Artikulli zbulon thelbin e vetive kuantike të dritës. Flet se si u zbuluan dhe çfarë çoi.

Planck dhe kuantike

Në fund të shekullit të nëntëmbëdhjetë dhe në fillim të shekullit të njëzetë, në qarqet shkencore besohej se absolutisht gjithçka ishte e qartë në fizikë. Njohuritë më të avancuara në atë kohë ishin ekuacionet e Maksuellit dhe studimi i fenomeneve të ndryshme që lidhen me energjinë elektrike. Të rinjtë që aspironin të bënin shkencë nuk u rekomandohej të shkonin në fizikë: në fund të fundit, mund të kishte vetëm studime rutinë që nuk jepnin ndonjë përparim. Megjithatë, për ironi, ishte pikërisht ky studim i vetive të një dukurie të njohur prej kohësh që hapi rrugën drejt horizonteve të reja të dijes.

Vetitë valore dhe kuantike të dritës filluan me zbulimin e Max Planck. Ai studioi spektrin e një trupi absolut të zi dhe u përpoq të gjente përshkrimin më të përshtatshëm matematikor të rrezatimit të tij. Si rezultat, ai arriti në përfundimin se një sasi e caktuar minimale e pandashme, të cilën ai e quajti "kuanti i veprimit", duhet të futet në ekuacion. Dhe, duke qenë se ishte vetëm një mënyrë për të "prerë qoshen" për një formulë matematikore më të thjeshtë, ai nuk i dha kësaj vlerë. sensi fizik. Megjithatë, shkencëtarë të tjerë, për shembull, A. Einstein dhe E. Schrödinger, vunë re potencialin e një fenomeni të tillë si një kuant dhe i dhanë zhvillim një dege të re të fizikës.

Duhet të them se vetë Planck nuk besonte plotësisht në natyrën themelore të zbulimit të tij. Shkencëtari, duke u përpjekur të përgënjeshtrojë vetitë kuantike të dritës, rishkruan shkurt formulën e tij, duke u kënaqur me truket e ndryshme matematikore për të hequr qafe këtë sasi. Por asgjë nuk doli prej saj: xhindi tashmë ishte lëshuar nga shishja.

Drita është një kuant i fushës elektromagnetike

Pas zbulimit të Plankut fakt i njohur që drita ka vetitë e valës, i plotësuar nga një tjetër: një foton është një kuant fushë elektromagnetike. Kjo do të thotë, drita përbëhet nga paketa shumë të vogla të pandashme të energjisë. Secila prej këtyre paketave (fotoni) karakterizohet nga frekuenca, gjatësia valore dhe energjia, dhe të gjitha këto sasi janë të ndërlidhura. Shpejtësia e dritës në vakum është më e shpejta në universin e njohur, rreth 300,000 kilometra në sekondë.

Duhet të theksohet se sasitë e tjera janë gjithashtu të kuantizuara (d.m.th., ato ndahen në pjesët më të vogla të pandashme):

• fushë gluon;
• fusha gravitacionale;
• lëvizjet kolektive të atomeve të kristalit.

Kuantike: dallimi nga elektroni

Ju nuk duhet të mendoni se në çdo lloj fushe ekziston një sasi e caktuar më e vogël, e cila quhet kuantike: në shkallën elektromagnetike ka valë shumë të vogla dhe me energji të lartë (për shembull, rrezet X), dhe shumë të mëdha, por në të njëjtën kohë ato "të dobëta" (për shembull, valët e radios ). Është thjesht se çdo kuant udhëton nëpër hapësirë ​​si një e tërë. Fotonet, vlen të përmendet, janë në gjendje të humbasin një pjesë të energjisë së tyre kur ndërveprojnë me pengesa potenciale të pakapërcyeshme. Ky fenomen quhet “tuneling”.

Ndërveprimi i dritës dhe materies

Pas një hapjeje kaq të ndritshme, ranë pyetjet:

1. Çfarë ndodh me një kuant drite kur ai ndërvepron me materien?
2. Ku shkon energjia e bartur nga një foton kur ai përplaset me një molekulë?
3. Pse një gjatësi vale mund të absorbohet dhe një gjatësi vale të emetohet?

Gjëja kryesore është se fenomeni i presionit të lehtë është vërtetuar. Ky fakt dha rast i ri për reflektim: kështu që fotoni kishte vrull dhe masë. Dualizmi me valë korpuskulare i mikrogrimcave, i miratuar më pas, lehtësoi shumë kuptimin e çmendurisë që po ndodh në këtë botë: rezultatet nuk përshtateshin në asnjë logjikë që ekzistonte më parë.

