Članak otkriva suštinu kvantnih svojstava svjetlosti. Govori o tome kako su otkriveni i do čega je to dovelo.

Planck i kvantni

Krajem devetnaestog i početkom dvadesetog vijeka u naučnim krugovima vjerovalo se da je u fizici apsolutno sve jasno. Najnaprednije znanje u to vrijeme bile su Maxwellove jednadžbe i proučavanje različitih pojava povezanih s elektricitetom. Mladim ljudima koji su težili da se bave naukom nije se preporučivalo da se bave fizikom: na kraju krajeva, mogle su postojati samo rutinske studije koje nisu dale nikakav napredak. Međutim, ironično, upravo je ovo proučavanje svojstava davno poznatog fenomena otvorilo put ka novim horizontima znanja.

Talasna i kvantna svojstva svjetlosti počela su otkrićem Maxa Plancka. Proučavao je spektar apsolutno crnog tijela i pokušao pronaći najprikladniji matematički opis njegovog zračenja. Kao rezultat toga, došao je do zaključka da u jednačinu treba uvesti određenu minimalnu nedjeljivu veličinu, koju je nazvao "kvantom akcije". A budući da je to bio samo način da se "odbije ugao" za jednostavniju matematičku formulu, on ovoj vrijednosti nije dao nikakvu fizičkog čula. Međutim, drugi naučnici, na primjer, A. Einstein i E. Schrödinger, uočili su potencijal takvog fenomena kao što je kvant, i dali razvoj novoj grani fizike.

Moram reći da sam Planck nije u potpunosti vjerovao u fundamentalnu prirodu svog otkrića. Naučnik je, pokušavajući da opovrgne kvantna svojstva svjetlosti, ukratko prepisao svoju formulu, upuštajući se u razne matematičke trikove kako bi se riješio ove količine. Ali ništa nije bilo od toga: duh je već bio pušten iz boce.

Svjetlost je kvant elektromagnetnog polja

Nakon Planckovog otkrića poznata činjenica to svetlo ima valna svojstva, dopunjen još jednim: foton je kvant elektromagnetno polje. To jest, svjetlost se sastoji od vrlo malih nedjeljivih paketa energije. Svaki od ovih paketa (foton) karakteriše frekvencija, talasna dužina i energija, a sve ove veličine su međusobno povezane. Brzina svjetlosti u vakuumu je najveća u poznatom svemiru, oko 300.000 kilometara u sekundi.

Treba napomenuti da su i druge veličine kvantizirane (odnosno, podijeljene su na najmanje nedjeljive dijelove):

• gluonsko polje;
• gravitaciono polje;
• kolektivna kretanja kristalnih atoma.

Kvant: razlika od elektrona

Ne treba misliti da u svakoj vrsti polja postoji određena najmanja veličina, koja se naziva kvantom: u elektromagnetskoj skali postoje i vrlo mali i visokoenergetski valovi (na primjer, rendgenski zraci), i vrlo veliki, ali istovremeno i "slabi" (na primjer, radio talasi). Jednostavno, svaki kvant putuje kroz svemir kao cjelina. Vrijedi napomenuti da fotoni mogu izgubiti dio svoje energije u interakciji s nepremostivim potencijalnim barijerama. Ovaj fenomen se naziva "tuneliranje".

Interakcija svjetlosti i materije

Nakon ovako sjajnog otvaranja, pljuštala su pitanja:

1. Šta se događa s kvantom svjetlosti kada stupi u interakciju s materijom?
2. Gdje ide energija koju foton nosi kada se sudari s molekulom?
3. Zašto se jedna talasna dužina može apsorbovati, a druga talasna dužina emitovati?

Glavna stvar je da je dokazan fenomen laganog pritiska. Ova činjenica je dala nova prilika za refleksiju: ​​tako da je foton imao impuls i masu. Korpuskularno-talasni dualizam mikročestica usvojen nakon toga uvelike je olakšao razumijevanje ludila koje se događa u ovom svijetu: rezultati se nisu uklapali ni u jednu logiku koja je postojala prije.

