21.Fotoefekts. Komptona efekts.Absoūti melna ķermeņa termiskā starojuma problēmu izdevās atrisināt, tikai atsakoties no klasiskā priekšstata par elektromagnētisdko viļņu emisiju kā nepārtruktu procesu un zimantojot Planka izvirzīto hipotēzi, ka elektromagnētiskie viļņi tiek izstaroti porcijām – kvantiem. Kvntu priekšstati izrādījās noderīgi un tika tālāk attīstīti, risinot vairākas citas problēmas, piemēram, izskaidrojot fotoefektu, gaismas spiedienu, Komptona efektu. Tas pierādīja, ka gaismai ir korpuskulu daba, gaisma ir fotonu plūsma. Ārējais fotoefekts – elektronu izraušana no vielas, kas atrodas cietā vai šķidrā agregātstāvokli, ja uz vielu krīt gaisma.Atklāja 1887.gadā vācu fiz. H. Hercs.Vispusīgi šo parādību pētīja krievu zinātnieks A. Stoļetovs.Shēma parādīta 30.1 att. No saviem pētījumiem A.Stoļetovs secināja: 1) vislābāk efektu izraisa ultravioletie stari, 2) gaismas iedarbībā no vielas atbrīvojas negatīvi lādiņnesēji, kuri elektriskā lauka spoēku ietekmē pārvietojas no katoda uz anodu, radot ķēdē strāvu, un 3) fotostrāvas stiprums ir proporcionāls katoda apgaismojumam.Jau pirmie ārējā fotoefekta pētījumi parādija, ka liela nozīme ir netikeai katoda materiālam, bet arī tā virsmas tīrībai.no stikla balona (30. 2 att) B, kurā atrodas katods K un anods A, ir atsūknēts gaiss. Balonam ir kvarca lodziņš L, caur kuru gaismas plūsma F krīt uz katodu. Kvarcs labi laiž cauri arī ultravioleto starojumu. Spriegumu U, ko pievada elektrodiem no avota EDS, var mainīt ar potenciometru R un mērīt ar voltmetru V. Fotostrāvas stiprumu I rāda galvanometrs G. Sakarību starp stravas stiprumu un spriegumu U, kura iegūsta paturot konstantu gaismas plūsmu F, sauc pa voltampēru raksturlīkni.Divas tādas līknes parādītas 30.2 att.Fotostrāva pieaug, bet tikai līdz zināmai vērtībai I(S), sauc par sātstrāvu.I(s)=k(s)*F, kur k(s) – fotokatoda sātstrāvas jutība. Fotosātstrāvas stiprums ir tieši proporcionāls krītošā starojuma plūsmai, ja plūsmas spektrālais sastāvs ir nemainīgs.Tas ir pirmais ārējā fotoefekta (Stoļetova) likums.No fotokatoda laika vienībā izrauto elektronu skaits ir proporcionāls krītošā starojuma plūsmai, ja plūsmas spektrālais sastāvs ir nemainīgs.Fotostrāva izbeidzas tad, kad izpildīts nosacījums eU(a)=(1/2)*m*v^2(max), kur e – elektrona lādiņš un m – tā masa.Pilnā enerģijas : W=A+(1/2)*m*v^2(max). Enerģija W, ko elektrons saņem no gaismas, nav atakarīga ne no krītošās gaismas intensitātes, ne arī no vielas dabas un tās temperatūras. Šo enerģiju nosaka tikai krītošās monohromatiskās gaismas frekvence, tā ir ptoporcionāla frekvencei. Otrais ārējā fotoefekta likums. Ja elektrons pēc gaismas kvanta absorbcijas nezaudē enerģiju sadursmēs un izlido no vielas, ir spēkā vienādība hv=A+W(k max). Tā ir Einšteina formula. EU(a)=hv-A, noteiktai vielai aizturētājspriegums U(a) ir lineāri atkarīgs no krītošās gaismas frekvences v. A. Komptons pētīja rentgenstaru izkliedi dažādās vielās. Viņa lietotās iekārtas shēma parādīta 30.19 att. Rentgenstari no avota L caur svina diafragmām D(1) un D(2) krīt uz pētāmā materiāla ķermeni K, kurā notiek izkliede.Izkliedētā starojuma spektra izpētei lieto rentgenstaru spektrogrāfu. Tas sastāv no ieejas spraugām S(1) un S(2), kristāla Kr un rentgenstaru reģistrēšanas ierīces, piemēram, fotofilmas F vai jonizācijas kameras J. Komp. Ievēroja,- ja rentgenstarus izkliedē vieglie elementi (Li, Be, B…, Cu), tad rentgenstaru spektrā bez līnijām ar nemainītu viļņa garumu lambda vēl ir līnijas ar lielāku viļņa garumu Lambda’ nekā krītošajā starojumā, pie tam viļņa garuma izmaņa deltaLambda=lambda’-Lambda atkarīga tikai no izkliedes leņķa Psi, bet nav atkarīga ne no tsrojuma viļņa garuma Lambda, ne arī no vielas, kurā izkliede notiek. Izkliedētā starojuma intensitāte samazinās, palielinoties atomnumuram Z. Komp. Secināja , ka deltalmbda=Lambda(c)*(1-cos(psi)), kur Lambda(c)- konstante, ko sauc par komptona viļņa garumu.