Transferimi i energjisë

Hulumtimet e mëtejshme vetëm konfirmuan vetitë kuantike të dritës. Efekti fotoelektrik tregoi se si energjia e një fotoni transferohet në materie. Së bashku me reflektimin dhe thithjen, ndriçimi është i aftë të tërheqë elektrone nga sipërfaqja e një trupi. Si ndodh kjo? Fotoni e transferon energjinë e tij tek elektroni, i cili bëhet më i lëvizshëm dhe fiton aftësinë për të kapërcyer forcën e lidhjes me bërthamat e materies. Elektroni lë elementin e tij vendas dhe nxiton diku jashtë mjedisit të njohur.

Llojet e efektit fotoelektrik

Fenomeni i efektit fotoelektrik, i cili konfirmon vetitë kuantike të dritës, ka tipe te ndryshme dhe varet nga cila të ngurta fotoni përplaset. Nëse përplaset me një përcjellës, atëherë elektroni largohet nga substanca, siç përshkruhet më sipër. Ky është thelbi efekt i jashtëm fotoelektrik.

Por nëse një gjysmëpërçues ose dielektrik ndriçohet, atëherë elektronet nuk largohen nga trupi, por rishpërndahen, duke lehtësuar lëvizjen e transportuesve të ngarkesës. Kështu, fenomeni i përmirësimit të përçueshmërisë kur ndriçohet quhet efekti i brendshëm fotoelektrik.

Formula e jashtme fotoelektrike

Mjaft e çuditshme, por efekti i brendshëm fotoelektrik është shumë i vështirë për t'u kuptuar. Është e nevojshme të njohësh teorinë e brezit të fushës, të kuptosh tranzicionet përmes hendekut brez dhe të kuptosh thelbin e përcjellshmërisë elektron-vrima të gjysmëpërçuesve në mënyrë që të kuptojmë plotësisht rëndësinë e këtij fenomeni. Për më tepër, efekti i brendshëm fotoelektrik nuk përdoret aq shpesh në praktikë. Duke konfirmuar vetitë kuantike të dritës, formulat për efektin fotoelektrik të jashtëm kufizojnë shtresën nga e cila drita është në gjendje të tërheqë elektronet.

ku h është konstanta e Plankut, ν është një kuant drite me një gjatësi vale të caktuar, A është puna që bën një elektron për të lënë lëndën, W është energjia kinetike (dhe rrjedhimisht shpejtësia) me të cilën ai fluturon jashtë.

Kështu, nëse e gjithë energjia e një fotoni shpenzohet vetëm në daljen e një elektroni nga trupi, atëherë në sipërfaqe do të ketë zero. energjia kinetike dhe nuk mund të dalë vërtet. Kështu, efekti i brendshëm fotoelektrik ndodh gjithashtu në një fjalë të jashtme mjaft të hollë të substancës së ndriçuar. Kjo kufizon ashpër zbatimin e tij.

Ekziston mundësia që një kompjuter kuantik optik të përdorë ende efektin e brendshëm fotoelektrik, por një teknologji e tillë ende nuk ekziston.

Ligjet e efektit të jashtëm fotoelektrik

Në të njëjtën kohë, vetitë kuantike të dritës nuk janë plotësisht të padobishme: efekti fotoelektrik dhe ligjet e tij bëjnë të mundur krijimin e një burimi elektronesh. Ndërsa këto ligje u formuluan plotësisht nga Ajnshtajni (për të cilin ai mori çmimin Nobel), parakushte të ndryshme u ngritën shumë më herët se shekulli i njëzetë. Shfaqja e një rryme kur një elektrolit u ndriçua u vërejt për herë të parë tashmë në fillim të shekullit të nëntëmbëdhjetë, në 1839.

Gjithsej janë tre ligje:

1. Fuqia e fotorrymës së ngopjes është proporcionale me intensitetin e fluksit të dritës.
2. Energjia kinetike maksimale e elektroneve që lënë lëndën nën veprimin e fotoneve varet nga frekuenca (dhe si rrjedhim edhe energjia) e rrezatimit rënës, por nuk varet nga intensiteti.
3. Çdo substancë me të njëjtin lloj sipërfaqeje (e lëmuar, konveks, e ashpër, poroze) ka një kufi të kuq të efektit fotoelektrik. Kjo do të thotë, ekziston një energji kaq e vogël (dhe rrjedhimisht frekuenca) e një fotoni, i cili ende shkëput elektronet nga sipërfaqja.

Të gjitha këto modele janë logjike, por ato duhet të konsiderohen më në detaje.

Shpjegimi i ligjeve të efektit fotoelektrik

Ligji i parë nënkupton sa më poshtë: sa më shumë fotone të bien në një metër katror të sipërfaqes në sekondë, aq më shumë elektrone kjo dritë është në gjendje të "marrë" nga substanca e ndriçuar.

