Articolul dezvăluie esența proprietăților cuantice ale luminii. Vorbește despre cum au fost descoperite și la ce a dus.

Planck și quantum

La sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea, în cercurile științifice se credea că absolut totul era clar în fizică. Cele mai avansate cunoștințe la acea vreme erau ecuațiile lui Maxwell și studiul diferitelor fenomene asociate cu electricitatea. Tinerii care aspirau să facă știință nu li s-a recomandat să intre în fizică: la urma urmei, nu puteau fi decât studii de rutină care să nu ofere progrese. Cu toate acestea, în mod ironic, tocmai acest studiu al proprietăților unui fenomen familiar de mult timp a deschis calea către noi orizonturi de cunoaștere.

Proprietățile unde și cuantice ale luminii au început odată cu descoperirea lui Max Planck. El a studiat spectrul unui corp negru absolut și a încercat să găsească cea mai potrivită descriere matematică a radiației acestuia. Ca urmare, a ajuns la concluzia că o anumită cantitate minimă indivizibilă, pe care a numit-o „cuantumul acțiunii”, ar trebui introdusă în ecuație. Și, întrucât era doar o modalitate de a „taia colțul” pentru o formulă matematică mai simplă, el nu a dat această valoare simțul fizic. Cu toate acestea, alți oameni de știință, de exemplu, A. Einstein și E. Schrödinger, au observat potențialul unui astfel de fenomen ca cuantică și au dat dezvoltare unei noi ramuri a fizicii.

Trebuie să spun că Planck însuși nu credea pe deplin în natura fundamentală a descoperirii sale. Omul de știință, încercând să infirme proprietățile cuantice ale luminii, și-a rescris pe scurt formula, complăcându-se la diverse trucuri matematice pentru a scăpa de această cantitate. Dar nu a ieșit nimic din asta: genul fusese deja lăsat să iasă din sticlă.

Lumina este un cuantum al câmpului electromagnetic

După descoperirea lui Planck fapt cunoscut acea lumina are proprietățile valurilor, completat de altul: un foton este un cuantic câmp electromagnetic. Adică, lumina constă din pachete indivizibile foarte mici de energie. Fiecare dintre aceste pachete (foton) este caracterizat prin frecvență, lungime de undă și energie, iar toate aceste cantități sunt interconectate. Viteza luminii în vid este cea mai rapidă din universul cunoscut, cu aproximativ 300.000 de kilometri pe secundă.

Trebuie remarcat că și alte cantități sunt cuantificate (adică sunt împărțite în cele mai mici părți indivizibile):

• câmp gluon;
• câmp gravitațional;
• mișcările colective ale atomilor de cristal.

Cuantică: diferență față de electron

Nu trebuie să vă gândiți că în fiecare tip de câmp există o anumită cantitate cea mai mică, care se numește cuantum: la scara electromagnetică există atât unde foarte mici, cât și unde de înaltă energie (de exemplu, raze X), și foarte mari, dar în același timp „slabe” (de exemplu, unde radio). Doar că fiecare cuantă călătorește prin spațiu ca un întreg. Fotonii, merită remarcat, sunt capabili să-și piardă o parte din energia atunci când interacționează cu bariere potențiale de netrecut. Acest fenomen se numește „tunnel”.

Interacțiunea dintre lumină și materie

După o deschidere atât de strălucitoare, au plouat întrebări:

1. Ce se întâmplă cu o cantitate de lumină când interacționează cu materia?
2. Unde se duce energia transportată de un foton când se ciocnește de o moleculă?
3. De ce o lungime de undă poate fi absorbită și o altă lungime de undă poate fi emisă?

Principalul lucru este că fenomenul de presiune ușoară a fost dovedit. Acest fapt a dat noua ocazie pentru reflexie: deci fotonul avea impuls și masă. Dualismul corpuscular-undă al microparticulelor adoptat ulterior a facilitat foarte mult înțelegerea nebuniei care se întâmplă în această lume: rezultatele nu se încadrau în nicio logică care exista înainte.