Prijenos energije

Dalja istraživanja su samo potvrdila kvantna svojstva svjetlosti. Fotoelektrični efekat je pokazao kako se energija fotona prenosi na materiju. Uz refleksiju i apsorpciju, osvjetljenje je sposobno povući elektrone sa površine tijela. Kako se to dešava? Foton prenosi svoju energiju na elektron, koji postaje pokretljiviji i stječe sposobnost savladavanja sile vezivanja s jezgrama materije. Elektron napušta svoj prirodni element i juri negdje izvan poznatog okruženja.

Vrste fotoelektričnog efekta

Fenomen fotoelektričnog efekta, koji potvrđuje kvantna svojstva svjetlosti, ima različite vrste a zavisi od kojih solidan foton se sudara. Ako se sudari s vodičem, elektron napušta supstancu, kao što je već opisano. Ovo je suština eksterni fotoelektrični efekat.

Ali ako je poluvodič ili dielektrik osvijetljen, tada elektroni ne napuštaju tijelo, već se preraspodijele, olakšavajući kretanje nosača naboja. Stoga se fenomen poboljšanja provodljivosti pri osvjetljenju naziva intrinzičnim fotoelektričnim efektom.

Eksterna fotoelektrična formula

Čudno, ali unutrašnji fotoelektrični efekat je vrlo teško razumjeti. Neophodno je poznavati pojasnu teoriju polja, razumeti prelaze kroz pojas i razumeti suštinu elektron-ruponosne provodljivosti poluprovodnika da bi se u potpunosti shvatio značaj ovog fenomena. Osim toga, unutrašnji fotoelektrični efekat se ne koristi tako često u praksi. Potvrđujući kvantna svojstva svjetlosti, formule za vanjski fotoelektrični efekat ograničavaju sloj iz kojeg svjetlost može izvući elektrone.

gdje je h Plankova konstanta, ν je kvant svjetlosti određene valne dužine, A je rad koji elektron obavlja da napusti materiju, W je kinetička energija (a time i brzina) kojom odlijeće.

Dakle, ako se sva energija fotona potroši samo na izlazak elektrona iz tijela, tada će na površini imati nula kinetička energija i ne mogu zaista izaći. Dakle, unutrašnji fotoelektrični efekat se takođe dešava u dovoljno tankoj spoljašnjoj reči osvetljene supstance. To ozbiljno ograničava njegovu primjenu.

Postoji mogućnost da će optički kvantni kompjuter i dalje koristiti interni fotoelektrični efekat, ali takva tehnologija još ne postoji.

Zakoni vanjskog fotoelektričnog efekta

U isto vrijeme, kvantna svojstva svjetlosti nisu sasvim beskorisna: fotoelektrični efekat i njegovi zakoni omogućuju stvaranje izvora elektrona. Dok je ove zakone u potpunosti formulisao Ajnštajn (za šta je dobio Nobelovu nagradu), razni preduslovi su se pojavili mnogo ranije od dvadesetog veka. Pojava struje pri osvjetljenju elektrolita prvi put je uočena već početkom devetnaestog stoljeća, 1839. godine.

Postoje tri zakona ukupno:

1. Jačina fotostruje zasićenja proporcionalna je intenzitetu svjetlosnog toka.
2. Maksimalna kinetička energija elektrona koji napuštaju supstancu pod dejstvom fotona zavisi od frekvencije (a time i energije) upadnog zračenja, ali ne zavisi od intenziteta.
3. Svaka supstanca sa istom vrstom površine (glatka, konveksna, hrapava, porozna) ima crvenu ivicu fotoelektričnog efekta. To jest, postoji tako najmanja energija (a samim tim i frekvencija) fotona, koja još uvijek odvaja elektrone od površine.

Svi ovi obrasci su logični, ali ih treba detaljnije razmotriti.

Objašnjenje zakona fotoelektričnog efekta

Prvi zakon znači sljedeće: što više fotona padne na jedan kvadratni metar površine u sekundi, to više elektrona ova svjetlost može "odnijeti" osvijetljenoj tvari.