Basketbolli është një shembull: sa më shpesh një lojtar të hedhë topin, aq më shpesh ai do të godasë. Sigurisht, nëse lojtari është mjaft i mirë dhe nuk është i lënduar gjatë ndeshjes.

Ligji i dytë në fakt jep përgjigjen e frekuencës së elektroneve të emetuara. Frekuenca dhe gjatësia e valës së një fotoni përcaktojnë energjinë e tij. Drita e kuqe ka energjinë më të ulët në spektrin e dukshëm. Dhe pa marrë parasysh sa fotone të kuqe llamba i dërgon materies, ato janë në gjendje të transferojnë vetëm energji të ulët tek elektronet. Prandaj, edhe nëse ato janë shkëputur nga vetë sipërfaqja dhe nuk kanë bërë pothuajse asnjë punë daljeje, atëherë energjia e tyre kinetike nuk mund të jetë më e lartë se një prag i caktuar. Por nëse e ndriçojmë të njëjtën substancë me rreze vjollce, atëherë shpejtësia e elektroneve më të shpejta do të jetë shumë më e lartë, edhe nëse ka shumë pak kuanta vjollce.

Ligji i tretë ka dy përbërës - kufirin e kuq dhe gjendjen e sipërfaqes. Shumë faktorë varen nga fakti nëse metali është i lëmuar ose i ashpër, nëse ka pore ose nëse është i lëmuar: sa fotone do të reflektohen, si do të rishpërndahen në sipërfaqe (natyrisht, më pak dritë do të futet në gropa). Pra, mund të krahasoni substanca të ndryshme me njëra-tjetrën vetëm me të njëjtën gjendje sipërfaqësore. Por energjia e një fotoni, i cili është ende në gjendje të shkëpusë një elektron nga një substancë, varet vetëm nga lloji i substancës. Nëse bërthamat nuk tërheqin shumë bartësit e ngarkesës, atëherë energjia e fotonit mund të jetë më e ulët, dhe, rrjedhimisht, kufiri i kuq është më i thellë. Dhe nëse bërthamat e një substance i mbajnë fort elektronet e tyre dhe nuk duan të ndahen me to kaq lehtë, atëherë kufiri i kuq zhvendoset në anën e gjelbër.

Zakonisht quhet rrezatim elektromagnetik me energji deri në 250 keV rrezet x , dhe mbi këtë - g rrezatim . Rrezatimi i izotopeve radioaktive, pavarësisht nga energjia, zakonisht shënohet si
rrezet g .

Të gjitha llojet e tjera të AI kanë një natyrë korpuskulare, që përfaqësojnë grimcat elementare. Mekanizmi i transferimit të energjisë së të gjitha grimcave të ngarkuara është afërsisht i njëjtë. Kur kalon nëpër materie, një grimcë e ngarkuar humbet energjinë e saj, duke shkaktuar jonizimin dhe ngacmimin e atomeve derisa furnizimi total i energjisë zvogëlohet në atë masë sa grimca humbet aftësinë e saj jonizuese dhe zakonisht kapet nga ndonjë atom për të formuar një jon.

Energjia e humbur nga një grimcë e ngarkuar për njësi të rrugës së saj quhet humbje lineare të energjisë. Në varësi të kësaj, i gjithë rrezatimi jonizues ndahet në rrallë - dhe jonizues dendur . Rrallëherë rrezatimi jonizues përfshin të gjitha llojet e rrezatimit elektromagnetik dhe elektronet, dhe rrezatimi jonizues i dendur përfshin protone, deuterone dhe grimca më të rënda.

Oriz. 11. Përvoja e Radhërfordit.

E para prej tyre devijon pak drejt pllakës së ngarkuar negativisht, dhe tjetra devijon fuqishëm drejt pllakës së ngarkuar pozitivisht. Këto komponentë ai i quajti rrezet alfa dhe rrezet beta. Meqenëse pjesa më e madhe e hapësirës në një atom është bosh, grimcat e shpejta a mund të depërtojnë pothuajse lirshëm në shtresa të rëndësishme të materies që përmbajnë disa mijëra shtresa atomesh.

Shpërndarja e grimcave të ngarkuara të vëzhguara nga Radhërfordi shpjegohet me një shpërndarje të tillë të ngarkesave në atom.Në përplasjet me elektrone individuale, grimcat a devijojnë me kënde shumë të vogla, pasi masa e elektronit është e vogël. Megjithatë, në ato raste të rralla kur fluturon pranë distancë e afërt nga një prej bërthamave atomike, nën ndikimin e një të fortë fushe elektrike bërthama mund të devijohet në një kënd të madh.

