Гр - это доза, при поглощении которой 1 кг вещества получает 1 Дж энергии

1 Гр = 1 Дж/кг.

1 Зв (зйверт) – единица эквивалентной дозы излучения. Он равен дозе облучения в в грей для гамма-лучей и бета-лучей. Для альфа-лучей коэффициент пропорциональности между дозой облучения в Гр и дозой облучения в Зв равен 10-20, а для нейтронов 5-10.

Внесистемные единицы. 1 рад - это доза, при которой облучаемому веществу массой 1 кг передается энергия 0,01 Дж. Он равен дозе облучения в рентгенах для гамма-лучей и бета-лучей. Для альфа-лучей коэффициент пропорциональности между дозой облучения в рентгенах и дозой облучения в рад равен 10-20, а для нейтронов 5-10. 1 Зв = 100 Р.

Биологическое действие радиоактивных излучений. Разрыв химических связей под действием радиоактивных излучений и образование в орга­низме свободных радикалов, обладающих способностью вступать в реак­ции и свойством регенерации (цепная реакция). Лечение - "связывание" или выведение из организма свободных радикалов (минеральная вода "нафтуся" и т.д.).

"...полились жесткие рентгеновские лучи, не представимые человечес­кому уму вздрагивающие векторы электрического и магнитного полей, или более конкретные снаряды-кванты, разрывающие и решетящие все, что попадалось им на пути".

А. Солженицын

При облучении человека смертельной дозой γ-излучения (б Гр, 600 Р) в организме выделяется энергия Е = 70 кг·6 Гр = 420 Дж (чайная ложка горячей воды) и за счет этой энергии ионизируется 10¹⁵ молекул воды в 1 см³ (5 мг воды во всем организме - небольшая потеря). Образование свободных радикалов: Н₂О^- → ОН^- + Н; H₂ O⁺ → ОН + Н⁺.

При дозе 10000 Р человек погибает в течение часов или дней от поражения ЦНС.

При дозе 1000 - 5000 Р смерть наступает через 1-2 недели от крово­излияния в желудочно-кишечном тракте.

При дозе 300-500 Р - лучевая болезнь (поражение костного мозга). Доза 50-200 Р - помутнение хрусталика глаза. Доза 10 - временная стерильность, свыше 200 P - постоянная. Отдаленные последствия облучения: доза 100 Р приводит к 2 случаям лейкоза, 10 случаев рака щитовидной железы, 10 - рак молочной железы, 5 - рак легких на 1000 облученных. Генетические последствия облучения.

Естественный фон - 0,2 Р в год: естественные источники 72% (радон 54%, другие радиоактивные изотопы 30%, космическое излучение 16%), медицина 26%, радиоактивные осадки 1,3%, атомная энергетика 0,3%.

IV. Демонстрация кинофрагмента.

Задачи:

1. Вычислите, какая масса изотопа калия ⁴⁰К с периодом полураспада 1,25·10⁹ лет будет иметь такую же активность, как и опасная доза изотопа стронция ⁹⁰Sr (2000 расп/мин)? Какая масса природного калия создает такую активность, если содержание в нем радиоактивного изотопа К⁴⁰ составляет 0,012%? В какой массе хлорида калия содержится столько калия?

Вопросы:

1. Чем опасно радиоактивное излучение? Расскажите о мерах защиты от него.

V. §§ 102-104

1. Предложите проект утилизации отходов АЭС.

2. В чем суть экологических проблем, возникающих в связи с развитием ядерной энергетики?

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ. Нейтронно-активационный метод: В веществе, облучаемом нейтронами, протекают ядерные реакции (наиболее вероятная реакция - захват нейтрона ядром с испусканием γ – кванта). Образовавшийся изотоп радиоактивен. По количеству образовавшихся изотопов можно очень точно судить о первоначальной массе вещества. Так была установлена причина смерти Наполеона, возраст антиквариата /больше примесей/, получение сверх­чистых металлов.

"Трудности понятий увеличивается по мере приближе­ния их к начальным истинам в природе".

Н.И. Лобачевский

Урок 33. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ СВОЙСТВА.

ЦЕЛЬ УРОКА: Ввести понятие "элементарная частица". Систематизировать знания учащихся об элементарных частицах.

ТИП УРОКА: комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЙ: диапозитивы; "Электрон неисчерпаем".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Лекция 35 мин

3. ответы на вопросы 5 мин

4. Задание на дом 2-3 мин

ІІ. Физика элементарных частиц дает нам ключ к пониманию законов, которые управляют Вселенной.

Четыре элемента (Аристотель) → молекула → атом → сложное строение атома → электрон → уровни энергии атома → фотон → состав ядра атома → протоны и нейтроны → - мезоны (переносчики сильного взаимодействия) → бета-рас­пад n→ p + е^- + (около 5% энергии Солнца и звезд уносят нейтрино).

