Типы спектров излучения. Тема: Спектры, спектральный анализ и виды излучения - Реферат. Формула тонкой линзы
>> Виды спектров
§ 82 ВИДЫ СПЕКТРОВ
Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.
Непрерывные спектры. Солнечный или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представ.тены волны всех длин волн. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу (см. рис. V, 1 на цветной вклейке).
Распределение энергии по частотам, т. е. спектральная плотность интенсивности излучения, для разных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты имеет максимум при определенной частоте Vmax (рис. 10.3). Энергия , приходящаяся на очень малые (V -> 0) и очень большие (v -> v) частоты, ничтожно мала. При повышении температуры тела максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.
Непрерывные (или сплошные) спектры , как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть те.ло до высокой температуры.
Характер непрерывного спектра и сам факт его существования не только определяются свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.
Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновениях электронов с ионами.
Линейчатые спектры. Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченный раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп увидим, как на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия (см.рис. V, 2 на цветной вклейке).
Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На цветной вклейке приведены также спектры водорода и гелия. Каждый из спектров - это частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). На рисунке 10.4 показано примерное распределение спектральной плотности интенсивности излучения в линейчатом спектре. Каждая линия имеет конечную ширину.
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы , которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.
Изолированные атомы излучают свет строго определенных длин волн.
Обычно для наблюдения линeйчaтыx спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.
При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когдаa взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Полосатые спектры. Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляетет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спеутров полосатые спектры образуются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда.
Спектры поглощения. Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны. Энергия этих волн определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны . Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету ( 8 10 -5 см), и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, не излучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии (см. рис. V, 5-8 на цветной вклейке). Газ поглощает наиболее интенсивно свет именно тех длин волн, которые он сам испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.
Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения.
1. Является ли спектр лампы накаливания непрерывным!
2. В чем главное отличие линейчатых спектров от непрерывных и полосатых!
Спектр (от лат. spectrum — представление, образ) — является совокупностью каждого из значений любой физической величины , которая характеризует систему либо процесс.
Зачастую используют определения частотного спектра колебаний (например, электромагнитных), спектра энергий, импульсов и масс частиц. Спектр может быть непрерывным и дискретным (прерывистым).
— это спектры электромагнитных излучений в ИК, видимом и UF диапазонах длин волн. Оптические спектры делятся на спектры испуска-ния, спектры поглощения (абсорбционные спектры), спектры рассеяния и спектры отражения.
Оптические спектры получают от источников света при разложении их излучения по длинам волн λ (либо частотам v = c / λ , либо волновым числам 1/ λ =v / c , которые также обозначаются как v ) при помощи спектральных приборов. Чтоб охарактеризовать распределение излучения по частотам, вводится спектральная плотность излучения I (v) , которая равна интенсивности излучения I , которая приходится на единичный интервал частот (интенсивность излучения I является плотностью потока электромаг-нитного излучения, приходящегося на все частоты). Интенсивность излучения, которая приходится на маленький спектральный интервал Δv , равна I (v)Δv . Просуммировав подобные выражения по всем частотам спектра, получаем плотность потока излучения I .
Виды спектров.
Спектральный состав излучения веществ очень разнообразен, но не-смотря на это, каждый спектр делится на 3 типа:
- непрерыв-ные спектры ,
- линейчатые спектры,
- полосатые спектры .
Непрерывные спектры , либо сплошные спектры , как видно из опытов, дают тела, которые находятся в твердом либо жидком состоянии, или очень сжатые газы. Что бы получить непрерывный спектр, тело необходимо нагреть до большой температуры.
Непрерывные спектры определяются не только излучательной способностью самих атомов, но в большой степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.
На рисунке вы видите кривую зависимости спектральной плот-ности интенсивности теплового излучения от частоты (спектр) тела с сильно черной поверхностью. У кривой есть максимум при частоте v m a x , которая зависит от температуры тела. С увеличением температуры максимум энергии излучения сдвигается к боль-шим частотам. Энергия излучения, которая приходится на очень маленькие (v → 0 ) и очень большие (v → ∞ ) частоты, весьма мала. В сплошном спектре представлены каждая из длин волн.
Линейчатые спектры складываются из отдельных спектральных линий, это признак того, что вещество излучает свет конкретных длин волн в определенных, очень узких спектральных интервалах. Все линии имеют конечную длину.
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В таком случае излучают атомы, которые не взаимодействуют друг с другом. Это фунда-ментальный, самый основной тип спектров.
Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн, характерные для данного типа атомов. Классическим примером линейчатого спектра является спектр атома водорода .
Спектральные закономерности в спектре атома водорода.