Transfer de energie

Cercetările ulterioare au confirmat doar proprietățile cuantice ale luminii. Efectul fotoelectric a arătat modul în care energia unui foton este transferată materiei. Împreună cu reflexia și absorbția, iluminarea este capabilă să atragă electronii de pe suprafața unui corp. Cum se întâmplă asta? Fotonul își transferă energia către electron, care devine mai mobil și câștigă capacitatea de a depăși forța de legătură cu nucleele materiei. Electronul își părăsește elementul nativ și se grăbește undeva în afara mediului familiar.

Tipuri de efect fotoelectric

Fenomenul efectului fotoelectric, care confirmă proprietățile cuantice ale luminii, are tipuri diferite si depinde de care solid fotonii se ciocnesc. Dacă se ciocnește cu un conductor, atunci electronul părăsește substanța, așa cum este deja descris mai sus. Aceasta este esența efect fotoelectric extern.

Dar dacă un semiconductor sau dielectric este iluminat, atunci electronii nu părăsesc corpul, ci sunt redistribuiți, facilitând mișcarea purtătorilor de sarcină. Astfel, fenomenul de îmbunătățire a conductibilității atunci când este iluminat se numește efect fotoelectric intrinsec.

Formula fotoelectrică externă

Destul de ciudat, dar efectul fotoelectric intern este foarte greu de înțeles. Este necesar să cunoaștem teoria benzilor a câmpului, să înțelegem tranzițiile prin banda interzisă și să înțelegem esența conductibilității electron-gaură a semiconductorilor pentru a realiza pe deplin importanța acestui fenomen. În plus, efectul fotoelectric intern nu este atât de des folosit în practică. Confirmând proprietățile cuantice ale luminii, formulele pentru efectul fotoelectric extern limitează stratul din care lumina este capabilă să scoată electronii.

unde h este constanta lui Planck, ν este un cuantum de lumină cu o anumită lungime de undă, A este munca pe care o face un electron pentru a părăsi materia, W este energia cinetică (și, prin urmare, viteza) cu care zboară.

Astfel, dacă toată energia unui foton este cheltuită doar la ieșirea unui electron din corp, atunci la suprafață va avea zero energie kineticăși chiar nu pot ieși. Astfel, efectul fotoelectric intern are loc și într-un cuvânt extern suficient de subțire al substanței iluminate. Acest lucru îi limitează sever aplicarea.

Există posibilitatea ca un computer cuantic optic să folosească în continuare efectul fotoelectric intern, dar o astfel de tehnologie nu există încă.

Legile efectului fotoelectric extern

În același timp, proprietățile cuantice ale luminii nu sunt complet inutile: efectul fotoelectric și legile sale fac posibilă crearea unei surse de electroni. În timp ce aceste legi au fost formulate integral de Einstein (pentru care a primit Premiul Nobel), diverse premise au apărut mult mai devreme de secolul al XX-lea. Apariția unui curent atunci când un electrolit a fost iluminat a fost observată pentru prima dată deja la începutul secolului al XIX-lea, în 1839.

Există trei legi în total:

1. Puterea fotocurentului de saturație este proporțională cu intensitatea fluxului luminos.
2. Energia cinetică maximă a electronilor care lasă materia sub acțiunea fotonilor depinde de frecvența (și deci de energia) radiației incidente, dar nu depinde de intensitate.
3. Fiecare substanță cu același tip de suprafață (netedă, convexă, aspră, poroasă) are o margine roșie a efectului fotoelectric. Adică, există o energie atât de mică (și, prin urmare, frecvența) a unui foton, care încă detașează electronii de la suprafață.

Toate aceste modele sunt logice, dar ar trebui luate în considerare mai detaliat.

Explicarea legilor efectului fotoelectric

Prima lege înseamnă următorul lucru: cu cât mai mulți fotoni cad pe un metru pătrat de suprafață pe secundă, cu atât mai mulți electroni această lumină este capabilă să „lueze” din substanța iluminată.

