Учебная работа. Разработка виртуального компьютерного практикума по атомной и ядерной физике

Учебная работа. Разработка виртуального компьютерного практикума по атомной и ядерной физике

[Введите текст]

Министерство образования и науки Русской федерации

Стерлитамакский филиал

федерального муниципального экономного образовательного учреждения

высшего проф образования

«Башкирский муниципальный институт»

Физико-математический факультет

Кафедра общей физики

Гарифуллин Рустам Ильдусович

Выпускная квалификационная работа

по специальности: «Физика и математика»

Тема: Разработка виртуального компьютерного практикума

по атомной и ядерной физике

СТЕРЛИТАМАК — 2013

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Новейшие информационные технологии открыли доступ к получению познаний, обеспечив выход в мировое информационное место. На текущий момент во всем мире компьютерные технологии все больше и больше входят в жизнь человека. Образовательные учреждения не должны упускать данного происшествия из виду и должны шагать в ногу со временем, внедряя ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) в процесс обучения. Броским примером является внедрение моделей разных физических действий. Компьютерное моделирование дозволяет обучающимся узреть те опыты, которые по тем либо другим причинам тяжело либо совершенно не воспроизводимы в данных лабораторных критериях. Как следует, приобретает необыкновенную актуальность создание таковых мультимедийных электрических учебников, которые дозволили бы полностью обеспечить возможность самостоятельной работы с источниками инфы. Это относится как к дистанционному обучению, так и к дилемме интеграции новейших информационных технологий в образовательный процесс. Как видно, необходимы различного рода учебные пособия, адекватные современным требованиям к образовательному процессу.

Цель дипломной работы состоит в разработке виртуального компьютерного практикума по курсу «Атомнаяи ядерная физика».

Поставленная цель подразумевает решение последующих задач:

проанализировать лабораторные работы курса «Атомная и ядерная физика»;

сделать компьютерные модели физических действий, рассматриваемых в лабораторных работах данного курса;

сделать динамическую визуализацию данного явления, используя приобретенные результаты и язык программирования ActionScript 2.0;

создать эргономичный, удобный интерфейс юзера;

создать методику выполнения лабораторных работ с внедрением данного интерактивного лабораторного комплекса.

Новизна избранной темы обоснована тем, что в ней предложены разработки виртуального лабораторного комплекса по атомной и ядерной физике. В то время как определенный опыт быть может проведен только один раз, виртуальная модель может употребляться вновь и вновь, без ограничения времени и места обучения. Такие модели могут предоставлять четкие и полные данные, тем предохраняя от негативного практического опыта «неудавшегося опыта». Модель может иметь встроенную систему самооценки для студента, позволяющую оценить степень заслуги целей опыта. Внедрение виртуальной лаборатории может сохранить время, как педагогов, так и учащихся.

Теоретическая и практическая Ценность работы состоит в том, что методика использования лабораторного комплекса в процессе исследования атомной и ядерной физики быть может использована и для остальных разделов физики. Результаты исследования могут быть применены при исследовании курсов атомной и ядерной физики, также на курсе методики преподавания физики. Компьютерное моделирование лабораторного комплекса может отыскать конкретное применение в учебном процессе — за недочетом дорогостоящей аппаратуры либо вследствие ее устаревания.

структура работы. Дипломная работа состоит из введения, 3-х глав, заключения и перечня литературы.

В первой главе выполнен обзор использования информационных технологий на уроках физики при выполнении лабораторных и практических работ.

2-ая глава содержит короткие теоретические базы явлений, которые моделируются в лабораторных работах.

В третьей главе представлены виртуальные мультимедийные интерактивные установки по курсу «Атомная и ядерная физика».

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА УРОКАХ ФИЗИКИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ И ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

1.1 Применение компьютерных моделей в процессе обучения

В современном обществе внедрение информационных технологий становится нужным фактически в хоть какой сфере деятель человека. Овладение способностями этих технологий еще за школьной партой почти во всем описывает удачливость будущей проф подготовки сегодняшних учеников. процесс овладения этими способностями протекает еще эффективней, если происходит не только лишь на уроках информатики, а находит свое продолжение и развитие на уроках учителей-предметников. Этот подход выдвигает новейшие требования к подготовке учителя-предметника, ставит перед ним новейшие задачи, принуждает осваивать новейшую технику и создавать новейшие методики преподавания, основанные на использовании современной информационной среды обучения.

Развитие технологий во всех сферах людской деятель тянет за собой конфигурации в требованиях, предъявляемых к ученикам школы, а в особенности к выпускникам. Они должны не только лишь знать различные науки, да и творчески мыслить, уметь строить свою жизнь в быстроменяющемся информационном социуме. Потому возникает необходимость в новейшей модели обучения, построенной на базе современных информационных технологий, которые открывают способности вариативности учебной деятельности, ее индивидуализации и дифференциации.

Физика является одной из первых наук, в какой опыт употреблялся для получения новейших познаний и проверки научных теорий. Но опосля возникновения компов и внедрения информационных технологий в образовании, грань меж теоретической и экспериментальной физикой стала наименее ясной, потому что появился новейший вид опыта — виртуальный физический опыт.

Существует несколько подходов к созданию виртуальных лабораторных работ:

1. Виртуальные лабораторные работы разрабатываются с применением разных языков программирования (Delphi, Pascal, JavaScript и т. д.). Преимуществом данного подхода является наибольшая наполнение схематизированной когнитивной картины какого-нибудь предмета личными признаками за счет чего же оказывается вероятным движение от одной схемы к иной наиболее хорошей для решения определенных з конечного продукта к изучаемой дисциплине. Негативной чертой является большая трудозатратность разработки программного продукта.

2. Виртуальные лабораторные работы разрабатываются с применением современных инструментальных средств. Это более действенный и многообещающий подход, позволяющий в сжатый срок создать комплекс виртуальных лабораторных работ. Скорость разработок обоснована наличием огромного количества готовых средств для моделирования, интерфейсного и информационного заполнения[9].