22.Kodola uzbūve un sastāvs. Kodolspēki. Saites enerģijas un masas defekts.Kodolfizika ir fizikas nozare, kas pēta atomu kodolu uzb uzbūvi, kodolspēkus, radioaktīvo pārvērtību procesus, kodolreakcijas un to norises mehānismu. Tā cieši saistīta ar elemntārdaļiņu, to mijiedarbības, savstarpējās pārvēršanās un matērijas uzbūves pētījumiem.bija doma ka atoma kodols sastāv no A protoniem un A-Z elektroniem. Čedviks 1932. Gadā atklāja neitronu – elektroneitrālu daļiņu, kuras masa apruveni vienāda ra protona masu. Kodols sastāv no Z protoniem un N=A-Z neitroniem, kopējais šo daļiņu – nuklonu skaits kodolā ir A. Skaitli Z, kas vienāds ra elementaa atomnumuru, sauc par kodola lādiņa skaitli, bet A – par kodola masas skaitli.Izotopi – vienādi Z, bet dažādi N. izotoni – vienādi N, bet dažādi Z. izobāri – vienādi A.kodola rādiusa R atkarība no masas skaitļa A aptuveni ir šāda: R=R(o)*A^(1/3), kur R(o)=(1,1..1,4)*10^(-15) m.
Starp kodolā apvienotajiem nukloniem pastāv mijeiedarbība. Kodolā apvienotie nukloni veido saistītu daļiņu stabilu sistēmu. Kodola enerģija ir mazāka par to enerģiju summu, kādas piemīt tiem pašiem nesaistītiem nukloniem. Enerģiju deltaW(s), kas vienāda ar darbu, kāds jāpadara, lai kodolā esošos nuklonus atdalītu citu no cita un pārvietotu tādos attālumos, kuros nuklonu mijiedarbību var neievērot, sauc par kodola saites enerģiju. Starpību deltam=Zm(p)+Nm(n)-m(k) sauc par masas defektu.Spēkus, kuri darbojas starp nukloniem, nodrošinot kodolu stabilitāti, sauc par kodolspēkiem.Kodolspēki, būdami stiprās mijiedarbības spēki, savā darbības zonā ir visintensīvākie mijiedarbības spēki dabā.Kodolspēki ir tuvdarbības spēki, apmaiņas spēki un necentrāli spēki. Kodolspēki ir atkarīgi arī no nuklonu savstarpējās kustības relativā ātruma.
23.Radioaktivitāte, alfa-, beta-, gamma- staru rašanās mehānismi.A. bekerels, pētot urāna sāļu luminiscenci, 1896. Gadā atklāja jaunu starojumu, kas iedarbojas uz fotoplati, un nosauca to par radioaktivitāto starojumu.Radioaktivitāte ir kodolu pārvēršanās citos kodolos, emotējot vienu vai vairākas daļiņas.Process – radioaktīvo sabrukšanu.Tas ir varbūtīgs process.varbūtību Lambda, ka kodola sabrukšana notiks laika vienībā laika sprīdī dt. Tādējādi dN/N=-Lmbda*dt. N=N(o)*exp(-lambda*t). N(o) – kodolu skaits laika momentā t=0; Lambda – radioaktīvās sabrukšanas konstante.Jo lielāka ir konstante lambda, jo ātrāk notiek sabrukšana un mazāks ir radioaktīvo kodolu vidējais dzīves laiks Tau. Tau=1/Lambda. Laika sprīdī tau samazinās e reizes.Pussabrukšanas periods T(1/2) – laika sprīdi, kurā radioaktīvo kodolu skaits samazinās 2 reizes.T(1/2)=ln(2)/Lambda=tau*ln(2)~0.693*tau. Aktivitāti A(k) – radioaktīvās sabrukšanas aktu skaitu laika vienībā: A(k)=|dN/dt|.Aktivītates SI vienība ir bekerels. Atkarībā no emitēto daļiņu dabas pastāv vairāki radioaktivitātes veidi: alfa, beta, gamma radioaktivitāte, msagu kdolu spontānā dalīšanās, protonu radioaktivitāte. Alfa radioaktīvās pārvērtības aktā kodols amitē alfa faļiņu 4,2 He. Ja sākotnējais kodols ir a,z X, tad notiekošo prvērtību simboliski var pierakstīt šādi: a,z X-> a-4,z-2 Y+ 4,2 He. Šeit a-4.z-2 Y ir jaunais kodols.Beta. Kodolam ar noteiktu nuklonu skaitu A saites enerģija, tātad arī masa, ir atkarīga no protonu skaita Z un neitronu skaita N=A-Z attiecības Z/N. Tikai noteiktai attiecībai (Z/N)(opt) atbilst