В этой формуле v — не частота, которая измеряется в с -1 , а вол-новое число, которое равно обратному значению длины волны 1/ λ и которое измеряется в м - 1 .
Что бы определить частоты излучения других серий атома водорода вместо двойки в знаменате-ле первой дроби в формуле 
необходимо подставить числа 1, 3, 4, 5.
Номера нижних энергетических уровней, при переходе на которые с верхних уровней излучаются соответствующие серии:
Полосатые спектры состоят из отдельных полос, которые разделены темными промежутками. При по-мощи весьма хорошего спектрального аппарата можно увидеть, что все полосы состоят из большого числа близко лежащих линий. Полосатые спектры излучают молекулы, которые не связаны либо слабо связаны друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров, как и для наблюдения линейчатых спектров, применяют свечение паров в пламени либо свечение газового разряда.
Спектры поглощения тоже делятся на 3 типа (сплошные, линейчатые и полосатые), что и спектры испускания. Поглощение света тоже зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, которые соответствуют красному свету (λ ≈ 8 · 10 - 5 см), и поглощает остальные.
Газ интенсивнее всех поглощает свет тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии.
Таким образом, если пропускать белый свет через холодный неизлучающий газ, то на фоне непрерыв-ного спектра излучения появятся темные линии. Это линии поглощения, которые образуют в совокуп-ности спектр поглощения .
Спектры, полученные от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Непосредственные наблюдения и фотографии спектров показывают, что спектры испускания бывают трех типов: сплошные, линейчатые и полосатые.
Сплошные спектры (см. цветной форзац, г) получаются от светящихся твердых и жидких тел в результате их нагревания.
Линейчатые спектры (см. цветной форзац, д) состоят из узких линий различных цветов, разделенных темными промежутками. Такие спектры часто получаются от светящихся газов или паров.
Свечение газа можно вызвать, пропуская через него электрический ток. Помещая стеклянную трубку с исследуемым газом перед щелью спектроскопа и пропуская через газ электрический ток, исследуют спектр испускания газа.
Линейчатые спектры паров и газов можно получить и при их нагревании, например, в пламени горелки. Таким же путем можно получить линейчатые спектры веществ, которые в обычных условиях находятся в твердом или жидком состоянии. Для этого крупинки твердых веществ или смоченный жидкостью асбест вводят в пламя газовой горелки. Испаряющиеся в пламени горелки вещества дают линейчатый спектр. Иногда такие вещества помешают в
электрическую дугу и, закрывая раскаленные угольные электроды диафрагмой, наблюдают в спектроскопе яркие линии на фоне более слабого сплошного спектра самой дуги. Заметим, что светящиеся спектральные линии часто называют эмиссионными линиями.
Изучение линейчатых спектров различных веществ показало, что каждый химический элемент дает свой линейчатый спектр, не совпадающий со спектрами других элементов. Линейчатые спектры химических элементов отличаются цветом, положением и числом отдельных светящихся линий. Характерные для каждого химического элемента линии получаются не только в видимой, но также в инфракрасной и в ультрафиолетовой частях спектра. Исследование линейчатых спектров впервые было выполнено в 1854-1859 гг. немецкими учеными Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном.
Линейчатые спектры создаются излучением отдельных атомов химических элементов, не связанных в молекулы. Это излучение связано с процессами, происходящими внутри атомов. Исследование линейчатых спектров позволило установить строение электронных оболочек атомов различных химических элементов.
Полосатые спектры состоят из ряда светлых полос, разделенных темными промежутками (см. рис. 34.12, где изображен спектр паров иода, и цветной форзац, ж). Полосатые спектры создаются излучением молекул. При рассмотрении в спектроскоп с большой разрешающей способностью полосы разделяются на ряд линий.
Статья рассказывает об определении и видах спектра, освещает области применения спектроскопии, а также описывает исследование незнакомого твердого вещества и применяемые для этого виды спектров.
Что такое спектр?
Вообще, в таком виде этот вопрос побуждает читателя вспоминать об уроках физики и бесконечных формулах. Однако это понятие охватывает гораздо большее разнообразие и выходит за рамки школьной программы. Итак, спектр - это распределение значений некоторой величины (иногда понятия). Под величиной, конечно, часто подразумевают конкретные массу, энергию, длину волны. Но бывают и совсем другие распределения. Например, женщина умеет готовить два блюда - это ее кулинарный спектр. Или мужчина может пить кофе, компот, чай, но не приемлет алкоголь, значит, его диапазон напитков ограничен. То есть бывают совершенно несвязанные с наукой виды спектров. Физика в примерах выше никакой роли не играет.
