|
Реферат: История развития электрического освещения (Физика)
Реферат
з физики на тему:
«История развития электрического освещения»
2005 р.
История электрического освещения началась в 1870 году с изобретения лампы
накаливания, в которой свет вырабатывался в результате поступления
электрического тока. Самые первые осветительные приборы, работающие на
электрическом токе появились в начале XIX века, когда было открыто
электричество. Эти лампы достаточно неудобными, но, тем не менее, их
использовали при освещении улиц.
И, наконец, 12 декабря 1876 года русский инженер Павел Яблочков открыл так
называемую "электрическую свечу", в которой две угольные пластинки,
разделенные фарфоровой вставкой, служили проводником электричества,
накалявшего дугу, и служившую источником света. Лампа Яблочкова нашла
широчайшее применение при освещении улиц крупных городов.
Точку в разработке ламп накаливания поставил американский изобретатель
Томас Альва Эдиссон. В его лампах использовался тот же принцип, что и у
Яблочкова, однако все устройство находилось в вакуумной оболочке, которая
предотвращала быстрое окисление дуги, и поэтому лампа Эдиссона могла
использоваться достаточно продолжительное время.
Эдиссон начал работать над проблемой электрического освещения ещё в 1877
году. За полтора года он провел более 1200 экспериментов. 21 октября 1879
года он подключил к источнику питания лампу, которая горела два дня. В 1880
году Томас Эдиссон запатентовал свое изобретение. Первое коммерческое
использование ламп Эдиссона состоялось в 1880 году на корабле Columbia. АН
следующий год фабрика в Нью-Йорке была освещена лампами Эдиссона. Его
изобретение стало приносить большие деньги, сделав изобретателя весьма
богатым человеком. В то же время Павел Яблочков, не менее одаренный
изобретатель, давший человечеству много полезных новинок, умер в бедности в
Саратове 31 марта 1894 года.
Источники света всегда будут совершенствоваться во времени, пока
человечество живо.
В нижеследующей таблице представлено развитие источников света во времени.
Эти материалы были предоставлены известным специалистом в области
светотехники господином Боденхаузеном (Германия), за что мы ему очень
благодарны. История развития электрического освещени переживала времена
застоя и подъема. Самым долгим был путь от лучины к свече и затем к
масляной лампе. Значительный интерес представляет история развития ламп
накаливания, совершивших революцию в технике освещения. Несмотря на то что
многие изобретения не нашли практического применения, с точки зрения
развития технических идей они, несомненно, заслуживают внимания.
В 1873 году А.Н. Лодыгин устроил первое в мире наружное освещение лампами
накаливания Одесской улицы в Петербурге. В 1880 году он получил патент на
лампу накаливания с металлической нитью.
Совершенно естественно, что развитие и совершенствование источников света
определялось:
- повышением энергетической эффективности;
- увеличением срока службы; - улучшением цветовых характеристик излучения
(цветовой температуры, индекса цветопередачи и т.д.).
В следующей таблице приведены некоторые характеристики источников
излучения. Причем охвачена лишь небольшая группа (общее число типов
источников излучения превышает 2 000).
Разработка и производство люминесцентных ламп связано с именем С.И.
Вавилова, под руководством которого был разработан люминофор, преобразующий
ультрафиолетовое излучение в видимое. В 1951 году за разработку
люминесцентных ламп С.И. Вавилов, В.Л. Левшин, В.А. Фабрикант, М.А.
Константинов-Шлезингер, Ф.А. Бутаев, В.И. Долгополов были награждены
Государственной премией. Кстати, Сергей Иванович Вавилов был также одним из
первых, кто положил начало светотехнике в СССР. Он первым в МВТУ прочитал
лекции по светотехнике, написал ряд книг по истории света и его
физиологическом воздействии на человека.
Необходимо отметить вклад Н.А. Карякина в развитие дуг высокой
интенсивности с угольными электродами. Прожекторы с такими источниками
света применялись во время Великой Отечественной войны, а также в
киносъемках и для кинопроекций. Позже они стали вытесняться ксеноновыми
лампами, но их значение в военные годы для СССР трудно переоценить. За
работы по угольным дугам высокой интенсивности Н.А. Карякин с сотрудниками
были удостоены Государственной премии.
С целью увеличения срока службы разрядных ламп (причина выхода из строя,
как правило, была связана с электродами) разработаны безэлектродные
люминесцентные лампы. Сюда можно отнести высокочастотные компактные
безэлектродные люминесцентные лампы, безэлектродные лампы в форме витка,
микроволновые безэлектродные серные лампы.
Одним из новых источников света, которые начали внедряться в практическое
освещение (сигнальное, рекламное), являются светодиоды. С 1968 года (первое
серийное изготовление) до настоящего времени световая отдача увеличена от
0,2 лмВт до 40 лм/Вт.
Сегодня уже выпускаются серийно не только светодиоды монохроматического
излучения, но и белого цвета. По прогнозам, в 2005 году световая отдача
ряда светодиодов будет заметно превышать 100 лмВт. Основные преимущества
светодиодов – большая сила света (для некоторых типов несколько тысяч
канделл), малые размеры, большой срок службы (десятки тысяч часов),
маленькое напряжение питания (единицы вольт).
Совершенно очевидно, что в скором времени светодиоды составят серьезную
конкуренцию не только лампам накаливания, но и люминесцентным лампам.
