ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ПОНЯТТЯ Про МАТЕРІЇ
1. Матерія і її властивості
► Матерія - нескінченна безліч всіх співіснуючих у світі об'єктів і систем, сукупність їх властивостей і зв'язків, відносин і форм руху. Вона включає в себе не тільки безпосередньо спостережувані об'єкти й тіла природи, але і всі ті, які не дані людині в його відчуттях.
Невід'ємною властивістю матерії є рух. Рух матерії являє собою будь-які зміни, що відбуваються з матеріальними об'єктами в результаті їх взаємодій. У природі спостерігаються різні види руху матерії: механічне, коливальний і хвильове, тепловий рух атомів і молекул, рівноважні та нерівноважні процеси, радіоактивний розпад, хімічні і ядерні реакції, розвиток живих організмів і біосфери.
На сучасному етапі розвитку природознавства дослідники розрізняють такі види матерії: речовина, фізичне поле і фізичний вакуум.
Речовина являє собою основний вид матерії, що володіє масою спокою. До речовим об'єктів відносять: елементарні частинки, атоми, молекули і численні утворені з них матеріальні об'єкти. Властивості речовини залежать від зовнішніх умов та інтенсивності взаємодії атомів і молекул, що й обумовлює різні агрегатні стани речовин.
Фізичне поле являє собою особливий вид матерії, що забезпечує фізична взаємодія матеріальних об'єктів та їх систем. До фізичних полів дослідники відносять: електромагнітне і гравітаційне поля, поле ядерних сил, хвильові поля, які відповідають різним часткам. Джерелом фізичних полів є частинки.
Фізичний вакуум - це нижче енергетичний стан квантового поля. Цей термін був введений в квантову теорію поля для пояснення деяких процесів. Середнє число частинок - квантів поля - у вакуумі дорівнює нулю, однак у ньому можуть народжуватися частки в проміжних станах, існуючі короткий час.
При описі матеріальних систем використовують корпускулярну (від лат. Corpuskulum - частка) і континуальний (від лат. Continium - безперервний) теорії. Континуальна теорія розглядає повторювані безперервні процеси, коливання, які відбуваються в околі деякого середнього положення. При поширенні коливань у середовищі виникають хвилі. Теорія коливань - область фізики, що займається дослідженням цих закономірностей. Таким чином, континуальна теорія описує хвильові процеси. Поряд з хвильовим (континуальним) описом широко використовується поняття частинки - корпускули. З точки зору континуальної концепції вся матерія розглядалася як форма поля, рівномірно поширеного в просторі, а після випадкового обурення поля виникли хвилі, тобто частинки з різними властивостями. Взаємодія цих утворень призвело до появи атомів, молекул, макротіл, що утворюють макросвіт. На основі цього критерію виділяють такі рівні матерії: мікросвіт, макросвіт і мегасвіт.
Мікросвіт - це область гранично малих, безпосередньо неспостережуваних матеріальних мікрооб'єктів, розмір яких обчислюється в діапазоні від 10 -8 до10 - 16 см , А час життя - від нескінченності до 10-24 с. Це світ від атомів до елементарних частинок. Всі вони мають як хвильовими, так і корпускулярними властивостями.
Макросвіт - світ матеріальних об'єктів, порівнянних за своїм масштабом з людиною. На цьому рівні просторові величини вимірюються від міліметрів до кілометрів, а час - від секунд до років. Макросвіт представлений макромолекулами, речовинами у різних агрегатних станах, живими організмами, людиною і продуктами його діяльності.
Мегасвіт - сфера величезних космічних масштабів і швидкостей, відстань в якій вимірюється астрономічними одиницями (1 а. Е. = 8,3 світлових хвилини), світловими роками (1 світловий рік = 10 трлн км) і парсеках (1пк = 30 трлн км), а час існування космічних об'єктів - мільйонами і мільярдами років. До цього рівня відносяться найбільш великі матеріальні об'єкти: планети та їх системи, зірки, галактики і їх скупчення, що утворюють метагалактики.
Класифікація елементарних частинок
Елементарні частинки - основні структурні елементи мікросвіту. Елементарні частинки можуть бути складними (протон, нейтрон) і несоставнимі (електрон, нейтрино, фотон). До теперішнього часу виявлено більше 400 частинок і їхніх античастинок. Деякі елементарні частинки мають незвичайні властивості. Так, довгий час вважалося, що частка нейтрино не має маси спокою. У 30-і рр.. XX ст. при вивченні бета-розпаду було виявлено, що розподіл по енергіях електронів, що випускаються радіоактивними ядрами, відбувається безперервно. З цього випливало, що або не виконується закон збереження енергії, або крім електронів випускаються важко реєстровані частинки, подібні фотонам з нульовою масою спокою, що забирають частину енергії. Вчені припустили, що це нейтрино. Однак зареєструвати нейтрино експериментально вдалося тільки в 1956 р . на величезних підземних установках. Складність реєстрації цих частинок полягає в тому, що захоплення часток нейтрино відбувається надзвичайно рідко через їх високу проникаючу здатність. У ході експериментів було встановлено, що маса спокою нейтрино не дорівнює нулю, хоча від нуля відрізняється ненабагато. Цікавими властивостями володіють і античастинки. Вони мають багато хто з тих же ознак, що і їх частки-двійники (масу, спін, [1] час життя і т. д.), але відрізняються від них знаками електричного заряду або іншими характеристиками.
У 1928 р . П. Дірак передбачив існування античастинки електрона - позитрона, який був виявлений через чотири роки К. Андерсоном у складі космічних променів. Електрон і позитрон - не єдина пара частинок-двійників, всі елементарні частинки, крім нейтральних, мають свої античастинки. При зіткненні частинки та античастинки відбувається їх анігіляція (від лат. Annihilatio - перетворення в ніщо) - перетворення елементарних частинок і античастинок в інші частинки, число і вид яких визначаються законами збереження. Наприклад, в результаті анігіляції пари електрон-позитрон народжуються фотони. Число виявлених елементарних частинок з часом збільшується. Разом з тим продовжується пошук фундаментальних частинок, які могли б бути складовими «цеглинками» для побудови відомих частинок. Гіпотеза про існування подібного роду часток, названих кварками, була висловлена в 1964 р . американським фізиком М. Гелл-Маном (Нобелівська премія 1969 р .).