Košarka je primjer: što igrač češće baca loptu, češće će i udarati. Naravno, ako je igrač dovoljno dobar i nije povređen tokom meča.

Drugi zakon zapravo daje frekvencijski odziv emitovanih elektrona. Frekvencija i talasna dužina fotona određuju njegovu energiju. Crveno svjetlo ima najnižu energiju u vidljivom spektru. I bez obzira koliko crvenih fotona lampa šalje materiji, oni su u stanju da elektronima prenesu samo nisku energiju. Stoga, čak i ako su otrgnuti od same površine i gotovo da nisu radili na izlazu, tada njihova kinetička energija ne može biti veća od određenog praga. Ali ako istu tvar osvijetlimo ljubičastim zrakama, tada će brzina najbržih elektrona biti mnogo veća, čak i ako ima vrlo malo ljubičastih kvanta.

Treći zakon ima dvije komponente - crvenu ivicu i stanje površine. Mnogi faktori zavise od toga da li je metal poliran ili hrapav, da li ima pore ili je gladak: koliko fotona će se reflektovati, kako će se preraspodijeliti po površini (očigledno, manje svjetla će ući u jame). Dakle, možete međusobno upoređivati ​​različite supstance samo sa istim stanjem površine. Ali energija fotona, koji još uvijek može otkinuti elektron od tvari, ovisi samo o vrsti tvari. Ako jezgra ne privlače nosioce naboja jako jako, tada energija fotona može biti niža, a samim tim i crvena granica dublja. A ako jezgra tvari čvrsto drže svoje elektrone i ne žele se tako lako rastati od njih, tada se crvena granica pomiče na zelenu stranu.

Uobičajeno se naziva elektromagnetno zračenje sa energijama do 250 keV x-zrake , a iznad toga - g zračenja . Zračenje radioaktivnih izotopa, bez obzira na energiju, obično se označava kao
g-zrake .

Svi ostali tipovi AI imaju korpuskularnu prirodu, predstavljajući elementarne čestice. Mehanizam prijenosa energije svih nabijenih čestica je približno isti. Prilikom prolaska kroz materiju, nabijena čestica gubi svoju energiju, uzrokujući ionizaciju i pobuđivanje atoma sve dok se ukupna zaliha energije ne smanji do te mjere da čestica izgubi svoju jonizacijsku sposobnost i obično je zarobi neki atom i formira ion.

Energija koju naelektrisana čestica izgubi po jedinici puta naziva se linearni gubitak energije. Ovisno o tome, sva jonizujuća zračenja se dijele na rijetko- i gusto jonizuju . Rijetko jonizujuće zračenje uključuje sve vrste elektromagnetnog zračenja i elektrona, a gusto jonizujuće zračenje uključuje protone, deuterone i teže čestice.

Rice. 11. Rutherfordovo iskustvo.

Prvi od njih blago odstupa prema negativno nabijenoj ploči, a drugi jako odstupa prema pozitivno nabijenoj ploči. Ove komponente je nazvao alfa zracima i beta zracima. Budući da je većina prostora u atomu prazan, brze a-čestice mogu gotovo slobodno prodrijeti u značajne slojeve materije koje sadrže nekoliko hiljada slojeva atoma.

Rasipanje naelektrisanih čestica koje je primetio Rutherford objašnjava se takvom raspodelom naelektrisanja u atomu.U sudaru sa pojedinačnim elektronima, a-čestice odstupaju za veoma male uglove, pošto je masa elektrona mala. Međutim, u onim rijetkim prilikama kada proleti blizina iz jednog od atomskih jezgara, pod uticajem jakog električno polje jezgro se može skrenuti pod velikim uglom.

Godinu dana kasnije, P. Willard je otkrio da sastav radioaktivnog zračenja uključuje i treću komponentu: gama zrake, koje ne odbijaju ni magnetska ni električna polja. Utvrđeno je da radioaktivna jezgra mogu emitovati čestice tri vrste: pozitivno i negativno nabijene i neutralne. Dok nije razjašnjena priroda ovih zračenja, zraci koji su odstupili prema negativno nabijenoj ploči konvencionalno su se nazivali alfa čestice , odstupio prema pozitivno naelektrisanoj ploči - beta zraka , a zvali su se zraci koji uopšte nisu odstupili gama zraci (Sl. 12.).