Три типа нейтрино: ν_μ + n → p + μ^-, ν_e + n → p + e^-, .

У нейтрино вектор спина направлен против вектора импульса, а у антинейтрино – в том же направлении.

Предсказание существования "положительных" электронов (Дирак) и их обнаружение в космических лучах (Андерсон). Взаимодействие γ - квантов с веществом и рождение электронно-позитронных пар. Аннигиляция пар: е⁺ + е^- → 2γ. Античастицы и их свойства.

Другие элементарные частицы (справочник по физике, ст. 218, Табл.273). В настоящее время известно около 350 частиц, хотя для объяснения строения вещества достаточно 5 частиц (протон, электрон, нейтрон, фотон, антинейтрино, пионы). Какова роль остальных частиц?

Элементарной можно назвать такую частицу, которая не имеет внутрен­ней структуры и не может быть разделена на более мелкие частицы. Попытки расщепить протон: γ + р → р + π⁰, γ + р → р + π⁺ + π^-, γ + p → p + p + .

"Мы тогда уверены в познании всякой вещи, когда узнаем ее первые причины, первые начала и разложим ее вплоть до элементов".

Аристотель

Этот пример показывает, что благодаря взаимо­превращениям частиц оказываются бесплодными попытки разделить одни частицы, обстреливая их другими. Новые частицы рождаются за счет энергии взаимодействующих частиц.

Истинно элементарные частицы - фотон и лептоны (13 частиц). Размеры лептонов меньше 10^-16 см. Размеры тяжелых частиц (протон, нейтрон и т.д.) порядка 10^-13 см. Тяжелые частицы - адроны (мезоны и барионы). Адрон (от греческого "хадрос^и - массивный, сильный). Классификация адронов.

Наиболее важное свойство всех элементарных частиц - способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами. В этом отношении они полностью эквивалентны фотонам. Примеры: р + р → р + n + п⁺, р + р → р + + К⁺, р + р → р + + К⁰, р ₊ р → n + + К⁺ + п⁺, p + p → р + + K⁺ + K⁰, р + р → р + р + р + .

Взаимные превращения частиц и подчинение этих превращений законам сохранения импульса, момента импульса, энергии, электрического заря­да, барионов (всем нуклонам и гиперонам приписывается барионное чис­ло + 1, а их античастицам – 1), лептонов (всем лептонам приписывает­ся лептонное число +1, а их античастицам – 1). Под зарядовой симметрией понимается сохранение суммарных зарядов, каждого по отдельности – электрического, барионного и лептонного, в процессах взаимодействия объектов между собой.

Получение антиводорода. Свойства водорода и антиводорода должны оказаться одинаковыми, поскольку эти элементы представляют собой взаимные зеркальные отражения.

Взаимодействие элементарных частиц.

Взаимодействие	Относительная интенсивность	Радиус действия	Переносчики	Источники
Сильное		10-13 см	-мезоны, глюоны	Адроны (кварки)
Электромагнитное	10-2		Фотоны	Заряд
Слабое	10-14	2·10-16 см	Промежуточные векторные бозоны, W±,Z0	Лептоны, кварки
Гравитационное	10-44		Гравитоны	Масса

Переносчики ядерного взаимодействия имеют массу около 140 МэВ/с², переносчики слабого порядка 100 ГэВ/с² (обнаружены в 1983 году во время опытов на ускорителе в Женеве).

Сильное взаимодействие приводит к наиболее прочной связи протонов и нейтронов в атомных ядрах.

Электромагнитное взаимодействие ответственно за связь атомных электронов с ядрами и осуществляется посредством электромагнитного поля.

Слабое взаимодействие проявляется в сравнительно медленно протекающих процессах распада элементарных частиц, например, в процессе распада нейтрона на протон. Электрон и электронное антинейтрино.

Все частицы участвуют в гравитационном взаимодействии, которое на расстоянии менее 10^-13 см не играет практически никакой роли.

ІІІ. Задачи:

1. При аннигиляции медленно движущихся электрона и позитрона обра­зуются два γ -кванта. Под каким углом друг к другу они разлетаются? Какова частота возникающего излучения?

2. Остановившийся π - мезон распался на мюон и нейтри­но. Найти кинетическую энергию мюона и энергию мюонного нейтрино.

ІV. §§ 105-108

1. Вообразите мир без одного из фундаментальных взаимодействий. Чем еще интересен этот мир?

2. Может ли свободный электрон поглотить фотон? Может ли покоящийся свободный электрон поглотить фотон?

3. Заполните таблицу:

"Семь красок и двенадцать звуков, Творят бессмертные искусства.