Елементарні частинки володіють великою кількістю характеристик. Одна з відмінних особливостей кварків полягає в тому, що вони мають дробові електричні заряди. Кварки можуть з'єднуватися один з одним парами і трійками. З'єднання трьох кварків утворює баріони (протони і нейтрони). У вільному стані кварки не спостерігалися. Однак кваркова модель дозволила визначити квантові числа багатьох елементарних частинок.
Елементарні частинки класифікують за такими ознаками: масі частинки, електричного заряду, типу фізичної взаємодії, в якому беруть участь елементарні частинки, часу життя частинок, спину і ін
Залежно від маси спокою частинки (маса її спокою, яка визначається по відношенню до маси спокою електрона, що вважається найлегшою з усіх часток, що мають масу) виділяють:
♦ фотони (грец. photos - частки, які не мають маси спокою і рухаються зі швидкістю світла);
♦ лептони (грец. leptos - легкий) - легкі частинки (електрон і нейтрино);
♦ мезони (грец. mesos - середній) - середні частки з масою від однієї до тисячі мас електрона (пі-мезон, ка-мезон і ін);
♦ баріони (грец. barys - важкий) - важкі частинки з масою більше тисячі мас електрона (протони, нейтрони та ін.)
У залежності від електричного заряду виділяють:
♦ частки з негативним зарядом (наприклад, електрони);
♦ частинки з позитивним зарядом (наприклад, протон, позитрони);
♦ частинки з нульовим зарядом (наприклад, нейтрино).
Існують частинки з дробовим зарядом - кварки. З урахуванням типу фундаментальної взаємодії, в якому беруть участь частки, серед них виділяють:
♦ адрони (грец. adros - великий, сильний), що беруть участь в електромагнітній, сильному і слабку взаємодію;
♦ лептони, що беруть участь тільки в електромагнітному і слабку взаємодію;
♦ частки - переносники взаємодій (фотони - переносники електромагнітного взаємодії; Гравітон - переносники гравітаційної взаємодії; глюони - переносники сильної взаємодії; проміжні векторні бозони - переносники слабкої взаємодії).
За часом життя частинки діляться на стабільні, квазістабільні і нестабільні. Більшість елементарних частинок нестабільно, час їхнього життя - 10 -10 -10 -24 с. Стабільні частинки не розпадаються тривалий час. Вони можуть існувати від нескінченності до 10 -10 с. Стабільними частками вважаються фотон, нейтрино, протон і електрон. Квазістабільні частки розпадаються в результаті електромагнітної і слабкої взаємодії, інакше їх називають резонансами. Час їхнього життя становить 10 -24 -10 -26 с.
2. Фундаментальні взаємодії
Взаємодія - основна причина руху матерії, тому взаємодія притаманне всім матеріальним об'єктам незалежно від їх природного походження та системної організації. Особливості різних взаємодій визначають умови існування та специфіку властивостей матеріальних об'єктів. Усього відомо чотири види взаємодії: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка.
Гравітаційна взаємодія першим з відомих фундаментальних взаємодій стало предметом дослідження вчених. Воно проявляється у взаємному тяжінні будь-яких матеріальних об'єктів, що мають масу, передається за допомогою гравітаційного поля та визначається законом всесвітнього тяжіння, який був сформульований І. Ньютоном
Закон всесвітнього тяжіння описує падіння матеріальних тіл у полі Землі, рух планет Сонячної системи, зірок і т. п. У міру збільшення маси речовини гравітаційні взаємодії зростають. Гравітаційна взаємодія - найбільш слабка з усіх відомих сучасній науці взаємодій. Тим не менш гравітаційні взаємодії визначають будову всього Всесвіту: утворення всіх космічних систем; існування планет, зірок і галактик. Важлива роль гравітаційної взаємодії визначається його універсальністю: всі тіла, частинки і поля беруть участь у ньому.
Переносниками гравітаційної взаємодії є Гравітон - кванти гравітаційного поля.
Електромагнітна взаємодія також є універсальним і існує між будь-якими тілами в мікро-, макро-і мегамире. Електромагнітна взаємодія обумовлено електричними зарядами і передається за допомогою електричного і магнітного полів. Електричне поле виникає при наявності електричних зарядів, а магнітне - при русі електричних зарядів. Електромагнітна взаємодія описується: законом Кулона, законом Ампера та ін і в узагальненому вигляді - електромагнітної теорією Максвелла, що зв'язує електричне і магнітне поля. Завдяки електромагнітного взаємодії виникають атоми, молекули і відбуваються хімічні реакції. Хімічні реакції є прояв електромагнітних взаємодій і є результатами перерозподілу зв'язків між атомами в молекулах, а також кількості і складу атомів у молекулах різних речовин. Різні агрегатні стани речовини, сили пружності, тертя і т. д. визначаються електромагнітним взаємодією. Переносниками електромагнітного взаємодії є фотони - кванти електромагнітного поля з нульовою масою спокою.
Усередині атомного ядра виявляються сильні і слабкі взаємодії. Сильна взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Дана взаємодія визначається ядерними силами, що володіють зарядовим незалежністю, короткодіючі, насиченням та іншими властивостями. Сильна взаємодія утримує нуклони (протони і нейтрони) у ядрі і кварки всередині нуклонів і відповідає за стабільність атомних ядер. За допомогою сильної взаємодії вчені пояснили, чому протони ядра атома не розлітаються під дією електромагнітних сил відштовхування. Сильна взаємодія передається глюонами - частинками, «склеюють» кварки, які входять до складу протонів, нейтронів та інших частинок.
Слабка взаємодія також діє тільки в мікросвіті. У цій взаємодії беруть участь всі елементарні частинки, крім фотона. Воно обумовлює більшість розпадів елементарних частинок, тому його відкриття відбулося слідом за відкриттям радіоактивності. Перша теорія слабкої взаємодії була створена в 1934 р . Е. Фермі і розвинена в 1950-і рр.. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом та іншими вченими. Переносниками слабкої взаємодії прийнято вважати частинки з масою в 100 разів більше маси протонів - проміжні векторні бозони.
Характеристики фундаментальних взаємодій представлені в табл. 1.
Табліца.1
Характеристики фундаментальних взаємодій
З таблиці видно, що гравітаційна взаємодія набагато слабший за інших взаємодій. Радіус його дії необмежений. Воно не відіграє суттєвої ролі в мікропроцесу і в той же час є основним для об'єктів з великими масами. Електромагнітна взаємодія сильніше гравітаційного, хоча радіус його дії також необмежений. Сильні й слабкі взаємодії мають дуже обмежений радіус дії.