Rice. 12. Komponente radioaktivnog zračenja.

K - olovni kontejner, R - radioaktivni preparat,
F – fotografska ploča, – magnetno polje.

Alfa čestice (a) su jezgra atoma helija i sastoje se od dva protona i dva neutrona. Imaju duplo pozitivan naboj i relativno velika masa jednaka 4,0003 a.m.u.

Za svaki izotop energija alfa čestica je konstantna. Raspon alfa čestica u zraku je, ovisno o energiji, 2-10 cm, au biološkim tkivima nekoliko desetina mikrona. Pošto su alfa čestice masivne i imaju veliku energiju, njihov put u materiji je jednostavan; izazivaju jako izražene efekte jonizacije i fluorescencije. Alfa zračenje kada uđe u ljudsko tijelo je izuzetno opasno, jer se sva energija a-čestica prenosi na ćelije tijela.

Beta zračenje (b) predstavlja tok čestica (elektrona ili pozitrona) koje emituju jezgra tokom beta raspada. Fizička karakteristika elektrona nuklearnog porijekla je ista kao i elektrona atomska školjka. Beta čestice su označene simbolom b - (elektronski raspad), b + (raspad pozitrona).

Za razliku od alfa čestica, beta čestica iste radioaktivni element imaju različite količine energije. Ovo se objašnjava činjenicom da se tokom beta raspada neutrini i beta čestice istovremeno emituju iz atomskog jezgra. Energija oslobođena tokom svakog događaja raspada se distribuira između beta čestice i neutrina. Ovo je električki neutralna čestica koja se kreće brzinom svjetlosti, nema masu mirovanja i ima veliku prodornu moć; otežava registraciju. Ako se b-čestica emituje sa velikom količinom energije, onda se neutrino emituje sa niskim energetskim nivoom i obrnuto. Raspon beta čestica u istom mediju nije isti. Put u supstanci takvih čestica je krivudav, lako mijenjaju smjer kretanja pod djelovanjem električnih polja nadolazećih atoma. Beta čestice imaju manji ionizirajući učinak od alfa čestica. Njihov domet u vazduhu može biti do 25 cm, au biološkim tkivima - do 1 cm. radioaktivnih izotopa razlikuju se u energiji beta čestica. Njihova maksimalna energija ima široke granice od 0,015–0,05 MeV (meko beta zračenje) do 3–12 MeV (tvrdo beta zračenje).

gama zračenje (g) je tok elektromagnetnih talasa; to je kao radio talasi, vidljiva svetlost, ultraljubičasti i infracrveni zraci i rendgenski zraci.

Rice. 13. Šema formiranja gama zračenja

Različite vrste zračenja se razlikuju po uslovima nastanka i određenim svojstvima. Rendgensko zračenje nastaje kada se brzi elektroni usporavaju u električnom polju jezgra atoma supstance (kočno rendgensko zračenje) ili tokom preuređenja elektronske školjke atomi tokom jonizacije i ekscitacije atoma i molekula (karakteristično rendgensko zračenje). Prilikom različitih prijelaza iz pobuđenog u nepobuđeno stanje može doći do emisije vidljivo svetlo, infracrvene i ultraljubičaste zrake. Gama kvante emituju jezgra atoma tokom alfa i beta raspada prirodnih i umjetnih radionuklida u onim slučajevima kada se u kćerkom jezgru nađe višak energije koji nije zahvaćen korpuskularnim zračenjem. Gama zraci nemaju masu mirovanja, nemaju naboj, pa stoga ne odstupaju u električnom ili magnetskom polju. U materiji i u vakuumu, gama zračenje se širi pravolinijski i jednoliko u svim smjerovima. Energija gama kvanta proporcionalna je frekvenciji oscilovanja i određena je formulom:

Eg = h × ν, (1.16)

gdje je h Planckova univerzalna konstanta (4,13 × 10 –21 MeV/s); n je frekvencija oscilacija u sekundi.