Электромагнитная шкала
Однако чаще всего люди слышат это понятие, когда речь идет о науке (в частности об электромагнитной шкале). Откуда берутся электромагнитные волны? Сам механизм их возникновения до сих пор остается загадкой. Вообще область не частиц, а полей весьма загадочна. Однако известно, что электромагнитные поля (а значит и волны) возникают при наличии движущегося в пространстве заряда. И в зависимости от того, какой он и как движется, на электромагнитной шкале проявляются различные виды излучения. Спектр в данном случае рассматривается в зависимости от длины волны. Напомним, что под этим термином понимается минимальное расстояние между одинаковыми фазами соседних возмущений (если проще - между идущими друг за другом максимумами или минимумами). Самыми большими длинами волн обладают радиоволны, самыми маленькими - гамма-излучение. То, что видит человеческий глаз, составляет лишь малую долю всего диапазона и расположено ближе к началу шкалы. Поэтому виды спектров различаются прежде всего по длине волны или частоте.
Спектроскопия
Познавательная часть этой статьи описала некоторые основные понятия. Однако самым главным в любом исследовании является его актуальность.
Другими словами - область применения. По этой части все виды спектров лидируют. Их используют везде: от криминалистики до создания новых веществ, от биологии до межзвездного пространства. Наука, которая сосредоточена на этом физическом понятии, как читатель наверняка уже понял, называется спектроскопия. На данный момент виды спектров (спектральный анализ - соответственно) различают по нескольким критериям.
Типы спектров
Как было сказано, первый критерий - длина волны. Напомним, что частота волны обратно пропорциональная длине - эти понятия непрерывно связаны. В соответствии с областями на электромагнитной шкале, существуют радио, ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные, рентгеновские виды спектров. Второй критерий - геометрия эксперимента. Снятие на отражение и на пропускание спектра могут быть принципиально разными.
Анализ различий может много сообщить об изучаемой субстанции. Например, выводы о составе и плотности колец Сатурна были сделаны именно так.
Линии и полосы
Шутка про сферического коня в вакууме только наполовину шутка. Пятьдесят процентов, если не большинство физических понятий в природе не существует в чистом виде. Поэтому следующий критерий, который разделяет виды спектров, условен. Один идеальный атом (или молекула) вещества в абсолютном вакууме даст распределение электромагнитных сигналов, состоящее из тонких линий. Данные условия невыполнимы, но тем не менее очень узкие полосы с неразличимыми внутри отдельными компонентами принято считать линейчатым спектром. Как правило, он представляет собой набор столбиков разной высоты (она обозначает интенсивность) на соответствующих длинах волн. Однако существуют и другие виды спектров, которые называются полосчатыми: каждая линия имеет широкие, размытые края.
Голубое небо
Вопрос, почему небо голубое, задает каждый непоседа четырех лет. Ответ и прост, и сложен одновременно: оно имеет такой цвет, потому что микроколебания (называемые флуктуациями) земной атмосферы из всего солнечного спектра рассеивают только соответствующую ему область длин волн. Все остальное поглощается (в большей степени) или отражается.
Это еще одни критерий. То есть существуют спектры поглощения, испускания и рассеяния. Исследования каждого дает свои результаты. Но основную информацию о веществе несут разные виды спектров испускания. Они дают однозначный ответ, что и в каком количестве присутствует в исследуемой субстанции. Два других вида покажут сложность структуры и способы взаимодействия отдельных ее частей между собой.
Лунный камень
За что и какой спектр отвечает, покажем на примере булыжника, доставленного с Луны. Если разнообразными манипуляциями заставить камень светиться, получившийся спектр однозначно покажет, какие именно химические элементы системы Менделеева в нем есть. Другие процедуры способны извлечь из этих же спектров концентрации обнаруженных элементов. Однако твердое тело и его свойства определяются не только тем, из чего оно состоит, но и как эти отдельные элементарные части относительно друг друга расположены. Классический пример - графит и алмаз. В обоих случаях - это родной углерод. Но по-разному связанны атомы - и мы получаем очень мягкий и наиболее твердый природные материалы. Почему родной? Потому что он еще и основа жизни. К слову сказать, помимо упомянутых форм, существуют еще и фуллерены, и нанотрубки, и недавно открытый графен, за который ученые получили Нобелевскую премию. Правда, в последнем случае стоит оговориться, что вещество двумерно, это значительно меняет все представление о тонких слоях веществ. Итак, о строении твердого вещества, о входящих в его состав минералах расскажет спектроскопия рассеяния. Например, Рамановские линии (при верной интерпретации) до нескольких элементарных ячеек определяют структуру кристалла. А вот анализ края поглощения, вернее, его деталей: угла наклона, наличия аномалий в виде отклонения от линейной формы, помогает найти степень стройности этой структуры, то есть показать, какие кристаллы в камне с Луны - четкие или вещество почти аморфно?