Одна з найважливіших завдань сучасного природознавства - створення єдиної теорії фундаментальних взаємодій, що об'єднує різні види взаємодії. Створення подібної теорії означало б також побудова єдиної теорії елементарних частинок.
3. Теплове випромінювання. Народження квантових уявлень
В кінці XX ст. хвильова теорія не могла пояснити і описати теплове випромінювання у всьому діапазоні частот електромагнітних хвиль теплового діапазону. А те, що теплове випромінювання, і зокрема світло, є електромагнітними хвилями, стало науковим фактом. Дати точний опис теплового випромінювання вдалося німецькому фізику Максу Планку.
14 грудня 1900 р . Планк виступив на засіданні Німецького фізичного товариства з доповіддю, в якій виклав свою гіпотезу квантової природи теплового випромінювання і нову формулу випромінювання (формула Планка). Цей день фізики вважають днем народження нової фізики - квантової. Видатний французький математик і фізик А. Пуанкаре писав: «Квантова теорія Планка є, без усякого сумніву, найбільша і найглибша революція, яку натуральна філософія зазнала з часів Ньютона».
Планк встановив, що теплове випромінювання (електромагнітна хвиля) випускається не суцільним потоком, а порціями (квантами). Енергія кожного кванта -
E = hv,
тобто пропорційна частоті електромагнітної хвилі - v. Тут h - постійна Планка, рівна 6,62 · 10 -34 Дж · с.
Збіг розрахунків Планка з досвідченими даними було повним. У 1919 р . М. Планку присвоїли Нобелівську премію.
На основі квантових уявлень А. Ейнштейн у 1905 р . розробив теорію фотоефекту (Нобелівська премія 1922 р .), Поставивши науку перед фактом: світло має і хвильовими і корпускулярним властивостями, він променіє, поширюється і поглинається квантами (порціями). Кванти світла стали називати фотонами.
4. Гіпотеза де Бройля про корпускулярно-хвильовому дуалізмі
властивостей частинок
Французький вчений Луї де Бройль (1892-1987) в 1924 р . в докторській дисертації «Дослідження з теорії квантів» висунув сміливу гіпотезу про універсальність корпускулярно-хвильового дуалізму, стверджуючи, що оскільки світло веде себе в одних випадках як хвиля, а в інших - як частка, то й матеріальні частинки (електрони та ін) в з спільності законів природи повинні володіти хвильовими властивостями. «В оптиці, - писав він, - протягом століття занадто нехтували корпускулярним способом розгляду в порівнянні з хвильовим; не робилася чи в теорії речовини зворотна помилка? Чи не думали ми занадто багато про картину «часток» і не нехтували чи надмірної картиною хвиль? »У той час гіпотеза де Бройля виглядала божевільною. Лише в 1927 р ., Три роки потому, наука пережила величезне потрясіння: фізики К. Девіссон і Л. Джермер експериментально підтвердили гіпотезу де Бройля, отримавши дифракційну картину електронів.
Відповідно до квантової теорії світла А. Ейнштейна, хвильові характеристики фотонів світла (частота коливань v і довжина хвиля л = c / v) пов'язані з корпускулярними характеристиками (енергією ε ф, релятивістської масою m ф і імпульсом р ф) співвідношеннями:
1. Матерія і її властивості
► Матерія - нескінченна безліч всіх співіснуючих у світі об'єктів і систем, сукупність їх властивостей і зв'язків, відносин і форм руху. Вона включає в себе не тільки безпосередньо спостережувані об'єкти й тіла природи, але і всі ті, які не дані людині в його відчуттях.
Невід'ємною властивістю матерії є рух. Рух матерії являє собою будь-які зміни, що відбуваються з матеріальними об'єктами в результаті їх взаємодій. У природі спостерігаються різні види руху матерії: механічне, коливальний і хвильове, тепловий рух атомів і молекул, рівноважні та нерівноважні процеси, радіоактивний розпад, хімічні і ядерні реакції, розвиток живих організмів і біосфери.
На сучасному етапі розвитку природознавства дослідники розрізняють такі види матерії: речовина, фізичне поле і фізичний вакуум.
Речовина являє собою основний вид матерії, що володіє масою спокою. До речовим об'єктів відносять: елементарні частинки, атоми, молекули і численні утворені з них матеріальні об'єкти. Властивості речовини залежать від зовнішніх умов та інтенсивності взаємодії атомів і молекул, що й обумовлює різні агрегатні стани речовин.
Фізичне поле являє собою особливий вид матерії, що забезпечує фізична взаємодія матеріальних об'єктів та їх систем. До фізичних полів дослідники відносять: електромагнітне і гравітаційне поля, поле ядерних сил, хвильові поля, які відповідають різним часткам. Джерелом фізичних полів є частинки.
Фізичний вакуум - це нижче енергетичний стан квантового поля. Цей термін був введений в квантову теорію поля для пояснення деяких процесів. Середнє число частинок - квантів поля - у вакуумі дорівнює нулю, однак у ньому можуть народжуватися частки в проміжних станах, існуючі короткий час.
При описі матеріальних систем використовують корпускулярну (від лат. Corpuskulum - частка) і континуальний (від лат. Continium - безперервний) теорії. Континуальна теорія розглядає повторювані безперервні процеси, коливання, які відбуваються в околі деякого середнього положення. При поширенні коливань у середовищі виникають хвилі. Теорія коливань - область фізики, що займається дослідженням цих закономірностей. Таким чином, континуальна теорія описує хвильові процеси. Поряд з хвильовим (континуальним) описом широко використовується поняття частинки - корпускули. З точки зору континуальної концепції вся матерія розглядалася як форма поля, рівномірно поширеного в просторі, а після випадкового обурення поля виникли хвилі, тобто частинки з різними властивостями. Взаємодія цих утворень призвело до появи атомів, молекул, макротіл, що утворюють макросвіт. На основі цього критерію виділяють такі рівні матерії: мікросвіт, макросвіт і мегасвіт.
Мікросвіт - це область гранично малих, безпосередньо неспостережуваних матеріальних мікрооб'єктів, розмір яких обчислюється в діапазоні від 10 -8 до10 -
Макросвіт - світ матеріальних об'єктів, порівнянних за своїм масштабом з людиною. На цьому рівні просторові величини вимірюються від міліметрів до кілометрів, а час - від секунд до років. Макросвіт представлений макромолекулами, речовинами у різних агрегатних станах, живими організмами, людиною і продуктами його діяльності.
