Makale, ışığın kuantum özelliklerinin özünü ortaya koymaktadır. Nasıl keşfedildikleri ve neye yol açtığı hakkında konuşuyor.

Planck ve kuantum

On dokuzuncu yüzyılın sonlarında ve yirminci yüzyılın başlarında, bilim çevrelerinde fizikte kesinlikle her şeyin açık olduğuna inanılıyordu. O zamanki en ileri bilgi, Maxwell denklemleri ve elektrikle ilgili çeşitli fenomenlerin incelenmesiydi. Bilim yapmak isteyen gençlerin fiziğe girmeleri tavsiye edilmedi: sonuçta, yalnızca herhangi bir atılım sağlamayan rutin çalışmalar olabilirdi. Bununla birlikte, ironik bir şekilde, yeni bilgi ufuklarının yolunu açan, uzun zamandır bilinen bir fenomenin özelliklerinin tam olarak bu çalışmasıydı.

Işığın dalga ve kuantum özellikleri Max Planck'ın keşfiyle başladı. Mutlak bir kara cismin spektrumunu inceledi ve radyasyonunun en uygun matematiksel tanımını bulmaya çalıştı. Sonuç olarak, "etki kuantumu" olarak adlandırdığı belirli bir minimum bölünemez miktarın denkleme dahil edilmesi gerektiği sonucuna vardı. Ve daha basit bir matematiksel formül için "köşeyi kesmenin" bir yolu olduğundan, bu değeri herhangi bir şekilde vermedi. fiziksel duyu. Bununla birlikte, diğer bilim adamları, örneğin A. Einstein ve E. Schrödinger, kuantum gibi bir fenomenin potansiyelini fark ettiler ve yeni bir fizik dalını geliştirdiler.

Planck'ın kendisinin keşfinin temel doğasına tam olarak inanmadığını söylemeliyim. Işığın kuantum özelliklerini çürütmeye çalışan bilim adamı, bu miktardan kurtulmak için çeşitli matematiksel hilelere kapılarak formülünü kısaca yeniden yazdı. Ama hiçbir şey çıkmadı: Cin şişeden çoktan çıkarılmıştı.

Işık, elektromanyetik alanın bir kuantumudur.

Planck'ın keşfinden sonra bilinen gerçek o ışık var dalga özellikleri, bir başkasıyla desteklenir: bir foton bir kuantumdur elektromanyetik alan. Yani ışık çok küçük bölünmez enerji paketlerinden oluşur. Bu paketlerin (foton) her biri frekans, dalga boyu ve enerji ile karakterize edilir ve tüm bu miktarlar birbirine bağlıdır. Işığın boşluktaki hızı, saniyede yaklaşık 300.000 kilometre ile bilinen evrendeki en hızlı hızdır.

Diğer niceliklerin de nicelleştirildiğine (yani, bölünemez en küçük parçalara ayrıldığına) dikkat edilmelidir:

• gluon alanı;
• yerçekimi alanı;
• kristal atomların toplu hareketleri.

Kuantum: elektrondan fark

Her alan türünde kuantum adı verilen en küçük bir miktar olduğunu düşünmemelisiniz: elektromanyetik ölçekte hem çok küçük hem de yüksek enerjili dalgalar (örneğin, X-ışınları) ve çok büyük, ama aynı zamanda “zayıf” olanlar (örneğin, radyo dalgaları ). Sadece her kuantum bir bütün olarak uzayda seyahat eder. Fotonların aşılmaz potansiyel engellerle etkileşime girdiklerinde enerjilerinin bir kısmını kaybedebildiğini belirtmekte fayda var. Bu fenomene "tünelleme" denir.

Işık ve maddenin etkileşimi

Böyle parlak bir açılıştan sonra sorular yağdı:

1. Madde ile etkileşime girdiğinde bir ışık kuantumuna ne olur?
2. Bir fotonun taşıdığı enerji bir molekülle çarpıştığında nereye gider?
3. Neden bir dalga boyu soğurulup başka bir dalga boyu yayılabilir?

Ana şey, hafif basınç olgusunun kanıtlanmış olmasıdır. Bu gerçek verdi yeni fırsat yansıma için: yani fotonun momentumu ve kütlesi vardı. Bundan sonra benimsenen mikroparçacıkların parçacık-dalga ikiliği, bu dünyada meydana gelen çılgınlığın anlaşılmasını büyük ölçüde kolaylaştırdı: sonuçlar daha önce var olan hiçbir mantığa uymuyordu.