Baschetul este un exemplu: cu cât un jucător aruncă mingea mai des, cu atât mai des va lovi. Desigur, dacă jucătorul este suficient de bun și nu este accidentat în timpul meciului.

A doua lege dă de fapt răspunsul în frecvență al electronilor emiși. Frecvența și lungimea de undă ale unui foton determină energia acestuia. Lumina roșie are cea mai scăzută energie din spectrul vizibil. Și indiferent câți fotoni roșii trimite lampa către materie, ei sunt capabili să transfere doar energie scăzută către electroni. Prin urmare, chiar dacă au fost scoși de pe suprafață în sine și nu au făcut aproape nicio lucrare de ieșire, atunci energia lor cinetică nu poate fi mai mare de un anumit prag. Dar dacă iluminam aceeași substanță cu raze violete, atunci viteza celor mai rapizi electroni va fi mult mai mare, chiar dacă există foarte puține cuante violete.

A treia lege are două componente - chenarul roșu și starea suprafeței. Mulți factori depind dacă metalul este lustruit sau rugos, dacă are pori sau dacă este neted: câți fotoni vor fi reflectați, cum vor fi redistribuiți pe suprafață (evident, mai puțină lumină va intra în gropi). Deci, puteți compara diferite substanțe între ele numai cu aceeași stare de suprafață. Dar energia unui foton, care este încă capabil să rupă un electron dintr-o substanță, depinde doar de tipul de substanță. Dacă nucleele nu atrag purtătorii de sarcină foarte puternic, atunci energia fotonului poate fi mai mică și, în consecință, marginea roșie este mai adâncă. Și dacă nucleele unei substanțe își țin electronii strâns și nu doresc să se despartă de ei atât de ușor, atunci marginea roșie se deplasează pe partea verde.

Radiația electromagnetică cu energii de până la 250 keV este denumită în mod obișnuit raze X , și mai presus de asta - g radiații . Radiația izotopilor radioactivi, indiferent de energie, este de obicei notă ca
razele G .

Toate celelalte tipuri de IA au o natură corpusculară, reprezentând particule elementare. Mecanismul de transfer de energie al tuturor particulelor încărcate este aproximativ același. Când trece prin materie, o particulă încărcată își pierde energia, provocând ionizarea și excitarea atomilor până când aportul total de energie scade într-o asemenea măsură încât particula își pierde capacitatea de ionizare și este de obicei capturată de un atom pentru a forma un ion.

Se numește energia pierdută de o particulă încărcată pe unitatea de drum pierdere liniară de energie. În funcție de aceasta, toate radiațiile ionizante sunt împărțite în rareori- și dens ionizant . Rareori radiațiile ionizante includ toate tipurile de radiații electromagnetice și electroni, iar radiațiile dens ionizante includ protoni, deutroni și particule mai grele.

Orez. 11. Experiența lui Rutherford.

Prima dintre ele deviază ușor către placa încărcată negativ, iar cealaltă se abate puternic spre placa încărcată pozitiv. Aceste componente le-a numit raze alfa și raze beta. Deoarece cea mai mare parte a spațiului dintr-un atom este gol, particulele a rapide pot pătrunde aproape liber în straturi semnificative de materie care conțin câteva mii de straturi de atomi.

Imprăștirea particulelor încărcate observată de Rutherford se explică printr-o astfel de distribuție a sarcinilor în atom.În coliziunile cu electronii individuali, particulele a deviază cu unghiuri foarte mici, deoarece masa electronului este mică. Cu toate acestea, în acele rare ocazii în care zboară distanta scurta dintr-unul dintre nucleele atomice, sub influența unui puternic câmp electric miezul poate fi deviat la un unghi mare.

