Текст книги "101 ключевая идея: Физика"

Автор книги: Джим Брейтот

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 10 страниц)

ЭНЕРГИЯ

Тело перемещается под действием силы, производящей работу. Количество работы определяется как произведение силы на расстояние в направлении перемещения. Единицей работы служит джоуль. Один джоуль равен работе, совершенной при перемещении тела на один метр силой в один ньютон.

Энергия– это способность совершать работу. Единицей работы энергии также служит джоуль. Если к телу прикладывается работа, его энергия увеличивается; если тело выполняет работу, его энергия уменьшается.

Закон сохранения энергии гласит: общее количество энергии в изолированной системе остается неизменным.

Мощность– это скорость, с которой совершается работа. Единицей мощности служит ватт (Вт), равный одному джоулю в секунду.

Кинетической энергией движущегося теланазывается энергия, которой оно обладает благодаря своему движению. Для тела массой т,движущегося со скоростью и,кинетическая энергия Е _к– ¹/ ₂ mv ²при условии, что его скорость значительно меньше скорости света. Для скоростей, приближающихся к скорости света, из специальной теории относительности следует формула:

Е _к=тс ²– т ₀/с ².

Потенциальной энергией теланазывается энергия, которой оно обладает в силу своего расположения относительно одного или более тел; измеряется она в джоулях. Если тело перемещается над землей, то по мере изменения высоты изменяется и его потенциальная энергия, зависящая от силы притяжения. Поскольку сила притяжения тела массой mравна mg,потенциальная энергия тела, поднятого на высоту hнад землей, равна силе, умноженной на расстояние от тела до земли: mgh,где g– сила гравитационного поля. Отсюда изменение потенциальной энергии тела равно mgh.Но эта формула не применяется, если высота hсравнима с радиусом Земли, поскольку на дальних расстояниях gзначительно уменьшается. В таком случае изменение потенциальной энергии вычисляют согласно формуле, выводимой из закона тяготения Ньютона.

См. также статьи «Гравитационное поле 1 и 2», «Сила и движение».

ЭНЕРГИЯ ЯДРА

Ядро любого атома, за исключением атома водорода, состоит из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами, действующими в равной степени между протонами и нейтронами, причем радиус их действия не превышает 2 или 3 x 10 ^-15м. Эти силы гораздо мощнее силы взаимодействия электрических зарядов и потому превышают силу отталкивания протонов.

Энергией связи ядраназывается энергия, которую нужно сообщить ядру, чтобы разделить его на протоны и нейтроны. Эта энергия необходима для преодоления сил ядерного притяжения, связывающих протоны и нейтроны. Энергия, сообщаемая телу, увеличивает его массу согласно формуле Эйнштейна: Е = mс ². Поэтому масса любого ядра меньше массы отдельных протонов и нейтронов. Эта разница масс называется дефектом массы ядра и обозначается как Am. Энергию связи Е _Влюбого изотопа ^A _ZX можно рассчитать по формуле

Е _в= с ²Δm = c ²(Zm _p+ (А – Z)m _N– М), где m _p, m _Nи М – массы протона, нейтрона и ядра соответственно, Z – число протонов в ядре, (А – Z) – число нейтронов (см. статью «Атомы и молекулы»).

График энергии связи

При реакции синтеза (слиянии легких ядер, образующих ядро, в котором А не превышает 50) выделяется энергия, поскольку образующееся ядро связано плотнее, чем более легкие ядра.

При расщеплении (делении тяжелого нестабильного ядра на две части) выделяется энергия, поскольку образуемые ядра связаны плотнее, чем тяжелое ядро.

См. также статьи «Деление ядер», «Радиоактивность 1», «Ядерный синтез».

ЭНТРОПИЯ

Энтропия – это степень беспорядка системы, измеряемая количеством состояний частиц и энергии последней. Чем больше число возможных состояний, тем больше беспорядочна система.

Энтропия системы S = k lnW, где W – число возможных состояний частиц, k – постоянная Больцмана (см. статью «Активационный процесс»). Исходя из этого определения получаем, что сообщаемое системе количество теплоты Q (или отведение тепла от нее) при термодинамической температуре Т (по абсолютной шкале) изменяет энтропию системы: ΔS = Q/T. Энтропию измеряют в джоулях на кельвин (Дж/К), или в джоулях на кельвин на моль вещества (Дж/К моль).