Enerji transferi

Daha fazla araştırma, yalnızca ışığın kuantum özelliklerini doğruladı. Fotoelektrik etki, bir fotonun enerjisinin maddeye nasıl aktarıldığını gösterdi. Yansıma ve soğurma ile birlikte aydınlatma, bir cismin yüzeyinden elektronları çekebilir. Bu nasıl olur? Foton, enerjisini daha hareketli hale gelen elektrona aktarır ve maddenin çekirdeği ile bağlanma kuvvetinin üstesinden gelme yeteneği kazanır. Elektron doğal elementini terk eder ve tanıdık ortamın dışında bir yere koşar.

Fotoelektrik etki türleri

Işığın kuantum özelliklerini doğrulayan fotoelektrik etki olgusu, farklı şekiller ve hangisine bağlı sağlam foton çarpışır. Bir iletkenle çarpışırsa, elektron yukarıda açıklandığı gibi maddeyi terk eder. işin özü bu harici fotoelektrik etki.

Ancak bir yarı iletken veya dielektrik aydınlatılırsa, elektronlar gövdeyi terk etmez, yeniden dağıtılır ve yük taşıyıcıların hareketini kolaylaştırır. Bu nedenle, aydınlatıldığında iletkenliği iyileştirme olgusuna içsel fotoelektrik etki denir.

Dış fotoelektrik formül

İşin garibi, ancak dahili fotoelektrik etkiyi anlamak çok zor. Bu fenomenin önemini tam olarak anlamak için alanın bant teorisini bilmek, bant aralığından geçişleri anlamak ve yarı iletkenlerin elektron deliği iletkenliğinin özünü anlamak gerekir. Ek olarak, dahili fotoelektrik etki pratikte çok sık kullanılmaz. Işığın kuantum özelliklerini doğrulayan dış fotoelektrik etki formülleri, ışığın elektronları çekebildiği katmanı sınırlar.

h Planck sabiti, ν belirli bir dalga boyundaki ışığın bir kuantumudur, A bir elektronun maddeyi terk etmek için yaptığı iştir, W kinetik enerjidir (ve dolayısıyla hız).

Bu nedenle, bir fotonun tüm enerjisi yalnızca vücuttan bir elektronun çıkışına harcanırsa, yüzeyde sıfır olacaktır. kinetik enerji ve gerçekten dışarı çıkamaz. Böylece, iç fotoelektrik etki, aydınlatılan maddenin yeterince ince bir dış sözcüğünde de gerçekleşir. Bu, uygulamasını ciddi şekilde sınırlar.

Optik bir kuantum bilgisayarın dahili fotoelektrik etkiyi kullanmaya devam etme olasılığı vardır, ancak böyle bir teknoloji henüz mevcut değildir.

Dış fotoelektrik etki yasaları

Aynı zamanda, ışığın kuantum özellikleri tamamen işe yaramaz değildir: fotoelektrik etki ve yasaları, bir elektron kaynağı yaratmayı mümkün kılar. Bu yasalar Einstein tarafından tam olarak formüle edilirken (bunun için Nobel Ödülü aldı), çeşitli önkoşullar yirminci yüzyıldan çok daha önce ortaya çıktı. Bir elektrolit aydınlatıldığında bir akımın ortaya çıkması ilk olarak on dokuzuncu yüzyılın başında, 1839'da gözlemlendi.

Toplamda üç yasa vardır:

1. Doygunluk foto akımının gücü, ışık akısının yoğunluğu ile orantılıdır.
2. Fotonların etkisi altında maddeyi terk eden elektronların maksimum kinetik enerjisi, gelen radyasyonun frekansına (ve dolayısıyla enerjisine) bağlıdır, ancak yoğunluğuna bağlı değildir.
3. Aynı tip yüzeye (pürüzsüz, dışbükey, pürüzlü, gözenekli) sahip her maddenin fotoelektrik etkisinin kırmızı bir sınırı vardır. Yani, elektronları yüzeyden ayırmaya devam eden bir fotonun çok küçük bir enerjisi (ve dolayısıyla frekansı) vardır.

Tüm bu modeller mantıklıdır, ancak daha ayrıntılı olarak ele alınmalıdır.

Fotoelektrik etki yasalarının açıklaması

Birinci yasa şu anlama gelir: saniyede bir metrekare yüzey alanına ne kadar fazla foton düşerse, bu ışık aydınlatılan maddeden o kadar fazla elektron “alabilir”.

Basketbol bir örnektir: Bir oyuncu topu ne kadar sık ​​atarsa, o kadar sık ​​vurur. Tabii eğer oyuncu yeterince iyiyse ve maç sırasında sakatlanmadıysa.