Një vit më vonë, P. Willard zbuloi se përbërja e rrezatimit radioaktiv përfshin gjithashtu një komponent të tretë: rrezet gama, të cilat nuk devijohen as nga fusha magnetike dhe as elektrike. U zbulua se bërthamat radioaktive mund të lëshojnë grimca të tre llojeve: të ngarkuara pozitivisht dhe negativisht dhe neutrale. Derisa të sqarohej natyra e këtyre rrezatimeve, rrezet që devijonin drejt pllakës së ngarkuar negativisht quheshin në mënyrë konvencionale grimcat alfa , devijuar drejt një pllake të ngarkuar pozitivisht - rrezet beta , dhe u quajtën rrezet që nuk devijonin fare rrezet gama (Fig. 12.).

Oriz. 12. Përbërësit e rrezatimit radioaktiv.

K - enë plumbi, R - preparat radioaktiv,
Ф – pllakë fotografike, – fushë magnetike.

Grimcat alfa (a) janë bërthamat e atomit të heliumit dhe përbëhen nga dy protone dhe dy neutrone. Ata kanë dyfish ngarkesë pozitive dhe një masë relativisht e madhe e barabartë me 4.0003 a.m.u.

Për çdo izotop, energjia e grimcave alfa është konstante. Gama e grimcave alfa në ajër është, në varësi të energjisë, 2-10 cm, dhe në indet biologjike është disa dhjetëra mikronë. Meqenëse grimcat alfa janë masive dhe kanë energji të lartë, rruga e tyre në materie është e drejtpërdrejtë; ato shkaktojnë efekte të theksuara të jonizimit dhe fluoreshencës. Rrezatimi alfa kur hyn në trupin e njeriut është jashtëzakonisht i rrezikshëm, pasi e gjithë energjia e grimcave a transferohet në qelizat e trupit.

Rrezatimi beta (b) përfaqëson rrymën e grimcave (elektrone ose pozitrone) të emetuara nga bërthamat gjatë zbërthimit beta. Karakteristika fizike e elektroneve me origjinë bërthamore është e njëjtë me atë të elektroneve guaskë atomike. Grimcat beta shënohen me simbolin b - (zbërthimi elektronik), b + (zbërthimi i pozitronit).

Ndryshe nga grimcat alfa, grimcat beta të njëjta element radioaktiv kanë sasi të ndryshme energjie. Kjo shpjegohet me faktin se gjatë zbërthimit beta, neutrinot dhe grimcat beta emetohen njëkohësisht nga bërthama atomike. Energjia e çliruar gjatë çdo ngjarjeje të kalbjes shpërndahet midis grimcave beta dhe neutrinës. Kjo është një grimcë elektrikisht neutrale që lëviz me shpejtësinë e dritës, nuk ka masë pushimi dhe ka një fuqi të madhe depërtuese; duke e bërë të vështirë regjistrimin. Nëse një grimcë b emetohet me një sasi të madhe energjie, atëherë një neutrino emetohet me një nivel të ulët energjie dhe anasjelltas. Gama e grimcave beta në të njëjtin medium nuk është e njëjtë. Rruga në substancën e grimcave të tilla është e përdredhur, ato ndryshojnë lehtësisht drejtimin e lëvizjes nën veprimin e fushave elektrike të atomeve që vijnë. Grimcat beta kanë më pak efekt jonizues sesa grimcat alfa. Gama e tyre në ajër mund të jetë deri në 25 cm, dhe në indet biologjike - deri në 1 cm. izotopet radioaktive ndryshojnë në energjinë e grimcave beta. Energjia e tyre maksimale ka kufij të gjerë nga 0,015-0,05 MeV (rrezatim i butë beta) në 3-12 MeV (rrezatim beta i fortë).

Rrezatimi gama (g)është një rrymë valësh elektromagnetike; është si valët e radios, drita e dukshme, rrezet ultravjollcë dhe infra të kuqe dhe rrezet x.

Oriz. 13. Skema e formimit të rrezatimit gama

Lloje te ndryshme rrezatimi ndryshojnë në kushtet e formimit dhe vetitë e caktuara. Rrezatimi me rreze X lind kur elektronet e shpejta ngadalësohen në fushën elektrike të bërthamës së atomeve të një lënde (rrezet X bremsstrahlung) ose gjatë rirregullimit predha elektronike atomet gjatë jonizimit dhe ngacmimit të atomeve dhe molekulave (rrezatimi karakteristik me rreze x). Gjatë kalimeve të ndryshme nga një gjendje e ngacmuar në një gjendje të pangacmuar, mund të ndodhë emetim dritë e dukshme, rrezet infra të kuqe dhe ultravjollcë. Kuantet gama emetohen nga bërthamat e atomeve gjatë zbërthimit alfa dhe beta të radionuklideve natyrore dhe artificiale në ato raste kur në bërthamën e bijës gjendet një tepricë e energjisë që nuk kapet nga rrezatimi korpuskular. Rrezet gama nuk kanë masë pushimi, pa ngarkesë, dhe për këtë arsye nuk devijojnë në një fushë elektrike ose magnetike. Në materie dhe në vakum, rrezatimi gama përhapet në një vijë të drejtë dhe uniforme në të gjitha drejtimet. Energjia e një kuantike gama është proporcionale me frekuencën e lëkundjes dhe përcaktohet nga formula:

Еg = h × ν, (1.16)

ku h është konstanta universale e Planck-ut (4.13 × 10 –21 MeV/s); n është frekuenca e lëkundjeve për sekondë.