Второй закон термодинамики гласит: переход некоего количества тепла от более нагретого источника с совершением равного количества работы невозможен. Часть энергии тратится на нагревание низкотемпературного резервуара, что необходимо для продолжения работы. Таким образом, при совершении работы часть энергии необратимо тратится зря и энтропия системы повышается.

Обратимый – это такой процесс, которому соответствует обратный процесс, приводящий систему в изначальное состояние. Например, если груз маятника отпустить из неравновесного положения, он качнется и вернется в прежнее положение (при отсутствии сопротивления воздуха).

Большинство процессов необратимо, поскольку приводит к необратимой трате энергии. Трата энергии – это наиболее вероятный результат всех возможных изменений и перемещений. Возьмем, для примера, ящик, поделенный на две половины перегородкой с отверстием. Представим, что изначально в одной из половин двигались четыре молекулы. Через достаточно долгий промежуток времени наиболее вероятный исход этой ситуации таков: в каждой половине окажется по две молекулы. Существует 16 (= 2 ⁴) возможных комбинаций четырех молекул. Наиболее вероятное сочетание – по две молекулы в каждой половине, так как существует шесть способов такого распределения.

См. также статьи «Идеальные газы», «Коэффициент полезного действия».

ЯДЕРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

Каждый атом содержит ядро, состоящее из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе мощными ядерными силами. Атом изотопа AZX содержит Z протонов и А – Z нейтронов.

Из графика зависимости энергии связи от количества нуклонов (Е в/А) известных ядер видно, что наиболее стабильные ядра наблюдаются при А = 50, когда энергия связи на нуклон наибольшая.

Эрнест Резерфорд, бомбардируя атомы α-частицами, доказал, что в атоме имеется ядро. Он обнаружил, что поток α-частиц, направленных узким пучком на тонкую металлическую фольгу, почти весь проходит через нее; измерил количество частиц, претерпевших отклонение под различными углами в секунду, и установил, что небольшое количество частиц отклонилось на угол, превышающий 90°. В качестве объяснения такого явления ученый предположил, что каждый атом содержит очень маленькое положительно заряженное ядро, на которое приходится основная часть его массы, и что оно отталкивает α-частицу, так как имеет тот же электрический заряд. С помощью закона Кулона Резерфорд показал, что количество частиц, отклоняющихся в секунду на угол θ, пропорционально 1/sin ⁴(θ/2), что соответствовало результатам экспериментов. Он установил, что диаметр ядра приблизительно в 10 -5раз меньше диаметра атома и что ядро самого легкого атома (атома водорода) состоит из одной частицы, которую назвали протоном. Ученый также доказал, что атомный номер Z элемента – это количество протонов в ядре каждого атома.

Существование нейтронов было предсказано Резерфордом на том основании, что массовое число ядра всегда больше количества протонов, так что наряду с протонами в ядре должны находиться и нейтральные частицы. Нейтроны открыл Джеймс Чедвик, бомбардируя фольгу из бериллия α– частицами. Он обнаружил, что бериллий становился источником нового излучения, которое при столкновении с атомами азота оставляло следы в газовой камере. Исследуя их, Чедвик доказал, что излучение состояло из незаряженных частиц, масса которых примерно равна массе протона.

См. также статьи «Деление ядра», «Радиоактивность 1–4».

ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Ядерный (термоядерный) синтез – это процесс слияния легких ядер, образующих более тяжелые ядра. В результате выделяется энергия при условии, что образовавшееся ядро содержит не более 50 нейтронов и протонов. Чтобы два ядра слились, они должны приблизиться друг к другу на расстояние порядка 2–3 х 10 ^-15м, оказавшись в радиусе действия ядерных сил. Начальная кинетическая энергия двух сливающихся ядер должна быть порядка МэВ; только в этом случае можно преодолеть электростатические силы отталкивания между ядрами и позволить им приблизиться на расстояние 2–3 х 10 ^-15м. Такие условия создаются внутри звезды в результате чрезвычайно высокой температуры, которая поддерживается энергией, выделяемой при слиянии ядер водорода (протонов) и образовании ядер гелия и других элементов. Энергия, выделяемая на одно ядро гелия, равна приблизительно 7 МэВ на нуклон, что значительно больше энергии, выделяемой при делении ядер.