İkinci yasa aslında yayılan elektronların frekans tepkisini verir. Bir fotonun frekansı ve dalga boyu enerjisini belirler. Kırmızı ışık, görünür spektrumdaki en düşük enerjiye sahiptir. Ve lamba maddeye ne kadar kırmızı foton gönderirse göndersin, elektronlara sadece düşük enerjiyi aktarabilirler. Bu nedenle, yüzeyden kopmuş olsalar ve hemen hemen hiç çıkış işi yapmasalar bile, kinetik enerjileri belirli bir eşiğin üzerinde olamaz. Ancak aynı maddeyi mor ışınlarla aydınlatırsak, çok az mor kuantum olsa bile en hızlı elektronların hızı çok daha yüksek olacaktır.

Üçüncü yasanın iki bileşeni vardır - kırmızı sınır ve yüzeyin durumu. Birçok faktör metalin cilalı veya pürüzlü olmasına, gözenekleri olup olmamasına veya pürüzsüz olup olmamasına bağlıdır: kaç foton yansıtılacağı, yüzey üzerinde nasıl yeniden dağıtılacağı (açıkçası çukurlara daha az ışık girecektir). Böylece farklı maddeleri yalnızca aynı yüzey koşuluyla birbirleriyle karşılaştırabilirsiniz. Ancak bir maddeden elektron koparabilen bir fotonun enerjisi yalnızca maddenin türüne bağlıdır. Çekirdekler yük taşıyıcıları çok güçlü bir şekilde çekmiyorsa, foton enerjisi daha düşük olabilir ve sonuç olarak kırmızı sınır daha derindir. Ve eğer bir maddenin çekirdeği elektronlarını sıkıca tutuyorsa ve onlardan bu kadar kolay ayrılmak istemiyorsa, kırmızı kenar yeşil tarafa kayar.

250 keV'a kadar enerjiye sahip elektromanyetik radyasyon yaygın olarak denir. röntgen , ve bunun üzerinde - g radyasyon . Enerjiden bağımsız olarak radyoaktif izotopların radyasyonu genellikle şu şekilde gösterilir:
g-ışınları .

Diğer tüm AI türleri, temsil eden bir parçacık doğasına sahiptir. temel parçacıklar. Tüm yüklü parçacıkların enerji aktarım mekanizması yaklaşık olarak aynıdır. Maddeden geçerken, yüklü bir parçacık enerjisini kaybeder, toplam enerji arzı o kadar azalıncaya kadar atomların iyonlaşmasına ve uyarılmasına neden olur ve parçacık iyonlaşma yeteneğini kaybeder ve genellikle bir iyon oluşturmak üzere bir atom tarafından yakalanır.

Yüklü bir parçacığın yolunun birimi başına kaybettiği enerjiye denir. lineer enerji kaybı. Buna bağlı olarak, tüm iyonlaştırıcı radyasyon ayrılır seyrek- ve yoğun iyonlaştırıcı . Nadiren iyonlaştırıcı radyasyon, tüm elektromanyetik radyasyon ve elektronları içerir ve yoğun iyonlaştırıcı radyasyon, protonları, döteronları ve daha ağır parçacıkları içerir.

Pirinç. 11. Rutherford'un deneyimi.

Bunlardan ilki, negatif yüklü plakaya doğru hafifçe sapar ve diğeri, pozitif yüklü plakaya doğru kuvvetli bir şekilde sapar. Bu bileşenlere alfa ışınları ve beta ışınları adını verdi. Bir atomdaki boşluğun çoğu boş olduğundan, hızlı a-parçacıkları, birkaç bin atom katmanı içeren önemli madde katmanlarına neredeyse serbestçe nüfuz edebilir.

Rutherford tarafından gözlemlenen yüklü parçacıkların saçılması, atomdaki böyle bir yük dağılımı ile açıklanır.Tek tek elektronlarla çarpışmalarda, elektronun kütlesi küçük olduğu için a-parçacıkları çok küçük açılarla sapar. Ancak, uçtuğu nadir durumlarda yakin MESAFE atom çekirdeğinin birinden, güçlü bir etki altında Elektrik alanıçekirdek büyük bir açıyla saptırılabilir.

Bir yıl sonra, P. Willard, radyoaktif radyasyon bileşiminin ayrıca üçüncü bir bileşen içerdiğini buldu: manyetik veya elektrik alanları tarafından saptırılmayan gama ışınları. Radyoaktif çekirdeklerin üç tip parçacık yayabildiği bulundu: pozitif ve negatif yüklü ve nötr. Bu radyasyonların doğası netleştirilinceye kadar, negatif yüklü plakaya doğru sapan ışınlar geleneksel olarak adlandırıldı. alfa parçacıkları , pozitif yüklü bir plakaya doğru saptı - beta ışınları ve hiç sapmayan ışınlar çağrıldı Gama ışınları (Şek. 12.).