Frekuenca e lëkundjes lidhet me gjatësinë e valës. Sa më e madhe të jetë gjatësia e valës, aq më e ulët është frekuenca e lëkundjeve dhe anasjelltas, d.m.th. frekuenca është në përpjesëtim të zhdrejtë me gjatësinë e valës. Energjisë rrezatimi gama varion nga disa keV deri në 2–3 MeV. Përbërja e fluksit të rrezatimit gama shpesh përfshin kuante me vlera të ndryshme energjetike. Sidoqoftë, grupi i tyre është konstant për çdo izotop.

Kuantet gama, pa ngarkesë dhe masë pushimi, shkaktojnë një efekt të dobët jonizues, por kanë një fuqi të lartë depërtuese. Rruga në ajër arrin 100-150 m (shih Fig. 14).

Oriz. 14. Aftësia depërtuese e grimcave alfa, beta dhe gama.

Neutronet. Ndryshe nga grimcat e ngarkuara, neutronet nuk mbartin ngarkesë elektrike, e cila u lejon atyre të depërtojnë lirshëm thellë në atome; duke u përplasur me këtë të fundit, ose përthithen prej tij ose zmbrapsen. Si rezultat i shpërndarjes elastike, formohen protone fort jonizues me energji të lartë, dhe kur neutronet absorbohen bërthamat atomike Nga këto të fundit fluturojnë protonet, grimcat alfa dhe g-kuanta, të cilat prodhojnë edhe jonizimin. Kështu, nën rrezatim neutron, efekti biologjik përfundimtar shoqërohet me jonizimin e prodhuar në mënyrë indirekte nga grimcat dytësore ose g-kuantet. Kontributi i një ndërveprimi bërthamor të neutroneve varet nga përbërja e substancës së rrezatuar dhe nga energjia e tyre. Sipas vlerës së energjisë, dallohen katër lloje neutronesh: të shpejtë, të ndërmjetëm, të ngadaltë dhe termik (shih Fig. 15).

Neutronet klasifikohen si rrezatim jonizues të dendur, pasi diapazoni i protoneve të kthimit që ata formojnë është i vogël. Megjithatë, ato ndodhin në thellësi të mëdha për shkak të fuqisë së lartë depërtuese të neutroneve.

P mezonet negative- grimca të ngarkuara negativisht me një masë 273 herë më të madhe se masa e një elektroni. Ato merren me mjete artificiale. Këto grimca kanë një aftësi unike për të bashkëvepruar me bërthamat e atomeve. Pimesonët negativë me energji të rendit 25-100 MeV udhëtojnë gjatë gjithë rrugës nëpër materie deri në ngadalësimin e plotë pa pothuajse asnjë ndërveprim bërthamor. Në fund të vrapimit, ato kapen me probabilitet 100% nga bërthamat e atomeve të indeve.

Oriz. 15. Llojet e neutroneve.

1.3.2. Ndërveprimi i rrezatimeve radioaktive
me substancë

Së pari, thjesht fizike faza e bashkëveprimit, e cila zhvillohet në të miliontat e sekondës, konsiston në transferimin e një pjese të energjisë së fotonit në një nga elektronet e atomit, e ndjekur nga jonizimi dhe ngacmimi. Prandaj, jonet dhe atomet e ngacmuar, të cilët kanë energji të tepërt, karakterizohen nga reaktiviteti kimik i shtuar, ata janë në gjendje të hyjnë në reaksione që nuk janë të mundshme për atomet e zakonshme, të pangacmuar.

Së dyti, fizike dhe kimike, faza vazhdon në varësi të përbërjes dhe strukturës së substancës së rrezatuar. Me rëndësi thelbësore është prania e ujit dhe oksigjenit. Nëse ato mungojnë, atëherë mundësitë e ndërveprimit kimik të atomeve të aktivizuara nga rrezatimi janë të kufizuara, të lokalizuara.