И три десятка знаков – букв

Объемлют знания и чувства...

А сколько надо кирпичей

Для сотворения вещей?

английский художник Д. Филипп, 1887 г.

Урок 34. КВАРКОВАЯ МОДЕЛЬ АДРОНОВ

ЦЕЛЬ УРОКА: Развить представления учащихся об элементарных частицах.

ТИП УРОКА: комбинированный. ОБОРУДОВАНИЕ: диапозитивы "Электрон неисчерпаем", кододиапозитив.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Лекция 30 мин

4. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный: 1. Элементарные частицы. 2. Свойства элементарных частиц.

Задачи:

1. Летящая со скоростью 0,8 с нейтральная частица распадается на два фотона, которые затем движутся в противоположных направлениях. Каково отношение частот этих квантов?

2. Покоившаяся нейтральная частица распалась на протон с кинетичес­кой энергией 5,3 МэВ и π^- - мезон. Найти массу этой частицы. Как она называется?

3. При распаде нейтральной частицы образовались два фотона, движу­щихся под углами 30° и 60° к первоначальному направлению движения частицы. Какова ее скорость?

Вопросы:

1. Стабильность электрона – следствие закона сохранения электрического заряда. Так ли это?

2. Как изменился бы наш мир, если бы электрон был нестабильной частицей?

3. Приведите примеры превращения энергии в вещество и вещества в энергию.

4. Почему при аннигиляции свободного электрона и позитрона всегда возникают два фотона?

5. Если в вакууме близко друг от друга разместить две тончайших обкладки конденсатора, то даже без заряда они будут притягиваться друг к другу (эффект Казимира). Почему? Если два корабля при сильном волнении на море сближаются бортами, то между ними тоже возникает притяжение.

III. Адроны - сильно взаимодействующие частицы (от греческого "хадрос" - массивный, сильный). Состав ядра атома - протоны и нейтроны (нуклоны). Зондирование нуклонов пучком электронов 1969 г. (чем больше им­пульс налетающей частицы, тем меньше длина волны, тем больше дета­лей удастся различить). Эти опыты показали, что нуклоны состоят из трех точечных объектов.

Другие доказательства: а) У протона есть возбужденные состояния, как и у молекулы, атома, ядра (резонансы).

б) При взаимодействии протона с налетающим протоном рождаются мезоны, которые должны распространяться преимущественно вдоль направления движения протона, если он не имеет внутренней структуры (закон сох­ранения импульса), однако в поперечном направлении рождается много больше мезонов (протон состоит из движущихся частиц).

Новый уровень элементарности - кварки. Кварк - частица со спином и дробным электрическим зарядом, являющаяся составным элементом адронов (кварк – по-немецки "творог").

Таблица кварков:

 

Аромат	Название	Спин	Заряд	Масса в МэВ	Странность	Очарование
u	Верхний	/2	2\3 е	2,01 0,14
d	Нижний	-	-1\3 е	4,79 0,16
s	Странный	-	-1\3 е		-1
c	Очарованный	-	2\3 е
b	Красивый	-	-1\3 е
t	Истинный	-	2\3 е

Мезоны состоят из пары кварк - антикварк (спин целый). Примеры-демонстрации на магнитной доске: π⁺ = , π^- = d , К⁺ = u , К⁰ = d , К^- = s (всего девять мезонов со спином равным нулю). Что касается π°, то он представляет собой линейную комбинацию состояний и (часть времени он проводит в одном состоянии, а часть в другом состоянии, при этом его можно застать с равной вероятностью в каждом из этих состояний).

Спин мезонов равен нулю?! Почему? А существуют ли мезоны со спином ? Да! Существует и более тяжелая "девятка" мезонов со спином . Настоящим триумфом кварковой модели явилось открытие очарованных частиц, содержащих с-кварки. Пример: Д⁺ = с (1869 МэВ).

Барионы состоят из трех кварков (демонстрации на магнитной доске). Спин барионов полуцелый. Примеры: p = uud, n = ddu. При распаде нейтрона один d -кварк превращается в u-кварк: d → u + e^- + ; . Существует ли электрическое поле внутри нейтрона? Барионы, состоящие не только из u и d кварков, называются гиперонами.

Примеры: = uds.

Известны барионы с огромным спином 13/2 (возбужденные состояния), что соответствует большим значениям орбитального момента импульса системы кварков. Кварки, как и лептоны - фундаментальные фермионы.

Почему существует (sss)? Кварки и антикварки удерживаются внутри адронов глюонным

Теория взаимодействия глюонов с кварками называется квантовой хромодинамикой. Существует 8 разновидностей глюонов (б явно окрашенных и 2 скрыто окрашенных). Испуская и поглощая глюоны, кварки осуществляют сильное взаимодействие между собой. Например, красный кварк, испуская глюон, в силу сохранения цвета становится желтым, а, испуская - переходит в синий цвет.