Pirinç. 12. Radyoaktif radyasyonun bileşenleri.

K - kurşun kap, R - radyoaktif hazırlık,
Ф – fotoğraf plakası, – manyetik alan.

Alfa parçacıkları (a) helyum atomunun çekirdeğidir ve iki proton ve iki nötrondan oluşur. çift ​​kişilikleri var pozitif yük ve 4.0003 a.m.u'ya eşit nispeten büyük bir kütle.

Her izotop için alfa parçacıklarının enerjisi sabittir. Havadaki alfa parçacıklarının menzili, enerjiye bağlı olarak 2-10 cm, biyolojik dokularda ise onlarca mikrondur. Alfa parçacıkları kütleli ve yüksek enerjili olduklarından, madde içindeki yolları açıktır; iyonizasyon ve floresansın güçlü bir şekilde belirgin etkilerine neden olurlar. Alfa radyasyonu insan vücuduna girdiğinde son derece tehlikelidir, çünkü a-parçacıklarının tüm enerjisi vücudun hücrelerine aktarılır.

Beta radyasyonu (b) beta bozunması sırasında çekirdek tarafından yayılan parçacıkların (elektronlar veya pozitronlar) akışını temsil eder. Çekirdek kökenli elektronların fiziksel özellikleri elektronlarınkiyle aynıdır. atom kabuğu. Beta parçacıkları b - (elektronik bozunma), b + (pozitron bozunması) sembolü ile gösterilir.

Alfa parçacıklarından farklı olarak, aynı radyoaktif element farklı miktarlarda enerjiye sahiptir. Bu, beta bozunması sırasında nötrinoların ve beta parçacıklarının atom çekirdeğinden aynı anda yayılmasıyla açıklanır. Her bozunma olayı sırasında açığa çıkan enerji, beta parçacığı ve nötrino arasında dağıtılır. Bu, ışık hızında hareket eden, durgun kütlesi olmayan ve büyük bir nüfuz gücüne sahip elektriksel olarak nötr bir parçacıktır; kayıt yaptırmayı zorlaştırıyor. Bir b-parçacığı büyük miktarda enerjiyle yayılırsa, düşük enerji düzeyinde bir nötrino yayınlanır ve bunun tersi de geçerlidir. Aynı ortamdaki beta parçacıklarının aralığı aynı değildir. Bu tür parçacıkların özündeki yol dolambaçlıdır, yaklaşmakta olan atomların elektrik alanlarının etkisi altında hareket yönünü kolayca değiştirirler. Beta parçacıkları, alfa parçacıklarından daha az iyonlaştırıcı etkiye sahiptir. Havadaki menzilleri 25 cm'ye kadar ve biyolojik dokularda - 1 cm'ye kadar olabilir. Radyoaktif İzotoplar beta parçacıklarının enerjisinde farklılık gösterir. Maksimum enerjileri 0,015–0,05 MeV (yumuşak beta radyasyonu) ile 3–12 MeV (sert beta radyasyonu) arasında geniş sınırlara sahiptir.

Gama radyasyonu (g) elektromanyetik dalgaların bir akışıdır; radyo dalgaları, görünür ışık, morötesi ve kızılötesi ışınlar ve x-ışınları gibidir.

Pirinç. 13. Gama radyasyonu oluşum şeması

Farklı çeşit radyasyon, oluşum koşullarında ve belirli özelliklerde farklılık gösterir. X-ışını radyasyonu, hızlı elektronlar, bir maddenin atomlarının çekirdeğinin elektrik alanında (bremsstrahlung X-ışınları) veya yeniden düzenleme sırasında yavaşladığında ortaya çıkar. elektron kabukları atomların ve moleküllerin iyonlaşması ve uyarılması sırasında atomlar (karakteristik x-ışını radyasyonu). Uyarılmış halden uyarılmamış duruma çeşitli geçişler sırasında, emisyon meydana gelebilir. görülebilir ışık, kızılötesi ve ultraviyole ışınları. Gama kuantaları, doğal ve yapay radyonüklidlerin alfa ve beta bozunması sırasında atom çekirdekleri tarafından yayılır; bu durumlarda, yavru çekirdekte, korpüsküler radyasyon tarafından yakalanmayan bir enerji fazlası bulunur. Gama ışınlarının durgun kütlesi, yükü yoktur ve bu nedenle elektrik veya manyetik alanda sapmazlar. Maddede ve vakumda, gama radyasyonu düz bir çizgide ve her yöne eşit olarak yayılır. Bir gama kuantumunun enerjisi, salınım frekansıyla orantılıdır ve aşağıdaki formülle belirlenir:

Еg = h × ν, (1.16)

h, Planck'ın evrensel sabitidir (4.13 × 10 –21 MeV/s); n, saniyedeki salınımların frekansıdır.