Таблица 1. Развитие источников света во времени
|10000 г.|Масляные лампы и факелы. |
|до н. э.| |
|4000 г. |Горящие камни в Малой Азии. |
|до н. э | |
|2500 г. |Серийное производство глиняных ламп с маслом. |
|до н. э | |
|500 г. |Первые свечи в Греции и Риме. |
|до н. э | |
|1780 г. |Водородные лампы с электрическим зажиганием. |
|1783 г. |Лампа с сурепным маслом и плоским фитилем. |
|1802 г. |Свечение накаленной проволоки из платины или золота. |
|1802 г. |Дуга В.В. Петрова между угольными стержнями. |
|1802 г. |Свечение тлеющего разряда в опытах В.В. Петрова. |
|1811 г. |Первые газовые лампы. |
|1816 г. |Первые стеариновые свечи. |
|1830 г. |Первые парафиновые свечи. |
|1840 г. |Немецкий физик Грове использует для подогрева нити накала электрический |
| |ток. |
|1844 г. |Старр в Америке делает попытку создать лампу с угольной нитью. |
|1845 г. |Кинг в Лондоне получает патент "Применение накаленных металлических и |
| |угольных проводников для освещения". |
|1854 г. |Генрих Гобель создает в Америке первую лампу с угольной нитью и освещает|
| |ею витрину своего магазина. |
|1860 г. |Появление первых ртутных разрядных трубок в Англии. |
|1872 г. |Освещение лампочками А.Н. Лодыгина в Петербурге Одесской улицы, |
| |аудиторий Технологического института и других помещений. |
|1874 г. |П.Н. Яблочков устраивает первую в мире установку для освещения |
| |железнодорожного пути электрическим прожектором, установленным на |
| |паровозе. |
|1876 г. |Изобретение П.Н. Яблочковым свечи из двух параллельных угольных |
| |стержней. |
|1877 г. |Макссим в США сделал лампу без колбы из платиновой ленты. |
|1878 г. |Сван в Англии предложил лампу с угольным стержнем. |
|1880 г. |Эдисон получает патент на лампу с угольной нитью. |
|1897 г. |Нернст изобретает лампу с металлической нитью накаливания. |
|1901 г. |Купер-Хьюит изобретает ртутную лампу низкого давления. |
|1903 г. |Первая лампа накаливания с танталовой нитью, предложенная Больтеном. |
|1905 г. |Ауэр предлагает лампу с вольфрамовой спиралью. |
|1906 г. |Кух изобретает ртутную дуговую лампу высокого давления. |
|1910 г. |Открытие галогенного цикла. |
|1913 г. |Газонаполненная лампа Лангье с вольфрамовой спиралью. |
|1931 г. |Пирани изобретает натриевую лампу низкого давления. |
|1946 г. |Шульц предлагает ксеноновую лампу. |
|1946 г. |Ртутная лампа высокого давления с люминофором. |
|1958 г. |Первые галогенные лампы накаливания. |
|1960 г. |Первые ртутные лампы высокого давления с йодистыми добавками. |
|1961 г. |Натриевые лампы высокого давления. |
|1982 г. |Галогенные лампы накаливания низкого напряжения. |
|1983 г. |Компактные люминесцентные лампы. |
Таблица 2. Некоторые характеристики источников излучения
|Тип источника излучения |Мощность, |Световой |Световая |Срок |
| |Вт |поток, лм |отдача, |службы, |
| | | |лмВт |час. |
|Вакуумные и газонаполненные лампы|15-1 000 |85-19 500 |5-19,5 |1 000 |
|накаливания общего назначения | | | | |
|Галогенные лампы накаливания |1 000-2 |22 000-440 |22 |2 000-3 |
|общего назначения |000 |000 | |000 |
|Ртутные разрядные люминесцентные |15-80 |600-5 400 |40-65 |1 000-15 |
|лампы | | | |000 |
|Ртутные лампы высокого давления |80-2 000 |3 400-120 |40-60 |10 000-15 |
| | |000 | |000 |
|Ртутные лампы сверхвысокого |120-1 000 |4 200-53 |35-53 |100-800 |
|давления | |000 | | |
|Металлогалогенные лампы |250-3 500 |19 000-350 |75-100 |2 000-10 |
| | |000 | |000 |
|Натриевые лампы низкого давления |85-140 |6 000-11 |70-80 |20 000 |
| | |000 | | |
|Натриевые лампы высокого давления|50-1 000 |25 000-47 |100-115 |10 000-15 |
| | |000 | |000 |
|Ксеноновые лампы |50-10 000 |35 700-2 |18-40 |100-800 |
| | |088 000 | | |
НЕМНОГО ИСТОРИИ
До 1650 года - времени, когда в Европе пробудился большой интерес к
электричеству, - не было известно способа легко получать большие
электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся
исследованиями электричества, можно было ожидать создания все более простых
и эффективных способов получения электрических зарядов. В результате
огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны
открытия, позволившие создать механические электрические машины,
вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.
В середине X1X века начинается быстрый рост применения электродвигателей и
все расширяющееся потребление электроэнергии, чему немало способствовало
изобретение П. Н. Яблочковым способа освещения с помощью так называемой
"свечи Яблочкова". Ни одно из изобретений в области электротехники не
получало столь быстрого и широкого распространения, как свечи Яблочкова.
Это был подлинный триумф русского инженера. Павлу Николаевичу Яблочкову
принадлежит честь:
· создания самой простой по принципу дуговой лампы – электрической свечи,
сразу же получившей широкое практическое применение, заслужившей всеобщее
признание и повлекшей за собой прогресс всей электротехники;
· изобретения способов включения произвольного числа электрических свечей в
цепь, питаемую одним генератором электрического тока. До изобретения П.Н.
Яблочкова этого делать совершенно не умели, каждая дуговая лампа нуждалась
в отдельной динамо-машине;
· изобретения трансформатора;
· внедрения в практику переменного тока. До П.Н. Яблочкова применение
переменного тока считали не только опасным, но и совершенно неподходящим
для практического использования;
· изобретения различного рода других источников света, как, например,
каолиновой лампы, линейных светящихся проволок и других;
· создания большого числа электрических машин и аппаратов оригинальной
конструкции, в том числе электрической машины без железа;
· изобретения различных гальванических элементов, например,
самозаряжающегося аккумулятора, известного под названием автоаккумулятора
Яблочкова. В наше время электротехника возвращается к разработке идей П.Н.
Яблочкова в этой области.
Для раздельного питания отдельных свечей от генератора переменного тока
изобретателем был создан особый прибор - индукционная катушка
(трансформатор), позволявший изменять напряжение тока в любом ответвлении
цепи в соответствии с числом подключенных свечей.
Именно появление электрического освещения различных систем вызвало к жизни
первые электрические станции. Первая такая станция – блок-станция, то есть
станция для одного дома, не обеспечивающая передачу энергии на большое
расстояние, была создана в 1876 году в Париже для питания электричеством
свечей Яблочкова.
А в 1881 году – первая Международная выставка электричества и Международный
конгресс электриков, Министр почт и телеграфа Франции, официальный спонсор
выставки, в докладе президенту Французской республики писал: «Эта выставка
будет вмещать в себя все то, что относится к электричеству: на ней будут
демонстрироваться всевозможные аппараты и приборы, служащие для получения,
передачи, распределения электрической энергии. Конгресс в Париже соберет
наиболее выдающихся ученых-электриков. Представители чудесной науки, только
что раскрывшей перед человечеством свои громадные ресурсы и вскружившей ему
голову своими беспрестанными эффектами, обсудят все результаты
произведенных исследований и новейшие теории, созданные в этой области.
Представители других стран, приглашенные во Францию, будут рады
воспользоваться этим случаем, чтобы, так сказать, узаконить науку об
электричестве и измерить ее глубину».
Действительно, успехи электротехники были тогда частыми и разнообразными.