Frekvencija oscilovanja je povezana sa talasnom dužinom. Što je talasna dužina duža, frekvencija oscilovanja je niža i obrnuto, tj. frekvencija je obrnuto proporcionalna talasnoj dužini. Energija gama zračenja kreće se od nekoliko keV do 2–3 MeV. Sastav fluksa gama zračenja često uključuje kvante različitih energetskih vrijednosti. Međutim, njihov skup je konstantan za svaki izotop.

Gama kvanti, bez naboja i mase mirovanja, uzrokuju slab jonizujući efekat, ali imaju veliku prodornu moć. Put u vazduhu dostiže 100–150 m (vidi sliku 14).

Rice. 14. Sposobnost penetracije alfa, beta i gama čestica.

Neutroni. Za razliku od nabijenih čestica, neutroni se ne nose električni naboj, što im omogućava da slobodno prodiru duboko u atome; sudarajući se s ovim posljednjim, oni ih ili apsorbiraju ili odbijaju. Kao rezultat elastičnog raspršenja nastaju snažno jonizujući protoni visoke energije, a kada se neutroni apsorbuju atomska jezgra iz potonjeg izlaze protoni, alfa čestice i g-kvant, koji također proizvodi jonizaciju. Dakle, pod neutronskim zračenjem, konačni biološki efekat je povezan sa jonizacijom koju indirektno proizvode sekundarne čestice ili g-kvanta. Doprinos jedne ili druge nuklearne interakcije neutrona ovisi o sastavu ozračene tvari i njihovoj energiji. Prema energetskoj vrijednosti razlikuju se četiri tipa neutrona: brzi, srednji, spori i termalni (vidi sliku 15).

Neutroni su klasifikovani kao gusto jonizujuće zračenje, jer je raspon protona trzanja koji formiraju mali. Međutim, oni se javljaju na velikim dubinama zbog velike prodorne moći neutrona.

Negativni p mezoni- negativno nabijene čestice mase 273 puta veće od mase elektrona. Dobijaju se umjetnim metodama. Ove čestice imaju jedinstvenu sposobnost interakcije sa jezgrima atoma. Negativni pimezoni s energijama reda 25-100 MeV putuju cijelim putem kroz materiju do potpunog usporavanja gotovo bez nuklearnih interakcija. Na kraju ciklusa, oni bivaju zarobljeni sa 100% vjerovatnoćom jezgrima atoma tkiva.

Rice. 15. Vrste neutrona.

1.3.2. Interakcija radioaktivnih zračenja
sa supstancom

Prvo, čisto fizički faza interakcije, koja se odvija u milionitim dijelovima sekunde, sastoji se u prijenosu dijela energije fotona na jedan od elektrona atoma, nakon čega slijedi jonizacija i ekscitacija. Joni i pobuđeni atomi, koji imaju višak energije, stoga se odlikuju povećanom kemijskom reaktivnošću, sposobni su ulaziti u reakcije koje nisu moguće za obične, nepobuđene atome.

Drugo, fizički i hemijski, faza teče u zavisnosti od sastava i strukture ozračene supstance. Od fundamentalnog značaja je prisustvo vode i kiseonika. Ako ih nema, onda su mogućnosti kemijske interakcije atoma aktiviranih zračenjem ograničene, lokalizirane.

Interakcija alfa i beta čestica. Nabijene čestice, prolazeći kroz materiju, postupno gube energiju kao rezultat interakcije s elektronima atoma, kao i s električnim poljem jezgra. Kinetička energija a- i b-čestica se troši na jonizaciju, odnosno na odvajanje elektrona od atoma i na pobuđivanje atoma i molekula. U interakciji s električnim poljem jezgra, nabijena čestica se usporava i mijenja smjer svog kretanja, a emituje se zračenje koje je po svojim karakteristikama blisko rendgenskom zračenju i naziva se rendgensko zračenje kočnog zračenja.