Salınım frekansı dalga boyu ile ilgilidir. Dalga boyu ne kadar uzun olursa, salınım frekansı o kadar düşük olur ve bunun tersi de geçerlidir, yani. frekans dalga boyu ile ters orantılıdır. Enerji gama radyasyonu birkaç keV ile 2-3 MeV arasında değişir. Gama radyasyon akısının bileşimi genellikle çeşitli enerji değerlerinin kuantalarını içerir. Bununla birlikte, kümeleri her izotop için sabittir.

Gamma quanta, yüksüz ve durgun kütleye sahip değildir, zayıf bir iyonlaştırıcı etkiye neden olur, ancak yüksek bir nüfuz gücüne sahiptir. Havadaki yol 100–150 m'ye ulaşır (bkz. Şekil 14).

Pirinç. 14. Alfa, beta ve gama parçacıklarının nüfuz etme yeteneği.

Nötronlar. Yüklü parçacıkların aksine nötronlar elektrik şarjı atomların derinliklerine serbestçe nüfuz etmelerini sağlayan; ikincisi ile çarpışarak, ya onun tarafından emilirler ya da itilirler. Elastik saçılmanın bir sonucu olarak, yüksek enerjili güçlü iyonlaştırıcı protonlar oluşur ve nötronlar emildiğinde atom çekirdeği protonlar, alfa parçacıkları ve g-kuantalar, ikincisinden dışarı uçar ve bu da iyonizasyona neden olur. Bu nedenle, nötron ışıması altında, nihai biyolojik etki, ikincil parçacıklar veya g-kuantası tarafından dolaylı olarak üretilen iyonizasyon ile ilişkilidir. Nötronların bir veya daha fazla nükleer etkileşiminin katkısı, ışınlanan maddenin bileşimine ve enerjilerine bağlıdır. Enerji değerine göre dört tip nötron ayırt edilir: hızlı, orta, yavaş ve termal (bkz. Şekil 15).

Nötronlar, oluşturdukları geri tepme protonlarının aralığı küçük olduğu için yoğun iyonlaştırıcı radyasyon olarak sınıflandırılır. Ancak, nötronların yüksek nüfuz etme gücü nedeniyle büyük derinliklerde meydana gelirler.

Negatif p mezonları- bir elektronun kütlesinin 273 katı kütleye sahip negatif yüklü parçacıklar. Yapay yollarla elde edilirler. Bu parçacıklar, atomların çekirdekleriyle etkileşime girme konusunda benzersiz bir yeteneğe sahiptir. 25-100 MeV mertebesinde enerjiye sahip negatif pimesonlar, neredeyse hiç nükleer etkileşim olmadan tamamen yavaşlamaya kadar madde boyunca seyahat eder. Çalışmanın sonunda doku atomlarının çekirdekleri tarafından %100 olasılıkla yakalanırlar.

Pirinç. 15. Nötron türleri.

1.3.2. Radyoaktif radyasyonların etkileşimi
madde ile

Birincisi, tamamen fiziksel saniyenin milyonda birinde gerçekleşen etkileşim aşaması, foton enerjisinin bir kısmının atomun elektronlarından birine aktarılmasından, ardından iyonizasyon ve uyarmadan oluşur. Fazla enerjiye sahip iyonlar ve uyarılmış atomlar bu nedenle artan kimyasal reaktivite ile karakterize edilir, sıradan, uyarılmamış atomlar için mümkün olmayan reaksiyonlara girebilirler.

İkincisi, fiziksel ve kimyasal, aşama ışınlanan maddenin bileşimine ve yapısına bağlı olarak ilerler. Temel öneme sahip olan su ve oksijenin varlığıdır. Eğer yoklarsa, radyasyonla aktive edilen atomların kimyasal etkileşim olasılıkları sınırlıdır, lokalizedir.

Alfa ve beta parçacıklarının etkileşimi. Maddeden geçen yüklü parçacıklar, atomların elektronları ve çekirdeğin elektrik alanı ile etkileşimin bir sonucu olarak yavaş yavaş enerji kaybeder. a- ve b-parçacıklarının kinetik enerjisi iyonlaşmada, yani elektronların bir atomdan ayrılmasında ve atomların ve moleküllerin uyarılmasında boşa harcanır. Çekirdeğin elektrik alanı ile etkileşime giren yüklü parçacık yavaşlar ve hareketinin yönünü değiştirirken, özelliklerinde X-ışınına yakın olan ve bremsstrahlung X-ışını radyasyonu olarak adlandırılan radyasyon emisyonu meydana gelir.

