2880

Атомное ядро. Радиоактивность. Элементарные частицы

Контрольная

Физика

Атомное ядро Основная масса материи в атоме не распределена равномерно по объёму атома, а сконцентрирована в плотном ядре, размер которого (~10-15 м) составляет одну стотысячную часть размера самого атома. Плотность ядерного вещества очень велика . ...

Русский

2012-10-20

1.59 MB

9 чел.

Атомное ядро

Основная масса материи в атоме не распределена равномерно по объёму атома, а сконцентрирована в плотном ядре, размер которого (~10-15 м) составляет одну стотысячную часть размера самого атома. Плотность ядерного вещества очень велика .

Ядро имеет положительный заряд, кратный элементарному заряду  е. и соответствующие спину ядра механический и магнитный моменты.

Взаимодействие магнитных моментов электронов атома и его ядра приводит к расщеплению спектральных линий излучения атома, равному   , что обусловливает сверхтонкую структуру оптического спектра атома.

 Состав ядра – нуклоны (протоны и нейтроны).

 Протон – р – стабильная частица (время жизни - ), ядро атома водорода, обладает положительным зарядом  е  и массой

тр = 1,67265.10-27 кг = 1,00729 а.е.м. = 1836,15 те = 938,28 МэВ.

Спин протона  S = .

Собственный магнитный момент   , где

Дж/Тл  - ядерный магнетон.

Собственный магнитный момент протона приблизительно в 660 раз меньше собственного магнитного момента электрона.

 Нейтрон – п – электрически незаряженная элементарная частица с массой

тп = 1,67495.10-27 кг = 1,00898 а.е.м. = 1838,68 те = 939,55 МэВ.

Спин нейтрона  S =  .

Собственный магнитный момент  . Знак минус указывает, что механический и магнитный моменты нейтрона имеют противоположное значение.

 

В свободном состоянии нейтрон нестабилен ( среднее время жизни мин) и самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон и антинейтрино

.

23 – 2

Характеристики  атомного  ядра

 Zзарядовое число равное количеству протонов в ядре и являющееся атомным номером в таблице Менделеева.

 Амассовое число равное количеству нуклонов в ядре.

 N =(AZ) – число нейтронов в ядре.

Символически записывают AXZ , например,  238U92.

Поскольку для числа  Z  существует только один символ химического элемента, его часто не указывают. Например,  238U.

Конкретные атомы с данным числом протонов и нейтронов называют нуклидами.

Нуклиды с одинаковым числом протонов называют изотопами. Атомы изотопов обладают практически очень близкими физико-химическими свойствами, за исключением некоторых случаев. Сильнее всего это различие у трёх нуклидов: 1Н1 ,  2Н1 (дейтерий), 3Н1 (тритий). Ядра дейтерия и трития называют – дейтрон (d)  и  тритон  (t) .

В настоящее время известно около  1500 различных ядер с  Z  от  1  до  117 и  А  от  1  до  271. Примерно   часть этих ядер устойчивы. Многие ядра с  Z  от 93  до  115  были получены искусственным путём посредством ядерных реакций.

Размеры ядер зависят от числа содержащихся в них нуклонов.

В первом приближении ядро можно считать сферическим и при  А > 10 эффективный радиус большинства ядер довольно точно определяется формулой

R = 1,3.А1/3 Ф,   где

Ф = 1 фм = 10-15 м – ферми (название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной одному фемтометру.

 Спин ядра – I . Он слагается из спинов нуклонов и их орбитальных моментов. Спин нуклона равен   , поэтому спин  I  ядра может быть как целым, так и полуцелым – в зависимости от числа нуклонов.

В основных состояниях всех стабильных ядер  . Это указывает на то, что моменты импульса большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь «антипараллельно».

У всех ядер с чётными числами протонов и нейтронов спин основного состояния  I = 0.

Масса  и  энергия  связи  ядра

Масса ядра не является аддитивной величиной – она не равна сумме масс образующих ядро нуклонов. Причиной является сильное взаимодействие нуклонов в ядре.