Мегасвіт - сфера величезних космічних масштабів і швидкостей, відстань в якій вимірюється астрономічними одиницями (1 а. Е. = 8,3 світлових хвилини), світловими роками (1 світловий рік = 10 трлн км) і парсеках (1пк = 30 трлн км), а час існування космічних об'єктів - мільйонами і мільярдами років. До цього рівня відносяться найбільш великі матеріальні об'єкти: планети та їх системи, зірки, галактики і їх скупчення, що утворюють метагалактики.
Класифікація елементарних частинок
Елементарні частинки - основні структурні елементи мікросвіту. Елементарні частинки можуть бути складними (протон, нейтрон) і несоставнимі (електрон, нейтрино, фотон). До теперішнього часу виявлено більше 400 частинок і їхніх античастинок. Деякі елементарні частинки мають незвичайні властивості. Так, довгий час вважалося, що частка нейтрино не має маси спокою. У 30-і рр.. XX ст. при вивченні бета-розпаду було виявлено, що розподіл по енергіях електронів, що випускаються радіоактивними ядрами, відбувається безперервно. З цього випливало, що або не виконується закон збереження енергії, або крім електронів випускаються важко реєстровані частинки, подібні фотонам з нульовою масою спокою, що забирають частину енергії. Вчені припустили, що це нейтрино. Однак зареєструвати нейтрино експериментально вдалося тільки в
У
Елементарні частинки володіють великою кількістю характеристик. Одна з відмінних особливостей кварків полягає в тому, що вони мають дробові електричні заряди. Кварки можуть з'єднуватися один з одним парами і трійками. З'єднання трьох кварків утворює баріони (протони і нейтрони). У вільному стані кварки не спостерігалися. Однак кваркова модель дозволила визначити квантові числа багатьох елементарних частинок.
Елементарні частинки класифікують за такими ознаками: масі частинки, електричного заряду, типу фізичної взаємодії, в якому беруть участь елементарні частинки, часу життя частинок, спину і ін
Залежно від маси спокою частинки (маса її спокою, яка визначається по відношенню до маси спокою електрона, що вважається найлегшою з усіх часток, що мають масу) виділяють:
♦ фотони (грец. photos - частки, які не мають маси спокою і рухаються зі швидкістю світла);
♦ лептони (грец. leptos - легкий) - легкі частинки (електрон і нейтрино);
♦ мезони (грец. mesos - середній) - середні частки з масою від однієї до тисячі мас електрона (пі-мезон, ка-мезон і ін);
♦ баріони (грец. barys - важкий) - важкі частинки з масою більше тисячі мас електрона (протони, нейтрони та ін.)
У залежності від електричного заряду виділяють:
♦ частки з негативним зарядом (наприклад, електрони);
♦ частинки з позитивним зарядом (наприклад, протон, позитрони);
♦ частинки з нульовим зарядом (наприклад, нейтрино).
Існують частинки з дробовим зарядом - кварки. З урахуванням типу фундаментальної взаємодії, в якому беруть участь частки, серед них виділяють:
♦ адрони (грец. adros - великий, сильний), що беруть участь в електромагнітній, сильному і слабку взаємодію;
♦ лептони, що беруть участь тільки в електромагнітному і слабку взаємодію;
♦ частки - переносники взаємодій (фотони - переносники електромагнітного взаємодії; Гравітон - переносники гравітаційної взаємодії; глюони - переносники сильної взаємодії; проміжні векторні бозони - переносники слабкої взаємодії).
За часом життя частинки діляться на стабільні, квазістабільні і нестабільні. Більшість елементарних частинок нестабільно, час їхнього життя - 10 -10 -10 -24 с. Стабільні частинки не розпадаються тривалий час. Вони можуть існувати від нескінченності до 10 -10 с. Стабільними частками вважаються фотон, нейтрино, протон і електрон. Квазістабільні частки розпадаються в результаті електромагнітної і слабкої взаємодії, інакше їх називають резонансами. Час їхнього життя становить 10 -24 -10 -26 с.
2. Фундаментальні взаємодії
Взаємодія - основна причина руху матерії, тому взаємодія притаманне всім матеріальним об'єктам незалежно від їх природного походження та системної організації. Особливості різних взаємодій визначають умови існування та специфіку властивостей матеріальних об'єктів. Усього відомо чотири види взаємодії: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка.
Гравітаційна взаємодія першим з відомих фундаментальних взаємодій стало предметом дослідження вчених. Воно проявляється у взаємному тяжінні будь-яких матеріальних об'єктів, що мають масу, передається за допомогою гравітаційного поля та визначається законом всесвітнього тяжіння, який був сформульований І. Ньютоном
Закон всесвітнього тяжіння описує падіння матеріальних тіл у полі Землі, рух планет Сонячної системи, зірок і т. п. У міру збільшення маси речовини гравітаційні взаємодії зростають. Гравітаційна взаємодія - найбільш слабка з усіх відомих сучасній науці взаємодій. Тим не менш гравітаційні взаємодії визначають будову всього Всесвіту: утворення всіх космічних систем; існування планет, зірок і галактик. Важлива роль гравітаційної взаємодії визначається його універсальністю: всі тіла, частинки і поля беруть участь у ньому.
Переносниками гравітаційної взаємодії є Гравітон - кванти гравітаційного поля.
Електромагнітна взаємодія також є універсальним і існує між будь-якими тілами в мікро-, макро-і мегамире. Електромагнітна взаємодія обумовлено електричними зарядами і передається за допомогою електричного і магнітного полів. Електричне поле виникає при наявності електричних зарядів, а магнітне - при русі електричних зарядів. Електромагнітна взаємодія описується: законом Кулона, законом Ампера та ін і в узагальненому вигляді - електромагнітної теорією Максвелла, що зв'язує електричне і магнітне поля. Завдяки електромагнітного взаємодії виникають атоми, молекули і відбуваються хімічні реакції. Хімічні реакції є прояв електромагнітних взаємодій і є результатами перерозподілу зв'язків між атомами в молекулах, а також кількості і складу атомів у молекулах різних речовин. Різні агрегатні стани речовини, сили пружності, тертя і т. д. визначаються електромагнітним взаємодією. Переносниками електромагнітного взаємодії є фотони - кванти електромагнітного поля з нульовою масою спокою.
Усередині атомного ядра виявляються сильні і слабкі взаємодії. Сильна взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Дана взаємодія визначається ядерними силами, що володіють зарядовим незалежністю, короткодіючі, насиченням та іншими властивостями. Сильна взаємодія утримує нуклони (протони і нейтрони) у ядрі і кварки всередині нуклонів і відповідає за стабільність атомних ядер. За допомогою сильної взаємодії вчені пояснили, чому протони ядра атома не розлітаються під дією електромагнітних сил відштовхування. Сильна взаємодія передається глюонами - частинками, «склеюють» кварки, які входять до складу протонів, нейтронів та інших частинок.