İyonizasyon işleminin enerji tarafını belirleyen miktar, iyonlaşma işi – ortalama iş bir çift iyon oluşumu için harcanır. Doğada farklı, ancak aynı enerjiye sahip yüklü parçacıklar, hemen hemen aynı sayıda iyon çifti oluşturur. Yine de iyonlaşma yoğunluğu , yani bir maddedeki bir parçacığın birim yolu başına iyon çiftlerinin sayısı farklı olacaktır. İyonlaşma yoğunluğu, parçacığın yükündeki artışla ve hızındaki azalmayla artar.

Maddeden geçen yüklü parçacıklar yavaş yavaş enerji ve hız kaybederler, dolayısıyla parçacığın yolu boyunca iyonlaşma yoğunluğu artar ve yolun sonunda bir değere ulaşır. Yolun sonunda a parçacığı kendisine iki elektron bağlayarak bir helyum atomuna dönüşür ve
b-parçacığı (elektron), ortamın atomlarından birine dahil edilebilir.

Bir maddede a- veya b-parçacığının iyonlaşma meydana getirdiği yola ne ad verilir? parçacık aralığı . Havadaki bir alfa parçacığının aralığı 10 cm'ye ve yumuşak biyolojik dokuda - birkaç on mikrona ulaşabilir. Havadaki beta parçacıklarının aralığı 25 m'ye ve dokularda 1 cm'ye kadar ulaşır.

Alfa parçacıkları madde içinde düz bir çizgide yayılır ve yalnızca karşıdan gelen atomların çekirdekleriyle çarpıştıklarında yön değiştirirler. Beta parçacıkları küçük kütleli, yüksek hızlı ve negatif yük, yörüngedeki elektronlar ve yaklaşmakta olan atomların çekirdekleri ile çarpışmaların bir sonucu olarak orijinal yönden önemli ölçüde sapma (saçılma etkisi). Beta parçacıkları çoklu saçılıma uğrayarak ters yönde bile hareket edebilir - geri saçılma. B-parçacıklarının önemli saçılması nedeniyle, maddedeki gerçek yol uzunluğu, menzillerinden 1,5-4 kat daha fazladır. Diğer bir fark, a- ve b-parçacıklarının maddeden geçişindedir. Bir izotop tarafından yayılan tüm alfa parçacıkları göreceli olarak eşit enerji ve madde içinde doğrusal olarak hareket edin, daha sonra emicinin birim yüzeyinden geçen ışındaki sayıları sadece yolun sonunda keskin bir şekilde sıfıra düşer. Beta parçacıklarının spektrumu süreklidir, bu nedenle soğurucunun kalınlığındaki bir artışla, bir birim yüzeyden geçen bir ışındaki beta parçacıklarının sayısı yavaş yavaş azalır.

Maddedeki b-parçacıklarının akışının yoğunluğunun zayıflaması, yaklaşık olarak üstel bağımlılığa uyar:

N \u003d N 0 × e - m bir, (1.17)

burada N, soğurucu katman d cm'den geçen beta parçacıklarının sayısıdır, N 0, 1 cm2'ye eşit emici alana 1 s içinde gelen beta parçacıklarının sayısıdır; e - baz doğal logaritmalar; m, 1 cm kalınlığında bir soğurucudan geçtikten sonra b-parçacığı akışının yoğunluğunun göreli zayıflamasını karakterize eden doğrusal radyasyon zayıflama katsayısıdır.

Gama radyasyonunun madde ile etkileşimi. Bir çekirdeğin radyoaktif bozunması sırasında, farklı enerjilere sahip g-kuantaları yayılır. Maddeden geçerken, pratik olarak üç etki nedeniyle enerji kaybederler: fotoelektrik absorpsiyon, Compton saçılması ve elektron-pozitron çiftlerinin oluşumu.

saat fotoelektrik etki olay kuantumunun enerjisi madde tarafından tamamen emilir, sonuç olarak, değeri radyasyon kuantumunun enerjisine eşit olan belirli bir kinetik enerjiye sahip serbest elektronlar ortaya çıkar, verilen elektronun çalışma fonksiyonundan atom. Nötr atomlardan biriyle birleşen serbest bir elektron, negatif bir iyon üretir. Fotoelektrik etki sadece uzun dalga boylu X-ışınları için karakteristiktir. Olasılığı atom numarasına bağlıdır ve Z5 ile orantılıdır. Zayıf bağlı ve serbest elektronlar (çekirdeğe bağlı olmayan) üzerinde fotoelektrik etki süreci imkansızdır, çünkü bunlar g-kuantayı ememezler.