Količina koja određuje energetsku stranu procesa jonizacije je rad na jonizaciji – prosečan rad troše na formiranje jednog para jona. Nabijene čestice, različite prirode, ali sa istom energijom, formiraju gotovo isti broj parova jona. kako god gustina jonizacije , tj. broj parova jona po jedinici putanje čestice u supstanci će biti različit. Gustoća jonizacije raste sa povećanjem naboja čestice i smanjenjem njene brzine.

Prolazeći kroz materiju, nabijene čestice postepeno gube energiju i brzinu, pa se gustoća jonizacije duž putanje čestice povećava i dostiže vrijednost na kraju puta. Na kraju puta, a-čestica vezuje dva elektrona za sebe i pretvara se u atom helijuma, i
b-čestica (elektron) može biti uključena u jedan od atoma medija.

Put kojim prolazi a- ili b-čestica u supstanci, tokom kojeg ona proizvodi jonizaciju, naziva se raspon čestica . Raspon alfa čestice u zraku može doseći 10 cm, au mekom biološkom tkivu - nekoliko desetina mikrona. Raspon beta čestica u vazduhu dostiže 25 m, a u tkivima do 1 cm.

Alfa čestice se šire u materiji pravolinijski i mijenjaju smjer samo kada se sudare s jezgrama nadolazećih atoma. Beta čestice, male mase, velike brzine i negativni naboj, značajno odstupaju od prvobitnog pravca kao rezultat sudara sa elektronima u orbiti i jezgrama nadolazećih atoma (efekat raspršivanja). Prolazeći kroz višestruko raspršivanje, beta čestice se mogu čak kretati u suprotnom smjeru – povratno rasipanje. Zbog značajnog raspršenja b-čestica, prava dužina puta u materiji je 1,5-4 puta veća od njihovog raspona. Druga razlika je u prolasku a- i b-čestica kroz materiju. Pošto sve alfa čestice koje emituje izotop imaju relativnu jednaku energiju i kreću se pravolinijski u tvari, tada njihov broj u snopu koji prolazi kroz jediničnu površinu apsorbera naglo pada na nulu samo na kraju puta. Spektar beta čestica je kontinuiran, pa se s povećanjem debljine apsorbera broj beta čestica u snopu koji prolazi kroz jediničnu površinu postepeno smanjuje.

Slabljenje intenziteta protoka b-čestica u materiji približno se povinuje eksponencijalnoj zavisnosti:

N \u003d N 0 × e - m a, (1.17)

gdje je N broj beta čestica koje su prošle kroz sloj apsorbera d cm, N 0 je broj beta čestica koje za 1 s stignu na površinu apsorbera jednaku 1 cm 2; e - baza prirodni logaritmi; m je linearni koeficijent slabljenja zračenja koji karakterizira relativno slabljenje intenziteta fluksa b-čestica nakon prolaska kroz apsorber debljine 1 cm.

Interakcija gama zračenja sa materijom. Tokom radioaktivnog raspada jezgra, emituju se g-kvanta različite energije. Prolazeći kroz materiju, gube energiju praktično zbog tri efekta: fotoelektrične apsorpcije, Comptonovog raspršenja i formiranja parova elektron-pozitron.

At fotoelektrični efekat energiju upadnog kvanta supstanca potpuno apsorbuje, kao rezultat toga pojavljuju se slobodni elektroni koji imaju određenu kinetičku energiju, čija je vrijednost jednaka energiji kvanta zračenja minus radna funkcija datog elektrona iz atom. Slobodni elektron, povezujući se s jednim od neutralnih atoma, stvara negativni ion. Fotoelektrični efekat je karakterističan samo za dugotalasne X-zrake. Njegova vjerovatnoća ovisi o atomskom broju i proporcionalna je Z 5 . Proces fotoelektričnog efekta je nemoguć na slabo vezanim i slobodnim elektronima (koji nisu vezani za jezgro), jer ne mogu apsorbirati g-kvant.

