина, численно равная десятичному логарифму отношения интенсивности света, падающего на слой жидкости, к интенсивности выходящего света: D lg I0 I D lg 0 lg T C l I или I , (7.24) то есть оптическая плотность пропорциональна концентрации растворенного вещества, длине пути луча в растворе, молярному показателю поглощения. На использовании последней закономерности основан фотометрический метод определения концентраций веществ в растворах, получивший название «концентрационная колориметрия». Для определения концентрации растворенного вещества на кювету с раствором направляют луч света и измеряют его интенсивность на входе в кювету и на выходе из нее. Таким образом, например, определяют концентрацию спермиев (мутность исследуемой спермы характеризует ее концентрацию). 7.7 Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Атомные ядра имеют размеры примерно 10 -14… 10 -15 м (линейные размеры атома – 10-10 м). Атомное ядро состоит из элементарных частиц протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная модель ядра была предложена российским физиком Д. Д. Иваненко, а впоследствии развита В. Гейзенбергом. Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоя mp= 1,6726∙10-27 кг 1836 me, где me масса электрона. Нейтрон (n) нейтральная частица с массой покоя mn= 1,6749∙10-27 кг 1839 т.e,. Массу протонов и нейтронов часто выражают в других единицах – в атомных единицах массы (а.е.м., единица массы, равная 1/12 массы 12 6C атома углерода ). Массы протона и нейтрона равны приблизительно одной атомной единице массы. Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus ядро). Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А). Эксперименты показывают, что ядра не имеют резких границ. В центре ядра существует определенная плотность ядерного вещества, и она постепенно уменьшается до нуля с увеличением расстояния от центра. Изза отсутствия четко определенной границы ядра его «радиус» определяется как расстояние от центра, на котором плотность ядерного вещества уменьшается в два раза. Среднее распределение плотности материи для большинства ядер оказывается не просто сферическим. Большинство ядер деформировано. Часто ядра имеют форму вытянутых или сплющенных эллипсоидов Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. A Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: Z X , где X символ химического элемента, Z атомный номер (число протонов в ядре), А массовое число (число нуклонов в ядре). Массовое число А приблизительно равно массе ядра в атомных единицах массы. Так как атом нейтрален, то заряд ядра Z определяет и число электронов в атоме. От числа электронов зависит их распределение по состояниям в атоме. Заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля. Ядра с одинаковыми зарядовыми числами Z, но с разными массовыми числами А (т. е. с разными числами нейтронов N = A – Z), называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z – 1 изобарами. Например, водород (Z = l) имеет три изотопа: 1 Н – протий (Z = 2 3 l, N = 0), 1 Н – дейтерий (Z = l, N = 1), 1 Н – тритий (Z = l, N = 2), олово – десять изотопов и т. д. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами. Квантовая теория строго Е, ограничивает значения энергий, 3, МэВ которыми могут обладать составные 5 части ядер. Совокупности протонов и 8 нейтронов в ядрах могут находиться только в определенных дискретных энергетических состояниях, 2, характерных для данного изотопа. 1 Когда электрон переходит из 1,5 более высокого в более низкое 7 энергетическое состояние, разность 4 энергий излучается в виде фотона. 0, Энергия этих фотонов имеет порядок 7 нескольких электронвольт. Для ядер 2 энергии уровней лежат в интервале примерно от 1 до 10 МэВ. При переходах между этими уровнями Рис. 7.21 испускаются фотоны очень больших энергий (γ–кванты). Для иллюстрации таких переходов на рис. 7.21 приведены пять первых уровней энергии 10 5 B ядра . Вертикальными линиями указаны наблюдаемые переходы. Например, γквант с энергией 1,43 МэВ испускается при переходе ядра из состояния с энергией 3,58 МэВ в состояние с энергией 2,15 МэВ. Исследования показывают, что атомные ядра являются устойчивыми образованиями. Это означает, что в ядре между нуклонами существует определенная связь. Массу ядер очень точно можно определить с помощью масс-спектрометров измерительных приборов, разделяющих с помощью электрических и магнитных полей пучки заряженных частиц (обычно ионов) с разными удельными зарядами q/m. Масс-спектрометрические измерения показали, что масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Величина m = [Zmp + (А–Z)mn] – mя, (7.25) называется дефектом массы ядра. На эту величину уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра. Согласно соотношению Эйнштейна между массой и энергией E=mc2 (7.26) всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии. Следовательно, при образовании ядра должна выделяться определенная энергия. Из закона сохранения энергии вытекает и обратное: для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра. Энергия связи нуклонов в ядре имеет вид Есв =[ [Zmp + (А–Z)mn] – mя ] c2 , (7.27) где тp, тn, тя соответственно массы