saat Compton etkisi g-quanta, elektronlarla çarpışarak, onlara enerjilerinin tamamını değil, sadece bir kısmını aktarır ve çarpışmadan sonra hareket yönlerini değiştirir. g-kuanta ile çarpışma sonucunda oluşan elektronlar önemli bir kinetik enerji kazanır ve bunu maddenin iyonlaşmasına (ikincil iyonlaşma) harcar. O. Compton etkisinin bir sonucu olarak, ortamın elektronları ile etkileşime giren g-kuantanın farklı yönlere dağılması ve birincil ışının ötesine geçmesi ve ayrıca transfer nedeniyle gama radyasyonunun yoğunluğu zayıflar. enerjisinin bir kısmını elektronlara aktarır.

Eşleştirme. Maddeden geçen en az 1.02 MeV enerjiye sahip bazı g-kuantalar, çekirdeğin yakınında güçlü bir elektrik alanın etkisi altında bir elektron-pozitron çiftine dönüştürülür. Bu durumda, bir madde biçiminden - gama radyasyonundan diğerine - madde parçacıklarına bir geçiş vardır. Böyle bir çift parçacığın oluşumu, yalnızca her iki parçacığın - bir elektron ve bir pozitron - kütlesine eşdeğer enerjiden daha az olmayan foton enerjilerinde mümkündür.

Ortaya çıkan elektron-pozitron çifti daha sonra kaybolur ve parçacıkların geri kalan kütlesinin enerji eşdeğerine eşit bir enerjiye sahip iki ikincil g-kuantasına dönüşür - 0.511 MeV. Çift oluşum olasılığı g-kuantanın enerjisindeki ve soğurucunun yoğunluğundaki artışla artar.

Gama radyasyonunun madde tarafından zayıflama yasası, a ve b parçacıklarının zayıflama yasasından önemli ölçüde farklıdır. Soğurucunun kalınlığı arttıkça g-ışını ışını sürekli olarak emilir. Şunlar. Madde tabakasının kalınlığı ne olursa olsun, g-ışınlarının akışını tamamen emmek imkansızdır, ancak yoğunluğunu herhangi bir sayıda zayıflatmak yeterlidir. Bu, g-ışınlarının zayıflamasının doğası ile a- ve b-parçacıklarının zayıflaması arasındaki temel farktır, bunun için a- ya da b-parçacıklarının akışının olduğu bir madde tabakası her zaman seçilebilir. tamamen emilir.

G-ışını ışını zayıflama yasası aşağıdaki forma sahiptir:

ben \u003d ben 0 × e - m a, (1.18)

burada I, soğurucu tabakadan geçen g-ışını demetinin yoğunluğudur; I 0, gelen gama ışınları demetinin yoğunluğudur; m, 1 cm kalınlığındaki soğurucu tabakadan geçtikten sonra gama ışını demetinin yoğunluğundaki nispi azalmaya eşit doğrusal zayıflama katsayısıdır Doğrusal zayıflama katsayısı, gama ışını zayıflamasını hesaba katan toplam katsayıdır. üç sürecin tümü nedeniyle ışın: fotoelektrik etki (t f), Compton etkisi (t k) ve çift oluşumu (t p):

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

2. Bölüm (dersler #3–4)

RADYOEKOLOJİNİN TEMELLERİ

11. sınıf için fizikte (Kasyanov V.A., 2002),
bir görev №87
bölüme" Elektromanyetik radyasyonun kuantum teorisi. ANA HÜKÜMLER».

termal radyasyon

Tamamen siyah gövde

termal radyasyon- iç enerjisi nedeniyle ısıtılmış cisimler tarafından yayılan elektromanyetik radyasyon.

Tamamen siyah gövde- herhangi bir frekansta üzerine gelen radyasyonun tüm enerjisini keyfi bir sıcaklıkta emen bir cisim.

Enerji parlaklığının spektral yoğunluğu birim frekans aralığında vücut yüzeyinin birim alanı başına birim zaman başına yayılan elektromanyetik radyasyonun enerjisidir. Enerji parlaklığının spektral yoğunluk birimi J/m 2 . Bir radyasyon kuantumunun enerjisi, radyasyonun frekansı v ile doğru orantılıdır:

h = 6.6 10 -34 J s, Planck sabitidir.