Подготовка и проведение лабораторных работ требуют от педагога познаний неких методических особенностей, в значимой степени зависящих от наличия тех либо других устройств и инструментов.

В базу систематизации в системе отношений «учитель — виртуальная лаборатория — ученик» можно положить нрав модели (терминология позаимствована из хим анализа), который почти во всем описывает подходы к использованию:

Высококачественная — явление либо опыт, обычно сложные либо неосуществимые в критериях учебного заведения, поочередно воспроизводится на дисплее при управлении юзером (от анимации либо видео различается внедрением частей управления, что приближает к интерактивному видео).

Полуколичественная — в виртуальной лаборатории моделируется опыт, и изменение отдельных черт (к примеру, положение ползунка реостата в электронной цепи) вызывает конфигурации в работе установки, схемы, устройства (к этому типу относятся также имитационные стенды [2], на которых необходимо за ранее «собрать» установку либо схему).

Численная (параметрическая) — в модели численно данные характеристики изменяют зависящие от их свойства либо моделируют явления (ввод значений скорости и направления движения тела дозволяет получить график с траекторией и рядом рассчитанных черт).

Урочное внедрение виртуальных лабораторных работ по отношению к настоящим быть может таковым:

Демонстрационное (перед настоящей работой) внедрение: показать фронтально, с огромного экрана монитора либо через мультимедийный проектор последовательность действий настоящей работы; предпочтительны близкие к реальности высококачественные и полуколичественные модели.

Обобщающее (опосля настоящей работы) внедрение: передний режим (демонстрация, уточнение вопросцев, формулирование выводов и закрепление рассмотренного) либо личный (математическая сторона тестов, анализ графиков и цифровых значений, исследование модели как метода отражения и представления действительности; предпочтительны количественные, параметрические модели).

Экспериментальное (заместо настоящей работы) внедрение: личное (в малых группах) выполнение заданий в виртуальной лаборатории без выполнения настоящей работы, компьютерный опыт. Может производиться как с близкими к реальности полуколичественными 3D-моделями, так и с параметрическими.

Потенциал такового внедрения виртуальных практикумов высок.

исследование полуколичественной модели (и количественной, параметрической с неявной математической основой) представляет собой нетривиальную задачку, в которую вовлекаются различные умения: планировать созодать выводы на базе экспериментальных данных, формулировать задачки.

В особенности принципиальным и целесообразным является умение указывать границы (область, условия) применимости научных моделей…, включая исследование того, какие нюансы настоящего явления компьютерная модель воспроизводит успешно, а какие оказываются за гранью моделируемого.

Эффективность внедрения компьютерных моделей на уроках определяется также стилем, авторским почерком, нетривиальностью педагогического мышления применяющего их учителя, его готовностью к инноваторской деятель, индивидуализации и дифференциации обучения. естественно, есть группы обучаемых, данные наружной дифференциацией (к примеру, обучающиеся на дому либо экстерном, дистанционно, малыши с особенными потребностями), для которых лабораторные работы в компьютерном курсе могут быть весьма удачным (время от времени — единственно вероятным) решением. Но требуют разработки приемы направленного внедрения таковых работ, как с учетом специфичности потрясающего коллектива, так и по месту в изучаемом курсе[11].

1.2 Роль виртуального опыта в преподавании физики

Всем понятно, что в 90-е годы ослабла материально-техническая база почти всех школ. Но энтузиазм к физике не пропал. Внедрение компа в качестве действенного средства обучения значительно расширяет способности педагогических технологий: физические компьютерные энциклопедии, интерактивные курсы, различные программки, виртуальные опыты и лабораторные работы разрешают повысить мотивацию учащихся к исследованию физики. Преподавание физики, в силу особенностей самого предмета, представляет собой подходящую почву для внедрения современных информационных технологий. Одним из главных направлений внедрения информационных технологий на уроках физики — выполнение компьютерного физического лабораторного опыта[15].

Физический время лабораторных работ, они узнаютт закономерности физических явлений, знакомятся с способами их исследования, обучаются работать с физическими устройствами и установками, другими словами обучаются без помощи других добывать познания на практике. Но для проведения настоящего физического опыта, как демо, так и переднего нужно в достаточном количестве соответственное оборудование. В истинное время школьные физические лаборатории весьма слабо обустроены устройствами по физике и учебно-наглядными пособиями для проведения демо и передних лабораторных работ. Исключением являются только немногие школы при университетах либо технических центрах с надлежащими лабораториями. Имеющееся в школе оборудование не только лишь пришло в негодность, оно также морально устарело и имеется в недостающем количестве [1].

Виртуальные модели опыта возместят недочет оборудования в лаборатории школы. Определяются плюсы и недочеты всякого вида опыта. Настоящий и комбинированный опыты из-за значимых погрешностей измерений и огромного количества времени на подготовку и проведение нередко не могут служить источником познаний о физических законах, потому что выявленные закономерности имеют только приближенный нрав, часто верно рассчитанная погрешность превосходит сами измеряемые величины[15].

Очевидно, компьютерная лаборатория не может поменять реальную физическую лабораторию. И все таки выполнение компьютерных лабораторных работ просит определенных способностей, которые свойственны и для настоящего опыта — выбор исходных критерий, установка характеристик опыта и т.д. В большинстве интерактивных моделей предусмотрены варианты конфигураций в широких границах исходных характеристик и критерий опытов, варьирования их временного масштаба, также моделирования ситуаций, труднодоступных в настоящих опытах. Виртуальная среда компа дозволяет оперативно изменить постановку опыта, что обеспечивает значительную вариативность его результатов, а это значительно обогащает практику выполнения учащимися логических операций анализа и формулировки выводов результатов опыта. При его использовании можно вычленить основное в явлении, отсечь второстепенные причины, выявить закономерности, неоднократно провести испытание с изменяемыми параметрами, сохранить результаты и возвратиться к своим исследованиям в комфортное время. Ещё один положительный момент в том, что комп предоставляет неповторимую, не реализуемую в настоящем физическом опыте, возможность визуализации не настоящего явления природы, а его облегченной теоретической модели, что дозволяет стремительно и отлично отыскивать главные физические закономерности наблюдаемого явления. Не считая того, учащийся может сразу с ходом опыта следить построение соответственных графических закономерностей. Также нужно учесть, что далековато не все процессы, явления, исторические опыты по физике учащийся способен представить для себя без помощи виртуальных моделей. Интерактивные модели разрешают ученику узреть процессы в облегченном виде, представить для себя схемы установок, поставить опыты совершенно неосуществимые в настоящей жизни.