По этим данным специалисты вычисляют происхождение вещества камня, а также метаморфозы пород, входящих в его состав.
Цифровой мир
Современность немыслима без цифровых технологий. И, главное, отнюдь не быстродействие процессоров или количество гигабайт оперативной памяти, а шифрование сигнала. Конечно, это важно прежде всего для тех областей, где необходима конфиденциальность - в банковском деле, личном общении через интернет. Но даже простая запись фильма на диск - это шифровка. Ведь лазер прожигает не картинки, а нули и единицы. Люди, которые работают в сфере создания и обработки фотографий, знают, сколько «весит» изображение в изначальном формате Raw. Для непосвященных раскроем секрет: очень много. Потому что каждому пикселю задается свой оттенок и освещенность. Но привычные нам jpeg, tiff или даже bmp занимают на носителях информации гораздо меньше места, при этом видимое качество ничуть не хуже.
Так в чем же секрет? Ответ - виды спектров сигнала и варианты его сжатия. Фурье доказал, что любой сигнал может быть с достаточно высокой точностью разложен на ряд функций. Таким образом, каждый пиксель привычных форматов фотографии отображает не непосредственно зафиксированную краску, а спектр сигнала. Некоторые видеоформаты используют не Фурье, а вейвлет-преобразование для раскодировки небольших порций единиц и нулей в конкретную картинку. Таким образом, потеряв совсем небольшую (меньше одного процента) часть изображения можно значительно, иногда в сто раз, сократить количество занимаемого на диске или флеш-карте места.
Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов или элементарных частиц (электронов, протонов и нейтронов), входящих в состав атомов. В настоящее время установлено, что магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства веществ в основном определяются электронами, входящими в состав атомов.
— закон Бойля — Мариотта .
— Закон Гей-Люссака
.
— закон Шарля
(второй закон Гей-Люссака, 1808 г.)
2. Глаз человека представляет собой сложную оптическую систему, которая по своему действию аналогична оптической системе фотоаппарата. Схематическое устройство глаза представлено на рис. 1. Глаз имеет почти шарообразную форму и диаметр около 2,5 см. Снаружи он покрыт защитной оболочкой 1 белого цвета - склерой. Передняя прозрачная часть 2 склеры называется роговицей. На некотором расстоянии от нее расположена радужная оболочка 3, окрашенная пигментом. Отверстие в радужной оболочке представляет собой зрачок.
В зависимости от интенсивности падающего света зрачок рефлекторно изменяет свой диаметр приблизительно от 2 до 8 мм, то есть действует подобно диафрагме фотоаппарата. Между роговицей и радужной оболочкой находится прозрачная жидкость. За зрачком находится хрусталик 4 - эластичное линзоподобное тело. Особая мышца 5 может изменять в некоторых пределах форму хрусталика, изменяя тем самым его оптическую силу. Остальная часть глаза заполнена стекловидным телом. Задняя часть глаза - глазное дно, оно покрыто сетчатой оболочкой 6, представляющей собой сложное разветвление зрительного нерва 7 с нервными окончаниями - палочками и колбочками, которые являются светочувствительными элементами.
Лучи света от предмета, преломляясь на границе воздух - роговица, проходят далее через хрусталик (линзу с изменяющейся оптической силой) и создают изображение на сетчатке, возникает действительное уменьшенное перевернутое изображение предметов, которое мозг корректирует в прямое. Роговица, прозрачная жидкость, хрусталик и стекловидное тело образуют оптическую систему, оптический центр которой расположен на расстоянии около 5 мм от роговицы.
При расслабленной глазной мышце оптическая сила глаза приблизительно равна 59 дптр, при максимальном напряжении мышцы - 70 дптр. Основная особенность глаза как оптического инструмента состоит в способности рефлекторно изменять оптическую силу глазной оптики в зависимости от положения предмета. Такое приспособление глаза к изменению положения наблюдаемого предмета называется аккомодацией.
Область аккомодации глаза можно определить положением двух точек:
Дальняя точка аккомодации определяется положением предмета, изображение которого получается на сетчатке при расслабленной глазной мышце. У нормального глаза дальняя точка аккомодации находится в бесконечности.
Ближняя точка аккомодации - расстояние от рассматриваемого предмета до глаза при максимальном напряжении глазной мышцы. Ближняя точка нормального глаза располагается на расстоянии 10 - 20 см от глаза. С возрастом это расстояние увеличивается.