23 – 3

 Из-за этого взаимодействия для полного разделения ядра на отдельные свободные нуклоны необходимо произвести минимальную работу, которая и определяет энергию  связи  ядра   Есв .

Наоборот, при образовании ядра из свободных нуклонов эта энергия выделяется (в виде, например, электромагнитного излучения).

Если выразить массы нуклонов и ядра в энергетических единицах, то

Есв = Z.mp + N.mnmЯ

Так как в таблицах приводятся  массы  не ядер, а нуклидов то на практике пользуются формулой

Есв = Z.mH + N.mnma  , где

тН – масса нуклида  1Н.

тaмасса нуклида, соответствующего массе ядра.

Если имеются таблицы дефектов масс нуклидов то пользуются формулой

Есв = Z.H + N.n -a ,   где

Н = (тН – 1) а.е.м. ,          ∆п = (тп – 1) а.е.м. ,              ∆a = (maA) а.е.м. ,

1 а.е.м. = 931,5 МэВ

За  «начало отсчёта» принят нуклид  12С, дефект массы которого равен нулю.

 Удельной энергией связи  называют энергию, приходящуюся в среднем на один нуклон, т.е.  (  ) . Эта величина характеризует  меру прочности ядра :  чем больше   ,  тем ядро прочнее.

Работа, необходимая для расщепления ядра массы  т  на две частицы с массами  т1  и  т2  равна энергии связи этих частиц в исходном ядре

АР = Есв = ∆1 + ∆2 - ∆a     или     АР = Есв = Есв я (Есв1 + Есв2).

Рассмотрим график зависимости    от массового числа   А.

Наиболее прочными являются ядра с массовыми числами   А~ 5060, т.е. элементов от  Cr  до  Zn.

Как с ростом, так и с уменьшением   А   удельная энергия связи уменьшается, и тяжёлым ядрам становится энергетически выгодным делиться, образуя при этом более прочные ядра, а лёгким ядрам, наоборот выгодно сливаться друг с другом.

23 – 4

 В обоих случаях выделяется энергия. Например, при делении ядра  235U – около 200 МэВ ( в основном в виде кинетической энергии разлетающихся под действием кулоновских сил отталкивания осколков).

А при слиянии дейтрона с тритоном  (d + t = α + n)  происходит синтез α-частиц    (4Не)  с выделением энергии  17,6 МэВ. В первом случае выделяемую энергию называют атомной  , во втором – термоядерной. На единицу массы во втором случае выделяется в 5 раз больше энергии, чем в первом.

Ядерные  силы

Огромная энергия связи нуклонов в ядрах (по сравнению с энергией связи электронов в атоме ~ 10 эВ) означает, что между нуклонами действуют мощные ядерные силы притяжения, по сравнению с которыми электромагнитные силы отталкивания в сотни раз слабее.

 Особенности ядерных сил:

1) Радиус действия ~ 10-15 м (короткодействующие). На существенно меньших расстояниях притяжение нуклонов сменяется их отталкиванием. На больших расстояниях ядерные силы не проявляются.

2) Зарядовая независимость, что проявляется в одинаковости сил взаимодействия нуклонов   п-п,   р-р,   п-р.

3) Эти силы не являются центральными, т.к. зависят от ориентыции спинов нуклонов.

4) Обладают свойством насыщениякаждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом ближайших нуклонов.

Механизм  взаимодействия  нуклонов:

Согласно классической физике взаимодействие между частицами осуществляется посредством силовых полей.

Квантовая физика не изменила такое представление, но учла квантовые свойства самого поля: всякому полю должна соответствовать определённая частица – квант поля, которая и является переносчиком взаимодействия. Один из взаимодействующих нуклонов испускает квант поля, другой его поглощает.

Существенно, что обмен частицами лежит в основе вообще всех взаимодействий и является фундаментальным квантовым свойством природы (например, электромагнитные взаимодействия осуществляются путём обмена фотонами).