Но следует держать в голове, физика — наука о природе, а не о виртуальной действительности. Физические модели — это постоянно приближение к настоящей реальности. Потому компьютерные опыты не могут быть подменой настоящих, но могут дополнить их, посодействовать в их теоретическом осмыслении. Проводя такие опыты, стоит обременить задачей учащихся, обратив их внимание на то, что происходящие так реально на дисплее монитора движения и взаимодействия тел — всего только модель настоящих физических действий. Каждое положение тела на дисплее рассчитывается компом по законам физики, открытыми людьми и изучаемыми на этот момент на уроке[6].

Школа грядущего — это школа «информационного века». Основным в ней становится освоение каждым учеником самостоятельного, собственного познания, овладение возможностями творческого самовыражения. методика обучения физике постоянно была труднее методик преподавания остальных предметов. Внедрение компов в обучении физики, применение новейших информационных технологий, мультимедийных товаров деформирует методику ее преподавания как в сторону увеличения эффективности обучения, так и в сторону облегчения работы учителя. Это будет еще одним шагом к увеличению свойства обучения школьников и в итоге к воспитанию новейшей личности — ответственной, знающей, способной решать новейшие задачки, стремительно осваивать и отлично употреблять нужные для этого познания[4].

ГЛАВА 2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯВЛЕНИЙ, МОДЕЛИРУЕМЫХВ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТАХ

2.1 характеристики излучений

издавна понятно, что целый ряд ядер владеют способностью самопроизвольно распадаться и испускать частички. Такие ядра именуют радиоактивными. Разными качествами владеют б-, в-,г-излучения. Установлено исследовательскими работами, что б-частицы — это ядра гелия, в-частицы — электроны, г-излучение — кванты электромагнитного поля высочайшей частоты. Проникающая способность излучений и, как следует, толщина защитных экранов зависят от вида излучения, его энергии и материала защиты.

Заряженные частички (б, в), попадая в вещество, теряют энергию в соударениях с атомами этого вещества. В большинстве этих соударений часть энергии налетающей частички передается одному из электронов атома, в итоге чего же происходит возбуждение либо ионизация атома. Еще пореже импульс и кинетическая энергия частички передаются атому как целому — происходит упругое столкновение. Утрата энергии на единице пути назад пропорциональна квадрату скорости частички 1/2 и не зависит от ее массы. Потому, если б-частица и электрон имели схожую исходную энергию (т.е. скорость тяжеленной б-частицы в тыщи раз меньше скорости электрона), то утраты энергии б-частицы на три порядка выше. Из-за огромных утрат длина пробега б-частицы в веществе невелика, и несколько см воздуха — достаточная защита от б-излучения. Для поглощения излучения в-изотопа требуется экран шириной несколько мм, к примеру, алюминия либо меди.

Главными действиями взаимодействия г-излучения с энергией до 1 МэВ с веществом являются фотоэффект и комптоновское рассеяние. При фотоэффекте вся энергия кванта передается одному из атомных электронов, расположенных на внутренних оболочках (основное квантовое число n = 1 либо n = 2 ). Атом оказывается ионизированным, а г-квант исчезает. Возможность фотоэффекта пропорциональна пятой степени атомного номера вещества и убывает с энергией.

Комптоновское рассеяние — это по образному сопоставлению М.Борна «игра в бильярд фотонами и электронами». Происходит упругое рассеяние г- кванта на электроне. При всем этом часть энергии г-кванта передается электрону, и направление движения кванта изменяется. Если мы имеем узенький пучок излучения, то растерянный квант из пучка пропадает. Возможность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов, т.е. его атомному номеру. Все б-частицы, испускаемые ядрами 1-го типа, имеют схожую энергию. Вследствие большенный массы рассеиваются они слабо. В итоге зависимость числа прошедших частиц от толщины фильтра смотрится последующим образом: пока толщина х меньше пробега R число частиц постоянно (миниатюризируется их энергия ), а при x>R число б-частиц равно нулю.

Поглощение в-частиц и г-излучения отлично описывается экспоненциальным законом

(2.1.1)

где N- число частиц, попадающих в сенсор, установленный за фильтром; N0- число частиц, попадающих в сенсор, в отсутствии фильтра; м- коэффициент поглощения. Величина коэффициента м зависит от типа излучения (в, г), энергии излучения и материала поглотителя. Следует еще направить внимание на то, что N в формуле (1) — средняя величина.

Нейтроны — частички, составляющие вкупе с протонами ядра, нейтральны. Источником нейтронов быть может атомный реактор либо некие реакции. к примеру, обширно употребляются Pо-Be источники: ядра полония, распадаясь, испускают б-частицы, а крайние выбивают нейтроны из ядер бериллия б + Be =>n + C. Средняя энергия таковых нейтронов около 5 МэВ. Коэффициент поглощения нейтронов пропорционален площади ядра, умноженной на концентрацию ядер м = 4рR2n.

Если R=10-14 м, n=1025 1/м3, то м=10-2 1/м — величина маленькая. Потому для приметного ослабления потока нейтронов нужны огромные толщины защиты. Радиоактивные ядра могут испускать как один вид частиц, так и несколько сразу[5].

2.2 чувствительность фотоэлементов

Явление вырывания электронов из вещества под действием падающего света именуется фотоэлектрическим эффектом. Фотоэффект устанавливает конкретную связь меж электронными и оптическими явлениями. Различают наружный, внутренний и фотоэффект в запирающем слое.