Кроме этих двух точек, определяющих границы области аккомодации, у глаза существует расстояние наилучшего зрения, то есть расстояние от предмета до глаза, при котором удобнее всего (без чрезмерного напряжения) рассматривать детали предмета (например, читать мелкий текст). Это расстояние у нормального глаза условно полагают равным 25 см. При нарушении зрения изображения удаленных предметов в случае ненапряженного глаза могут оказаться либо перед сетчаткой (близорукость), либо за сетчаткой (дальнозоркость).
У некоторых людей глаза в расслабленном состоянии создают изображение предмета не на сетчатке, а перед ней. В результате изображение предмет "расплывается". Такие люди не могут видеть четко удаленные предметы, но зато хорошо видят предметы, находящиеся вблизи. Это наблюдается, если велика ширина глаза или хрусталик слишком выпуклый (имеет большую кривизну). В этом случае четкое изображение предмета формируется не на сетчатке, а перед ней. Этот недостаток (дефект) зрения называется близорукостью (иначе миопия).
Близоруким людям необходимы очки с рассеивающими линзами (с отрицательной оптической силой). Пройдя через такую линзу, лучи света фокусируются хрусталиком точно на сетчатку. Поэтому близорукий человек, вооруженный очками, может рассматривать удаленные предметы, как и человек с нормальным зрением.
Другие люди хорошо видят далекие предметы, но не могут различить те, что находятся вблизи. У них в расслабленном состоянии четкое изображение удаленных предметов получается за сетчаткой. В результате изображение предмет "расплывается". Это возможно, когда ширина глаза недостаточно большая или хрусталик глаза плоский, тогда человек видит удаленные предметы четко, а близкие плохо. Этот недостаток зрения называется дальнозоркостью.
Особой формой дальнозоркости является старческая дальнозоркость или пресбиопия. Она возникает потому, что с возрастом снижается эластичность хрусталика, и он уже не сокращается так хорошо, как у молодых людей. Дальнозорким людям можно помочь с помощью очков с собирающими линзами (c положительной оптической силой).
1. Закон прямолинейного распространения света : в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно.
2. Закон отражения света : падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.
3. Закон преломления света : падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:
Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления .
Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:
n = n 2 / n 1
Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления - это отношение скорости распространения волн в первой среде υ 1 к скорости их распространения во второй среде υ 2:
Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:
Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.
При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n
2
Для угла падения α = α пр sin β = 1; значение sin α пр = n 2 / n 1 < 1.
Если второй средой является воздух (n2 ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде
Sinα пр = 1 / n
1. Первый закон Ньютона . Если на тело не действуют силы или их действие скомпенсировано, то данное тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.
В современной физике первый закон Ньютона принято формулировать в следующем виде:
Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка сохраняет свою скорость неизменной, если на нее не действуют другие тела.
Свойство тел сохранять свою скорость при отсутствии действия на него других тел называется инерцией . Масса тела - количественная мера его инертности. В СИ она измеряется в килограммах.
Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называются инерциальными . Системы отсчета, движущиеся относительно инерциальных с ускорением, называются неинерциальными .
Сила - количественная мера взаимодействия тел. Сила - векторная величина и измеряется в ньютонах (Н). Сила, которая производит на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил, называется равнодействующей этих сил.
Второй закон Ньютона . Ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе:
Если два тела взаимодействуют друг с другом, то ускорения этих тел обратно пропорциональны их массам.
Третий закон Ньютона . Силы, с которыми тела взаимодействуют друг с другом, равны по модулю и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны.
F 1 = -F 2
2. Возникновение СТО.
СТО появилась в результате возникшего противоречия между электродинамикой Максвелла и механикой Ньютона.
Возможные выходы из противоречия:
Несостоятельность принципа относительности (Х. Лоренц)
Несостоятельность формул Максвелла (Г. Герц)
Отказ от классических представлений о пространстве и времени, сохранение принципа относительности и законов Максвелла (А. Эйнштейн)
Единственно правильной оказалась именно третья возможность. Последовательно развивая ее, А. Эйнштейн пришел к новым представлениям о пространстве и времени. Первые два пути, как оказалось, опровергаются экспериментом.
В основе теории относительности лежат два постулата .
1) Понятие постулата в науке
Постулат в физической теории играет ту же роль, что и аксиома в математике. Это - основное положение, которое не может быть логически доказано. В физике постулат есть результат обобщения опытных фактов.
2) Постулаты СТО.
Принцип относительности Эйнштейна: все процессы природы протекают одинаково во всех ИСО.
Второй постулат: скорость света в вакууме одинакова для всех ИСО. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала
Следствия СТО.