Слабка взаємодія також діє тільки в мікросвіті. У цій взаємодії беруть участь всі елементарні частинки, крім фотона. Воно обумовлює більшість розпадів елементарних частинок, тому його відкриття відбулося слідом за відкриттям радіоактивності. Перша теорія слабкої взаємодії була створена в
Характеристики фундаментальних взаємодій представлені в табл. 1.
Табліца.1
Характеристики фундаментальних взаємодій
З таблиці видно, що гравітаційна взаємодія набагато слабший за інших взаємодій. Радіус його дії необмежений. Воно не відіграє суттєвої ролі в мікропроцесу і в той же час є основним для об'єктів з великими масами. Електромагнітна взаємодія сильніше гравітаційного, хоча радіус його дії також необмежений. Сильні й слабкі взаємодії мають дуже обмежений радіус дії.
Одна з найважливіших завдань сучасного природознавства - створення єдиної теорії фундаментальних взаємодій, що об'єднує різні види взаємодії. Створення подібної теорії означало б також побудова єдиної теорії елементарних частинок.
3. Теплове випромінювання. Народження квантових уявлень
В кінці XX ст. хвильова теорія не могла пояснити і описати теплове випромінювання у всьому діапазоні частот електромагнітних хвиль теплового діапазону. А те, що теплове випромінювання, і зокрема світло, є електромагнітними хвилями, стало науковим фактом. Дати точний опис теплового випромінювання вдалося німецькому фізику Максу Планку.
14 грудня
Планк встановив, що теплове випромінювання (електромагнітна хвиля) випускається не суцільним потоком, а порціями (квантами). Енергія кожного кванта -
E = hv,
тобто пропорційна частоті електромагнітної хвилі - v. Тут h - постійна Планка, рівна 6,62 · 10 -34 Дж · с.
Збіг розрахунків Планка з досвідченими даними було повним. У
На основі квантових уявлень А. Ейнштейн у
4. Гіпотеза де Бройля про корпускулярно-хвильовому дуалізмі
властивостей частинок
Французький вчений Луї де Бройль (1892-1987) в
Відповідно до квантової теорії світла А. Ейнштейна, хвильові характеристики фотонів світла (частота коливань v і довжина хвиля л = c / v) пов'язані з корпускулярними характеристиками (енергією ε ф, релятивістської масою m ф і імпульсом р ф) співвідношеннями:
За ідеєю де Бройля, будь-яка мікрочастинка, в тому числі і з масою спокою ш 0 Ц 0, повинна володіти не тільки корпускулярними, але і хвильовими властивостями. Відповідні частота v і довжина хвилі л визначаються при цьому співвідношеннями, подібними ейнштейнівської:
Звідси довжина хвилі де Бройля -
Таким чином, співвідношення Ейнштейна, отримані ним при побудові теорії фотонів у результаті гіпотези, висунутій де Бройля, придбали універсальний характер і стали однаково застосовними як для аналізу корпускулярних властивостей світла, так і при дослідженні хвильових властивостей всіх мікрочастинок.
5. Досліди Резерфорда. Модель атома Резерфорда А. Досліди Резерфорда
У
Було відомо, що α-частинки, випроменені полонієм, летять зі швидкістю 1,6-107 м / с. Полоній містився всередину свинцевого футляра, вздовж якого висвердлені вузький канал. Пучок α-частинок, пройшовши канал і діафрагму, падав на фольгу. Золоту фольгу можна зробити виключно тонкої - завтовшки 4-10 -
При гарному вакуумі всередині приладу (щоб не було розсіювання частинок від молекул повітря) під час відсутності фольги на екрані виникав світлий гурток з сцинтилляций, що викликаються тонким пучком α-частинок. Коли на шляху пучка містилася фольга, то переважна більшість α-частинок все одно не відхилялося від свого первісного напрямку, тобто проходило крізь фольгу, як якщо б вона являла собою порожній простір. Однак були α-частинки, які змінювали свій шлях і навіть відскакували тому.
Марсден і Гейгер, учні та співробітники Резерфорда, нарахували більше мільйона сцинтилляций і визначили, що приблизно одна з 2 тисяч α-частинок відхилялася на кути, великі 90 °, а одна з 8 тисяч - на 180 °. Пояснити цей результат на основі інших моделей атома, зокрема Томсона, було не можна.
Розрахунки показують, що при розподілі по всьому атому позитивний заряд (навіть без урахування електронів) не може створити досить інтенсивний електричне поле, здатне відкинути α-частини-цу тому. Напруженість електричного поля рівномірно зарядженого кулі максимальна на поверхні кулі і убуває до нуля в міру наближення до центру. Розсіювання α-частинок на великі кути відбувається так, як якщо б весь позитивний заряд атома був зосереджений в його ядрі - області, що займає дуже малий обсяг у порівнянні з усім обсягом атома.
Вірогідність потрапляння α-частинок в ядро і їх відхилення на великі кути дуже мала, тому для більшості α-частинок фольги як би не існувало.
Резерфорд теоретично розглянув задачу про розсіяння α-частинок в кулоновском електричному полі ядра і отримав формулу, що дозволяє по щільності потоку α-частинок, що налітають на ядро, і обмірюваному числу частинок, розсіяних під деяким кутом, визначити число N елементарних позитивних зарядів + е, що містяться в ядрі атомів даної розсіює фольги. Досліди показали, що число N дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі Д. І. Менделєєва, тобто N = Z (для золота Z = 79).
Таким чином, гіпотеза Резерфорда про зосередження позитивного заряду в ядрі атома дозволила встановити фізичний зміст порядкового номера елемента в періодичній системі елементів. У нейтральному атомі повинне міститися також Z електронів. Істотно, що число електронів в атомі, певне різними методами, збіглося з числом елементарних позитивних зарядів у ядрі. Це послужило перевіркою справедливості ядерної моделі атома.
Б. Ядерна модель атома Резерфорда
Узагальнюючи результати дослідів з розсіювання α-частинок золотою фольгою, Резерфорд встановив:
♦ атоми за своєю природою в значній мірі прозорі для α-частинок;
♦ відхилення α-частинок на великі кути можливі тільки в тому випадку, якщо всередині атома є дуже сильне електричне поле, що створюється позитивним зарядом, пов'язаних з великою і сконцентрованої в дуже малому обсязі масою.