Внутренний фотоэффект так же, как и наружный, возникает при облучении вещества светом с той только различием, что он сопровождается повышением проводимости материала либо появлением ЭДС на p-n-переходе (в запирающем слое). Таковой переход появляется во внутренней области кристаллического полупроводника, где изменяется тип легирующей примеси (с акцепторной на дырочную) и связанный с сиим тип проводимости (с дырочной на электрическую).

Если контакт меж полупроводниками p- и n-типа отсутствует, то уровни Ферми на их энергетических схемах размещены на разной высоте. В полупроводнике р-типа уровень Ферми размещен поближе к валентной зоне, а в n-типа — поближе к зоне проводимости. При появлении контакта происходит обмен носителями тока, в итоге которого уровни Ферми выравниваются. В приконтактной области появляется так именуемый запирающий слой, обедненный главными носителями тока: электронами со стороны электрического полупроводника, дырками со стороны электрического полупроводника. Ионы примесей этого слоя делают положительный большой заряд в n-области и отрицательный — в р-области. Меж р- и n-областями возникает контактная разность потенциалов, препятствующая движению главных носителей. Если в отсутствии освещения закоротить внешние концы 2-ух областей p- n-перехода, то тока в цепи не будет. Это значит, что в состоянии равновесия суммарный ток, сделанный движением главных и неосновных носителей через контактный переход, равен нулю. При освещении полупроводника n-типа фотонами, владеющими нужной энергией, образованные светом дырки проходят запирающий слой в оборотном направлении и, скапливаясь на наружной границе p-полупроводника, делают постоянную разность потенциалов U. Если сейчас соединить проводником обе граничные поверхности, то через него потечет ток. Эта разность потенциаловU является электродвижущей силой по отношению и замкнутой цепи. Эта ЭДС делает в проводнике фотоэлектрический ток I, который пропорционален падающему световому сгустку Ф.

Приборы, в каких фотоэффект употребляется для перевоплощения энергии света конкретно в электронную, именуются фотоэлементами с запирающим слоем либо вентильными фотоэлементами. Они употребляются в качестве солнечных батарей на искусственных спутниках Земли, в качестве индикаторов радиоактивного излучения, в целях контроля и автоматического управления разными действиями.

Поток света Ф просто проходит через слой р-типа и поглощается слоем n-типа. Если фотоэлемент соединить проводниками с микроамперметром, то он покажет фототок I. Фототок I пропорционален световому сгустку Ф

I = гФ,(2.2.1)

где г- интегральная чувствительность фотоэлемента (основная его черта).

Ф=ES,(2.2.2)

Где Е-освещенность фотоэлемента; S-площадь кремния р-типа, на которую падает световой поток.

Подставим (2.2.2) в (2.2.1), получим:

(2.2.3)

В (2.2.1) и (2.2.3) обычно фототок определяют в микроамперах, освещенность — в люксах, световой поток — в люменах. Тогда в СИ чувствительность фотоэлемента имеет размерность

[г] = мкА/лм

Интегральная чувствительность — величина фототока, отнесенная к одному люмену потока световой энергии.

Величина интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов имеет

Если фотоэлемент поочередно освещать разными монохроматическоими источниками, излучающими схожую энергию, то величина фототока будет зависть от длины волны падающего света. Потому, вместе с интегральной чувствительностью, вводится понятие спектральной чувствительности.

Спектральная чувствительность гл измеряется отношением силы фототока к величине падающего на фотоэлемент потока световой энергии Флв узеньком интервале длин волн от л до л+ Дл

(2.2.4)

Простой метод получения спектральной свойства фотоэлемента состоит в том, что на крайний направляют с помощью монохроматора свет схожей интенсивности, но разной длины волны и определяют подобающую величину фототока.

Поток световой энергии (из формулы (2.2.4)) пропорционален rл. Коэффициент пропорциональности зависит от почти всех тяжело учитываемых причин, как то: утраты света в монохроматоре, ширины входной и выходной щелей, потемнение со временем баллона лампы накаливания и т.п.

Отсюда, спектральная чувствительность фотоэлемента определяется в относительных единицах: [10].

2.3 Неизменная Планка

Неизменная Планка h, ћ- одна из главных физических неизменных; охарактеризовывает область квантовых явлений. Величина h равна (6,626176± 0,000036)·10-27эрг·с. Употребляют также величину ћ = h / 2р = (1,0545887±0,000007) ·10-27 эрг ·с.

Неизменная Планка введена германским учёным М. Планком в теорию излучения в 1900 г. Он представил, что излучающие системы (осцилляторы) испускают энергию отдельными порциями, равными е = hн, где н — частота излучения. В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что электромагнитное излучение состоит из отдельных частиц — фотонов, энергия которых даётся приведённой выше формулой, а импульс

.

В теоретической физике почаще употребляется радиальная частота щ = 2рн и волновой вектор k (|k| = 2р/л ), так что е= ћщ, p = ћk. Согласно квантовой механике, энергия и импульс всех частиц (электронов, ядер, атомов, молекул и др.) соединены с частотой и волновым вектором волновой функции, описывающей движение частиц, теми же соотношениями.

В согласовании с принципом неопределённости, согласно которому нереально сразу найти импульс частички р и её положение х, неизменная Планка устанавливает малое

Традиционная механика рассматривается как предельный вариант квантовой механики, когда постоянную Планка можно считать малой по сопоставлению с произведением соответствующего импульса на размер передвигающихся тел. Величина неизменной Планка ограничивает область применимости не только лишь традиционной механики, да и традиционной электродинамики. В электродинамике квантовые явления стают существенными при условии, что напряжённость электронного либо магнитного поля превосходит величину me2c3 / ћe.

Неизменная Планка описывает величину единичной ячейки фазового объёма (2рћ)3. Число отдельных квантовых состояний в определённом интервале энергий равно фазовому объёму традиционной системы, делённому на (2рћ)3 для одной частички либо на (2рћ)3k для k частиц[12].