At Comptonov efekat g-kvanta, sudarajući se sa elektronima, ne prenose im svu svoju energiju, već samo njen dio, a nakon sudara mijenjaju smjer kretanja. Elektroni nastali kao rezultat sudara sa g-kvantima dobijaju značajnu kinetičku energiju i troše je na jonizaciju materije (sekundarna jonizacija). To. Kao rezultat Comptonovog efekta, intenzitet gama zračenja je oslabljen zbog činjenice da se g-kvanti, u interakciji s elektronima medija, raspršuju u različitim smjerovima i nadilaze primarni snop, kao i zbog prijenosa dijela njihove energije elektronima.

Uparivanje. Neki g-kvanta sa energijom od najmanje 1,02 MeV, prolazeći kroz materiju, pretvaraju se pod dejstvom jakog električnog polja u blizini jezgra u par elektron-pozitron. U ovom slučaju dolazi do prijelaza iz jednog oblika materije - gama zračenja u drugi - u čestice materije. Formiranje takvog para čestica moguće je samo pri energijama fotona ne manjim od energije ekvivalentne masi obje čestice - elektrona i pozitrona.

Nastali par elektron-pozitron naknadno nestaje, pretvarajući se u dva sekundarna g-kvanta sa energijom koja je jednaka energetskom ekvivalentu mase mirovanja čestica - 0,511 MeV. Verovatnoća formiranja para raste sa povećanjem energije g-kvanta i gustine apsorbera.

Zakon slabljenja gama zračenja materijom značajno se razlikuje od zakona slabljenja a- i b-čestica. G-zraka se apsorbuje kontinuirano kako se debljina apsorbera povećava. One. Bez obzira na debljinu sloja supstance, nemoguće je potpuno apsorbovati tok g-zraka, već samo oslabiti njegov intenzitet za bilo koji zadati broj puta. Ovo je suštinska razlika između prirode slabljenja g-zraka i slabljenja a- i b-čestica, za koje je uvek moguće izabrati sloj materije u kome je tok a- ili b-čestica potpuno apsorbuje.

Zakon o slabljenju g-zraka ima sljedeći oblik:

I \u003d I 0 × e - m a, (1.18)

gdje je I intenzitet snopa g-zraka koji je prošao kroz sloj apsorbera; I 0 je intenzitet upadnog snopa gama zraka; m je linearni koeficijent slabljenja jednak relativnom smanjenju intenziteta snopa gama zraka nakon prolaska kroz sloj apsorbera debljine 1 cm Linearni koeficijent slabljenja je ukupni koeficijent koji uzima u obzir slabljenje snopa gama zraka zbog sva tri procesa: fotoelektričnog efekta (t f), Comptonovog efekta (t k) i formiranja para (t p):

m \u003d t f + t k + t p (1.19)

Odjeljak 2 (predavanja #3–4)

OSNOVE RADIOEKOLOGIJE

Iz fizike za 11. razred (Kasyanov V.A., 2002),
zadatak №87
u poglavlje" Kvantna teorija elektromagnetnog zračenja. GLAVNE ODREDBE».

termičko zračenje

Potpuno crno tijelo

termičko zračenje- elektromagnetno zračenje koje emituju zagrejana tela zbog svoje unutrašnje energije.

Potpuno crno tijelo- tijelo koje apsorbira svu energiju zračenja koja pada na njega bilo koje frekvencije na proizvoljnoj temperaturi.

Spektralna gustina energetske luminoznosti je energija elektromagnetnog zračenja emitovanog u jedinici vremena po jedinici površine tijela u jediničnom frekvencijskom intervalu. Jedinica spektralne gustine energetske luminoznosti J/m 2 . Energija kvanta zračenja direktno je proporcionalna frekvenciji v zračenja:

gdje je h = 6,6 10 -34 J s Plankova konstanta.

Photon- mikročestica, kvant elektromagnetnog zračenja.

Zakoni termičko zračenje: Wien's Displacement Law

gde je λ m - talasna dužina, koja obračunava maksimalnu spektralnu gustinu energetske luminoznosti crnog tela, T - temperatura crnog tela, b ≈ 3000 μm K - Wienova konstanta.