Для пояснення цих дослідів Резерфорд запропонував ядерну модель атома: в ядрі атома (області з лінійними розмірами 10 -15 -10 -
Ядерна модель атома Резерфорда нагадує сонячну систему: у центрі системи знаходиться «сонце» - ядро, а навколо нього по орбітах рухаються «планети» - електрони, тому цю модель називають планетарною. Електрони не падають на ядро тому, що електричні сили притягання між ядром і електронами врівноважуються відцентровими силами, зумовленими обертанням електронів навколо ядра.
У
Планетарна модель добре узгоджується з дослідами по розсіюванню α-частинок, але вона не може пояснити стійкість атома. Розглянемо, наприклад, модель атома водню, що містить ядро-протон і один електрон, який рухається зі швидкістю v навколо ядра по круговій орбіті радіуса r. Електрон повинен по спіралі падати на ядро, і частота його обертання навколо ядра (отже, і частота випромінюваних їм електромагнітних хвиль) повинна безперервно змінюватися, тобто атом нестійкий, і його електромагнітне випромінювання повинно мати безперервний спектр.
Насправді виявляється, що:
а) атом стійкий;
б) атом випромінює енергію лише за певних умов;
в) випромінювання атома має лінійчатий спектр, який визначається його будовою.
Таким чином, застосування класичної електродинаміки до планетарної моделі атома призвело до повного протиріччя з експериментальними фактами. Подолання труднощів, що виникли зажадало створення якісно нової - квантової - теорії атома. Однак, незважаючи на свою неспроможність, планетарна модель і зараз прийнята в якості наближеною і спрощеної картини атома.
6. Теорія Бора для атома водню. Постулати Бора
Датський фізик Нільс Бор (1885-1962) в
В основу своєї теорії Бор поклав три постулати, з приводу яких американський фізик Л. Купер зауважив: «Звичайно, було дещо самовпевнено висувати пропозиції, що суперечать електродинаміки Максвелла і механіки Ньютона, але Бор був молодий».
Перший постулат (постулат стаціонарних станів): в атомі електрони можуть рухатися тільки по певних, так званим дозволеним, або стаціонарним, кругових орбіт, на яких вони, незважаючи на наявність у них прискорення, не випромінюють електромагнітних хвиль (тому ці орбіти названі стаціонарними). Електрон на кожній стаціонарній орбіті володіє певною енергією E n.
Другий постулат (правило частот): атом випромінює або поглинає квант електромагнітної енергії при переході електрона з однієї стаціонарної орбіти на іншу:
hv = E 1 - E 2,
де E 1 і E 2 - енергія електрона відповідно до і після переходу.
При E 1> E 2 відбувається випромінювання кванта (перехід атома із одного стану з більшою енергією в стан з меншою енергією, тобто перехід електрона з будь-якою дальньої на будь-яку ближню від ядра орбіту); при E 1 <E 2 - поглинання кванта (перехід атома в стан з більшою енергією, тобто перехід електрона на більш віддалену від ядра орбіту).
Будучи впевненим, що постійна Планка повинна відігравати основну роль в теорії атома, Бор ввів третій постулат (правило квантування): на стаціонарних орбітах момент імпульсу електрона L n = m e υ n r n кратний величині = h / (2π), тобто
m e υ n r n = nh, n = 1, 2, 3, ...,
де = 1,05 · 10 -34 Дж · с - постійна Планка (величина h / (2π)) є настільки часто, що для неї введено спеціальне позначення («аш» з рискою; в даній роботі «аш» - пряме); m е = 9,1 · 10 -
7. Атом водню в квантовій механіці
Рівнянням руху мікрочастинки в різних силових полях є хвильове рівняння Шредінгера.
Для стаціонарних станів рівняння Шредінгера буде таким:
де Δ - оператор Лапласа
m - маса частинки, h - постійна Планка, E - повна енергія, U - потенційна енергія.
Рівняння Шредінгера є диференціальним рівнянням другого порядку і має рішення, яке вказує на те, що в атомі водню повна енергія повинна мати дискретний характер: E 1, E 2, E 3 ...
Ця енергія знаходиться на відповідних рівнях n = 1,2,3, ... за формулою:
Самий нижній рівень E відповідає мінімальній потенційної енергії. Цей рівень називають основним, всі інші - збудженими.
У міру росту головного квантового числа n енергетичні рівні розташовуються тісніше, повна енергія зменшується, і при n = ∞ вона дорівнює нулю. При E> 0 електрон стає вільним, непов'язаним з конкретним ядром, а атом - іонізованим.
Повний опис стану електрона в атомі, крім енергії, пов'язане з чотирма характеристиками, які називаються квантовими числами. До них відносяться: головне квантове число п, орбітальне квантове число l, магнітне квантове число m 1, магнітне спінове квантове число m s.
Хвильова φ-функція, що описує рух електрона в атомі, являє собою не одновимірну, а просторову хвилю, відповідну трьома ступенями свободи електрона в просторі, тобто хвильова функція в просторі характеризується трьома системами. Кожна з них має свої квантові числа: п, l, m l.
Кожній мікрочастинок, в тому числі і електрону, також властиво власне внутрішнє складний рух. Цей рух може характеризуватися четвертим квантовим числом m s. Поговоримо про це докладніше.
A. Головне квантове число п, згідно з формулою, визначає енергетичні рівні електрона в атомі і може приймати значення п = 1, 2, 3 ...
Б. Орбітальне квантове число /. З рішення рівняння Шредінгера випливає, що момент імпульсу електрона (його механічний орбітальний момент) квантуется, тобто приймає дискретні значення, що визначаються формулою
де L l - момент імпульсу електрона на орбіті, l - орбітальне квантове число, яке при заданому п приймає значення i = 0, 1, 2 ... (n - 1) і визначає момент імпульсу електрона в атомі.
B. Магнітне квантове число m l. З рішення рівняння Шредінгера випливає також, що вектор L l (момент імпульсу електрона) орієнтується в просторі під впливом зовнішнього магнітного поля. При цьому вектор розгорнеться так, що його проекція на напрямок зовнішнього магнітного поля буде
L l z = hm l
де m l називається магнітним квантовим числом, яке може приймати значення m l = 0, ± 1, ± 2, ± 1, тобто всього (2l + 1) значень.