2.4 законрадиоактивного распада

Способность ядер самопроизвольно распадаться, испуская частички, именуется радиоактивностью. Радиоактивный распад — статистический процесс. Конкретное радиоактивное ядро может распасться в хоть какой момент, и закономерность наблюдается лишь в среднем, в случае распада довольно огромного количества ядер. Возможность распада ядра в единицу времени л именуется неизменной распада.

Если в образчике в момент времени t имеется N(t)радиоактивных ядер, то количество ядер dN, распавшихся за время dt пропорционально N(t).

dN = -лN(t)dt(2.4.1)

Проинтегрировав (2.4.1) получим

N(t) = N0e-л·t,

где No — количество радиоактивных ядер в момент времени t = 0.

время, за которое первоначальное количество радиоактивных ядер уменьшится вдвое, именуется периодом полураспада T1/2

Среднеe время жизни ф

Активность эталона A- среднее количество ядер эталона, распадающихся в единицу времени

A(t) = лN(t)

Распад начального ядра 1 в ядро 2, с следующим его распадом в ядро 3, описывается системой дифференциальных уравнений

(2.4.2)

гдеN1(t) и N2(t)- количество ядер, а л1и л2-постоянные распада ядер 1 и 2 соответственно. Решением системы (2.4.2) с исходными критериями N1(0) = N10; N2(0) =0 будет

Еслил1>>л2 в исходный период времени , то активности A1(t)и A2(t)первого и второго изотопов описываются соотношениями

В предстоящем активности, как первого, так и второго изотопов будут изменяться во времени идиентично.

Другими словами устанавливается так называемое вековое равновесие, при котором число ядер изотопов в цепочке поочередных распадов соединено с неизменными распада (периодами полураспада) обычным соотношением.

Потому в естественном состоянии все изотопы, на генном уровне связанные в радиоактивных рядах, обычно находятся в определенных количественных соотношениях, зависящих от их периодов полураспада[5].

2.5 Главные законы фотоэффекта

Фотоэлектрические явления появляются при поглощении веществом электромагнитного излучения оптического спектра. К сиим явлениям относится и наружный фотоэффект.

Наружным фотоэффектом именуют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света.

Явление наружного фотоэффекта открыто в 1887 г. Герцем, а детально изучено Столетовым. Теория фотоэффекта на базе квантовых представлений сотворена Эйнштейном.

исследование явления наружного фотоэффекта можно проводить при помощи установки, схема которой изображена на рисунке 2.5.1.

Рис. 2.5.1 — Схема установки

Катод через кварцевое стекло освещается светом. Под действием света из катода вырываются электроны (именуемые фотоэлектронами), которые летят к аноду (положительно заряженному электроду) и образуют фототок, регистрируемый миллиамперметром

При помощи таковой установки, используя электроды, сделанные из различных материалов, снимались вольт-амперные свойства (ВАХ) при разных значениях падающего светового потока Ф. ВАХ -зависимость силы фототокаI от напряжения U меж электродами ( анодом и катодом). Вид таковой зависимости представлен на рисунке 2.5.2.

Рис. 2.5.2 — ВАХ зависимости силы фототока от напряжения

Из вольт-амперной свойства видно, что:

при отсутствии напряжения меж электродами фототок отличен от нуля. Как следует, фотоэлектроны при вылете с поверхности владеют кинетической энергией.

при неком напряжении меж анодом и катодом фототок добивается насыщения (Iн).

при неком задерживающем напряжении(Uз) фототок прекращается

ток насыщения соответствует тому состоянию, когда все фотоэлектроны, покидающие материал за 1 с, добиваются анода.

Работа задерживающего электронного поля определяется наибольшей кинетической энергией фотоэлектронов:

Обобщение экспериментальных результатов привело к установлению ряда законов фотоэффекта:

1-ый законфотоэффекта. Монохроматическое излучение, освещающее катод, состоит из потока фотонов с энергией е = h·н. При содействии излучения с веществом атом, находящийся в поверхностном слое, поглощает фотон полностью. При всем этом он может издержать его на испускание электрона. При облучении сплава светом происходит огромное число таковых простых актов фотоэффекта. Энергия светового пучка складывается из энергий отдельных фотонов. Световой поток пропорционален числу фотонов: Ф ~ h·н·nф. С повышением числа фотонов (светового потока) вырастает число электронов nэ, покинувших сплав и участвующих в разработке фототока. Сила тока насыщения пропорциональна числу электронов I ~nэ, как следует, ток насыщения пропорционален световому сгустку: Iн ~ Ф.

2-ой законфотоэффекта. При поглощении электроном фотона часть энергии фотона тратится на совершение работы выхода Авых, а остальная часть составляет кинетическую энергию фотоэлектрона. На базе закона сохранения энергии можно записать уравнение для фотоэффекта (уравнение Эйнштейна):

(2.5.1)

Из формулы (2.5.1) видно, что кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света. 3-ий законфотоэффекта. При уменьшении энергии фотона миниатюризируется кинетическая энергия фотоэлектронов. При неком значении частоты света (n0) энергии фотона хватает лишь на работу выхода. Соотношение (2.5.1) воспримет вид: h·н0 = Авых. Если же h·н0 < Авых, то электрон не может покинуть сплав. Фотоэффект не происходит. Эта частота н0и будет красноватой границей фотоэффекта. Таковым образом, квантовая теория света стопроцентно разъясняет явление наружного фотоэффекта. Тем было получено экспериментальное доказательство того, что свет кроме волновых параметров владеет также и корпускулярными качествами[10].