При взаимодействии нуклонов квантами поля являются  π–мезоны, занимающие промежуточное положение по массе между электроном и нуклоном.

23 – 5

По законам классической физики такие процессы идти не могут в связи с нарушением закона сохранения энергии. Не может свободный нейтрон самопроизвольно превратиться в  нейтрон+π-мезон, суммарная масса которых больше массы нейтрона.

Квантовая теория этот запрет устраняет. Из соотношения неопределённости    следует, что энергия системы может претерпевать отклонения  ∆Е,  длительность которых не должна превышать величины  .  В этом случае нарушение закона сохранения энергии при испускании  π-мезона  обнаружить нельзя.

Частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением закона сохранения энергии, называются виртуальными частицами.

Одиночный нуклон всегда окружён так называемой «мезонной шубой» т.е. облаком виртуальных π-мезонов, которые безостановочно испускаются и поглощаются нуклоном.

Когда два нуклона сближаются и их мезонные шубы начинают соприкасаться, создаются условия для обмена виртуальными мезонами – возникает ядерное взаимодействие. Радиус действия ядерных сил     имеет порядок комптоновской длины волны. Из опыта известно, что  м, что позволяет оценить массу   π-мезона:  тπ~270 me.

Зависимость радиуса действия ядерных сил от массы виртуальных частиц – переносчиков взаимодействия – фундаментальный квантовый закон.

Этот закон определяет дальнодействие электромагнитных сил, поскольку кванты электромагнитного поля – виртуальные фотоны являются безмассовыми частицами, которые могут иметь сколь угодно малую энаргию.

Деление  тяжёлых  ядер  и  цепные  реакции

Наиболее интересными с точки зрения получения ядерной энергии являются реакции деления тяжёлых ядер, вызываемые попаданием в ядро нейтрона.

Одна из наиболее вероятных реакций деления ядра урана происходит следующим образом:

235U + n  140Cs + 94 Rb + 2n + 200 МэВ

Большая  часть ядерной энергии этой реакции (~165 МэВ) выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков. Осколки быстро тормозятся в окружающей среде, вызывая её нагрев.

 Испускание при делении ядра урана нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной реакции деления.

23 – 6

Среда, в которой наблюдается цепная ядерная реакция называется активной.

Важной характеристикой интенсивности размножения нейтронов является коэффициент размножения – К, равный отношению количества нейтронов в двух последних поколениях.

 К < 1 (подкритический режим) – цепная реакция деления не может развиваться;

 К = 1 (критический режим) – цепная реакция протекает стационарно;

 К > 1 (надкритический режим) – ядерный взрыв.

Причиной уменьшения коэффициента К  является пржде всего наличие в среде неделящихся ядер, которые могут захватываь нейтроны.

Природный уран содержит  99,28% изотопа  239U  и лишь  0,71% изотопа  235U. Нейтроны с энергией  меньше  1 МэВ  поглощаются ядрами 238U  без последующего деления. Поэтому в природном уране цепная реакция развиваться не может.

К уменьшению коэффициента размножения приводит также выход нейтронов из активной среды, имеющей конечные размеры. Характерный размер активной зоны, при котором коэффициент размножения становится равным единице, называется критическим размером, а масса делящегося вещества в активной зоне таких размеров называется критической массой.

 При массе делящегося вещества меньше критической цепная реакция не протекает.

Условия для протекания управляемой цепной реакции деления (К = 1) реализуются в ядерных (атомных) реакторах.

В реакторе на медленных (тепловых) нейтронах с энергией  меньше  0,5 эВ управляемая цепная реакция деления может протекать в природном или в слабо обогащённом уране, что достигается введением в реактор специального вещества – замедлителя.

В активной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы (твэлы)  1   и замедлитель  2. Твэлы представляют собой блоки из делящегося материала, заключённые в герметичную оболочку, слабо поглощающую нейтроны. За счёт энергии, выделяющейся при делении ядер, твэлы разогреваются. Отвод тепла из активной зоны реактора к электрогенерирующему блоку осуществляется теплоносителем  3 , омывающим твэлы.