Ndërveprimi i grimcave alfa dhe beta. Grimcat e ngarkuara, duke kaluar nëpër materie, gradualisht humbasin energji si rezultat i bashkëveprimit me elektronet e atomeve, si dhe me fushën elektrike të bërthamës. Energjia kinetike e grimcave a dhe b harxhohet në jonizimin, domethënë në shkëputjen e elektroneve nga një atom dhe në ngacmimin e atomeve dhe molekulave. Duke ndërvepruar me fushën elektrike të bërthamës, grimca e ngarkuar ngadalësohet dhe ndryshon drejtimin e lëvizjes së saj, ndërsa ndodh emetimi i rrezatimit, i cili për nga karakteristikat e tij është afër rrezeve X dhe quhet rrezatim me rreze X bremsstrahlung.

Sasia që përcakton anën energjetike të procesit të jonizimit është punë jonizuese – punë mesatare shpenzuar për formimin e një çifti jonesh. Grimcat e ngarkuara, të ndryshme në natyrë, por me të njëjtën energji, formojnë pothuajse të njëjtin numër çiftesh jonesh. Megjithatë dendësia e jonizimit , d.m.th. numri i çifteve të joneve për njësi shteg të një grimce në një substancë do të jetë i ndryshëm. Dendësia e jonizimit rritet me rritjen e ngarkesës së grimcave dhe me uljen e shpejtësisë së saj.

Duke kaluar nëpër materie, grimcat e ngarkuara humbasin gradualisht energjinë dhe shpejtësinë, kështu që dendësia e jonizimit përgjatë rrugës së grimcave rritet dhe arrin një vlerë në fund të shtegut. Në fund të shtegut, grimca a lidh dy elektrone me vete dhe shndërrohet në një atom helium, dhe
b-grimca (elektroni) mund të përfshihet në një nga atomet e mediumit.

Rruga e ndjekur nga një grimcë a- ose b në një substancë, gjatë së cilës ajo prodhon jonizimin, quhet diapazoni i grimcave . Gama e një grimce alfa në ajër mund të arrijë 10 cm, dhe në indet e buta biologjike - disa dhjetëra mikronë. Gama e grimcave beta në ajër arrin 25 m, dhe në inde deri në 1 cm.

Grimcat alfa përhapen në lëndë në një vijë të drejtë dhe ndryshojnë drejtim vetëm kur përplasen me bërthamat e atomeve që vijnë. Grimcat beta, që kanë një masë të vogël, shpejtësi të lartë dhe ngarkesë negative, devijojnë ndjeshëm nga drejtimi origjinal si rezultat i përplasjeve me elektronet orbitale dhe bërthamat e atomeve që vijnë nga afër (efekt shpërndarjeje). Duke iu nënshtruar shpërndarjes së shumëfishtë, grimcat beta madje mund të lëvizin në drejtim të kundërt - shpërndarjen e pasme. Për shkak të shpërndarjes së konsiderueshme të grimcave b, gjatësia e vërtetë e rrugës në materie është 1.5-4 herë më e madhe se diapazoni i tyre. Një ndryshim tjetër është në kalimin e grimcave a- dhe b nëpër materie. Meqenëse të gjitha grimcat alfa të emetuara nga një izotop kanë një relativisht energji të barabartë dhe lëvizin drejtvizor në substancë, atëherë numri i tyre në rreze që kalon nëpër sipërfaqen e njësisë së absorbuesit bie ndjeshëm në zero vetëm në fund të shtegut. Spektri i grimcave beta është i vazhdueshëm, prandaj, me një rritje të trashësisë së absorbuesit, numri i grimcave beta në një rreze që kalon nëpër një sipërfaqe njësi zvogëlohet gradualisht.

Dobësimi i intensitetit të rrjedhës së grimcave b në lëndë përafërsisht i bindet varësisë eksponenciale:

N \u003d N 0 × e - m a, (1.17)

ku N është numri i grimcave beta që kanë kaluar nëpër shtresën absorbuese d cm, N 0 është numri i grimcave beta që arrijnë në 1 s në zonën e absorbuesit të barabartë me 1 cm 2; e - bazë logaritmet natyrore; m është koeficienti linear i zbutjes së rrezatimit që karakterizon zbutjen relative të intensitetit të fluksit të grimcave b pas kalimit nëpër një absorbues 1 cm të trashë.

Ndërveprimi i rrezatimit gama me materien. Gjatë zbërthimit radioaktiv të një bërthame, emetohen g-kuante me energji të ndryshme. Kur kalojnë nëpër materie, ato humbasin energji praktikisht për shkak të tre efekteve: thithjes fotoelektrike, shpërndarjes së komptonit dhe formimit të çifteve elektron-pozitron.