Реакция синтеза может поддерживаться в термоядерном реакторе, где магнитные поля удерживают плазму из ионизированного водорода при пропускании через нее тока с очень большой силой, порядка 10 6А. Этого тепла достаточно, чтобы вызвать реакцию синтеза, при которой из ядер водорода образуются ядра гелия и других более тяжелых элементов; при этом наблюдаются следующие стадии:

Тритий ( ³ ₁Н), образующийся в литиевой оболочке, удаляется из нее и подается в плазму. Нейтроны, выделяемые в плазме, поглощаются ядрами лития; при этом образуются ядра трития и гелия. Таким образом, общий процесс выделяет 22,8 МэВ энергии на каждые четыре протона и нейтрона, из которых образуется ядро гелия. Сырьем служат водород и литий. Теоретически энергии, выделяемой при реакции синтеза, должно быть более чем достаточно для поддержания высокой температуры плазмы. Однако в настоящий момент невозможно добиться того, чтобы в таком реакторе выделялось больше энергии, чем необходимо для поддержания реакции синтеза.

Словарь

Адрон– любая элементарная частица, испытывающая сильное ядерное взаимодействие.

Активность– степень распада нестабильные ядер.

Амплитуда– максимальное смещение колеблющихся частиц относительно точки равновесия.

Барион– частица, состоящая из трех кварков.

Диффузия– постепенное и равномерное распространение хаотически движущихся частиц в веществе.

Длина волны– наименьшее расстояние между колеблющимися частицами, в один и тот же момент перемещенными на равное расстояние в том же направлении.

Дыра– переносчик положительного заряда в полупроводниках р-типа, обладающий зарядом, количественно равный заряду электрона. Фактически представляет собой вакансию электрона в атоме полупроводника.

Заряд– существует два типа заряда, положительный и отрицательный. Частицы, имеющие заряд одного типа, отталкиваются друг от друга, а частицы, имеющие разноименные заряды, притягиваются. Заряд измеряется целым числом е, соответствующим заряду электрона.

Изотопы элемента– это атомы, имеющие одно и то же число протонов, но различное число нейтронов в ядре.

Импульс– произведение массы на скорость тела.

Интенсивность– количество энергии, переносимой в секунду волной или излучением через единицу площади поверхности.

Ион– атом, имеющий заряд. В незаряженные атомах число электронов равно числу протонов. При удалении электрона атом становится положительным ионом, при добавлении электрона – отрицательные.

Лептон– любая частица, испытывающая слабое взаимодействие.

Масса– мера инерции или сопротивления движению тела.

Напряжение– то же, что и разность потенциалов.

Нейтрон– незаряженная частица, масса которой немного больше массы протона. Ядро каждого атома состоит из одного или более протонов и нейтронов.

Перемещение– расстояние, пройденное от некоей точки в определенном направлении.

Период полураспада– время, необходимое для распада половины! ядер радиоактивного изотопа.

Протон– положительно заряженная частица, представляющая собой ядро самого легкого атома (атома водорода)

Связь– любые силы, удерживающие вместе две частицы.

Сила– любое взаимодействие, служащее причиной движения тела.

Скорость– быстрота перемещения тела в определенном направлении.

Скорость света– скорость света в вакууме, приблизительно равная 300 000 км/с. Ни одно тело не может перемещаться с большей скоростью.

Спин– собственный угловой момент частицы. Он постоянен и равен s(h/2n), где s – спиновое число, выражаемое как целое число, умноженное на ¹/ ₂Спин электрона равен ¹/ ₂. Частицы с полуцелым спином ( ¹/ ₂, ³/ ₂и т. д.) называются фермионами, а с нулевым или целым (0, 1 и т. д.) – бозонами.

Среднеквадратичная скорость– квадратный корень из суммы квадратов всех скоростей молекул, деленной на число молекул в идеальном газе. Смысл среднеквадратичной скорости заключается в том, что она пропорциональна абсолютной температуре газа.

Угловой момент(количество движения) – произведение импульса частицы на длину перпендикуляра, опущенного из неподвижной точки к направлению ее движения.

Удельным заряд– отношение заряда к массе заряженной частицы.

Ускорение– быстрота изменения скорости.

Фаза– часть цикла колеблющегося тела, повторяющаяся через определенный интервал времени.

Частота– количество циклов колебаний колеблющегося тела, каждый цикл определяется колебанием от одного максимума до другого и обратно.

Электрон-вольт– 1,6 x 10 ^-19Дж; количество работы, образующееся при перемещении электрона по проводнику с разницей потенциалов в 1 вольт. 1 МэВ = 1,6 x 10 ^-13Дж.

Электронная оболочка– наиболее вероятное местоположение электрона в атоме. Энергия электрона в каждой оболочке постоянна.

Энергия(механическая) – способность тел перемещаться или взаимодействовать.