vislielākā saites enerģija, vismazākā kodola masa.Neitrons pārvēršas par ptoronu vai otrādi. Šādus kodolpārvērtību procesus sauc par beta radioaktivitāti.Ja promārajā kodolā neitronu skaits N ir lielāks par optimālo, tad iespējama beta- radioaktīva pārvērtība a,z X-> a,Z+1 Y+ 0, -1 e+v(e)~.Ja primāraja kodolā protonu skaits Z ir lielāks par optimālo, tad iespējama b+ radioaktīvā pārvērtība: a,z X-> a,z-1 Y+ 0,1 e+ v(e). Gamma. Ja kodola ierosmes enerģija nepārsniedz nuklona saites enerģiju, tad kodols parasti to atdod, emitējot gamma kvantu. Kad gmma kvantu emitē kodols, kas nonācis ierosinatā stāvoklī alfa vai beta radiaktīvo pārvērtību rezultātā, un kdola dzives laiks ierosinātajā stāvoklī ir mazs, tad gandrīz vienlaikus tiek emitētas alfa daļiņas vai beta daļiņas vai gamma kvanti.
24. Kodolreakcijas. Kodolu dalīšanās reakcijas.Par kodolreakciju sauc kodola pārvēršanos, tam savstarpēji iedarbojoties ar kādu daļiņu vai citu kodolu.Tieši kodolreakcijas dod visplašāko informāciju par elemntārdaļiņu un kodoli īpašībām, kuru izpēte ir kodolfizikas pamat uzdevums.Pirmo kodolreakciju laboratorijas apstākļos realizēja E. Rezerfords 1919.gadā. Apšaudot slāpekļa atomu kodolus ar alfa faļiņām, viņš iegūva skābekļa atomu kodolus: 14,7 N+ 4,2 He->17,8 O+1,1 H. Kodolreakcijam ir dažie mehanismi. Ja kodolreakciju izraisa daļiņa ar lielāku enerģiju, iespējama t. s. tiešā kodolreakcija, kad kāds kodola nuklons vai nuklonu grupa pēc sadusmes ar ielidojušo daļuņu tiek atrauts no kodola.Šādas reakcijas laiks ir aptuveni vienāds ar kodollaiku tau(k). Tiešās kodolreakcijas gala produkti izlido galvenokārt krītošās daļiņas kustības virzienā.kodolreakcijās vairāki fizikāli lielumi saglabājas. Galvienie no tiem ir enerģija, impulsa moments, elektriskais lādiņš, masas skaitlis, barionlādiņš un leptonlādiņš.Kdolu dal. Reakcijas. Pašiem smagākajiem kodoliem nuklonu īpatnējā saites enerģija ir aptuveni par 1 MeV mazāka nekā stabilākajiem kodoliem.Tādēļ tiem ir enerģētiski izdevīgi sadalīties divos kodolos. Taču to tāpat kā alfa faļiņas vai protona emisiju kavē potenciālā barjera. Spēki, kas darbojas uz nuklonu kodolā tā virsmas tuvumā, ir analogi virsmas spraiguma spēkiem šķidruma pilienā. Ar šiem kodolspēkiem saistīta potenciālā enerģija ir minimāla, ja kodolam ir sfēriska forma. Kodola formas maiņa, kurai seko tā dalīšanās, ir iespējama tikai tad, ja kodolam ar kādu daļiņu pievada papildu enerģiju, kas vajadzīga, lai veiktu kodola formas mainīšanai nepieciešamo darbu.Kodolā, kas absorbē neitronu (35.9 a) un iegūst papildu enerģiju, var sākties atsevišķu nuklonu grupu svārstības, kas izraisa kodola formas maiņu (35.9 b,c). Nedeformētā kodolā tā virsmas spraiguma spēki kompensē Kulona atgrūšanās spēkus, bet ierosinatā kodolā, ja ierosmes enerģijas ir pietiekami liela, formas deformācija var pārsniegt kritisko robežu, kad Kulona spēki vairs netiek kompensēti. Tad kodola daļas attāllinās un izveidojas divi jauni kodoli. Katrā jaunajā kodolā atsevišķi Kulona spēku loma ir daudz mazāka, tādēļ to sites enerģija ir ievērojami lielāka, kodoli kļūst stabilāki. Attālumā, kādā atrodas jaunie dalīšanās kodoli tūliņ pēc to rašanās, pievilkšanās kodolspēki starp tiem vairs nedarbojas, bet darbojas ļoti lieli Kulona atgrūšanās spēki. Tādēļ abi dalīšanās kodoli aizlido pretējos virzienos un tiem ir ļoti liela kinētiskā enerģija.