Foton- mikroparçacık, kuantum elektromanyetik radyasyon.

kanunlar termal radyasyon: Wien'in Yer Değiştirme Yasası

burada λm siyah cismin enerji parlaklığının maksimum spektral yoğunluğunun düştüğü dalga boyudur, T siyah cismin sıcaklığıdır, b ≈ 3000 μm K Wien sabitidir.

Stefan-Boltzmann yasası: Bir siyah cismin integral parlaklığı, mutlak sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle orantılıdır:

nerede σ = 5.67 10 -8 W / (m 2 K 4) - Stefan-Boltzmann sabiti.

fotoelektrik etkiışığın etkisi altında katı ve sıvı maddelerden elektronların fırlatılması olgusu.

Fotoelektrik etki yasaları

1. Doygunluk foto akımı, katot üzerine gelen ışığın yoğunluğu ile doğru orantılıdır.

2. Fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi, ışığın frekansı ile doğru orantılıdır ve yoğunluğuna bağlı değildir.

3. Her madde için, fotoelektrik etkinin kırmızı sınırı olarak adlandırılan, altında fotoelektrik etkinin imkansız olduğu bir minimum ışık frekansı vardır.

Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi:

Fotonun enerjisi, iş işlevini gerçekleştirmek ve kinetik enerjiyi yayılan fotoelektrona iletmek için kullanılır. İş fonksiyonu, bir metalden bir elektron koparmak için yapılması gereken minimum iştir.

kırmızı kenarlık fotoğraf efekti

Parçacık-dalga ikiliği - hem korpüsküler hem de dalga özelliklerinin aynı nesnenin davranışındaki tezahürü. Parçacık-dalga ikiliği, herhangi bir maddi nesnenin evrensel bir özelliğidir.

dalga teorisi yüksek yoğunluklarda ışığın özelliklerini doğru bir şekilde tanımlar, yani. foton sayısı büyük olduğunda.

Kuantum teorisi düşük yoğunluklarda ışığın özelliklerini tanımlamak için kullanılır, yani. foton sayısı az olduğunda

momentumu p olan herhangi bir parçacık Cevap de Broglie dalga boyu:

Ölçüm işlemi sırasında mikro nesnenin durumu değişir. Bir parçacığın konumunun ve momentumunun aynı anda kesin olarak belirlenmesi imkansızdır.

Heisenberg belirsizlik ilişkileri:

1. Parçacığın koordinat belirsizliği ile momentumunun belirsizliğinin çarpımı, Planck sabitinden daha az değildir:

2. Bir parçacığın enerjisinin belirsizliği ile ölçüm zamanının belirsizliğinin çarpımı, Planck sabitinden daha az değildir:

Bohr'un varsayımları:

1. Kararlı bir atomda, bir elektron elektromanyetik enerji yaymadan yalnızca özel, sabit yörüngeler boyunca hareket edebilir.

2. Bir atom tarafından ışık emisyonu, bir atomun daha yüksek enerjili E k durağan bir durumdan daha düşük enerjili Е n durağan bir duruma geçişi sırasında meydana gelir. Yayılan fotonun enerjisi, durağan durumların enerjileri arasındaki farka eşittir:

Bohr'un yörünge niceleme kuralı:

Her durağan yörüngenin çevresi üzerinde, de Broglie dalga boylarında bir n tamsayısına uyar; Cevap bir elektronun hareketine karşılık gelen

Atomun temel durumu minimum enerji durumudur.

lüminesans- maddenin dengesiz radyasyonu.

Spektral analiz- bir maddenin kimyasal bileşimini ve diğer özelliklerini kendi spektrumuna göre belirleme yöntemi.

Atomların temel ışınım süreçleri: ışığın absorpsiyonu, kendiliğinden ve uyarılmış emisyon.

ışık emilimi atomun temel durumdan uyarılmış duruma geçişi eşlik eder.

spontan emisyon- bir atomun bir durumdan diğerine kendiliğinden geçişi sırasında yayılan radyasyon.

uyarılmış emisyon- harici elektromanyetik radyasyonun etkisi altında daha düşük bir enerji seviyesine geçtiğinde meydana gelen bir atomun radyasyonu.

Lazer- indüklenen radyasyonun bir sonucu olarak güçlendirilmiş radyasyon kaynağı.

Enerji seviyelerinin ters popülasyonu- uyarılmış durumdaki atom konsantrasyonunun temel durumdaki atom konsantrasyonundan daha büyük olduğu ortamın dengesiz durumu.

yarı kararlı durum- atomun diğer durumlardan çok daha uzun olabileceği uyarılmış hali.