Враховуючи сказане, можна зробити висновок про те, що атом водню може мати одне і те ж значення енергії, перебуваючи в декількох різних станах (n - одне і те ж, а l і m l - різні).
При русі електрона в атомі електрон помітно виявляє хвильові властивості. Тому квантова електроніка взагалі відмовляється від класичних уявлень про електронні орбітах. Мова йде про визначення ймовірного місця знаходження електрона на орбіті, тобто місцезнаходження електрона може бути представлено умовним «хмарою». Електрон при своєму русі як би «розмазаний» по всьому об'єму цього «хмари». Квантові числа n і l характеризують розмір і форму електронного «хмари», а квантове число m l - орієнтацію цього «хмари» у просторі.
У
Досліди Штерна, Герлаха та інших фізиків призвели до необхідності характеризувати електрон (і мікрочастинки взагалі) додаткової внутрішньої ступенем свободи. Звідси для повного опису стану електрона в атомі необхідно задавати чотири квантових числа: головне - п, орбітальне - l, магнітне - m l, магнітне спінове число - m s.
У квантовій фізиці встановлено, що так звана симетрія або асиметрія хвильових функцій визначається спіном частинки. Залежно від характеру симетрії частинок всі елементарні частинки і побудовані з них атоми і молекули діляться на два класи. Частинки з напівцілим спіном (наприклад, електрони, протони, нейтрони) описуються асиметричними хвильовими функціями і підкоряються статистиці Фермі-Дірака. Ці частинки називаються ферміонами. Частинки з цілочисловим спіном, в тому числі і з нульовим, такі як фотон (Ls = 1) або л-мезон (Ls = 0), описуються симетричними хвильовими функціями і підкоряються статистиці Бозе-Ейнштейна. Ці частинки називаються бозонами. Складні частки (наприклад, атомні ядра), складені з непарного числа ферміонів, також є ферміонами (сумарний спін - напівцілий), а складені з парного - бозонами (сумарний спін - цілочисельний).
8. Багатоелектронних атомів. Принцип Паулі
У багатоелектронних атомів, заряд якого дорівнює Ze, електрони будуть займати різні «орбіти» (оболонки). При русі навколо ядра Z-електрони розташовуються відповідно до квантово-механічним законом, який називається принципом Паулі (
► 1. У будь-якому атомі не може бути двох однакових електронів, обумовлених набором чотирьох квантових чисел: головного n, орбітального /, магнітного m і магнітного спінового m s.
► 2. У станах з певним значенням можуть перебувати в атомі не більше 2n 2 електронів.
Значить, на першій оболонці («орбіті») можуть бути лише 2 електрони, на другий - 8, на третій - 18 і т. д.
Таким чином, сукупність електронів в багатоелектронних атомів, що мають одне і те ж головне квантове число n, називають електронною оболонкою. У кожній з оболонок електрони розташовуються по подоболочкам, які відповідають певному значенню /. Так як орбітальне квантове число l приймає значення від 0 до (п - 1), число подоболочек одно порядковому номеру оболонки п. Кількість електронів у подоболочке визначається магнітним квантовим числом m l і магнітним спінові числом m s.
Принцип Паулі зіграв видатну роль в розвитку сучасної фізики. Так, наприклад, вдалося теоретично обгрунтувати періодичну систему елементів Менделєєва. Без принципу Паулі неможливо було б створити квантові статистики та сучасну теорію твердих тіл.
9. Квантово-механічний обгрунтування Періодичного закону Д.І. Менделєєва
У
Принцип Паулі дає пояснення Періодичної системи Д. І. Менделєєва. Почнемо з атома водню, що має один електрон і один протон. Кожен наступний атом будемо отримувати, збільшуючи заряд ядра атома попереднього на одиницю (один протон) і додаючи один електрон, який ми будемо розміщувати в доступне йому, згідно з принципом Паулі, стан.
У атома водню Z = 1 на оболонці 1 електрон. Цей електрон знаходиться на першій оболонці (K-оболонка) і має стан 1S, тобто в нього n = 1, а l = 0 (S-стан), m = 0, m s = ± l / 2 (орієнтація його спина довільна ).
У атома гелію (Не) Z = 2, на оболонці 2 електрони, обидва вони розташовуються на першій оболонці і мають стан 1S, але з антипараллельной орієнтацією спінів. На атомі гелію закінчується заповнення першої оболонки (K-оболонки), що відповідає завершенню I періоду Періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. За принципом Паулі, на першій оболонці більше 2 електронів розмістити не можна.
У атома літію (Li) Z = 3, на оболонках 3 електрона :2-на першій оболонці (К-оболонці) и1-на другий (L-оболонці). На першій оболонці електрони в стані 1S, а на другий - 2S. Літієм починається II періодтабліци.
У атома берилію (Be) Z = 4, на оболонках 4 електрони: 2 на першій оболонці в стані IS і 2 на другий у стані 2S.
У наступних шести елементів - від В (Z = 5) до Ne (Z = 10) - йде заповнення другий оболонки, при цьому електрони перебувають як у стані 2S, так і в стані 2р (у другої оболонки утворюється 2 під-оболонки).
У атома натрію (Na) Z = 11. У нього перша і друга оболонки, згідно з принципом Паулі, повністю заповнені (2 електрона на першій і 8 електронів на другий оболонках). Тому одинадцятий електрон розташовується на третьому оболонці (М-оболонці), займаючи найнижчі стан 3 S. натрієм відкривається III період Періодичної системи Д. І. Менделєєва. Міркуючи таким чином, можна побудувати всю таблицю.
Таким чином, періодичність у хімічних властивостях елементів пояснюється повторюваністю у структурі зовнішніх оболонок у атомів споріднених елементів. Так, інертні гази мають однакові зовнішні оболонки з 8 електронів.
10. Основні поняття ядерної фізики
Ядра всіх атомів можна розділити на два великі класи: стабільні і радіоактивні. Останні мимовільно розпадаються, перетворюючись у ядра інших елементів. Ядерні перетворення можуть відбуватися і зі стабільними ядрами при їх взаємодії один з одним і з різними мікрочастинками.
Будь-яке ядро заряджено позитивно, і величина заряду визначається кількістю протонів у ядрі Z (число заряду). Кількість протонів і нейтронів в ядрі визначає масове число ядра A. Символічно ядро записується так:
де X - символ хімічного елемента. Ядра з однаковими зарядовим числом Z і різними масовими числами A називаються ізотопами. Наприклад, уран в природі зустрічається в основному у вигляді двох ізотопів
Ізотопи мають однакові хімічними властивостями і різними фізичними. Наприклад, ізотоп урану 2 5 березня 1992 U добре взаємодіють з нейтроном 1 0 n будь-яких енергій і може розділитися на два більш легких ядра. У той же час ізотоп урану-238 92 U ділиться лише при взаємодії з нейтронами високих енергій, більше 1 мегаелектроновольта (МеВ) (1 МеВ = 1,6 · 10 -13 Дж). Ядра з однаковими A і різними Z називаються изобарами.