2.6 Диапазоны излучения

Теория Бора дозволяет найти энерго уровни атома водорода. значения энергии, надлежащие сиим уровням, совершенно точно определяют частоты квантов, которые может излучить атом водорода, и надлежащие сиим частотам длины волн. Квантовая теория строения атома, основанная на постулатах Бора, дозволила получить формулу для расчета значений энергии, соответственных различным энергетическим уровням электрона в атоме водорода, и найти расчетным методом частоты квантов, излучаемых атомом водорода. Это выражение совпадает с известной формулой Бальмера, а коэффициент R носит заглавие неизменной Ридберга. Обобщенная формула Бальмера дозволяет высчитать частоты квантов, излучаемых атомами водорода. Вероятные переходы электрона в атоме с 1-го энергетического уровня на иной условно делят на серии

h = En-Em

,

где R — неизменная Ридберга; R = 3,29·1015 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)

Переходы электронов в атоме водорода из возбужденных состояний на 1-ый уровень образуют серию Лаймана, на 2-ой уровень — серию Бальмера, на 3-ий уровень Пашена и так дальше. Эти наименования даны по фамилиям ученых, изучавших излучение атомов водорода. Если при помощи призмы либо дифракционной сетки разложить излучение атома водорода в диапазон, то на дисплее будут различаться только отдельные цветные полосы, разбитые широкими темными полосами. Диапазон подобного вида именуют линейчатым. Любая линия этого диапазона соответствует излучению определенной длины волны. А эти длины волн соответствуют тем частотам, на которых испускает атом водорода. Диапазон испускания атома водорода в видимой части диапазона содержит лишь полосы серии Бальмера, которые соответствуют переходам электрона на 2-ой энергетический уровень. Полосы серии Лаймана находятся в ультрафиолетовой части диапазона, а полосы серии Пашена в инфракрасной части диапазона. За длительное время до зарождения квантовой физики из тестов было установлено, что диапазоны излучений, испускаемых атомами разных веществ, очень многообразны. Любому хим элементу отвечает собственный диапазон испускания, так как длины волн в диапазоне излучения определяются только качествами атомов данного элемента. Диапазоны газов, состоящих из атомов, — линейчатые. При всем этом атомы различных газов дают излучения различных длин волн, и потому полосы в их диапазонах не совпадают. Квантовая теория показала, что длины волн в диапазонах излучения атомов определяются энергетическими уровнями, соответствующими для данного атома. По виду диапазона испускания можно выяснить, какие конкретно атомы источают свет.

Рис. 2.6.1 — Диапазоны излучения атома

Эту задачку решает спектральный анализ — экспериментальный способ определения хим состава вещества по излучаемому им диапазону.

Для этого употребляют спектральные длины волн в диапазонах излучения атомов определяются энергетическими уровнями, соответствующими для данного атома. По виду диапазона испускания можно выяснить, какие конкретно атомы источают свет.

Для этого употребляют спектральные аппараты, к примеру, спектрометры и спектроскопы. Разглядим схему спектроскопа, который употребляется для определения хим состава вещества по его диапазону.

Направленное в спектроскоп излучение попадает в трубку, сначала которой имеется узенькая щель, а в конце — 1-ая собирающая линза.

Длина трубки такая, что щель находится в фокальной плоскости данной для нас линзы, потому расходящийся световой пучок, падая из щели на первую линзу, выходит из нее в виде параллельного пучка.

Призма разлагает этот пучок на параллельные пучки различного цвета, не совпадающие вместе по фронтам.

2-ая линза фокусирует на установленном в ее фокальной плоскости экране ряд цветных полосок, соответственных пучкам разных цветов.

Таковым образом, изображение щели на дисплее представляет собой диапазон данного излучения. Благодаря спектральному анализу удалось решить почти все научные задачки, к примеру, найти хим состав Солнца и звезд. Обширно применяется этот способ и в технике.

Благодаря применению спектрального анализа был открыт гелий, при этом, поначалу на солнце, а уже позднее — в атмосфере Земли. Вот почему заглавие этого хим элемента происходит от слова «гелиос» — Солнце. Диапазоны атомарных газов линейчатые, а твердые тела и воды дают сплошные диапазоны.

Атомы, объединенные в молекулы, могут давать так именуемые полосатые диапазоны, в каких любая полоса представляет собой совокупа линий, расположенных весьма близко друг к другу. Но, в любом случае, для того, чтоб атом источал, поначалу ему нужно сказать энергию, чтоб он перебежал в возбужденное состояние.

При более всераспространенном виде излучения — термическом излучении — переход в возбужденное состояние осуществляется за счет энергии термического движения частиц вещества.

В итоге термического движения частички вещества могут сталкиваться и при всем этом обмениваться энергией. Если количество энергии, приобретенной атомом либо молекулой довольно велико, то атом либо атомы в молекуле перебегают в возбужденное состояние и потом источают квант электромагнитной энергии[8].

ГЛАВА 3. ВИРТУАЛЬНЫЕ МУЛЬТИМЕДИЙНЫЕ ИНТЕРАКТИВНЫЕ УСТАНОВКИ ПО (то есть программное обеспечение — комплект программ для компьютеров и вычислительных устройств) КУРСУ «АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА»

3.1 Дифракция фотонов на щели. Соотношение неопределенностей для фотонов

Цель работы: экспериментальное доказательство выполнения соотношения неопределенности для фотонов.

Приборы и принадлежности: гелий-неоновый лазер, щель с регулируемой шириной, экран, измерительная шкала [7].

Рис. 3.1.1 — интерфейс лабораторной работы №1

Короткая теория

Пусть плоская волна cos(щt ? kz) падает на щель шириной a. Опосля щели световые волны распространяются во различных направлениях. Большая часть энергии проходящей волны приходится на сектор углов 0 < б < б1, где угол б1, отвечающий направлению на 1-ый минимум, подчиняется интерференционному условию:

a sin б1 = л.

(3.1.1)

Соотношение (3.1.1) описывает условную границу б = б 1 диапазона плоских волн на выходе из щели. Беря во внимание, что излучение рассеивается как на огромные, так и на наименьшие углы, можно записать последующее волновое условие неопределенности:

a sin б < л,

(3.1.2)

которому подчиняются углы для большей части плоских волн, рассеянных на щели.