Në efekt fotoelektrik energjia e kuantit të rënë absorbohet plotësisht nga substanca, si rezultat shfaqen elektrone të lira që kanë një energji të caktuar kinetike, vlera e së cilës është e barabartë me energjinë e kuantit të rrezatimit minus funksionin e punës së elektronit të dhënë nga atom. Një elektron i lirë, i shoqëruar me një nga atomet neutrale, gjeneron një jon negativ. Efekti fotoelektrik është karakteristik vetëm për rrezet X me gjatësi vale të gjatë. Probabiliteti i tij varet nga numri atomik dhe është proporcional me Z 5 . Procesi i efektit fotoelektrik është i pamundur në elektronet e lira dhe të lidhura dobët (jo të lidhur me bërthamën), pasi ato nuk mund të thithin g-kuantë.

Në Efekti Compton g-kuantet, duke u përplasur me elektronet, nuk transferojnë tek ata të gjithë energjinë e tyre, por vetëm një pjesë të saj, dhe pas përplasjes ndryshojnë drejtimin e lëvizjes. Elektronet e formuara si rezultat i përplasjes me g-kuantet fitojnë energji të konsiderueshme kinetike dhe e harxhojnë atë në jonizimin e materies (jonizimi sekondar). Se. si rezultat i efektit Compton, intensiteti i rrezatimit gama dobësohet për shkak të faktit se kuantet g, duke bashkëvepruar me elektronet e mediumit, shpërndahen në drejtime të ndryshme dhe shkojnë përtej rrezes parësore, si dhe për shkak të transferimit. një pjesë të energjisë së tyre tek elektronet.

Çiftimi. Disa g-kuante me një energji prej të paktën 1.02 MeV, duke kaluar nëpër materie, shndërrohen nën veprimin e një fushe të fortë elektrike pranë bërthamës në një çift elektron-pozitron. Në këtë rast, ka një kalim nga një formë e materies - rrezatimi gama në një tjetër - në grimca të materies. Formimi i një çifti të tillë grimcash është i mundur vetëm me energji fotonike jo më pak se energjia ekuivalente me masën e të dy grimcave - një elektron dhe një pozitron.

Çifti elektron-pozitron që rezulton zhduket më pas, duke u shndërruar në dy g-kuanta sekondare me një energji të barabartë me ekuivalentin e energjisë së masës së mbetur të grimcave - 0,511 MeV. Probabiliteti i formimit të çiftit rritet me një rritje të energjisë së g-kuanteve dhe në densitetin e absorbuesit.

Ligji i zbutjes së rrezatimit gama nga lënda ndryshon ndjeshëm nga ligji i dobësimit të grimcave a- dhe b. Rrezja e rrezeve g absorbohet vazhdimisht ndërsa trashësia e absorbuesit rritet. Ato. Cilado qoftë trashësia e shtresës së substancës, është e pamundur të absorbohet plotësisht rrjedha e rrezeve g, por vetëm të dobësohet intensiteti i saj me një numër të caktuar herë. Ky është ndryshimi thelbësor midis natyrës së dobësimit të rrezeve g dhe zbutjes së grimcave a- dhe b, për të cilat është gjithmonë e mundur të zgjidhet një shtresë lënde në të cilën fluksi i grimcave a- ose b- është zhytur plotësisht.

Ligji i zbutjes së rrezeve g ka formën e mëposhtme:

Unë \u003d I 0 × e - m a, (1.18)

ku I është intensiteti i rrezes së rrezeve g që ka kaluar nëpër shtresën absorbuese; I 0 është intensiteti i rrezes rënëse të rrezeve gama; m është koeficienti linear i zbutjes, i barabartë me uljen relative të intensitetit të rrezes gama pas kalimit nëpër shtresën absorbuese me trashësi 1 cm. rreze për shkak të të tre proceseve: efekti fotoelektrik (t f), efekti Compton (t k) dhe formimi i çiftit (t p):

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

Seksioni 2 (leksionet #3–4)

BAZAT E RADIOEKOLOGJISË

Në fizikë për klasën 11 (Kasyanov V.A., 2002),
një detyrë №87
tek kapitulli " Teoria kuantike e rrezatimit elektromagnetik. DISPOZITAT KRYESORE».

rrezatimi termik

Trup tërësisht i zi

rrezatimi termik- rrezatimi elektromagnetik i emetuar nga trupat e nxehtë për shkak të energjisë së tij të brendshme.

Trup tërësisht i zi- një trup që thith të gjithë energjinë e rrezatimit që bie mbi të me çdo frekuencë në një temperaturë arbitrare.

Dendësia spektrale e shkëlqimit të energjisëështë energjia e rrezatimit elektromagnetik të emetuar për njësi të kohës për njësi sipërfaqe të sipërfaqes së trupit në një interval frekuence njësi. Njësia e dendësisë spektrale të ndriçimit të energjisë J/m 2 . Energjia e një kuantike rrezatimi është drejtpërdrejt proporcionale me frekuencën v të rrezatimit:

ku h = 6,6 10 -34 J s është konstanta e Planck-ut.

Foton- mikrogrimca, kuanti i rrezatimit elektromagnetik.