У той час як заряд ядра дорівнює сумі зарядів входять до нього протонів, маса ядра не дорівнює сумі мас окремих вільних протонів і нейтронів (нуклонів), вона трохи менше її. Це пояснюється тим, що для зв'язку нуклонів в ядрі (для організації сильної взаємодії) потрібна енергія зв'язку E. Кожен нуклон (і протон і нейтрон), потрапляючи в ядро, образно кажучи, виділяє частину своєї маси для формування внутрішньоядерної сильної взаємодії, яка «склеює »нуклони в ядрі. При цьому, відповідно до теорії відносності (див. розділ 3), між енергією E і масою m існує співвідношення E = mc 2, де с - швидкість світла у вакуумі. Так що формування енергії зв'язку нуклонів в ядрі E св призводить до зменшення маси ядра на так званий дефект маси Δm = E св · c 2. Ці уявлення підтверджені численними експериментами. Побудувавши залежність енергії зв'язку на один нуклон E св / A = ε від числа нуклонів у ядрі A, ми відразу побачимо нелінійний характер цієї залежності. Питома енергія зв'язку ε із зростанням A спочатку круто зростає (у легких ядер), потім характеристика наближається до горизонтальної (у середніх ядер), а далі повільно знижується (у важких ядер). У урану ε ≈ 7,5 МеВ, а в середніх ядер ε ≈ 8,5 МеВ. Середні ядра найбільш стійкі, у них велика енергія зв'язку. Звідси відкривається можливість отримання енергії при розподілі важкого ядра на два більш легких (середніх). Така ядерна реакція поділу може здійснитися при бомбардуванні ядра урану вільним нейтроном. Наприклад, 2 3 травня 1992 U ділиться на два нових ядра: рубідій 37 -94 Rb і цезій 140 55 Cs (один з варіантів розподілу урану). Реакція поділу важкого ядра чудова тим, що крім нових більш легких ядер з'являються два нові вільні нейтрони, які називають вторинними. При цьому на кожен акт розподілу припадає 200 МеВ енергії, що виділяється. Вона виділяється у вигляді кінетичної енергії всіх продуктів поділу і далі може бути використана, наприклад, для нагрівання води або іншого теплоносія. Вторинні нейтрони в свою чергу можуть викликати розподіл інших ядер урану. Утворюється ланцюгова реакція, в результаті якої в розмножуючих середовищі може виділитися величезна енергія. Цей спосіб отримання енергії широко використовується в ядерних боєприпасах і керованих ядерних енергетичних установках на електростанціях і на транспортних об'єктах з атомною енергетикою.
Крім зазначеного способу отримання атомної (ядерної) енергії є й інший - злиття двох легких ядер у більш важке ядро. Процес об'єднання легких ядер може відбуватися лише при зближенні вихідних ядер на відстань, де вже діють ядерні сили (сильна взаємодія), тобто ~ 10 - 15 м. Цього можна досягти при надвисоких температурах порядку 1 000 000C. Такі процеси називають термоядерними реакціями.
Термоядерні реакції в природі йдуть на зірках і, звичайно, на Сонце. В умовах Землі вони відбуваються при вибухах водневих бомб (термоядерна зброя), запалом для яких служить звичайна атомна бомба, що створює умови для формування надвисоких температур. Керований термоядерний синтез поки має тільки науково-дослідну спрямованість. Промислових установок немає, однак роботи в цьому напрямі ведуться в усіх розвинутих країнах, в тому числі і в Росії.
11. Радіоактивність
Радіоактивністю називається мимовільна перетворення одних ядер в інші.
Спонтанний розпад ізотопів ядер в умовах природного середовища називають природною, а в умовах лабораторій в результаті діяльності людини - штучної радіоактивністю.
Природну радіоактивність відкрив французький фізик Анрі Беккерель в 1896р. Це відкриття викликало революцію в природознавстві взагалі й у фізиці зокрема. Класична фізика XIX ст. з її переконаністю в неподільності атома пішла в минуле, поступившись місцем новим теоріям.
Відкриття і дослідження явища радіоактивності пов'язане також з іменами Марії та П'єра Кюрі. Цим дослідникам у
Штучна радіоактивність відкрита і досліджена подружжям Ірен і Фредеріком Жоліо-Кюрі, які в 1935р. також отримали Нобелівську премію.
Необхідно відзначити, що принципової різниці між цими двома типами радіоактивності немає.
Для кожного радіоактивного елемента встановлені кількісні оцінки. Так, ймовірність розпаду одного атома в одну секунду характеризується постійною розпаду даного елемента л, а час, за який розпадається половина радіоактивної зразка, називається періодом напіврозпаду Г 05.
З часом число нераспавшіхся ядер N зменшується за експоненціальним законом:
N = N 0 e-λt,
де N 0 - число нераспавшіхся ядер в момент часу t = t 0 (тобто початкове число атомів), N - поточне значення числа нераспавшіхся ядер.
Цей закон називається елементарним законом радіоактивного розпаду. З нього можна отримати формулу для періоду напіврозпаду:
Число радіоактивних розпадів у зразку за одну секунду називають активністю радіоактивного препарату. Найчастіше активність позначають буквою A тоді за визначенням:
де знак «-» означає спадання N в часі.
Одиниця активності в системі СІ - Беккерель (Бк): 1 Бк = 1распад/1с. Найчастіше на практиці використовується позасистемна одиниця - Кюрі (Кі), 1 Кі = 3,7 · 10 жовтня Бк.
Можна показати, що активність зменшується в часі також за експоненціальним законом:
A = A 0 e-λt.
Список літератури:
· Азімов А. Коротка історія біології. Від алхімії до генетики: Пер. з англ. Л. А. Ігоревській. - М.: ЗАТ «Видавництво Центрполіграф», 2002
· Біологія: Енциклопедія / За ред. М. С. Гілярова. - М.: Велика Російська енциклопедія, 2003.
· Горелов А. А. Концепції сучасного природознавства. - М., 2003.
· Капко В. Б. Концепція сучасного природознавства. - М.: Логос, 2002.