Физическая викторина. Физика атома. Способы изучения быстрых частиц. Ядерные реакции
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран.
1*. Привести несколько интересных примеров, характеризующих число и размеры атомов и молекул.
2*. На рисунке изображена схема опытов по исследованию радиоактивных излучений в электрическом и магнитном полях.
Определить направление отклонения α- и β-лучей.
3*. Швейцарский физик Грайнахер построил прибор, который он считал радиевым вечным двигателем (рис.).
Прибор состоял из герметически запаянной стеклянной колбы 1, в которой укреплялась стеклянная трубка 2, содержащая радиевую соль 3. Внизу трубки подвешивались два золотых листочка 4. К внутренней поверхности колбы прикреплялась металлическая обкладка 5, соединенная с землей. Двигатель непрерывно действовал следующим образом. Два золотых листочка постепенно раздвигались. Соприкоснувшись с металлической обкладкой на стенках колбы, они вдруг опадали. Затем снова раздвигались и так далее. Объяснить принцип действия прибора. Является ли он вечным двигателем?
4*. На рисунке изображен фотографический снимок следа позитрона, движущегося в магнитном поле в камере Вильсона и прошедшего слой свинца толщиной б мм.
1. В каком направлении двигалась частица: сверху вниз или наоборот?
2. Каково направление магнитного поля?
5*. На рисунке представлен фотографический снимок следов двух элементарных частиц в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле. Какое заключение можно сделать о знаке зарядов этих частиц, если они движутся от точки А, причем магнитное поле направлено перпендикулярно к плоскости чертежа (к читателю)?
6*. Масса сложного атомного ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, из которых оно образовалось. Можно ли на этом основании утверждать, что при образовании атомного ядра нарушается закон сохранения массы?
7*. На рисунке приведен фотографический снимок, сделанный при помощи камеры Вильсона в момент расщепления ядра азота нейтроном с вылетом α-частицы.
1. Написать уравнение ядерной реакции.
2. Ядро какого атома образует тонкий и какого — широкий следы, видимые на фотографии?
3. Почему на фотографии не виден след нейтрона?
8*. В некоторых типах атомных реакторов в качестве теплоносителя используется жидкий натрий. На рисунке изображен электромагнитный насос для перекачивания натрия. В нем канал с жидким металлом помещен между полюсами А и Б магнита. Поперек направлений магнитного поля и канала через жидкий металл пропускают постоянный ток I, в результате чего металл течет в направлении, указанном стрелкой. Определить направление магнитного поля магнита.
9*. Электрон, начальная скорость которого направлена параллельно пластинам плоского конденсатора, влетает в середину между ними, а вылетает у края пластины (рис.). Разность потенциалов между пластинами равна U. Заряд электрона q. Найти изменение энергии электрона.
10*. Заряженная частица движется по инерции вдоль медной сужающейся трубки. Изменится ли ее скорость, когда она влетит в суженную часть трубки (рис.).
11*. Описать движение протона в циклотроне, если в начале своего движения он находится между дуантами (рис.) в точке p, причем верхний дуант заряжен положительно, а нижний — отрицательно. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости чертежа (от читателя).
12*. Через отверстие в одной из пластин плоского конденсатора влетает электрон. Двигаясь ускоренно между обкладками конденсатора, электрон вылетает через отверстие в другой Пластине (рис.).
Затем, магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны плоскости движения электрона, искривляет его траекторию и возвращает электрон снова к отверстию в первой пластине. Может ли такое устройство работать в качестве ускорителя?
13*. Что вы знаете о лазере, схема которого изображена на рисунке?
Ответы
1.
1. В Черном море содержится приблизительно 2•1022 капель воды. Столько же молекул содержится в одной капле воды.
2. В булавочной головке содержится более 1019 атомов железа. Если эти атомы распределить на пути от Земли до Солнца (150 млн. км), то на каждом миллиметре этого пути окажется по полмиллиона атомов.
3. Если бы размеры всех предметов увеличились в 1010 раз, то булавочная головка сравнялась бы по величине с Землей, а атом превратился бы в шар с диаметром 1 м. Поперечник атомного ядра, расположенного в центре атома, стал бы равен 0,1 мм, т. е. был бы меньше, чем у точки, стоящей в конце этой фразы.
4. Сверхтяжелые тела, состоящие из «спрессованных» атомов, открыли астрономы в космическом пространстве. Так, например, небольшая звезда «РОСС-267» имеет среднюю плотность 10m⁄см3 (рис.).
2.
1. α-лучи, заряженные положительно, отклонятся влево, к отрицательно заряженной пластине конденсатора; β-лучи, имеющие отрицательный заряд, отклонятся вправо, к положительно заряженной пластине.
2. По правилу левой руки можно установить, что α-лучи отклоняются в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа (от читателя), β-лучи — к читателю.
3. Радиоактивная соль, кроме α- и γ-лучей, испускает β-лучи, т. е. отрицательно заряженные электроны, которые легко проникают сквозь стенки трубки. Вследствие потери отрицательных зарядов радиоактивная соль и соединенные с ней золотые листочки заряжаются положительно. Под действием одноименных зарядов золотые листочки отталкиваются и, коснувшись металлической обкладки, отдают заряд земле и опадают. Двигатель не вечный, он работает за счет преобразования ядерной энергии в механическую энергию. Когда все атомы радия распадутся, двигатель остановится.