Un an mai târziu, P. Willard a descoperit că compoziția radiațiilor radioactive include și o a treia componentă: razele gamma, care nu sunt deviate nici de câmpurile magnetice, nici de câmpurile electrice. S-a constatat că nucleele radioactive pot emite particule de trei tipuri: încărcate pozitiv și negativ și neutre. Până la clarificarea naturii acestor radiații, razele care deviau spre placa încărcată negativ erau numite în mod convențional particule alfa , deviat către o placă încărcată pozitiv - razele beta , iar razele care nu s-au abătut deloc au fost numite raze gamma (Fig. 12.).

Orez. 12. Componentele radiațiilor radioactive.

K - recipient de plumb, R - preparat radioactiv,
Ф – placă fotografică, – câmp magnetic.

Particule alfa (a) sunt nucleele atomului de heliu și sunt formate din doi protoni și doi neutroni. Au dublu sarcină pozitivăși o masă relativ mare egală cu 4,0003 a.m.u.

Pentru fiecare izotop, energia particulelor alfa este constantă. Intervalul de particule alfa din aer este, în funcție de energie, de 2–10 cm, iar în țesuturile biologice este de câteva zeci de microni. Deoarece particulele alfa sunt masive și au energie mare, calea lor în materie este directă; produc efecte puternic pronunțate de ionizare și fluorescență. Radiația alfa atunci când intră în corpul uman este extrem de periculoasă, deoarece toată energia particulelor a este transferată către celulele corpului.

Radiația beta (b) reprezintă fluxul de particule (electroni sau pozitroni) emise de nuclee în timpul dezintegrarii beta. Caracteristica fizică a electronilor de origine nucleară este aceeași cu cea a electronilor înveliș atomic. Particulele beta sunt notate cu simbolul b - (dezintegrare electronică), b + (dezintegrare a pozitronilor).

Spre deosebire de particulele alfa, particulele beta ale aceleași element radioactiv au cantități diferite de energie. Acest lucru se explică prin faptul că în timpul dezintegrarii beta, neutrinii și particulele beta sunt emise simultan din nucleul atomic. Energia eliberată în timpul fiecărui eveniment de dezintegrare este distribuită între particula beta și neutrin. Aceasta este o particulă neutră din punct de vedere electric care se mișcă cu viteza luminii, nu are masă de repaus și are o putere mare de penetrare; îngreunând înregistrarea. Dacă o particulă b este emisă cu o cantitate mare de energie, atunci un neutrin este emis cu un nivel de energie scăzut și invers. Intervalul de particule beta din același mediu nu este același. Calea în substanța unor astfel de particule este sinuoasă, ele schimbă cu ușurință direcția de mișcare sub acțiunea câmpurilor electrice ale atomilor care se apropie. Particulele beta au un efect ionizant mai mic decât particulele alfa. Gama lor în aer poate fi de până la 25 cm, iar în țesuturile biologice - până la 1 cm. izotopi radioactivi diferă în energia particulelor beta. Energia lor maximă are limite largi de la 0,015–0,05 MeV (radiație beta moale) la 3–12 MeV (radiație beta dură).

radiații gamma (g) este un flux de unde electromagnetice; este ca undele radio, lumina vizibilă, razele ultraviolete și infraroșii și razele X.

Orez. 13. Schema formării radiațiilor gamma

Tipuri diferite radiațiile diferă în condițiile de formare și anumite proprietăți. Radiația cu raze X apare atunci când electronii rapid decelerează în câmpul electric al nucleului atomilor unei substanțe (radiație de raze X bremsstrahlung) sau în timpul rearanjare învelișuri de electroni atomi în timpul ionizării și excitării atomilor și moleculelor (radiația caracteristică cu raze X). În timpul diferitelor tranziții de la o stare excitată la o stare neexcitată, poate apărea emisia lumina vizibila, raze infraroșii și ultraviolete. Cuante gamma sunt emise de nucleele atomilor în timpul dezintegrarii alfa și beta a radionuclizilor naturali și artificiali în acele cazuri când se găsește un exces de energie în nucleul fiu care nu este captat de radiația corpusculară. Razele gamma nu au masă de repaus, nicio sarcină și, prin urmare, nu se abate într-un câmp electric sau magnetic. În materie și în vid, radiațiile gamma se propagă în linie dreaptă și uniform în toate direcțiile. Energia unui quantum gamma este proporțională cu frecvența de oscilație și este determinată de formula:

Еg = h × ν, (1.16)

unde h este constanta universală a lui Planck (4,13 × 10 –21 MeV/s); n este frecvența oscilațiilor pe secundă.