25.Kodolu sintēzes reakcijas. Jēdziens par kodolenerģētiku.Pirmā elektrostacija (AES) tika nodota ekspluatācijā 1954. Gadā Obņinskā, tās jauda 5 MW. Tagad enerģētiskie kodolrektori ieņem nozīmīgu vietu mūsdienu enerģētikā. Dažādās valstīs 1985. Gadā darbojas aptuveni 400 atomelektrostacijas, kuras deva 17% no visa pasaulē ražotās elektroenerģijas.Padomju Savienībā 1987. Gadā darbojas 42 kodolenergobloki ar kopējo jaudu 31 GW. Iekārtu, kurā norisinās vadāma kodolu dalīšanās ķēdes reakcija, sauc par kodolreaktoru. Pirmais urāna – grafīta kodolreaktors Amerikas Savienotajās Valstis tika izveidots 1942. Gadā. Leno neitronu kodolreaktors. Reaktora aktīvajā zonā ir kodoldegviela un neitronu palēninātājs (H2O, D2O, grafīts). Heterogēnajos reaktoros kodoldegviela un neitronu palēninātājs ir atdalīti. Kodoldegvielas elementus parasti veido ar metālisku cirkoniju Zr klāti stieņi, kuri regulāri izvietoti palēlinātājā, piemēram, grafītā. (35.12 att.) homogēnajos reaktoros kodoldegviela sajaukta ar palēninātāju, piemēram, urāna sāls U2SO4 izšķidināta parastajā vai smagajā ūdenī.Neitronu atstarotājs lēno neitronu reaktorā ir no tāda paša materiāla kā neitronu palēninātājs.Kodolrektora darba režīmu regulē, ievadot tā aktīvajā zonā bora vai kdamija stieņus, kuri stipsi absorbē neitronus. Caur aktīvo zonu cirkulē siltumnesējs: parastais ūdens, smagais ūdens, šķidrs metals vai kāda gāze, kas aizvada zonā izdalīto siltumenerģiju. Aizsardzībai pret neitronu starojumu un gamma starojumu, kas izplatās no kodolreaktora aktīvās zonas, izmanto biezu dzelzsbetona aizsargslani.Nuklonu īpatnējā saites enerģija vieglajos kodolos pieaug, palielinoties kodola masas skaitlim A (35.3 att). Tādēļ iespējama kodolenerģijas atbrīvošanās kodolsintēzes reakcijās, kad no vieglo atomu kodoliem veidojas smagāki.Lai norisinātos sintēzes reakcija, kodoli jāsatuvina, pārvarot Kulona spēku potenciālo barjeru, līdz attalumiem, kas mazāki par kodolspēku darbības rādiusu.Kodolsintēzes reakcijas sauc par kodoltermiskajām reakcijām. Lai kodoltermiskā reakcija būtu stacionāra, noturēšanas parametram, plazmas koncentrācijas un degšanas ilguma reizinājumam n(tau) jābūt pietiekami lielam. Parametra vērtība atkarīga no reakcijas veida un plazmas temperatūras, un to var noteikt, izmantojot Lousona kritēriju n(tau)>(12kT/alfa(T)*Q*n)
(2 n..) kur k – Boļcmana konstante; T – plazmas temperatūra; alfa(T) – parametrs, kas saistīts ar sintēzes reakcijas varbūtību; Q – vianā sintēzes aktā izdalītā enerģija; n (2n) – lietderības koeficients, ar kādu reakcijā izdalītā enerģija tiek pārvērsta elektriskajā enerģijā. Kodoltermiskās reakcijas ir realizētas sprādziena veidā, kad nepieciešamo temperatūru nodrošina kodolu dalīšanās ķēdes reakcija.