4.
1. Позитрон двигался снизу вверх. Это видно из того, что радиус кривизны траектории стал меньше наверху, так как после прохождения слоя свинца энергия позитрона уменьшилась, а потому магнитное поле больше искривило траекторию позитрона.
2. По правилу левой руки можно установить, что магнитное поле направлено от читателя к плоскости рисунка.
5. Частицы заряжены разноименно, так как магнитное поле искривляет их траектории в разные стороны. По правилу левой руки можно установить, что левая частица заряжена отрицательно, а правая — положительно.
6. Нет. Когда при ядерных реакциях уменьшается масса без выброса из ядра элементарных частиц, то одновременно ядро излучает фотон. Масса ядра уменьшается в точности на массу фотона.
7.
1. 147N+10n→115B+42He.
2. Более массивные заряженные частицы производят более интенсивную ионизацию, и их пробег меньше, чем у легких ядер. Поэтому тонкий след образует «-частица, а жирный — ядро бора.
3. Нейтрон электрически нейтрален, он мало ионизирует азот, поэтому на его пути почти отсутствуют центры конденсации, а значит, не виден и его след.
8. По правилу левой руки устанавливаем, что магнитное поле направлено сверху вниз.
9. Электрическое поле конденсатора однородно, поэтому разность потенциалов на пути, пройденном электроном между пластинками, изменяется на U/2. Следовательно, энергия электрона увеличивается на Uq/2.
10. При движении заряженной частицы в стенках трубки по индукции будут наводиться электрические заряды. Силы взаимодействия этих зарядов и частицы при ее входе в суженную часть трубки дадут равнодействующую, ускоряющую движение частицы.
11. Отталкиваясь от верхнего и притягиваясь к нижнему дуанту, протон начнет двигаться вниз. Сила, с которой магнитное поле действует на протон, будет искривлять его движение. По правилу левой руки можно определить, что протон будет двигаться против часовой стрелки, описывая кривую.
12. Электростатическое поле конденсатора является потенциальным. Его полная работа над электроном при прохождении последним замкнутого пути равна нулю.
Что касается силы, с которой магнитное поле действует на движущийся электрон, то она, как известно, во всех случаях направлена перпендикулярно вектору скорости движения заряда и работы не совершает.
Поэтому кинетическая энергия электрона за каждый оборот увеличиваться не будет. Рассмотренное устройство не может служить ускорителем.
13. Основой лазера служит кристалл синтетического рубина (Al2O3 с примесью 0,05% хрома) диаметром 6—7 мм и длиной 4—5 см. Торцы кристалла покрыты тонкими зеркальными слоями серебра, один из которых полупрозрачен. Для охлаждения кристалла его заключают в кварцевую трубку, через которую циркулирует жидкий азот. Кристалл окружен спиральной импульсной газоразрядной лампой, дающей мощное излучение с преобладанием зеленого света. При вспышке лампы атомы хрома поглощают кванты зеленого света и возбуждаются, переходя с низшего, первого энергетического уровня на высший, второй, а затем на промежуточный, третий уровень (рис. 299). Время пребывания их на третьем уровне в 1000 раз больше, чем на втором, в результате чего в кристалле накапливаются возбужденные атомы.
Под действием кванта красного света (некоторое число таких квантов кристалл испускает самопроизвольно) атом хрома переходит с третьего на первый энергетический уровень, излучая квант, совпадающий по фазе и направлению с квантом, его породившим. Оба эти кванта вынуждают появление еще двух и так далее: число квантов лавинообразно нарастает. Часть световой волны, параллельная оси кристалла, многократно отражаясь от его зеркальных торцов, непрерывно увеличивает свою амплитуду благодаря новым и новым присоединяющимся фотонам и, наконец, пробивает полупрозрачный серебряный слой и вырывается из лазера тонким и мощным световым пучком.
Свет лазера отличается от обычного света высокой монохроматичностью и параллельностью лучей. Поэтому сфокусированный луч лазера может быть виден простым глазом на громадном расстоянии, до 9 триллионов километров.
В зоне действия такого луча тела нагреваются до 7000—8000° С.
Это позволяет создавать лазерные установки для различных технологических процессов. Сфокусированным лучом лазера производят микросварку мельчайших, даже невидимых невооруженным глазом деталей при изготовлении полупроводниковых приборов и монтаже сложных и тонких радиосхем, а также сваривают разнородные материалы (алюминий — никель, золото — кремний и др.). Мощным лучом лазера режут твердые тугоплавкие материалы, прошивают в них тончайшие, а также фигурные отверстия. На основе лазеров устраивают разнообразные светолокационные установки (например, для локации Луны). Медицинский лазерный прибор — офтальмокоагулятор позволяет с помощью коротких (1 мс) сфокусированных импульсов лазерного луча производить сложнейшие операции — «приваривать» отслоившуюся сетчатку глаза. Теоретические основы квантовых генераторов разработаны советскими учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым, а также американским ученым Ч. Таунсом, которые за эти работы получили Нобелевскую премию в 1964 г.