Рис. 3.1.2 — Распределение интенсивности по углам для различных щелей

Неравенство (3.1.2) относится к волнам хоть какой физической природы. Оно показывает, что сужение щели непременно сопровождается уширением диапазона направлений, в каком сосредоточено дифракционное поле. В качестве примера на рисунке 3.1.2 показано распределениеинтенсивности по углам для 2-ух щелей разной ширины. Из рисунка видно,что при увеличении ширины щели вдвое, другими словами при б2 = 2б1, интервал значений sinб, отвечающий центральному максимуму сокращается вдвое.

Рассматриваемое соотношение можно записать по другому, если представить электромагнитную световую волну как поток фотонов с энергией E =hc/л и импульсом p =h/л. Пусть падающие фотоны имеют лишь z — компоненту импульса: p0 =h/ л

Опосля прохождения через щель у фотонов возникает X компонента импульса (рис. 3.1.3):

px=h sinц/ л

Для фотонов, отклонившихся на различные углы, значения px различны. В силу (3.1.2) имеем:

apx ? h. (3.1.4)

Это соотношение обычно записывают в виде:

Рис. 3.1.3 — Возникновениеx-компоненты импульса

ДxДpx ? h, (3.1.5)

гдеДx = a — область локализации (неопределенность местоположения) фотонов в плоскости экрана z = 0, а px=h sinц/л неопределенность составляющие импульса.

Соотношение (3.1.5) указывает, что произведение неопределенности координаты на неопределенность соответственного ей импульса имеет величину порядка h = 6, 62 · 10?34Дж/с. Чем поточнее определена одна из этих величин, к примеру чем уже щель, через которую проходят фотоны, тем неопределеннее становится импульс px, и, напротив, чем обширнее щель (Дx > ?), тем определеннее импульс (Дpx > 0). Разумеется, если одна из величин x либо p имеет полностью определенное

В данной работе соотношение неопределенности (3.1.5) проверяется экс-периментально для фотонов. На опыте меняется ширина щели, харак-теризующая неопределенность координаты фотона Дx, и ширина дифрак-ционной картины, характеризующая неопределенность поперечного импульса фотона Дpx [12].

Ход работы

Испускаемый гелий-неоновым лазером пучок света проходит через калиброванную щель и попадает на экран, на котором имеется измерительная шкала (рис. 3.1.3).

Рис. 3.1.4 — Вид работы

Установить размер щели 0,01 мм получить колоритную дифракционную картину. Изменяя размер щели a от 0,01 до 0, 005 мм через любые 0, 001 мм, проведите не наименее 3 измерений, которые заключаются в определении ширины 2D головного максимума дифракционной картины приобретенной на дисплее.

Определите ширину головного максимума методом подсчета числа делений на измерительной шкале, которая нанесена на экран.

Для роста точности измерений установите калибровочную щель на расстоянии не наименее 1 м от экрана. Ширину максимума обусловьте по серединам черных полос, окаймляющих максимум.

Результаты измерения a, D (половина ширины головного максимума) внесите в таблицу. Постройте график зависимости полуширины головного максимума D от размера щели a.

F= a*D/л*L

Вычислите величину F по формуле:

л — длина волны излучения гелий-неонового лазера,

L- расстояние от щели до экрана.

Постройте график зависимости F (a) с учетом погрешности. Сделайте выводы.

Контрольные вопросцы

Выведите соотношение неопределенностей Гейзенберга из критерий дифракции света.

Какие величины могут быть соединены соотношением неопределенности?

В чем заключается физический смысл соотношений неопределенности?

Обоснуйте при помощи соотношения неопределенностей, что электрон не может заходить в состав атомного ядра [7].

3.2 Определение неизменной Планка

Цель работы: определение неизменной Планка на базе измерения напряжения включения полупроводникового лазера и длины волны излучаемого им света.

Приборы и принадлежности: лазер, экран с нанесенной измерительной шкалой, дифракционная сетка [14].

Рис. 3.2.1 — интерфейс лабораторной работы №2

Короткая теория

Как понятно, разрешенные значения энергии электронов в атоме разделены друг от друга широкими областями нелегальных энергий. При объединении атомов в жесткое тело энерго состояния электронов изолированных атомов меняются. Заместо разрешенных энергетических уровней появляются энерго полосы, либо зоны разрешенных значений энергии, которые как и раньше остаются разделенными друг от друга областями, надлежащими нелегальным значениям энергии. В большей степени это касается наружных, валентных электронов, которые слабее соединены со своими ядрами.

Подобно тому, как в изолированном атоме электроны могут совершать переходы меж энергетическими уровнями, электроны в кристаллах могут перебегать из одной зоны в другую. В примесных полупроводниках, как электрических, так и дырочных, таковой переход осуществляется под действием электронного поля источника тока. Оборотный процесс перехода электрона может сопровождаться излучением кванта света.

Излучение света при переходе электрона из состояния с наиболее высочайшей энергией в состояние с наименьшей энергией лежит в базе работы светодиодов и полупроводниковых лазеров.

Для того чтоб электрон мог совершить переход в разрешенное состояние с наиболее высочайшей энергией, он должен приобрести в электронном поле энергию, равную ширине нелегальной зоны. Энергия, приобретаемая электроном в электронном поле, составляет e•U. Энергия фотона h•н, излучаемого при оборотном переходе электрона в нижнее электронное состояние также примерно равна ширине нелегальной зоны. Таковым образом, можно записать, что h•н =e•U, где h- неизменная Планка, н- частота света, излучаемого полупроводниковым переходом, е — заряд электрона, U- напряжение, приложенное к p-n-переходу.

Таковым образом, для определения неизменной Планка нужно измерить длину волны излучаемого полупроводниковым устройством света и измерить напряжение, при котором p-n-переход начинает источать световые кванты.

В предлагаемом опыте длина волны излучения определяется при помощи дифракционной сетки с известным числом штрихов (d = 10-5). Если падающий луч перпендикулярен поверхности сетки (угол падения равен нулю), то длина волны излучения л, период сетки d, угол ц и порядок k дифракции соединены соотношением:dsin = kл [12].