Frecvența de oscilație este legată de lungimea de undă. Cu cât lungimea de undă este mai mare, cu atât frecvența de oscilație este mai mică și invers, adică. frecvența este invers proporțională cu lungimea de undă. Energie radiații gama variază de la câțiva keV la 2–3 MeV. Compoziția fluxului de radiații gamma include adesea cuante de diferite valori de energie. Cu toate acestea, setul lor este constant pentru fiecare izotop.

Gamma quanta, fără sarcină și masă de repaus, provoacă un efect ionizant slab, dar au o putere de penetrare mare. Calea în aer atinge 100–150 m (vezi Fig. 14).

Orez. 14. Capacitatea de penetrare a particulelor alfa, beta și gamma.

Neutroni. Spre deosebire de particulele încărcate, neutronii nu transportă incarcare electrica, care le permite să pătrundă liber adânc în atomi; ciocnind cu acesta din urmă, ele sunt fie absorbite de acesta, fie respinse. Ca rezultat al împrăștierii elastice, se formează protoni puternic ionizanți de energie înaltă și atunci când neutronii sunt absorbiți nuclee atomice protonii, particulele alfa și g-quanta zboară din acestea din urmă, care produc și ionizare. Astfel, în timpul iradierii cu neutroni, efectul biologic final este asociat cu ionizarea produsă indirect de particulele secundare sau g-quanta. Contribuția uneia sau alteia interacțiuni nucleare a neutronilor depinde de compoziția substanței iradiate și de energia acestora. După valoarea energetică, se disting patru tipuri de neutroni: rapid, intermediar, lenți și termici (vezi Fig. 15).

Neutronii sunt clasificați ca radiații dens ionizante, deoarece intervalul de protoni de recul pe care îi formează este mic. Cu toate acestea, ele apar la adâncimi mari datorită puterii mari de penetrare a neutronilor.

P mezoni negativi- particule încărcate negativ cu o masă de 273 de ori masa unui electron. Sunt obținute prin metode artificiale. Aceste particule au o capacitate unică de a interacționa cu nucleele atomilor. Pimezonii negativi cu energii de ordinul a 25-100 MeV călătoresc prin materie până la decelerare completă, aproape fără interacțiuni nucleare. La sfârșitul cursei, acestea sunt capturate cu 100% probabilitate de nucleele atomilor de țesut.

Orez. 15. Tipuri de neutroni.

1.3.2. Interacțiunea radiațiilor radioactive
cu substanta

În primul rând, pur fizic etapa de interacțiune, care are loc în milionimi de secundă, constă în transferul unei părți din energia fotonului către unul dintre electronii atomului, urmat de ionizare și excitare. Ionii și atomii excitați, care au energie în exces, sunt, prin urmare, caracterizați printr-o reactivitate chimică crescută, ei sunt capabili să intre în reacții care nu sunt posibile pentru atomii obișnuiți, neexcitați.

În al doilea rând, fizic și chimic, etapa decurge in functie de compozitia si structura substantei iradiate. De o importanță fundamentală este prezența apei și a oxigenului. Dacă acestea sunt absente, atunci posibilitățile de interacțiune chimică ale atomilor activați de radiații sunt limitate, localizate.

Interacțiunea particulelor alfa și beta. Particulele încărcate, care trec prin materie, pierd treptat energie ca urmare a interacțiunii cu electronii atomilor, precum și cu câmpul electric al nucleului. Energia cinetică a particulelor a și b este irosită la ionizare, adică la desprinderea electronilor de la un atom și la excitarea atomilor și moleculelor. Interacționând cu câmpul electric al nucleului, particula încărcată este încetinită și își schimbă direcția mișcării, în timp ce are loc emisia de radiații, care în caracteristicile sale este apropiată de raze X și se numește radiație de raze X bremsstrahlung.