Stefan-Boltzmannov zakon: Integralni luminozitet crnog tijela proporcionalan je četvrtom stepenu njegove apsolutne temperature:

gdje je σ = 5,67 10 -8 W / (m 2 K 4) - Stefan-Boltzmannova konstanta.

fotoelektrični efekat fenomen izbacivanja elektrona iz čvrstih i tečnih materija pod dejstvom svetlosti.

Zakoni fotoelektričnog efekta

1. Fotostruja zasićenja je direktno proporcionalna intenzitetu svjetlosti koja pada na katodu.

2. Maksimalna kinetička energija fotoelektrona je direktno proporcionalna frekvenciji svjetlosti i ne zavisi od njenog intenziteta.

3. Za svaku supstancu postoji minimalna frekvencija svjetlosti, koja se naziva crvena granica fotoelektričnog efekta, ispod koje je fotoelektrični efekat nemoguć.

Einsteinova jednadžba za fotoelektrični efekat:

Energija fotona se koristi za obavljanje radne funkcije i za prijenos kinetičke energije emitiranom fotoelektronu. Radna funkcija je minimalni rad koji se mora obaviti da bi se uklonio elektron iz metala.

crveni obrub foto efekat

Korpuskularno-talasni dualizam - manifestacija u ponašanju istog objekta i korpuskularnih i valnih svojstava. Korpuskularno-valni dualizam je univerzalno svojstvo svih materijalnih objekata.

teorija talasa ispravno opisuje svojstva svjetlosti pri visokim intenzitetima, tj. kada je broj fotona veliki.

Kvantna teorija koristi se za opisivanje svojstava svjetlosti pri niskim intenzitetima, tj. kada je broj fotona mali.

Bilo koja čestica sa impulsom p Odgovori de Broglieova talasna dužina je:

Stanje mikro-objekta se menja tokom procesa merenja. Nemoguće je istovremeno precizno određivanje položaja i impulsa čestice.

Heisenbergove relacije nesigurnosti:

1. Proizvod nesigurnosti koordinate čestice i nesigurnosti njenog impulsa nije manji od Planckove konstante:

2. Proizvod nesigurnosti energije čestice i nesigurnosti vremena njenog mjerenja nije manji od Planckove konstante:

Borovi postulati:

1. U stabilnom atomu, elektron se može kretati samo po posebnim, stacionarnim orbitama, bez zračenja elektromagnetne energije

2. Emisija svjetlosti od strane atoma nastaje prilikom prelaska atoma iz stacionarnog stanja sa višom energijom E k u stacionarno stanje sa nižom energijom E n . Energija emitovanog fotona jednaka je razlici između energija stacionarnih stanja:

Borovo pravilo kvantizacije orbite:

Na obodu svake stacionarne orbite stane cijeli broj n de Broglieovih valnih dužina, sa Odgovori što odgovara kretanju elektrona

Osnovno stanje atoma je stanje minimalne energije.

Luminescencija- neravnotežno zračenje materije.

Spektralna analiza- metoda za određivanje hemijskog sastava i drugih karakteristika supstance po njenom spektru.

Osnovni radijacioni procesi atoma: apsorpcija svetlosti, spontana i stimulisana emisija.

apsorpcija svetlosti je praćen prijelazom atoma iz osnovnog u pobuđeno stanje.

Spontana emisija- zračenje koje se emituje tokom spontanog prelaska atoma iz jednog stanja u drugo.

stimulisana emisija- zračenje atoma koje nastaje kada pređe na niži energetski nivo pod uticajem spoljašnjeg elektromagnetnog zračenja.

Laser- izvor zračenja pojačanog kao rezultat indukovanog zračenja.

Inverzna populacija nivoa energije- neravnotežno stanje medija, u kojem je koncentracija atoma u pobuđenom stanju veća od koncentracije atoma u osnovnom stanju.

Metastabilno stanje- pobuđeno stanje atoma, u kojem može biti mnogo duže nego u drugim stanjima.