Почему нельзя наблюдать кварки в свободном состоянии ("конфайнмент")? Силы взаимодействия между кварками ведут себя, как кусок резины, который сопротивляется растяжению тем сильнее, чем больше его растя­гивают, при этом энергия связи кварков оказывается больше энергии, необходимой для рождения пары кварк - антикварк. Выгоднее родить мезон, чем оторвать кварк уже на расстоянии радиуса протона (10^-13 см)! Адронные струи: γ + р → р + π⁰. Объяснение природы сильного взаимодействия на основе квантовой хромодинамики.

Выводы: Истинно элементарные частицы - лептоны и кварки. Из них построено все вещество. Взаимодействием этих частиц обусловлено много­образие мира.

Поколения частиц:

Поколение	Лептоны	Кварки
	e-	u
		d
		c
		s
	-	t
		b

Всего: лептоны - 12, кварки-12, глюоны-8, фотон-1, векторные бозоны-3 =36. Блестящее подтверждение кварковой модели - открытие чармония (cc) и других частиц. В кварки поверили даже те, кто относился к ним более чем скептически.

Вопросы:

1. Существуют ли способы отличить мир от антимира?
2. почему протоны и нейтроны не являются в истинном смысле элементарными частицами?
3. Что вы теперь знаете об элементарных частицах?
4. Почему протонов во Вселенной почти в 7 раз больше, чем нейтронов?
5. Почему не встречаются частицы, состоящие из четырех и более кварков?
6. Почему в обычных условиях нейтрон неустойчив. А протон – стабилен?
7. Имеют ли мезоны цветовой заряд?
8. Могут ли кварки распадаться?
9. Чему теперь равен элементарный электрический заряд?
10. Почему нейтрон, не обладая зарядом, имеет собственный магнитный момент?
11. Являются ли кварки фундаментальными частицами (до 10^-19 м)?
12. Что такое «частица Хиггса» и почему ее иногда называют «частицей Бога»?

IV. §§ 109 – 110

Дополнительная информация: Квантовое поле сегодня рассматривается как фундаментальный единый объект, заменяющий все поля и частицы классической физики. Физический вакуум - наинизшее энергетическое состояние квантового поля. Физический вакуум – активный участник процесса распространения частиц.

Поляризация вакуума вблизи атомного ядра приводит к сдвигу энергетических уровней электрона в атоме водорода (открыт У. Лэмбом в 1947 г). Взаимодействие заряженных частиц с вакуумом изменяет их магнит момент, вакуум "прижимает" тела друг к другу (эффект Казимира). Те элементарные частицы, из которых состоит вещество, имеют полуцелое значение спина (фермионы), а частицы, являющиеся квантами поля, имеют целый спин и называются бозонами.

Четность волновой функции, описывающей частицу, на примере отражения в зеркале слова «КОФЕ» и нечетность – «ЧАЙ». Комбинированная четность (СР) – волновая функция не меняет знак при зеркальном отражении (Р) и одновременной замене частиц античастицами (С).

Слабые взаимодействия способны вызывать переходы внутри троек кварков (uct) и (dsb). При распаде нейтральных В – мезонов СР – четность нарушается намного сильнее: Первый распад происходит на 10% чаще. В момент Большого Взрыва произошло спонтанное нарушение симметрии, поэтому Вселенная состоит из вещества. Примеры спонтанного нарушения симметрии: буриданов осел, маленький шарик лежит в выемке слабо накачанного большого шарика. Почему правшей больше чем левшей? Антиматерия превращается в материю быстрее, чем материя – в антиматерию!

"Распыленный мильоном мельчайших частиц.

В ледяном, безвоздушном, бездушном эфире,

Где ни солнца, ни звезд, ни деревьев, ни птиц,

Я вернусь – отраженьем – в потерянном мире".

Георгий Иванов

"Целью познания является найти такие формулы, такую простейшую систему законов, которая явля­лась как бы ключом ко всему многообразию при­роды: тогда наука создала бы для нас мир, пол­ный огромного эстетического достоинства".

А. В. Луначарский

Урок 35. ОБОБЩАЮЩИЙ УРОК ПО ТЕМЕ "АТОМНОЕ ЯДРО. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ".

ЦЕЛЬ УРОКА: Систематизировать и обобщить знания учащихся об атомном ядре, строении и свойствах вещества.

ТИП УРОКА: повторительный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Обобщающая таблица "Атомное ядро".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Фронтальное повторение 25 мин

3. Самостоятельная работа 15 мин

4. Задание на дом 2-3 мин

II. Заполнение обобщающей таблицы "Атомное ядро".