протона, нейтрона и ядра. В таблицах обычно приводятся не массы ядер тя, а массы т атомов. Поэтому для энергии связи ядра пользуются формулой Есв = [Zmн + (A – Z)mn – m] c2, (7.28) где mн масса атома водорода. Закон радиоактивного распада. Между составляющими ядро нуклонами действуют особые, специфические для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Они называются ядерными силами. С помощью экспериментальных данных по рассеянию нуклонов на ядрах, ядерным превращениям и т. д. доказано, что ядерные силы намного превышают гравитационные, электрические и магнитные взаимодействия и не сводятся к ним. Ядерные силы относятся к классу так называемых сильных взаимодействий. Перечислим основные свойства ядерных сил: 1) ядерные силы являются силами притяжения; 2) ядерные силы являются короткодействующими – их действие проявляется только на расстояниях примерно 10-15 м. При увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия, оказываются примерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии; 3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или, наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы по величине. Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу; 4) ядерным силам свойственно насыщение, т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре (если не учитывать легкие ядра) при увеличении числа нуклонов не растет, а остается приблизительно постоянной; 5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют 2 дейтрон (ядро изотопа 1 H) только при условии параллельной ориентации их спинов; 6) ядерные силы не являются центральными, т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов. Французский физик А. Беккерель (1852 1908) в 1896 г. при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвестной природы, которое действовало на фотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Продолжая исследование этого явления, супруги Кюри Мария и Пьер обнаружили, что такое излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким, как торий и актиний. Удалось выделить два новых элемента носителя беккерелевского 210 226 излучения: полоний 84 Рo и радий 88 Ra. Обнаруженное излучение было названо радиоактивным, а само явление испускание радиоактивного излучения радиоактивностью. Дальнейшие опыты показали, что на характер радиоактивного излучения препарата не оказывают влияния вид химического соединения, агрегатное состояние, механическое давление, температура, электрические и магнитные поля, т. е. все те воздействия, которые могли бы привести к изменению состояния электронной оболочки атома. Следовательно, радиоактивные свойства элемента обусловлены лишь структурой его ядра. В настоящее время под радиоактивностью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Атомное ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее ядро дочерним. Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Принципиального различия между этими двумя типами радиоактивности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы. При своем распаде ядра могут испускать радиоактивное излучение трех типов. В соответствии с этим рассматривают , , распад. При -распаде ядро испускает -частицу, которая представляет 4 собой ядро изотопа гелия 2 Не . -излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (например, поглощаются слоем 7 алюминия толщиной примерно 0,05 мм). Скорость -частиц 10 м/с. A Если символом Z X обозначить материнское ядро, то превращение ядра при -распаде происходит по схеме: A X 24He AZ42Y (hv) , Z A 4 где Z 2Y – символ дочернего ядра. -распад уменьшает массовое число на 4, а заряд ядра – на 2 элементарных положительных заряда, то есть происходит перемещение химического элемента на две клетки влево в периодической системе элементов Менделеева. Например, 226 Ra24 He 222 Rn . 88 86 -Распад сопровождается испусканием электронов (-лучи), которые при этом имеют огромные скорости, близкие к скорости света. Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у -частиц. -Излучение сильно рассеивается в веществе. Массовое число при -распаде не A 0 A X e Y Z 1 Z 1 . изменяется, а зарядовое число увеличивается на единицу: Следовательно, новый химический элемент перемещается на одну клеточку вправо в периодической системе Менделеева. -Распад сопровождается коротковолновым электромагнитным излучение с чрезвычайно малой длиной волны <10-10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами. т.е. -излучение является потоком частиц – -квантов (фотонов). -Излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см), при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Установлено, что все существующие в природе радиоактивные элементы являются продуктами распада четырех исходн6ых элементов: 235 U ; 238 U ; 237 Np; 234 Th . 