23 – 7

 Активная зона окружена отражателем  4, уменьшающим утечку нейтронов

На практике твёрдыми замедлителями являются бериллий и графит, а жидким – тяжёлая вода.

Уменьшения кинети –

ческой энергии нейтрона от 1 МэВ до 0,5 эВ в замедли – теле происходит в результате многократных (около 50) соударений нейтрона с ядрами атомов замедлителя.

      Регулирующие стержни  (управляющие и аварийные) изготавливают из материала сильно поглощающего нейтроны (кадмий или бор).

Термоядерная  реакция

Одной из возможных реакций синтеза лёгких ядер является ядерная реакция, которая может протекать в смеси из дейтерия и трития:

2Н + 3Н  + 4Не + 17,6 МэВ.

Требующийся для этой реакции тритий может быть получен из лития:

6Li + 3H + 4He.

Для сближения ядер  2Н  и  3Н  на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил необходимо преодолеть кулоновский барьер высотой  ~10 эВ, а для этого сталкивающимся ядрам следует сообщить достаточно высокую кинетическую энергию, т.е. смесь нужно разогреть до температуры порядка 108 К.

В варианте неуправляемого термоядерного взрыва в водородной бомбе нагрев до таких температур осуществляется взрывом плутониевой атомной бомбы.

23 – 8

Для осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза (УТС) необходимо высокотемпературную дейтериево-тритиевую плазму, нагретую до  Т~108 К удерживать от контакта со стенками реактора в течение времени  τ, определяемого  критерием Лоусона  пя.τ = 1020 с/м3,  где

 nя – объёмная концентрация ядер в горячей плазме ( d + t).

 В установках типа  «Токамак»  реализуется идея магнитного удержания плазмы, предложенная российскими физиками Таммом и Сахаровым. Создание плазмы, её нагрев до термоядерных температур и отрыв от стенок торообразной рабочей камеры осуществляют импульсным током газового разряда, вызываемого в плазме индукционным способом. Главная трудность – неустойчивость плазменного шнура.

Н.Г.Басов и О.Н.Крохин в 1962 г. предложили способ осуществления реакции  УТС  связанный с разогревом, сжатием и удержанием термоядерной мишени с помощью воздействия на неё мощных пучков лазерного излучения. В таких установках критерий Лоусона следует превзойти по крайней мере в сотни раз, так как световая энергия лазерного пучка составляет примерно  1% от подводимой к лазеру электроэнергии.  

Радиоактивность

Радиоактивность заключается в самопроизвольном распаде ядер с  испусканием одной или нескольких частиц. Такие ядра и соответствующие им нуклиды называют радиоактивными (в отличие от стабильных ядер).

Радиоактивное ядро называют материнским, а ядра, образующиеся в результате распада, - дочерними.

Необходимым условием радиоактивного распада является то, что масса исходного ядра должна  превышать сумму масс продуктов распада. Таким образом каждый распад происходит с выделением энергии.

Основной  закон  радиоактивного  распада

N = N0.e  --λt     или     (-dN = λ.N.dt)

N0 – число ядер в момент  t = 0.

Nчисло нераспавшихся  ядер к моменту времени  t.

постоянная распада (величина характерная для каждого вещества).

 Интенсивность радиоактивного распада характеризуется активностью

,   Бк

В системе  (СИ) единицей активности является беккерель

1 Бк =.

Внесистемная единица активности – кюри  ( 1 Кu = 3,7.1010 .

Активность в расчёте на единицу массы вещества называют удельной активностью.

 Период полураспада  Т – время, за которое распадается половина первоначального количества ядер.

.

Таким образом, можно записать    

Среднее время жизни   – время , за которое первоначальное количество ядер уменьшается  в  е  раз. Данное выражение получается из рассуждения

.

Так как     то  получаем   Т = 0,693 τ .