Mărimea care determină partea energetică a procesului de ionizare este munca de ionizare – munca medie cheltuită pentru formarea unei perechi de ioni. Particulele încărcate, de natură diferită, dar cu aceeași energie, formează aproape același număr de perechi de ioni. in orice caz densitatea de ionizare , adică numărul de perechi de ioni pe calea unitară a unei particule dintr-o substanță va fi diferit. Densitatea de ionizare crește odată cu creșterea sarcinii particulei și cu scăderea vitezei acesteia.

Trecând prin materie, particulele încărcate pierd treptat energie și viteză, astfel încât densitatea de ionizare de-a lungul traseului particulei crește și atinge o valoare la sfârșitul căii. La sfârșitul căii, particula a atașează doi electroni la sine și se transformă într-un atom de heliu și
b-particula (electronul) poate fi inclusă într-unul dintre atomii mediului.

Se numește calea parcursă de o particulă a sau b într-o substanță, în timpul căreia aceasta produce ionizare gama de particule . Intervalul unei particule alfa în aer poate ajunge la 10 cm, iar în țesutul biologic moale - câteva zeci de microni. Intervalul de particule beta în aer ajunge la 25 m, iar în țesuturi până la 1 cm.

Particulele alfa se propagă în materie în linie dreaptă și își schimbă direcția numai atunci când se ciocnesc cu nucleele atomilor care se apropie. Particule beta, având o masă mică, viteză mare și sarcina negativa, deviază semnificativ de la direcția inițială ca urmare a ciocnirilor cu electronii care orbitează și nucleele atomilor care se apropie (efect de împrăștiere). Prin împrăștiere multiplă, particulele beta se pot deplasa chiar în direcția opusă - retroîmprăștiere. Datorită împrăștierii semnificative a particulelor b, lungimea adevărată a căii în materie este de 1,5-4 ori mai mare decât intervalul lor. O altă diferență este în trecerea particulelor a și b prin materie. Deoarece toate particulele alfa emise de un izotop au un relativ energie egalăși se deplasează rectiliniu în substanță, apoi numărul lor în fasciculul care trece prin suprafața unitară a absorbantului scade brusc la zero numai la sfârșitul traseului. Spectrul particulelor beta este continuu, prin urmare, odată cu creșterea grosimii absorbantului, numărul de particule beta dintr-un fascicul care trece printr-o suprafață unitară scade treptat.

Slăbirea intensității fluxului de particule b în materie respectă aproximativ dependența exponențială:

N \u003d N 0 × e - m a, (1.17)

unde N este numărul de particule beta care au trecut prin stratul absorbant d cm, N 0 este numărul de particule beta care ajung în 1 s în zona absorbantă egală cu 1 cm2; e - baza logaritmi naturali; m este coeficientul liniar de atenuare a radiației care caracterizează atenuarea relativă a intensității fluxului de particule b după trecerea printr-un absorbant de 1 cm grosime.

Interacțiunea radiațiilor gamma cu materia. În timpul dezintegrarii radioactive a unui nucleu, sunt emise g-quanta cu energii diferite. La trecerea prin materie, ei pierd energie practic din cauza a trei efecte: absorbția fotoelectrică, împrăștierea Compton și formarea perechilor electron-pozitron.

La efect fotoelectric energia cuantumului incident este complet absorbită de substanță, ca urmare, apar electroni liberi care au o anumită energie cinetică, a cărei valoare este egală cu energia cuantumului de radiație minus funcția de lucru a electronului dat din atom. Un electron liber, asociindu-se cu unul dintre atomii neutri, generează un ion negativ. Efectul fotoelectric este caracteristic doar pentru razele X cu lungime de undă lungă. Probabilitatea sa depinde de numărul atomic și este proporțională cu Z 5 . Procesul efectului fotoelectric este imposibil pe electronii slab legați și liberi (nu legați de nucleu), deoarece aceștia nu pot absorbi g-quanta.