Но до 1881 года электриками разных стран использовались десятки самых
различных единиц тока, сопротивления – не было стандарта на электрические
единицы. Сопоставить результаты исследователей разных стран было
чрезвычайно сложно. Именно в 1881 году на Международном конгрессе
электриков, приуроченном к первой Международной выставке электричества, в
нашу жизнь вошли столь хорошо известные нам сейчас единые
электротехнические единицы.
На заседании конгресса слушатели в штыки встретили сообщение французского
физика Марселя Депрэ, высказавшего еретическую мысль о возможности передачи
электроэнергии на большие расстояния. Это сообщение котировалось в качестве
неплохой шутки, забавной утопии.
А уже через год, на Мюнхенской международной электрической выставке,
Марсель Депрэ продемонстрировал буквально наповал пораженным посетителям
небольшой водопад, действующий от центробежного насоса, вращаемого
электромотором. Но не это главное – электромотор снабжался электроэнергией
от линии передачи из другого города – Мисбаха, расположенного в 57
километрах от Мюнхена, где электроэнергия рождалась тоже в водопаде.
Еще в 1879 году Павел Николаевич Яблочков заявил, что передачу энергии надо
вести при помощи переменного тока. Спустя несколько лет, 25 августа 1891
года, Доливо-Добровольский на электротехнической выставке во Франкфурте-на-
Майне применил трехфазный переменный ток и продемонстрировал передачу
электрической энергии на расстояние 175 километров. Именно трехфазный ток
вырабатывают станции и в наши дни. Одновременно с блестящим решением
вопроса о передаче электрической энергии на расстояния получила
практическое осуществление и идея П.Н. Яблочкова о централизованном
производстве энергии на специальных станциях.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Промышленность, транспорт, сельское хозяйство, бытовое потребление
(освещение, холодильники, телевизоры). Большая часть электроэнергии
превращается в механическую, 1/3 — технические цели (электросварка,
плавление, электролиз и т. п.).
Главный способ получения электрической энергии и в наши дни основан на
применении вращающихся генераторов – динамо, как их называли раньше. Таким
путем получается электроэнергия не только на обычных тепловых
электростанциях и гидростанциях, где генераторы приводятся в движение паром
или текущей водой, но и на всех действующих атомных электростанциях.
«СВЕЧА ЯБЛОЧКОВА»
|В середине XIX века история науки и техники подошла к критическому периоду, когда|
|главные усилия ведущих ученых и изобретателей – электротехников многих стран |
|сосредоточились на одном направлении: создании более удобных источников света. |
|Раньше всего это удалось осуществить в конце 1870-х годов выдающимся русским |
|изобретателям – П.Н. Яблочкову, А.Н. Лодыгину и В.Н. Чигареву. |
Русский инженер, один из пионеров мировой электротехники и светотехники
Павел Николаевич Яблочков (14 сентября 1847, село Жадовка, Сердобского
уезда Саратовской губернии — 19 (31) марта 1894, Саратов) закончил
Техническое гальваническое заведение в Петербурге, впоследствии
преобразованное в Офицерскую электротехническую школу, выпускавшую военных
инженеров-электриков. Техническое гальваническое заведение было первым в
Европе военным учебным заведением, ставившим своей задачей развитие и
усовершенствование методов практического применения электричества в
инженерном деле. Одним из организаторов и руководителей этого учебного
заведения являлся крупнейший русский ученый и изобретатель, пионер
электротехники Б.С. Якоби. П.Н. Окончив Гальваническое заведение, Яблочков
был назначен начальником гальванической команды в 5-й саперный батальон.
Однако едва только истек трехлетний срок службы, он уволился в запас,
расставшись с армией навсегда. Яблочкову предложили место начальника службы
телеграфа на только что вступившей в эксплуатацию Московско-Курская
железная дороге. Уже в начале своей службы на железной дороге П.Н. Яблочков
сделал свое первое изобретение: создал “чернопишущий телеграфный аппарат”.
Подробности этого изобретения до нас не дошли.
Свою изобретательскую деятельность П.Н. Яблочков начал с попытки
усовершенствовать наиболее распространенный в то время регулятор Фуко.
Весной 1874 года ему представилась возможность практически применить
электрическую дугу для освещения.
|От Москвы в Крым должен был следовать правительственный поезд. Администрация |
|Московско-Курской дороги в целях безопасности движения задумала осветить этому |
|поезду железнодорожный путь ночью и обратилась к Яблочкову как инженеру, |
|интересующемуся электрическим освещением. Впервые в истории железнодорожного |
|транспорта на паровозе установили прожектор с лучшей по тому времени дуговой |
|лампой с регулятором Фуко. Дуговую лампу нужно было непрерывно регулировать. |
|Электрическая дуга, дающая яркий свет, возникает лишь тогда, когда концы |
|горизонтально расположенных угольных электродов находятся друг от друга на строго|
|определённом расстоянии. |
Чуть оно уменьшается или увеличивается, разряд пропадает. Между тем во
время разряда угли выгорают, так что зазор между ними всё время растёт. И
чтобы применить угли в электрической дуговой лампе, требовалось
использовать специальный механизм-регулятор, который бы постоянно, с
определённой скоростью подвигал выгорающие стержни навстречу друг другу.
Тогда дуга не погаснет. Регулятор был очень сложный, действовал с помощью
трех пружин и требовал к себе непрерывного внимания. Хотя опыт удался, но
он еще раз убедил Павла Николаевича, что широкого применения такой способ
электрического освещения получить никак не может. Стало ясно: нужно
упрощать регулятор.
Дуговой разряд в виде так называемой электрической (или вольтовой) дуги был
впервые обнаружен в 1802 году русским учёным профессором физики Военно-
медико-хирургической академии в Петербурге, а впоследствии академиком
Петербургской Академии наук Василием Владимировичем Петровым. Петров
следующими словами описывает в одной из изданных им книг свои первые
наблюдения над электрической дугой: «Если на стеклянную плитку или на
скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных
угля... и если металлическими изолированными направлятелями...сообщенными с
обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на
расстояние от одной до трёх линий, то является между ними весьма яркий
белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее
загораются и от которого тёмный покой довольно ясно освещен быть может...
».
В 1810 году то же открытие сделал английский физик Деви. Оба они получили
вольтову дугу, пользуясь большой батареей элементов, между концами
стерженьков из древесного угля. Первую дуговую лампу с ручным
регулированием длины дуги сконструировал в 1844 году французский физик
Древесный уголь он заменил палочками из твердого кокса. В 1848 году он
впервые применил дуговую лампу для освещения одной из парижских площадей.