Ход работы

1. Лазер и дифракционную сетку (d = 10-5) располагают так, чтоб пятно лазерного света при снятой дифракционной сетке совпадало с нулем шкалы экрана, а опосля установки сетки в муфте на дисплее возникла точная дифракционная картина.

2. Определите расстояние а от экрана до дифракционной сетки по шкале и расстояние б от нулевого деления шкалы экрана до первого порядка дифракции. Вычисляют sin б по формуле:

.

Таблица 3.2.1

№

d, м

a, м

b, м

л, м

лср,м

1

2

3

3. Дальше обусловьте длину волны излучения по формуле , где d-постоянная сетки. Произвести три измерения.

4. Плавненько уменьшайте напряжение на лазере, отмечая его момент можно считать равным пороговому напряжению включения лазера. Рассчитывают постоянную Планка на базе соотношения h•н = e•U по формуле:

,

где с — скорость света. Произвести три измерения.

Таблица3.2.2

№

Uмин

Uмин.ср

1

2

3

3.3 Определение чувствительности фотоэлемента

Цель работы: определение интегральной и спектральной чувствительности полупроводникового фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: миллиамперметр, линейка, лампа, фотоэлемент [11].

Рис. 3.3.1 — интерфейс лабораторной работы №3

Короткая теория

Внутренний фотоэффект возникает при облучении светом полупроводников либо диэлектриков. Под действием света электропроводимость этих веществ возрастает за счет возрастания в их числа вольных носителей тока — электронов проводимости и дырок. Если энергия фотона е = hх достаточна для того, чтоб при её поглощении электрон перебежал из валентной зоны в зону проводимости, то в зоне проводимости возникают электроны, а в валентной зоне — дырки, т.е. возрастает число носителей тока.

Внутренний фотоэффект в паре из электрического n-типа и дырочного р-типа полупроводников (либо сплава и полупроводника) именуется вентильным фотоэффектом.

Вентильный эффект возникает в тех полупроводниках, у каких меж полупроводниками р- и n-типа (либо сплава и полупроводником) поблизости поверхности контакта появляется запирающий слой, владеющий однобокой проводимостью. Односторонняя проводимость проявляется в том, что ток через запирающий слой фактически идет в одном направлении.

При освещении светом области контакта в данной для нас области, вследствие внутреннего фотоэффекта, увеличивается число вольных носителей тока, и как следствие, возникает фотоэлектродвижущяя сила. Возникающая ЭДС пропорциональна световому сгустку Ф.

Приборы, в каких фотоэффект употребляется для перевоплощения энергии света в электронную энергию, именуются фотоэлементами. Селеновый фотоэлемент изображен на рис.3.3.2. Стальная пластинка М, служащая одним из электродов, и нанесенный на неё узкий слой селена А, покрыт узкой полупрозрачной пленкой золота С, служащей вторым электродом, соединены внутренней цепью, в которую включен гальванометр G. На границе меж селеном и золотом появляется запирающий слой В. При освещении селена — селен и металлический электрод заряжается положительно, а 2-ой электрод — золото — негативно. В итоге возникает ЭДС, гальванометр покажет наличие тока в цепи.

Рис. 3.3.2 — Схема устройства

чувствительность фотоэлемента К равна отношению тока i, текущею в цепи фотоэлемента к величине падающего на него светового потока Ф,

Если площадь светочувствительного слоя фотоэлемента S, тo Ф = Е·S, где Е — освещенность поверхности фотоэлемента. Если световой поток падает нормально к поверхности, то

где I — сила света источника, R — расстояние меж источником света и фотоэлементом, тогда

чувствительность фотоэлемента определяют по графику i = I (Ф) в таковой области, когда стрелка гальванометра отклоняется наиболее чем на одну вторую шкалы устройства [12].

Ход работы: 1. В предлагаемом опыте фоточувствительность поверхности S = 9,2 см2, сила света лампы I = 2 кд. 2. Зажгите лампу, нажав клавишу «ВКЛ». 3. Изменяя расстояние R меж лампой и фотоэлементом в границах от 21 см до 4 см, определите фототок элемента i. Внесите приобретенные результаты в таблицу. 4. По формуле вычислите плотность светового потока Ф и постройте график функции i = f(Ф).

Таблица 3.3.1

Величина

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

R (см)

i (мкА)

R2 (см2)

Ф (лм)

3.4 Определение резонансного потенциала способом Франка и Герца

Цель работы: исследование зависимости анодного тока газонаполненной лампы (триода) от напряжения катод-сетка с максимумами и минимумами, соответствующими для опыта Франка-Герца, на дисплее осциллографа.

Приборы и принадлежности: манометрическая лампа ПМИ-2, измерительное устройство, осциллограф [6].

Рис. 3.4.1 — интерфейс лабораторной работы №4

Короткая теория

Одним из обычных опытов, подтверждающих существование дискретных уровней энергии атомов, является случае криптон, заполняет трехэлектродную лампу. Электроны, испускаемые разогретым катодом, ускоряются в неизменном электронном поле, сделанном меж катодом и сетью лампы. Передвигаясь от катода к сетке, электроны сталкиваются с атомами криптона.

Рис. 3.4.2 — Схема установки опыта Франка и Герца

Если энергия электрона, налетающего на атом, недостаточна для того, чтоб перевести его в возбужденное состояние (либо ионизовать), то вероятны лишь упругие соударения, при которых электроны практически не теряют энергии, потому что их масса в тыщи раз меньше массы атомов.

По мере роста разности потенциалов меж сетью и катодом энергия электронов возрастает и, в конце концов, оказывается достаточной для возбуждения атомов. При таковых — неупругих — столкновениях кинетическая энергия налетающего электрона передаётся одному из атомных электронов, вызывая его переход на вольный энергетический уровень (возбуждение ) либо совершенно отрывая его от атома (ионизация). Третьим электродом лампы является анод. Меж ним и сетью поддерживается маленькое задерживающее напряжение (потенциал анода меньше потенциала сетки). ток коллектора, пропорциональный попадающих на него за секунду электронов, измеряется микроамперметром.

]]>