92 92 92 90 Процессы их радиоактивного распада 206 207 208 209 заканчиваются соответственно образованием 82 Pb; 82 Pb; 82 Pb; 83 Bi . Помимо естественных радиоактивных элементов, принадлежащих тому или иному радиоактивному ряду, можно искусственным путем получить радиоактивные изотопы стабильных элементов. Например, при облучении 30 27 Al ), аналогично 13 Al -частицами получается радиоактивный фосфор ( 13 из 22 12 Al можно получить радиоактивный кремний. Распад естественных и искусственных радиоактивных элементов осуществляется по одному закону. Опыт показывает, что количество радиоактивных атомов N(t) убывает со временем по экспоненциальному закону: N N0e t (7.29) где –постоянная радиоактивного распада, характерная для каждого вещества. Она численно равна обратной величине времени, за которое число радиоактивных атомов уменьшается в е раз. На практике чаще пользуются не постоянной распада, а период полураспада Т, т.е. временем, в течение которого число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Значения Т для различных изотопов лежат в очень широких пределах: от 10-16с до миллиардов лет. На законе радиоактивного распада основан способ определения возраста земных пород, остатков растений, организмов и т.п. Ядерными реакциями называется искусственное превращение атомных ядер при их взаимодействии как друг с другом, так и с ядерными частицами, в результате чего образуются новые ядра и новые частицы. Символически ядерную реакцию можно записать: Х а У b , где Х и У – исходное и конечное ядра, а и b – исходная и конечная частицы в реакции. Первая в истории ядерная реакция осуществлена Э.Резерфордом (1919) при бомбардировке ядра азота -частицами: 14 N 24He11H 178O . 7 Другой пример ядерных реакций – реакция получения нейтронов: 9 Be 24He01n126C . 4 Наиболее распространенными ядерными реакциями являются реакции деления тяжелых ядер и синтеза легких. Реакция деления ядер урана при бомбардировке их нейтронами была открыта в 1939 г. О.Ганом и Ф.Штрассманом и сразу же объяснена О.Фришем и Л.Мейтнер. Было установлено, что при облучении ядер урана 235 U нейтронами образуются элементы из середины периодической 92 таблицы (чаще всего Ва и Kr), а также два или три нейтрона на каждое 235 распавшееся ядро. Реакцию деления ядра 92U можно записать, например, так: U 01n141 Ва3692Кr 301 n . 56 235 92 При делении одного ядра урана освобождается около 200 МэВ энергии: на кинетическую энергию движения ядер-осколков приходится примерно 165 МэВ, остальную энергию уносят -кванты. Выход энергии при делении всех ядер 1 кг урана составляет 80 тысяч миллиардов джоулей. Деление ядер сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. В среднем на один акт деления приходится 2,5 нейтронов. Практический интерес представляет случай самоподдерживающейся реакции деления. Такая реакция возможна, поскольку каждый нейтрон, выделившийся при делении одного ядра урана в принципе может вызвать деление другого ядра. Число актов деления возрастает лавинообразно – возникает цепная реакция. Схематически этот процесс представлен на рис. 7.22. Цепная реакция может быть управляемой и неуправляемой. Рис.7.22 Неуправляемая реакция осуществляется при взрыве атомной бомбы. Поскольку многие нейтроны покидают делящееся вещество прежде, чем встретятся с ядрами урана, для получения атомного взрыва нужно иметь достаточно большое количество делящегося вещества (достичь критической массы) с тем, чтобы максимально возможное число нейтронов провзаимодействовало с ядрами. Цепную реакцию можно сделать управляемой, если на пути нейтронов поместить поглотитель (кадмий или бор). Погружая или вынимая из делящегося вещества поглотитель, можно регулировать размножение нейтронов и тем самым управлять скоростью цепной реакции. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах, являющихся основной частью энергетических атомных установок (атомных электростанций, двигателей атомных подводных лодок и др.). 235 Наиболее благоприятно деление ядер 92U происходит под действием медленных нейтронов. Природный уран состоит в основном из 238 U . В уране-238 медленные U и содержит лишь 0,7% изотопа 235 92 92 нейтроны не вызывают цепной реакции, а приводят к следующим превращениям: 238 U 01 n 239 U ; 92 92 U 239 Np 10 e ; 93 239 92 Np 239 Pu 10 e 94 Конечный продукт этих превращений — изотоп плутония 92Ри239 имеет период полураспада 24100 лет, т. е. достаточно стабилен. 239 238 Облучение 94 Pu , как и 92U , медленными нейтронами вызывает цепную 239 93 реакцию, т. е. плутоний также является хорошим ядерным топливом. В большинстве ядерных реакторов используется природный U238, обогащенный до 5% U235, поэтому каждый такой реактор является попутно накопителем Рu239. Впервые ядерные реакции для получения промышленной электроэнергии были использованы в СССР. Огромная роль в развитии ядерной энергетики принадлежит нашему замечательному физику И.В. Курчатову. Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер, но и в реакциях соединения легких атомных ядер. Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц. Синтез гелия из 8 легкого изотопа водорода происходит при температурах Т 10 К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития – по схеме 3 Н 12Н 24Не 01n требуется нагревание примерно до 5 107 К. 1 Реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах, называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «топлива». Например, при синтезе 1 г 11 гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 4,2 10 Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.