Справедливости ради надо сказать, что попытки использования дуговых ламп
предпринимались в России и до Яблочкова. Свои дуговые лампы с регуляторами
разработали русские изобретатели Шпаковский и Чиколев. Электрические лампы
Шпаковского в 1856 уже горели в Москве на Красной площади во время
коронации Александра II. Чиколев же использовал мощный свет электрической
дуги для работы мощных морских прожекторов. Придуманные этими
изобретателями автоматические регуляторы имели отличия, но сходились в
одном — были ненадёжны. Лампы горели совсем недолго, а стоили дорого.
Совместно с опытным электротехником Н.Г. Глуховым Яблочков начал заниматься
в мастерской усовершенствованием аккумуляторов и динамо-машины, проводил
опыты по освещению большой площади огромным прожектором. В мастерской
Яблочкову удалось создать электромагнит оригинальной конструкции. Он
применил обмотку из медной ленты, поставив ее на ребро по отношению к
сердечнику. Это было его первое изобретение.
Наряду с опытами по усовершенствованию электромагнитов и дуговых ламп
Яблочков и Глухов большое значение придавали электролизу растворов
поваренной соли. Во время одного из многочисленных опытов по электролизу
поваренной соли параллельно расположённые угли, погруженные в
электролитическую ванну, случайно, коснулись друг друга. Тотчас между ними
вспыхнула ослепительно яркая электрическая дуга. Именно в эти минуты
зародилась у него мысль о постройке дуговой лампы... без регулятора.
В октябре 1875 года Яблочков отправляется за границу и везет с собой
изобретенную им динамо-машину. Осенью 1875 года Павел Николаевич в силу
сложившихся обстоятельств оказался в Париже в мастерских физических
приборов Бреге. В докладе, прочитанном 17 ноября 1876 года на заседании
Французского физического общества, Яблочков сообщал:
|“Я придумал новую лампу, или электрическую свечу, в высшей степени простой |
|конструкции. Вместо того чтобы помещать угли друг против друга, я их размещаю |
|рядом и разделяю посредством изолирующего вещества. Оба верхних конца углей |
|свободны”. Свеча Яблочкова состояла из двух стержней, изготовленных из плотного |
|роторного угля, расположенных параллельно и разделенных гипсовой пластинкой. |
Последняя служила и для скрепления углей между собой и для их изоляции,
позволяя вольтовой дуге образовываться лишь между верхними концами углей.
По мере того как угли сверху обгорали, гипсовая пластинка плавилась и
испарялась, так что кончики углей всегда на несколько миллиметров выступали
над пластинкой.
Простота устройства свечи, удобство обращения с нею были просто
поразительны, особенно по сравнению со сложными регуляторами. Это и
обеспечило свече громкий успех и быстрое распространение. 23 марта Павел
Николаевич взял на нее французский патент за № 112024, содержащий краткое
описание свечи в ее первоначальных формах и изображение этих форм. Этот
день стал исторической датой, поворотным пунктам в истории развития электро-
и светотехники, звездным часом Яблочкова. «Русский свет» (так называли
изобретение Яблочкова) засиял на улицах, площадях, в помещениях многих
городов Европы, Америки и даже Азии. «Из Парижа, - писал Яблочков,-
электрическое освещение распространилось по всему миру, дойдя до дворца
шаха Персидского и до дворца короля Камбоджи»).
|15 апреля 1876 года в Лондоне открывалась выставка физических приборов. На ней |
|показывала свою продукцию и французская фирма Бреге. Своим представителем на |
|выставку Бреге направил Яблочкова, который участвовал на выставке и |
|самостоятельно, экспонировав на ней свою свечу. В один из весенних дней |
|изумленный Лондон ахнул, когда изобретатель провел публичную демонстрацию своего |
|детища. На невысоких металлических столбах (постаментах) Яблочков поставил четыре|
|своих свечи, обернутых в асбест и установленных на большом расстоянии друг от |
|друга. |
К светильникам подвел по проводам ток от динамо-машины, находившейся в
соседнем помещении. Поворотом рукоятки ток был включен в сеть, и тотчас
обширное помещение залил очень яркий, чуть голубоватый электрический свет.
Многочисленная публика пришла в восторг.
Так Лондон стал местом первого публичного показа нового источника света и
первого триумфа русского инженера.
В годы пребывания во Франции Павел Николаевич работал не только над
изобретением и усовершенствованием электрической свечи, но и над решением
других практических задач. Только за первые полтора года – с марта 1876 по
октябрь 1877 – он подарил человечеству ряд других выдающихся изобретений и
открытий. П.Н. Яблочков сконструировал первый генератор переменного тока,
первым применил переменных ток для промышленных целей, создал трансформатор
переменного тока (30 ноября 1876 года, дата получения патента, считается
датой рождения первого трансформатора) и впервые использовал статистические
конденсаторы в цепи переменного тока. Открытия и изобретения русского
инженера, обессмертившие его имя, позволили Яблочкову первому в мире
создать систему дробления света, основанную на применении переменного тока,
трансформаторов и конденсаторов.
В России первая проба электрического освещения по системе Яблочкова была
проведена 11 октября 1878 года, то есть незадолго до приезда изобретателя
на Родину. В этот день были освещена казармы Кронштадтского учебного
экипажа, площадь у дома, занимаемого командиром Кронштадтского морского
порта. Опыты прошли успешно. Спустя две недели, 4 декабря 1878 года, свечи
Яблочкова (8 шаров) впервые осветили в Петербурге Большой театр. Когда
"внезапно зажгли электрический свет, - писало "Новое время" в номере от 6
декабря, - по зале мгновенно разлился белый яркий, но не режущий глаз, а
мягкий свет, при котором цвета и краски женских лиц и туалетов сохраняли
свою естественность, как при дневном свете. Эффект был поразительный".
Вскоре после приезда изобретателя в Петербург была учреждена акционерная
компания "Товарищество электрического освещения и изготовления
электрических машин и аппаратов П.Н. Яблочков-изобретатель и Ко". Свечи
Яблочкова, изготовляемые парижским, а затем петербургским заводом общества,
зажглись в Петербурге, Москве и Подмосковье, в Киеве, Нижнем Новгороде,
Гельсингфорсе (Таллин), Одессе, Харькове, Николаеве, Брянске, Архангельске,
Полтаве, Красноводске и других городах России.