La Efectul Compton g-quanta, ciocnind cu electronii, le transferă nu toată energia lor, ci doar o parte din ea, iar după ciocnire își schimbă direcția de mișcare. Electronii formați ca urmare a ciocnirii cu g-quanta dobândesc energie cinetică semnificativă și o irosesc prin ionizarea materiei (ionizare secundară). Acea. ca urmare a efectului Compton, intensitatea radiației gamma este slăbită datorită faptului că g-quanta, interacționând cu electronii mediului, se împrăștie în direcții diferite și trec dincolo de fasciculul primar, precum și datorită transferului. o parte din energia lor către electroni.

Împerechere. Unele g-quante cu o energie de cel puțin 1,02 MeV, care trec prin materie, sunt convertite sub acțiunea unui câmp electric puternic din apropierea nucleului într-o pereche electron-pozitron. În acest caz, există o tranziție de la o formă de materie - radiația gamma la alta - în particule de materie. Formarea unei astfel de perechi de particule este posibilă numai la energii fotonice nu mai mici decât energia echivalentă cu masa ambelor particule - un electron și un pozitron.

Perechea electron-pozitron rezultată dispare ulterior, transformându-se în două g-quante secundare cu o energie egală cu echivalentul energetic al masei în repaus a particulelor - 0,511 MeV. Probabilitatea formării perechilor crește odată cu creșterea energiei cuantei g și a densității absorbantului.

Legea atenuării radiațiilor gamma de către materie diferă semnificativ de legea atenuării particulelor a și b. Fascicul de raze G este absorbit continuu pe măsură ce grosimea absorbantului crește. Acestea. Indiferent de grosimea stratului de substanță, este imposibil să absorbiți complet fluxul de raze G, ci doar să slăbiți intensitatea acestuia de un anumit număr de ori. Aceasta este diferența esențială dintre natura atenuării razelor G și atenuarea particulelor a și b, pentru care este întotdeauna posibil să se aleagă un strat de materie în care fluxul particulelor a sau b este complet absorbit.

Legea de atenuare a fasciculului de raze G are următoarea formă:

I \u003d I 0 × e - m a, (1.18)

unde I este intensitatea fasciculului de raze G care a trecut prin stratul absorbant; I 0 este intensitatea fasciculului incident de raze gamma; m este coeficientul de atenuare liniar, egal cu scăderea relativă a intensității fasciculului de raze gamma după trecerea prin stratul absorbant de 1 cm grosime.Coeficientul de atenuare liniară este coeficientul total care ia în considerare atenuarea razelor gamma. fascicul datorat tuturor celor trei procese: efect fotoelectric (t f), efect Compton (t k) și formarea perechilor (t p):

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

Secțiunea 2 (prelegeri #3–4)

FUNDAMENTELE RADIOECOLOGIEI

La fizică pentru clasa a 11-a (Kasyanov V.A., 2002),
o sarcină №87
la capitolul " Teoria cuantică a radiațiilor electromagnetice. DISPOZIȚII PRINCIPALE».

Radiație termala

Corp complet negru

Radiație termala- radiatii electromagnetice emise de corpurile incalzite datorita energiei sale interne.

Corp complet negru- un corp care absoarbe toată energia radiației incidente asupra lui de orice frecvență la o temperatură arbitrară.

Densitatea spectrală a luminozității energetice este energia radiației electromagnetice emisă pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață a suprafeței corpului într-un interval de frecvență unitar. Unitatea de densitate spectrală a luminozității energiei J/m 2 . Energia unui cuantum de radiație este direct proporțională cu frecvența v a radiației:

unde h = 6,6 10 -34 J s este constanta lui Planck.

Foton- microparticulă, cuantumul radiației electromagnetice.