24 – 2

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных ядер находится в пределах от  3.10-7 с   до  5.1015 лет.

Пример:

Найти среднее время жизни радионуклида  55Со , если его активность уменьшается на  η = 4 %  за время  t0 = 60 мин = 1 час.

В нашем случае   .  Тогда   

.

Радиоактивность подразделяют на естественную  и  искусственную. Первая относится к радиоактивным ядрам, существующим в природных условиях, а вторая – к ядрам, полученным посредством ядерных реакций в лабораторных условиях.

Основные  типы  радиоактивности

Альфа–распад –  самопроизвольное испускание ядром   α-частицы (4Не) .

α-частицы испускают только тяжёлые ядра.

Кинетическая энергия, с которой  α-частицы вылетают из распадающегося ядра порядка нескольких  МэВ.

В воздухе пробег  α-частицы   при нормальном давлении составляет несколько сантиметров (их энергия расходуется на образование ионов на своём пути).

Пример:

Покоившееся ядро 213Ро испустило α-частицу с энергией Кα = 8,34 МэВ.  При этом дочернее ядро оказалось в основном состоянии. Найти суммарную энергию  Q , освобождающуюся в этом процессе (энергию α-распада).

Q = Кα+ КД   , где

КД – кинетическая энергия дочернего ядра.

Из закона сохранения импульса:   рα= рД.

Учитывая, что       и        получаем   тα.Кα = тД.КД .

Окончательно получаем:

Q = Кα  Кα  = Кα  =  = 8,5 МэВ.

24 – 3

Покидая ядро,  α-частице  приходится преодолевать потенциальный барьер, высота которого превосходит её энергию .

Внутренняя сторона барьера обусловлена ядерными силами, а внешняя силами кулоновского отталкивания   дочернего ядра.

Преодоление     α-частицей потенциального  барьера в данных условиях происходит благодаря туннельному эффекту. Квантовая теория, учитывая  волновые свойства  α-частицы, «позволяет» ей с определённой вероятностью проникать сквозь такой барьер

Бета –распад (массовое число  А  не меняется).

1) Электронный β--распад  –  ядро испускает электрон и его зарядовое число  Z  становится (Z+1).

2) Позитронный β+ -распад  –  ядро испускает позитрон: Z (Z – 1).

3) К–захват  –  ядро захватывает один из электронов К-оболочки атома и его зарядовое число становится   (Z – 1).  На освободившееся место в         К-оболочке переходит электрон с другой оболочки, и поэтому  К-захват всегда сопровождается характерным рентгеновским излучением.

Энергия  β--распада  :       Q- = (MMMD).c2                                                                                                             

Энергия  β+-распада :       Q+ = (MM  - MD + 2.me).c2

Энергия  К–захватa :       QK = (MMMD).c2     

При выполнении всех трёх процессов   Q > 0.

Энергия, выделяемая при распаде, распределяется между электроном и электронным нейтрино  (νе)  или электронным антинейтрино  () – частицей электрически нейтральной и обладающей очень большой проникающей способностью. Существование нейтрино обусловлено необходимостью сохранения момента импульса  в реакции распада.

Отличительной чертой  β-распада  является превращение  в ядре нейтрона в протон, и наоборот:

        (β- -распад)

        (β+-распад)

         (К–захват)

Известно, что спин нейтрона, протона и электрона одинаков и равен  ½. Участие в  β-распаде  ещё одной частицы со спином  ½  (спин нейтрино равен  ½ ) диктуется как раз законом сохранения момента импульса.

24 – 4

Энергия, выделяющаяся при β-распаде лежит в пределах от 0,0168 МэВ до 16 МэВ.   Период полураспада     лет.

Гамма–распад  –  испускание возбуждённым  ядром при переходе его в нормальное состояние  с энергией от 10 кэВ до  5 МэВ. В отличие от  β-распада этот процесс  внутриядерный, а не внутринуклонный.

 γ-кванты – коротковолновое электромагнитное излучение.