И все же электрическое освещение в России такого широкого распространения,
как за границей, не получило. Причин для этого было много: русско-турецкая
война, отвлекавшая много средств и внимания, техническая отсталость России,
инертность, а подчас и предвзятость городских властей. Не удалось создать и
сильную компанию с привлечением крупного капитала, недостаток средств
ощущался все время. Немаловажную роль (в который раз) сыграла и неопытность
в финансово-коммерческих делах самого главы предприятия. Павел Николаевич
часто отлучался по делам в Париж, а в правлении, как писал В.Н. Чиколев в
"Воспоминаниях старого электрика", "недобросовестные администраторы нового
товарищества стали швырять деньги десятками и сотнями тысяч, благо они
давались легко!" Изобретатель был сильно разочарован. Умей он, как Эдисон,
пускать свои изобретения в промышленный оборот с расчетом использовать
средства для продолжения экспериментов, мир, вероятно, получил бы от П.Н.
Яблочкова немало и других полезных изобретений.
|1 августа 1881 года в Париже открылась Международная электротехническая выставка,|
|которая показала, что свеча Яблочкова, его система освещения, сыгравшие великую |
|роль в электротехнике, начали терять свое значение. У свечи появился сильный |
|конкурент в лице лампы накаливания, которая могла гореть 800-1000 часов без |
|замены. Ее можно было много раз зажигать, гасить и снова зажигать. К тому же она |
|была и экономичнее свечи. |
Яблочков переключился целиком на создание мощного и экономичного
химического источника тока. Проводя эксперименты с хлором, Павел Николаевич
сжег себе слизистую оболочку легких и с тех пор стал задыхаться. В ряде
схем химических источников тока Яблочков впервые предложил для разделения
катодного и анодного пространства деревянные сепараторы. Впоследствии такие
сепараторы нашли широкое применение в конструкциях свинцовых аккумуляторов.
Возвращение «свечи Яблочкова»
Никто из производителей автомобилей сейчас уже не применяет в качестве
головного освещения вакуумные лампы накаливания. Прослужив человечеству
несколько десятилетий, они заняли почетное место в технических музеях и
лишь изредка встречаются в магазинах запчастей.
На смену пришли галогенные лампы накаливания. Применение галогенов
позволило значительно увеличить срок службы нити накаливания и, вследствие
этого, изготавливать лампы большей мощности. До сих пор в подавляющем
большинстве выпускаемых автомобилей для головного света применяются
галогенные лампы накаливания.
|Но прогресс не стоит на месте, история делает новый виток и вот уже Вольтова дуга|
|укрощена и, заключенная в стеклянную колбу, свеча Яблочкова вновь привлечена к |
|работе. |
Разумеется, электроды, их положение, материалы уже очень далеки от своих
предшественников начала XX века, но принцип остался тем же - электрическая
дуга в качестве источника света. Принципиально новая газоразрядная лампа
представляет собой колбу малого объема из кварцевого стекла с двумя
электродами, заполненную хлоридами некоторых металлов и ксеноном (отсюда и
название - ксеноновый свет).
Литература:
Малинин Г. Изобретатель "русского света". – Саратов: Приволж.кн.изд-во,
1984.
Колтун М.М. Солнце и человечество М: Наука 1981
Карцев В.П. «Приключения великих уравнений». М.: Знание, 1986.
Дягилев Ф.М. "Из истории физики и жизни ее творцов", М. Просвещение, 1986г.
«Наука и техника», журнал, 10.08.2001 г.
Реферат на тему: История развития ядерной физики
Министерство образования Российской Федерации
Дисциплина: физика
Реферат
Тема: “История развития ядерной физики”
Выполнил: студент группы К-
Проверил: преподаватель
Владивосток
-2004-
Содержание
1.
Введение.............................................................
....................................................................
3
2. Новая физика на рубеже веков4
теория относительности, квантовая теория
....................................................................
....4
3. Резерфорд открывает атомное ядро
....................................................................
................5
4. Нерелятивистская квантовая теория.
....................................................................
..............6
Уравнение Шредингера
5. Радиоактивность
....................................................................
................................................6
6. Первая ядерная
реакцияю............................................................
..........................................7
7. Состав атомного
ядра................................................................
.............................................7
8. Размеры ядра
....................................................................
......................................................8
9. Позитрон. Аннигиляция.
Взаимные превращения элементарных частиц
...................................................................8
10. Парадоксы бета - распада.
Нейтрино............................................................
........................9
11. Пионы - кванты ядерного поля
....................................................................
.........................9
12. Лептоны
....................................................................
..............................................................9
13. Ядерные реакции
....................................................................
..............................................10
14. Деление ядер
....................................................................
.....................................................11
15. Новые горизонты ядерной физики.
Радиоактивные пучки
....................................................................
......................................12
16. Детекторы. Ускорители
....................................................................
...................................13
17. Заключение
....................................................................
.......................................................14
18. Используемая
литература..........................................................
...........................................15
Введение
Ядерная физика раздел физики, посвященный изучению структуры атомного
ядра, процессов радиоактивного распада и механизма ядерных реакций.
Придавая этому термину более общий смысл, к ядерной физики часто относят
также физику элементарных частиц. Иногда разделами ядерной физики.
продолжают считать направления исследований, ставшие самостоятельными
ветвями техники, например ускорительную технику, ядерную энергетику.
Исторически Ядерная физика возникла ещё до установления факта существования
ядра атомного. Возраст ядерной физики можно исчислять со времени открытия
радиоактивности.
Канонизированного деления современной ядерной физики на более узкие
области и направления не существует. Обычно различают ядерную физику
низких, промежуточных и высоких энергий. К ядерной физике низких энергий
относят проблемы строения ядра, изучение радиоактивного распада ядер, а
также исследования ядерных реакций, вызываемых частицами с энергией до 200
Мэв. Энергии от 200 Мэв до 1 Гэв называются промежуточными, а свыше 1 Гэв -
высокими. Это разграничение в значительной мере условно (особенно деление
на промежуточные и высокие энергии) и сложилось в соответствии с историей
развития ускорительной техники. В современной ядерной физике структуру ядра
исследуют с помощью частиц высоких энергий, а фундаментальные свойства
элементарных частиц устанавливают в результате исследования радиоактивного
распада ядер.
Обширной составной частью ядерной физики низких энергии является
нейтронная физика, охватывающая исследования взаимодействия медленных
нейтронов с веществом и ядерные реакции под действием нейтронов. Молодой
областью ядерной физики является изучение ядерных реакций под действием
многозарядных ионов. Эти реакции используются как для поиска новых тяжёлых
ядер, так и для изучения механизма взаимодействия сложных ядер друг с
другом. Отдельное направление ядерной физики - изучение взаимодействия ядер
с электронами и фотонами. Все эти разделы ядерной физики тесно
переплетаются друг с другом и связаны общими целями.