Относительность одновременности: два пространственно разделенных события, одновременные в одной ИСО, могут не быть одновременными в другой ИСО.
При переходе из одной СО в другую может изменяться последовательность событий во времени, однако последовательность причинно-следственных событий остается неизменной во всех СО: следствие наступает после причины.
Причиной относительности одновременности является конечность скорости распространения сигналов.
Относительность расстояний (релятивистское сокращение размеров тела в движущейся СО): длина движущегося предмета сокращается в направлении движения.
l - Длина покоящегося тела;
l0 - длина движущегося тела;
υ - Скорость его движения в данной СО.
(релятивистскими называются эффекты, наблюдаемые при скоростях движения, близких к скорости света)
Размеры предметов в направлении, перпендикулярном направлению движения, не изменяются
Относительность промежутков времени: ход движущихся часов замедляется.
τ0 - интервал времени, измеренный часами, покоящимися в той СО, где оба события произошли в одной и той же точке пространства.
τ - Интервал времени между двумя событиями, измеренный движущимися часами.
Время на космическом корабле, летящем с постоянной скоростью, протекает медленнее, чем на «неподвижной» Земле. Но космонавт никаким образом не может подметить эти изменения, т.к. и все процессы внутри корабля, которые могли бы служить мерилом измерения времени, замедлены в том же отношении. Биение сердца и все функции организма тоже происходят в замедленном темпе. Если скорость движения приближается к скорости света, то путешествие до туманности Андромеды займет 29 лет. Но по земным часам пройдет почти 3 миллиона лет.
Релятивистский закон сложения скоростей (направленных вдоль одной линии)
υ 1 - скорость тела в 1-й СО;
υ 2 - скорость тела во 2-й СО;
υ - скорость движения 1-й СО относительно 2-й.
При υ 1 , υ <<с получаем υ 2 = υ 1 + υ , т.е. закон сложения скоростей в классической механике.
Если υ = с (т.е. речь идет о распространении света), получаем υ 2 = с , что соответствует второму постулату СТО.
1. Если тело бросить под углом к горизонту, то в полете на него действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Если силой сопротивления пренебречь, то остается единственная сила - сила тяжести. Поэтому вследствие 2-го закона Ньютона тело движется с ускорением, равным ускорению свободного падения ; проекции ускорения на координатные оси равны а х = 0, а у = -g.
Любое сложное движение материальной точки можно представить, как наложение независимых движений вдоль координатных осей, причем в направлении разных осей вид движения может отличаться. В нашем случае движение летящего тела можно представить, как наложение двух независимых движений: равномерного движения вдоль горизонтальной оси (оси Х) и равноускоренного движения вдоль вертикальной оси (оси Y) (рис. 1).
Проекции скорости тела, следовательно, изменяются со временем следующим образом:
Координаты тела, следовательно, изменяются так:
При нашем выборе начала координат начальные координаты
 |
(1) |
Проанализируем формулы (1). Определим время движения брошенного тела. Для этого положим координату y равной нулю, т.к. в момент приземления высота тела равна нулю. Отсюда получаем для времени полета:
Дальность полета получим из первой формулы (1). Дальность полета - это значение координаты х в конце полета, т.е. в момент времени, равный t 0 . Подставляя значение (2) в первую формулу (1), получаем:Второе значение времени, при котором высота равна нулю, равно нулю, что соответствует моменту бросания, т.е. это значение также имеет физический смысл.
Из уравнений (1) можно получить уравнение траектории тела, т.е. уравнение, связывающее координаты х и у тела во время движения.
Для этого нужно из первого уравнения (1) выразить время:
и подставить его во второе уравнение. Тогда получим:
Это уравнение является уравнением траектории движения. Видно, что это уравнение параболы, расположенной ветвями вниз, о чем говорит знак «-» перед квадратичным слагаемым. Следует иметь в виду, что угол бросания α и его функции - здесь просто константы, т.е. постоянные числа.
Мгновенная скорость в любой точке траектории направлена по касательной к траектории (см. рис. 1). модуль скорости определяется по формуле:
Таким образом, движение тела, брошенного под углом к горизонту или в горизонтальном направлении, можно рассматривать как результат двух независимых движений — горизонтального равномерного и вертикального равноускоренного (свободного падения без начальной скорости или движения тела, брошенного вертикально вверх).
2. Ядерная реакция - это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.
Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами.
При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения : импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т. е. числа нуклонов - протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.
Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
 |
Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.
Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина
| Q = (M A + M B - M C - M D)c 2 = ΔMc 2 . |
где M A и M B - массы исходных продуктов, M C и M D - массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q |, которая называется порогом реакции .
Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.
Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.
В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления - это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.