Изолированный свободный нуклон не может испустить или поглотить γ-квант, так как при этом были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса.

γ-излучение  сопровождает  α-  и  β-распады  ядер. Это происходит в тех случаях, когда распад с переходом материнского ядра в основное состояние дочернего ядра напрямую либо маловероятен, либо запрещён правилами атбора.

Эффект  Мёссбауэра

– это явление резонансного  испускания и поглощения  γ-квантов ядрами атомов кристалла с отдачей, которую воспринимает не ядро, а весь кристалл в целом, не меняя своего внутреннего состояния (т.е. без возбуждения колебаний решётки).

Спектры излучения атомных ядер возникают подобно спектрам излучения атомов и молекул.

Атомы наиболее интенсивно поглощают электромагнитные волны частоты, соответствующей переходу из основного состояния атома в первое возбуждённое состояние. Это явление называют резонансным поглощением. 

Резонансное поглощение γ-кванта должно переводить ядро в возбуждённое состояние подобно тому, как поглощение света переводит в возбуждённое состояние атом или молекулу.  Однако  энергия  и  импульс    γ-кванта во много раз больше, чем у фотона видимого света.

По закону сохранения импульса атомное ядро при излучении γ-кванта приобретает импульс, равный импульсу излучённого γ-кванта и направленный в противоположную сторону:

,   где    .

У ядра появляется кинетическая энергия отдачи

,   где   М  –  масса ядра.

24 – 5

Тогда энергия γ-кванта

то есть энергия этого γ-кванта меньше энергии, необходимой для перевода такого же ядра из нормального состояния в возбуждённое, и резонансное поглощение γ-квантов ядрами обычно не наблюдается.

Мёссбауэр открыл, что в некоторых кристаллах можно создать такие условия, при которых импульс отдачи при излучении γ-кванта сообщается не отдельному ядру, а всему кристаллу в целом. При этом изменение кинетической энергии кристалла из-за большой его массы (по сравнению с массой одного ядра) приближается к нулю, а энергия излучения γ-кванта оказывается почти в точности равной энергии перехода (Е1Е0). При пропускании пучка таких  γ-квантов через образец, содержащий атомные ядра того же изотопа, наблюдается резонансное поглощение.

Замечательной особенностью эффекта Мёссбауэра является необычайно малая ширина спектральной линии поглощения . Это означает, что появляется возможность зарегистрировать изменение энергии  γ-кванта на величину, составляющую  10-15  от его первоначального значения.

Радиоактивные  ряды

Ядра, возникающие в результате радиоактивных превращений, могут сами оказаться радиоактивными и т.д..  В итоге возникает ряд радиоактивных превращений.

Все α- и  β-радиоактивные элементы можно объединить в четыре радиоактивные ряда, родоначальниками которых являются  235U;  236U; 237Np  и  238U .

Ряд нептуния  состоит из изотопов, не встречающихся в природе, а получающихся искусственным путём.

Остальные три ряда обусловлены естественной радиоактивностью и заканчиваются различными стабильными изотопами свинца:

235U  207Pb

236U  208Pb

238U  206Pb  (ряд Тория  232Тh).

24 – 6

Закон  сложного  распада

Пусть  λ1 – постоянная распада материнского ядра;

           λ2 – постоянная распада дочернего ядра.

Изменение с течением времени числа материнских и дочерних ядер:

   и   .

Тогда         и     .

Если    ,   то     .

Источники  радиоактивных  излучений

Более половины элементов таблицы Менделеева имеют естественные радиоактивные изотопы, но многие из них обладают очень большим периодом полураспада (для  238U – 4,5 млрд. лет; для  232Th – 14 млрд. лет).

Но в природе встречаются радиоактивные изотопы со значительно более короткими периодами полураспада (радий 226Ra – 1600 лет; радон 222Rn – 3,82 дня; полоний 218Ро – 3 мин.).

В тканях растений, животных и человека в наибольшем количестве содержатся радиоактивные изотопы  калия и углерода.