В ядерной физике (как и во всей современной физике) существует резкое
разделение эксперимента и теории. Арсенал экспериментальных средств ядерной
физики разнообразен и технически сложен. Его основу составляют ускорители
заряженных частиц (от электронов до многозарядных ионов), ядерные реакторы,
служащие мощными источниками нейтронов, и детекторы ядерных излучений,
регистрирующие продукты ядерных реакций. Для современного ядерного
эксперимента характерны большие интенсивности потоков ускоренных заряженных
частиц или нейтронов, позволяющие исследовать редкие ядерные процессы и
явления, и одновременная регистрация нескольких частиц, испускаемых в одном
акте ядерного столкновения. Множество данных, получаемых в одном опыте,
требует использования ЭВМ, сопрягаемых непосредственно с регистрирующей
аппаратурой. Сложность и трудоёмкость эксперимента приводит к тому, что его
выполнение часто оказывается посильным лишь большим коллективам
специалистов.
Для теоретической ядерной физики характерна необходимость использования
аппаратов разнообразных разделов теоретической физики: классической
электродинамики, теории сплошных сред, квантовой механики, статистической
физики, квантовой теории поля. Центральная проблема теоретической ядерной
физики - квантовая задача о движении многих тел, сильно взаимодействующих
друг с другом. Теорией ядра и элементарных частиц были рождены и развиты
новые направления теоретической физики (например, в теории
сверхпроводимости, в теории химической реакции), получившие впоследствии
применение в других областях физики и положившие начало новым
математическим исследованиям (обратная задача теории рассеяния и её
применения к решению нелинейных уравнений в частных производных) и др.
Развитие теоретических и экспериментальных ядерных исследований
взаимозависимо и тематически связано. Стоящие перед ядерной физикой
проблемы слишком сложны и лишь в немногих случаях могут быть решены чисто
теоретическим или эмпирическим путём. Ядерная физика оказала большое
влияние на развитие ряда других областей физики (в частности, астрофизики и
физики твёрдого тела) и других наук (химии, биологии, биофизики).
Прикладное значение ядерной физики в жизни современного общества огромно,
её практические приложения фантастически разнообразны - от ядерного оружия
и ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине. Вместе с тем она
остаётся той фундаментальной наукой, от прогресса которой можно ожидать
выяснения глубоких свойств строения материи и открытия новых общих законов
природы.
Мир, в котором мы живем, сложен и многообразен. Издавна человек
стремился познать окружающий его мир. Исследования шли в трех направлениях:
1. Поиск элементарных составляющих, из которых образована вся окружающая
материя.
2. Изучение сил, связывающих элементарные составляющие материи.
3. Описание движения частиц под действием известных сил.
У философов древней Греции существовало два противоположных взгляда на
природу материи. Сторонники одной школы (Демокрит, Эпикур) утверждали, что
нет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой движутся атомы. Они
рассматривали атомы как мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные,
пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной.
Сторонники другого направления придерживались прямо противоположной точки
зрения. Они считали, что вещество можно делить бесконечно. Сегодня мы
знаем, что мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства
- это молекулы и атомы. Однако мы также знаем, что атомы в свою очередь
имеют сложную структуру и состоят из атомного ядра и электронов. Атомные
ядра состоят из нуклонов - нейтронов и протонов. Нуклоны в свою очередь
состоят из кварков. Но разделить нуклоны на составляющие их кварки уже
нельзя. Что вовсе не означает, что кварки "элементарны". Понятие
элементарности объекта в значительной мере определяется уровнем наших
знаний. Поэтому привычное для нас утверждение "состоит из …" на
субкварковом уровне может оказаться лишенным смысла. Понимание этого
сформировалось в процессе изучения физики субатомных явлений.
Новая физика на рубеже веков -
теория относительности, квантовая теория
Открытие атомного ядра и элементарных частиц явилось результатом
изучения строения вещества, достигнутым физикой в конце XIX века.
Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических спектров
атомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество имеет
сложную структуру. В 1897 году при исследовании катодных лучей Дж. Томсоном
был открыт электрон - носитель отрицательного элементарного электрического
заряда. ХХ век принес много неожиданностей в физику. Именно в это время
классическая физика оказалась несостоятельной в объяснении новых
экспериментальных фактов. Уменьшение временных и пространственных
масштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к "новой
физике", столь непохожей на привычную традиционную классическую физику.
Развитие физики в начале XX века привело к полному пересмотру классических
представлений. В основе "новой физики" лежат две фундаментальные теории:
. теория относительности
. квантовая теория.
Теория относительности и квантовая теория являются фундаментом, на котором
построено описание явлений микромира
Создание А. Эйнштейном в 1905 году теории относительности привело к
радикальному пересмотру представлений о свойствах пространства и времени,
взглядов на характер электромагнитного поля. Стало ясно, что невозможно
создание механических моделей для всех физических явлений.
В основу теории относительности положены две физические концепции.
. Согласно принципу относительности равномерное и прямолинейное движение
тел не влияет на происходящие в них процессы
. Существует предельная скорость распространения взаимодействия -
скорость света в пустоте. Скорость света является фундаментальной
константой современной теории. Существование предельной скорости
распространения взаимодействия означает, что существует связь между
пространственными и временными интервалами.
В 1900 г. была опубликована работа М. Планка, посвященная проблеме
теплового излучения тел. М. Планк моделировал вещество как совокупность
гармонических осцилляторов различной частоты. Предположив, что излучение
происходит не непрерывно, а порциями - квантами, он получил формулу для
распределения энергии по спектру теплового излучения, которая хорошо
согласовывалась с опытными данными
[pic],
где h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана, T - температура, [pic]-
частота излучения.
Так, впервые в физике появилась новая фундаментальная константа -
постоянная Планка. Гипотеза Планка о квантовой природе теплового излучения
противоречит основам классической физики и показала границы ее
применимости.
Через пять лет А. Эйнштейн, обобщив идею М. Планка, показал, что
квантованность является общим свойством электромагнитного излучения.
Согласно идеям А. Эйнштейна электромагнитное излучение состоит из квантов,
названных позднее фотонами. Каждый фотон имеет определенную энергию и
импульс:
E = h[pic], [pic] = (h/[pic])[pic],
где [pic]и [pic]- длина волны и частота фотона, [pic]- единичный вектор в
направлении распространения волны.
Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили
объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально
Г. Герцем и А. Столетовым. На основе квантовой теории А. Комптоном в 1922
году было объяснено явление упругого рассеяния электромагнитного излучения
на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны света.