Ligjet rrezatimi termik: Ligji i zhvendosjes së Wien-it

ku λm është gjatësia e valës në të cilën bie dendësia maksimale spektrale e ndriçimit të energjisë së trupit të zi, T është temperatura e trupit të zi, b ≈ 3000 µm K është konstanta e Wien-it.

Ligji Stefan-Boltzmann: Shkëlqimi integral i një trupi të zi është proporcional me fuqinë e katërt të temperaturës së tij absolute:

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

efekt fotoelektrik dukuria e nxjerrjes së elektroneve nga substancat e ngurta dhe të lëngëta nën veprimin e dritës.

Ligjet e efektit fotoelektrik

1. Fotorryma e ngopjes është drejtpërdrejt proporcionale me intensitetin e rënies së dritës në katodë.

2. Energjia kinetike maksimale e fotoelektroneve është drejtpërdrejt proporcionale me frekuencën e dritës dhe nuk varet nga intensiteti i saj.

3. Për çdo substancë ekziston një frekuencë minimale e dritës, e quajtur kufiri i kuq i efektit fotoelektrik, nën të cilin efekti fotoelektrik është i pamundur.

Ekuacioni i Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik:

Energjia e fotonit përdoret për të kryer funksionin e punës dhe për të komunikuar energjinë kinetike me fotoelektronin e emetuar. Funksioni i punës është puna minimale që duhet bërë për të hequr një elektron nga një metal.

efekt fotografik i kufirit të kuq

Dualizmi me valë korpuskulare - manifestim në sjelljen e të njëjtit objekt të vetive korpuskulare dhe valore. Dualizmi me valë korpuskulare është një veti universale e çdo objekti material.

teoria e valës përshkruan saktë vetitë e dritës në intensitet të lartë, d.m.th. kur numri i fotoneve është i madh.

Teoria kuantike përdoret për të përshkruar vetitë e dritës me intensitet të ulët, d.m.th. kur numri i fotoneve është i vogël.

Çdo grimcë me vrull p Përgjigju gjatësia e valës de Broglie është:

Gjendja e mikro-objektit ndryshon gjatë procesit të matjes. Përcaktimi i saktë i njëkohshëm i pozicionit dhe momentit të një grimce është i pamundur.

Marrëdhëniet e pasigurisë së Heisenberg:

1. Prodhimi i pasigurisë së koordinatës së grimcës dhe pasigurisë së momentit të saj nuk është më i vogël se konstanta e Plankut:

2. Produkti i pasigurisë së energjisë së një grimce dhe i pasigurisë së kohës së matjes së saj nuk është më i vogël se konstanta e Plankut:

Postulatet e Bohr-it:

1. Në një atom të qëndrueshëm, një elektron mund të lëvizë vetëm përgjatë orbitave të veçanta, të palëvizshme, pa rrezatuar energji elektromagnetike

2. Emetimi i dritës nga një atom ndodh gjatë kalimit të një atomi nga një gjendje e palëvizshme me energji më të lartë E k në një gjendje të palëvizshme me energji më të ulët Е n . Energjia e fotonit të emetuar është e barabartë me ndryshimin midis energjive të gjendjeve të palëvizshme:

Rregulli i kuantizimit të orbitës së Bohr-it:

Në perimetrin e çdo orbite të palëvizshme përshtatet një numër i plotë n i gjatësive valore të de Broglie, me Përgjigju që korrespondon me lëvizjen e një elektroni

Gjendja bazë e atomitështë gjendja e energjisë minimale.

Lumineshencë- rrezatimi jo ekuilibër i materies.

Analiza spektrale- një metodë për përcaktimin e përbërjes kimike dhe karakteristikave të tjera të një substance sipas spektrit të saj.

Proceset bazë rrezatuese të atomeve: thithja e dritës, emetimi spontan dhe i stimuluar.

thithjen e dritës shoqërohet me kalimin e atomit nga gjendja bazë në gjendjen e ngacmuar.

Emetim spontan- rrezatimi i emetuar gjatë kalimit spontan të një atomi nga një gjendje në tjetrën.

emetim i stimuluar- rrezatimi i një atomi që ndodh kur ai kalon në një nivel më të ulët të energjisë nën ndikimin e rrezatimit elektromagnetik të jashtëm.

Laser- burimi i rrezatimit i përforcuar si rezultat i rrezatimit të induktuar.

Popullata e kundërt e niveleve të energjisë- gjendja jo ekuilibër e mjedisit, në të cilën përqendrimi i atomeve në gjendje të ngacmuar është më i madh se përqendrimi i atomeve në gjendjen bazë.

Gjendje metastabile- gjendja e ngacmuar e atomit, në të cilën ai mund të jetë shumë më i gjatë se në gjendjet e tjera.