Legile Radiație termala: Legea deplasării lui Wien

unde λm este lungimea de undă la care scade densitatea spectrală maximă a luminozității energiei corpului negru, T este temperatura corpului negru, b ≈ 3000 µm K este constanta lui Wien.

Legea Stefan-Boltzmann: Luminozitatea integrală a unui corp negru este proporțională cu a patra putere a temperaturii sale absolute:

unde σ = 5,67 10 -8 W / (m 2 K 4) - constanta Stefan-Boltzmann.

efect fotoelectric fenomenul de ejectie a electronilor din substante solide si lichide sub actiunea luminii.

Legile efectului fotoelectric

1. Fotocurentul de saturație este direct proporțional cu intensitatea luminii incidente pe catod.

2. Energia cinetică maximă a fotoelectronilor este direct proporţională cu frecvenţa luminii şi nu depinde de intensitatea acesteia.

3. Pentru fiecare substanță există o frecvență minimă a luminii, numită limita roșie a efectului fotoelectric, sub care efectul fotoelectric este imposibil.

Ecuația lui Einstein pentru efectul fotoelectric:

Energia fotonului este folosită pentru a îndeplini funcția de lucru și pentru a comunica energie cinetică fotoelectronului emis. Funcția de lucru este munca minimă care trebuie făcută pentru a îndepărta un electron dintr-un metal.

efect foto de margine roșie

Dualismul undelor corpusculare - manifestare în comportamentul aceluiași obiect atât a proprietăților corpusculare cât și a ondulației. Dualismul undelor corpusculare este o proprietate universală a oricăror obiecte materiale.

teoria valurilor descrie corect proprietățile luminii la intensități mari, adică când numărul de fotoni este mare.

Teoria cuantica este folosit pentru a descrie proprietățile luminii la intensități scăzute, adică când numărul de fotoni este mic.

Orice particulă cu impuls p Răspuns lungimea de undă de Broglie este:

Starea micro-obiectului se modifică în timpul procesului de măsurare. Determinarea precisă simultană a poziției și impulsului unei particule este imposibilă.

Relații de incertitudine Heisenberg:

1. Produsul incertitudinii coordonatei particulei și incertitudinea impulsului acesteia nu este mai mic decât constanta lui Planck:

2. Produsul incertitudinii energiei unei particule și incertitudinea timpului măsurării acesteia nu este mai mic decât constanta lui Planck:

postulatele lui Bohr:

1. Într-un atom stabil, un electron se poate mișca doar pe orbite speciale, staționare, fără a radia energie electromagnetică

2. Emisia de lumină de către un atom are loc în timpul trecerii unui atom de la o stare staționară cu energie mai mare E k la o stare staționară cu o energie mai mică Е n . Energia fotonului emis este egală cu diferența dintre energiile stărilor staționare:

Regula de cuantizare a orbitei lui Bohr:

Pe circumferința fiecărei orbite staționare se potrivește un număr întreg n de lungimi de undă de Broglie, cu Răspuns corespunzătoare mișcării unui electron

Starea fundamentală a atomului este starea de energie minimă.

Luminescență- radiaţia de neechilibru a materiei.

Analiza spectrală- o metodă de determinare a compoziției chimice și a altor caracteristici ale unei substanțe prin spectrul său.

Procesele radiative de bază ale atomilor: absorbția luminii, emisia spontană și stimulată.

absorbția luminii este însoțită de trecerea atomului de la starea fundamentală la starea excitată.

Emisia spontană- radiatia emisa in timpul trecerii spontane a unui atom de la o stare la alta.

emisie stimulata- radiatia unui atom care apare atunci cand acesta trece la un nivel energetic inferior sub influenta radiatiei electromagnetice externe.

Laser- sursa de radiatii amplificata ca urmare a radiatiei induse.

Populația inversă a nivelurilor de energie- starea de neechilibru a mediului, în care concentrația atomilor în starea excitată este mai mare decât concentrația atomilor în starea fundamentală.

Stare metastabilă- starea excitată a atomului, în care acesta poate fi mult mai lung decât în ​​alte stări.