Открытие двойственной природы электромагнитного излучения - корпускулярно-
волнового дуализма оказало значительное влияние на развитие квантовой
физики, объяснение природы материи. В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул
гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой
гипотезе не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с
корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Соотношения,
связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц те же, что были
установлены ранее для фотонов
E = [pic][pic], [pic]= [pic][pic], |p| = h/[pic][pic][pic]/[pic],
где h = 2[pic][pic], [pic]= 2[pic][pic] - длина волны, которую можно
сопоставить с частицей. Волновой вектор [pic]ориентирован по направлению
движения частицы. Прямыми опытами, подтверждающими идею корпускулярно-
волнового дуализма, были опыты, выполненные в 1927 году К. Дэвиссоном и
Л. Джермером по дифракции электронов на монокристалле никеля. Позднее
наблюдалась дифракция и других микрочастиц. Метод дифракции частиц в
настоящее время широко используется в изучении строения и свойств вещества.
Экспериментальное подтверждение идеи корпускулярно-волнового дуализма
привело к пересмотру привычных представлений о движении частиц и способа
описания частиц. Для классических материальных точек характерно движение по
определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент
времени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо,
так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а
говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Поэтому
для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее
координат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение в
пространстве, то ее импульс полностью неопределен и наоборот, частица с
определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату.
Неопределенность в значении координаты частицы [pic]x и неопределенность в
значении компоненты импульса частицы [pic]px связаны соотношением
неопределенности, установленным В. Гейзенбергом в 1927 году
[pic]x·[pic]px[pic][pic].
Резерфорд открывает атомное ядро
Параллельно с развитием идей квантовой теории развивались представления
о строении материи. Одна из первых моделей атома была предложена в 1904
году Дж. Томсоном. Согласно модели Дж. Томсона атом представлял собой
нейтральную систему, состоящую из заряженного шара с зарядом +Ze, внутри
которого в определенных равновесных положениях находятся Z отрицательно
заряженных электронов. Размер атома ~10-8 см. Прямые экспериментальные
исследования строения атома были выполнены в 1911 году Э. Резерфордом,
который изучал рассеяние [pic]-частиц при прохождении через тонкую фольгу.
Угловое распределение [pic]-частиц, рассеянных на золоте, свидетельствовало
о том, что положительный заряд атома сосредоточен в пространственной
области размером меньше 10-12 см. Это явилось основанием для планетарной
модели атома Резерфорда, согласно которой атом состоит из тяжелого
положительно заряженного атомного ядра с радиусом меньше 10-12 см и
вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Размер атома
определяется размерами его электронной оболочки и составляет ~10-8 см, что
в десятки тысяч раз превышает размер атомного ядра. Несмотря на то, что
атомное ядро занимает лишь небольшую часть объема атома в нем сосредоточено
99,98% его массы.
Предложенная Э. Резерфордом модель атома сыграла решающую роль в
развитии квантовой механики. Дело в том, что на основе классической физики
невозможно было объяснить наблюдаемую на опыте устойчивость атома.
Вращающиеся на орбите электроны, согласно классической физике, должны были
излучать энергию и, потеряв ее, упасть на атомное ядро. Поскольку такие
явления как фотоэффект и явление дифракции электронов удалось объяснить с
помощью квантовых представлений, вполне разумно казалось попытаться с
помощью такого подхода объяснить и устойчивость электронных орбит атома.
В 1913 году Н. Бор предложил новую квантовую теорию орбит. Согласно
этой теории электрон может вращаться вокруг ядра неопределенно долго, не
излучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн
де Бройля. Таким образом устойчивые орбиты в атоме это орбиты, радиусы
которых rn определяются соотношением
rn = n2h2/Zmee,
что соответствует определенным энергетическим уровням атома
En = - Z2e4me/2n2h2.
Атом может перейти из одного состояния в другое, испустив квант энергии -
фотон
h[pic] = Ei - Ek,
где Ei и Ek - энергии уровней, между которыми происходит переход.
Нерелятивистская квантовая теория.
Уравнение Шредингера
К середине 20-х годов стало очевидно, что полуклассическая теория атома
Н. Бора не может дать полного описания свойств атома. В 1925 - 1926 гг. в
работах В. Гейзенберга и Э. Шредингера был разработан общий подход описания
квантовых явлений - квантовая теория. Эволюция квантовой системы в
нерелятивистском случае описывается волновой функцией, удовлетворяющей
уравнению Шредингера
[pic]
где [pic](x,y,z,t) - волновая функция, [pic]- оператор Гамильтона (оператор
полной энергии системы)
В нерелятивистском случае
[pic],
где m - масса частицы, [pic]- оператор импульса, U(x,y,z) - потенциальная
энергия частицы. Задать закон движения частицы в квантовой механике это
значит определить значение волновой функции в каждый момент времени в
каждой точке пространства. Уравнение Шредингера играет в квантовой механике
такую же роль как и второй закон Ньютона в классической механике. Самой
поразительной особенностью квантовой физики оказался ее вероятностный
характер. Вероятностный характер законов является фундаментальным свойством
микромира. Квадрат модуля волновой функции, описывающей состояние квантовой
системы, вычисленный в некоторой точке, определяет вероятность обнаружить
частицу в данной точке.
Радиоактивность
Некоторое время атомное ядро и электроны считались элементарными
составляющими вещества. Первое указание на существование атомного ядра
связано с открытием в 1898 году А. Беккерелем радиоактивности. Это
произошло задолго до того, как Резерфорд экспериментально доказал его
существование. Оказалось, что некоторые минералы естественного
происхождения самопроизвольно испускают излучение неизвестной природы.
По прошествии нескольких лет было показано, что неизвестное излучение
состоит из частиц трех различных видов, сильно отличающихся друг от друга:
1. Нейтрально заряженных частиц - фотонов.
2. Отрицательно заряженных частиц- электронов.
3. Положительно заряженных частиц.
Вначале считалось, что обнаруженные излучения испускаются атомом, и
лишь впоследствии стало ясно, что их источником является атомное ядро.
Явление самопроизвольного распада атомных ядер стало называться
радиоактивностью. Выдающуюся роль в понимании природы радиоактивного
распада сыграли работы Пьера и Марии Кюри.
Изучая треки образующихся при радиоактивном распаде положительно
заряженных частиц в электрическом поле, Э. Резерфорд показал, что это
частицы с массой атома гелия и зарядом +2e. В 1919 году Ф. Астон построил
первый масс-спектрограф, с помощью которого были получены точные значения
масс атомных ядер. Было доказано, что положительно заряженные частицы,
обнаруженные при радиоактивном распаде ядер, являются ядрами атома гелия.
Эти частицы были названы [pic]-частицами.