В природном калии на долю  β-радиоактивного изотопа 40К  с периодом полураспада  1,24 млрд. лет  приходится  0,012 %.  В 1 г  природного калия происходит приблизительно 1900  β-распадов  в минуту.

Радиоактивность углерода в биологических тканях обусловлена присутствием радиоактивного изотопа углерода  14С  (Т5570 лет), который образуется в верхних слоях земной атмосферы под воздействием потока быстрых заряженных частиц из космоса. Изотоп  14С усваивается из воздуха растениями, а затем попадает в состав тканей животных и человека.

По остаточной радиоактивности ископаемых растительного или животного происхождения в археологии определяют примерные даты того или иного события. 

Элементарные частицы

Сначала элементарными считались частицы, из которых состоят атомы и их ядра  –  т.е. электроны, протоны и нейтроны.

Впоследствии оказалось, что протоны и нейтроны имеют внутреннюю структуру. В число элементарных также включили фотоны и нейтрино.

По мере возрастания мощности ускорителей и усовершенствования методики эксперимента, было обнаружено около 400 элементарных частиц.

В настоящее время элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением других, более «простых» частиц, существующих в свободном состоянии. Элементарная частица в процессе взаимодействия с другими частицами или полями должна вести себя как единое целое.

Хотя нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, нельзя считать, что он состоит из этих частиц. «Внутри» нейтрона этих частиц нет. Поэтому нейтрон считается элементарной частицей. Точно так же мюон, который распадается на электрон и два нейтрино:

не состоит из этих частиц, а они рождаются в процессе распада мюона.

Античастицы

Уравнение Шрёдингера является нерелятивистским. Наличие у электрона спина из этого уравнения не следовало и вводилось в теорию как опытный факт.

Волновое уравнение Дирака, полученное в 1928 г. и учитывающее релятивистские эффекты, объединило теорию относительности и кванты. Из этого уравнения теоретически вытекало наличие у электрона спина. Кроме того, из уравнения Дирака получалось, что у электрона должен быть «двойник» – частица с положительным элементарным зарядом.

В 1932 г. позитроны были экспериментально обнаружены в космическом излучении.

В дальнейшем было показано, что у всех элементарных частиц имеются античастицы.

В 1955 г. был обнаружен антипротон   ;  в 1956 г. – антинейтрон   и т.д..

Так, антинейтрино, выделяющееся при распаде нейтрона по схеме

25 – 2

может захватываться протоном и образовывать нейтрон и позитрон:

.

А вот нейтрон с этим антинейтрино не взаимодействует. Эато нейтрон хорошо взаимодействует с нейтрино по схеме:

.

Таким образом, электронные нейтрино и антинейтрино являются разными частицами, отличающимися только знаком спина. Тоже  можно сказать про нейтрон и антинейтрон.

Существуют также частицы, полностью совпадающие со своими античастицами. Это фотон,  пи-нуль-мезон  π0  и  эта-мезон  η0.

Из уравнения Дирака также следовало, что при столкновении частицы с античастицей они исчезают (аннигилируют), превращаясь в два  γ-кванта, например:

или рождаются при прохождении  γ-кванта большой энергии вблизи атомного ядра:

,   причём    1,022 МэВ.

Действующие в мире элементарных частиц законы сохранения не допускают возможности возникновения одиночных античастиц.

Основные  характеристики  элементарных  частиц

 а) Масса – т (измеряется в энергетических единицах (МэВ или ГэВ)).

 б) Среднее время жизни – τ (служит мерой стабильности частицы и измеряется в с ) .

 в) Спин – J  – собственный момент импульса частицы. Принимает целые и полуцелые значения. ( Измеряется в единицах   ).

 г) Электрический заряд – q (измеряется в единицах элементарного заряда  е ). Для всех частиц в свободном состоянии он равен  0  или   .