В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы - радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.
Уран встречается в природе в виде двух изотопов: (99,3 %) и (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.
Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра
В результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.
Кинетическая энергия , выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна - порядка 200 МэВ. Оценку выделяющейся при делении ядра энергии можно сделать с помощью понятия удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90 - 145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.
Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов . Действительно, отношение N / Z для наиболее тяжелых ядер составляет примерно 1,6, для ядер с массовыми числами от 90 до 145 это отношение порядка 1,3 - 1,4. Поэтому ядра-осколки испытывают серию последовательных β-распадов, в результате которых число протонов в ядре увеличивается, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.
При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.
Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция - часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции.
1. Вращательное движение — вид механического движения. При вращательном движении материальной точки она описывает окружность. При вращательном движении абсолютно твёрдого тела все его точки описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях. Центры всех окружностей лежат при этом на одной прямой, перпендикулярной к плоскостям окружностей и называемой осью вращения. Ось вращения может располагаться внутри тела и за его пределами. Ось вращения в данной системе отсчёта может быть, как подвижной, так и неподвижной. Например, в системе отсчёта, связанной с Землёй, ось вращения ротора генератора на электростанции неподвижна.
При выборе некоторых осей вращения, можно получить сложное вращательное движение — сферическое движение, когда точки тела движутся по сферам. При вращении вокруг неподвижной оси, не проходящей через центр тела или вращающуюся материальную точку, вращательное движение называется круговым.
Вращение характеризуется углом , измеряющимся в градусах или радианах, угловой скоростью (измеряется в рад/с)
При равномерном вращении (T — период вращения)
Частота вращения (угловая частота) — число оборотов в единицу времени.
Период вращения — время одного полного оборота. Период вращения и его частота связаны соотношением
Линейная скорость точки, находящейся на расстоянии R от оси вращения
Угловая скорость вращения тела — векторная величина.
Связь между модулем линейной скорости υ и угловой скоростью ω:
Ускорение направлено по радиусу к центру окружности.
Его называют нормальным или центростремительным ускорением . Модуль центростремительного ускорения связан с линейной υ и угловой ω скоростями соотношениями:
2. Радиосвязь - это разновидность беспроводной связи, у которой в качестве сигнала используются, распространяемые в пространстве, радиоволны.
Принцип радиосвязи основан на передачи сигнала от передающего устройства, содержащего передатчик и передающую антенну, путем перемещения радиоволн в открытом пространстве, приемному устройству, содержащему приемную антенну и радиоприемник. Гармонические колебания с несущей частотой, принадлежащей какому-либо диапазону радиочастот, подвергаются модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Модулированные радиочастотные колебания представляют собой радиосигнал.
От передатчика радиосигнал поступает в антенну, с помощью которой в окружающем пространстве возбуждаются соответственно модулированные электромагнитные волны. Свободно перемещаясь, радиоволны достигают приёмной антенны и возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в радиоприёмник. Принятый радиосигнал поступает в электронный усилитель, демодулируется, далее выделяется сигнал, аналогичный сигналу, которым были модулированы колебания с несущей частотой в радиопередатчике. После этого, дополнительно усиленный сигнал, преобразуется при помощи соответствующего воспроизводящего устройства в сообщение, аналогичное исходному.
Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было создание в 1913 г. генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов («точки» и «тире») электромагнитных волн, стала возможной надежная и высококачественная радиотелефонная связь — передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн.
Трудность передачи звукового сигнала состоит в том, что для радиосвязи необходимы колебания высокой частоты, а колебания звукового диапазона — низкочастотные колебания, для излучения которых невозможно построить эффективные антенны. Поэтому колебания звуковой частоты приходится тем или иным способом накладывать на колебания высокой частоты, которые уже переносят их на большие расстояния.
Радиопередающее устройство содержит следующие основные элементы:
Задающий генератор колебаний высокой частоты, преобразующий энергию источника постоянного напряжения в гармонические колебания высокой частоты. Частоту этих колебаний называют несущей. Она должна быть строго постоянной;
Преобразователь сообщений в электрический сигнал, используемый для модуляции колебаний несущей частоты. Вид преобразователя зависит от физической природы передаваемого сигнала: при звуковом сигнале преобразователем является микрофон, при передаче изображений — передающая телевизионная трубка:
Модулятор, в котором происходит модуляция высокочастотного сигнала в соответствии с частотой звукового сигнала, несущего информацию, подлежащую передаче;
Обычно имеется один или два каскада усилителя мощности модулированного сигнала;
Излучающая антенна, предназначенная для излучения электромагнитных волн в окружающее пространство.