Первая ядерная реакция
В 1919 г., продолжая эксперименты по рассеянию [pic]-частиц на
различных мишенях, Э. Резерфорд обнаружил, что при бомбардировке ядер азота
[pic]-частицами из него вылетают положительно заряженные частицы. Величина
заряда этих частиц по абсолютной величине была равна величине заряда
электрона, но противоположна по знаку. Масса частицы была почти в 2000 раз
больше массы электрона. Повторение опыта на других мишенях показало, что
положительно заряженные частицы вылетают и из других атомных ядер.
Обнаруженные частицы были названы протонами. Ядерная реакция, в которой
впервые были обнаружены протоны, записывается в виде
14N + [pic] [pic]17O + p
Уже первый взгляд на написанную реакцию свидетельствует о том, что
Э. Резерфорду удалось осуществить то, что в течение многих веков пытались
сделать алхимики - превратить одно вещество в другое. Ядро азота
превращалось в ядро кислорода. Это была первая ядерная реакция,
осуществленная искусственно в лабораторных условиях.
В то же время стало ясно, что протоны следует считать элементарными
частицами, входящими в состав атомного ядра.
Из чего состоит атомное ядро?
Измерения масс атомов с помощью масс-спектрографа Ф. Астона показали,
что массы всех исследованных атомов с точностью ~10% пропорциональны массе
протона - M ~ Amp, где A принимает только целочисленные значения. Этот факт
послужил основанием для создания протон-электронной модели атомного ядра. В
этой модели предполагалось, что атомное ядро состоит из A протонов и (A-Z)
электронов. В этой модели легко объяснялись обнаруженная Астоном
пропорциональность массы атомного ядра числу A и величина заряда атомного
ядра. Однако, по мере накопления экспериментальных данных по массам атомных
ядер, магнитным моментам и спинам атомных ядер, протон-электронная модель
ядра начала сталкиваться с трудностями в объяснении экспериментальных
данных. Тем не менее, протон-электронная модель ядра продержалась вплоть до
1932 года.
Простейшая модель [pic]-распада была предложена в 1928 году Г. Гамовым
и независимо от него Г. Герни и Э. Кондоном. В этой модели предполагалось,
что [pic]-частица постоянно существует в ядре. Вероятность [pic]-распада в
основном определяется вероятностью прохождения [pic]-частиц через
кулоновский потенциальный барьер.
В 1930-1932 гг. разыгрались полные драматизма события. Продолжая
начатые Резерфордом эксперименты по облучению тонких фольг из бериллия
[pic]-частицами, В. Боте и Г. Беккер обнаружили сильно проникающее
излучение, состоящее из нейтральных частиц. Первоначально выдвинутая
гипотеза о том, что это фотоны высоких энергий, не выдержала проверки. Лишь
в 1932 г. английский физик Д. Чедвик показал, что это новая, до сих пор
неизвестная нейтральная частица с массой, приблизительно равной массе
протона. Обнаруженная частица была названа нейтроном. Сразу после открытия
нейтрона Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо выдвинули гипотезу, что
атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Эта модель выдержала
испытания временем и, как показывают экспериментальнные наблюдения, в
обычных условиях отклонения от протонно-нейтронной модели, связанные с
внутренней структурой нуклонов, невелики. Протоны и нейтроны в атомном ядре
связаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малый
радиус действия ~10-13 см. Ядерные силы существенно превосходят силы
электростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливают
большую плотность вещества ядра ~1014 г/см3. Этот новый тип взаимодействия,
связывающий нейтроны и протоны, назвали ядерным или сильным
взаимодействием. Эти два названия долгое время считали синонимами. Сегодня
мы знаем: сильное взаимодействие связывает кварки внутри нуклона, а ядерное
взаимодействие, связывающее нейтроны и протоны, является следствием
сильного взаимодействия. Ядерное взаимодействие меняет свойства нуклонов.
Так, например, свободный нейтрон, являясь нестабильной частицей, внутри
ядра может стать стабильным. По отношению к сильному взаимодействию протон
и нейтрон имеют одинаковые свойства. Это привело к открытию новой симметрии
- изотопической инвариантности сильных взаимодействий. Была введена новая
квантовая характеристика - изоспин.
С помощью изотопической инвариантности сильных взаимодействий в дальнейшем
удалось предсказать массы и электрические заряды некоторых новых
элементарных частиц. Протоны и нейтроны образуют атомные ядра всех
химических элементов.
Размеры ядра
Еще на ранней стадии изучения структуры атомных ядер эксперименты по
рассеянию [pic]-частиц на легких ядрах дали основание предполагать, что
плотность ядерного вещества у всех ядер приблизительно постоянна. Это
предположение было в дальнейшем детально исследовано в опытах Р. Хофштатера
по рассеянию электронов высокой энергии на сферических ядрах, расположенных
вблизи долины стабильности. Оказалось, что плотности распределения ядерной
материи и электрического заряда практически совпадают.
Для ядер, расположенных вблизи долины стабильности, были установлены
следующие закономерности.
. Плотность ядерной материи в центре ядра приблизительно одинакова у
всех ядер и составляет ~ 0.17 нукл./Фм3 (см. рис.3).
. Толщина поверхностного слоя (спад плотности от 0.9[pic]0 до 0.1[pic]0)
у всех ядер примерно одинакова d = 4.4a = 2.4·Фм.
. Величина радиуса ядра определяется числом нуклонов, R = 1.3A1/3 Фм.
Позитрон. Аннигиляция.
Взаимные превращения элементарных частиц
Открытие позитрона, частицы по своим характеристикам похожей на
электрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд,
было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак
предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики
электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с
положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной
энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный
электрический заряд. Позитрон был первой открытой частицей из целого класса
частиц, которые получили название античастиц. До открытия позитрона
казалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных
зарядов в природе. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовую
симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска
античастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон является
стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно
долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их
аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два [pic]-
кванта
[pic].
Происходит превращение частиц с массой покоя отличной от нуля (0.511 МэВ) в
частицы с нулевой массой покоя (фотоны), т.е. масса покоя не сохраняется.
Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары
электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались [pic]-квантами
с энергией в несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической
физике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты
являются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон
в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между
излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар
заставили по-новому осмыслить, что же такое элементарная частица.
Элементарная частица перестала быть неизменным "кирпичиком" в строении
материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного
превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут
рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы. Следующая
элементарная частица - нейтрино также вначале была предсказана теорией.
Открытие нейтрона, казалось, внесло ясность в строение вещества. Все
элементарные частицы, необходимые для построения атома: протон, нейтрон,
электрон - были известны. Если в составе атомного ядра нет электронов, то
откуда же берутся электроны, которые наблюдаются при радиоактивном распаде
ядер?
Парадоксы бета - распада. Нейтрино
Ответ на этот воп | |