Радиоприемное устройство предназначено для приема информации, передаваемой с помощью электромагнитных волн, излучаемых передающей антенной радиопередатчика.
Радиоприемное устройство содержит следующие основные элементы:
Приемная антенна служит для улавливания электромагнитных колебаний. Бывают антенны, рассчитанные на колебания строго определенной частоты (настроенные антенны), и антенны, не настроенные на определенную частоту (всеволновые антенны). В последнем случае в антенне возникают вынужденные модулированные колебания, возбуждаемые различными радиостанциями;
Резонансный контур, настраиваемый на определенную частоту, который из множества принятых антенной сигналов выделяет полезный сигнал;
В РК в результате резонанса происходит увеличение амплитуды напряжения принятых колебаний. Однако при этом дополнительная высокочастотная энергия не создается и мощность принятого сигнала не возрастает. Более того, она даже несколько уменьшается из-за неизбежных потерь энергии на активном сопротивлении входной цепи. Мощность принятого сигнала исключительно мала. Поэтому в усилителе высокой частоты повышается напряжение принятого сигнала и увеличивается его мощность;
Детекторный каскад. Здесь усиленный модулированный высокочастотный сигнал преобразуется и из него выделяется модулирующий сигнал, несущий передаваемую информацию. Следовательно, детектирование — процесс, обратный модуляции. В качестве детектора используют приборы с нелинейной характеристикой — электронные лампы и полупроводниковые приборы;
Усилитель низкой частоты. Выделенное в детекторном каскаде модулирующее напряжение низкой частоты мало и его усиливают в усилителе низкой частоты;
После усиления низкочастотный сигнал поступает на громкоговоритель (телефон).
Радиолокацией называют обнаружение объектов и измерение их координат с помощью радиоволн. Радиолокация основана на том, что радиоволны распространяются прямолинейно, с постоянной скоростью и отражаются встретившимися на их пути объектами. Установку для радиолокации называют радиолокатором или радаром , которая состоит из передающей и приёмной частей (рис. 16а ). Передающая часть является источником радиоволн высокой мощности с частотой в диапазоне от 10 7 до 10 11 Гц, которые с помощью антенны собираются в узкий луч, направленный в сторону объекта.
Часть отражённого от объекта луча распространяется обратно в направлении радиолокатора и улавливается его антенной и приёмной частью. Передающая часть излучает волны в виде коротких импульсов длительностью около 10 -6 с. В промежутках между этими излучаемыми импульсами приёмная часть радиолокатора улавливает отражённые от объекта импульсы и определяет интервал времени t , затраченный радиоволнами на путь до объекта и обратно. Зная t и скорость радиоволн с , легко вычислить расстояние до объекта S:
S = ct/2
Телевидением называют передачу и приём видеоинформации с помощью электромагнитных волн.
Схема телевидения в основном совпадает со схемой радиове-щания. Разница заключается в том, что в передатчике колеба-ния модулируются не только звуковыми сигналами, но и сигна-лами изображения. Оптические сигналы в передающей телека-мере преобразуются в электрические. Модулированная электромагнитная волна переносит информацию на большие расстоя-ния. В телевизионном приемнике высокочастотный сигнал де-лится на три сигнала: сигнал изображения, звуковой сигнал и сигнал управления. После усиления эти сигналы поступают в свои блоки и используются по назначению.
Для воспроизведе-ния движения используют принцип кино: изображение движуще-гося объекта (кадра) передают десятки раз в секунду (в телеви-дении 50 раз). Преобразование изображения кадра в электриче-ские сигналы производится с помощью иконоскопа. На экран иконоскопа проецируется изображение объекта с помощью опти-ческой системы (объектива). Такой же сигнал получается в теле-визионном приемнике, где сигнал преобразуется в видимое изображение на экране кинескопа.
Чтобы смена изображения на экране телевизора казалось человеку плавной, картинку на экране меняют 25 раз в секунду. При этом каждая картинка на экране создаётся в результате 625 горизонтальных пробегов луча, постепенно перемещающегося в вертикальном направлении. Поэтому, чтобы передать изменения яркости и цвета в каждой точке экрана, происходящие с частотой 25 Гц, необходима более высокая, чем для радиосвязи, несущая частота - от 50 до 800 МГц.
Так как электромагнитные волны, соответствующие телевещанию, не отражаются от ионосферы, то они могут распространяться от передающей телевизионной антенны только в пределах видимости. Поэтому, чтобы передать телевизионный сигнал дальше, башни телевизионных антенн стараются делать как можно выше.
Спутник, находящийся на высоте несколько десятков тысяч километров над поверхностью Земли, способен ретранслировать телевизионный сигнал п