 д) Магнитный момент – μ – максимальное значение проекции вектора собственного магнитного момента   частицы. Векторы   и   (спин) коллинеарны. Если    то  , а если  , то  μ < 0.  Магнитные моменты  μ элементарных частиц обычно измеряют в единицах соответствующих магнетонов  (например, для электрона  это магнетон Бора ).

25 – 3

Фундаментальные  взаимодействия

Взаимодействие   

Механизм

обмена

Интенсивность

Длительность

процессов, с

Радиус

действия, м

Сильное                 

глюонами

1

10-23

10-15

Электромагнитное

фотонами

1/137

10-16

Слабое

промежут.

бозонами

10-6

10-13

10-18

Гравитационное

гравитонами

10-38

?

       Интенсивность (или константу взаимодействия) представляют в относительных единицах, где за единицу принята интенсивность при сильных взаимодействиях.

1) Сильные взаимодействия  удерживают нуклоны в ядрах. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами (протон, нейтрон, гипероны, мюоны и др.). Короткодействующие.

2) Электромагнитные взаимодействия значительно слабее сильных, но дальнодействующие. Именно эти силы вызывают разлёт осколков, которые образуются при делении атомных ядер. Они также ответственны за все электрические и магнитные явления, а также за оптические, механические, тепловые и химические явления.

3) Слабые взаимодействия являются универсальными. Они присутствуют при взаимодействиях всех частиц кроме фотона. Несмотря на свою малую интенсивность и короткодействие эти взаимодействия играют очень важную роль в природе. Они ответственны за все виды β-распада  ядер, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Кроме того, слабое взаимодействие играет определяющую роль в реакциях, происходящих на Солнце и других звёздах.

4) Гравитационные взаимодействия испытывают все частицы без исключения, но для элементарных частиц, масса которых ничтожно мала, гравитационное взаимодействие не имеет существенного значения.

Систематика  элементарных  частиц

Бозоны и фермионы

Бозоны – частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезон, и др.).

Фермионы – частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и др.).

25 – 4

По времени жизни  τ элементарные частицы подразделяются на

 Стабильные (протон, фотон, электрон и нейтрино);

 Квазистабильные (τ > 10-20c), распадающиеся за счёт электромагнитного или слабого взаимодействия.

 Резонансы (τ ~ 10-23c), распадающиеся за счёт сильного взаимодействия.

Классификация  элементарных  частиц

 Переносчики взаимодействия:

Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия;

W и Z – бозоны  –  переносчики слабого взаимодействия;

Глюоны – переносчики сильного взаимодействия;

Гравитоны – гипотетические переносчики гравитационного взаимодействия.

Лептоны – частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин  ½  (электроны, мюоны, таоны и соответствующие им нейтрино). Лептоны принимают участие в слабых и электромагнитных (кроме нейтрино) взаимодействиях. У всех лептонов не обнаружена внутренняя структура.

 Адроны – частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Самая многочисленная группа частиц. Как правило, они участвуют и в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Адроны подразделяются на:

Мезоны – адроны с нулевым или целочисленным спином (бозоны);

Барионы – частицы с полуцелым спином (фермионы) и массой, не меньше массы протона.

 –  ламбда-гиперон

 –  сигма-гиперон

 –  кси-гиперон

25 – 5

Законы  сохранения

Законы сохранения играют особо важную роль в физике элементарных частиц.

1) Они не только ограничивают последствия различных взаимодействий, но определяют так же все возможности этих последствий, и поэтому отличаются высокой степенью предсказательности.

2) В этой области физики открытие законов сохранения опережает создание последовательной теории. Многие законы сохранения для элементарных частиц уже установлены из опыта, а соответствующие фундаментальные законы их поведения ещё неизвестны. Поэтому законы сохранения играют здесь главную роль и позволяют анализировать процессы, механизм которых ещё не раскрыт.

Кроме законов сохранения энергии,  импульса и  момента импульса существуют законы сохранения пяти зарядов:

электрического (Q),

барионного (В) и

трёх  лептонных (Le), (Lμ), (Lτ).

Барионный заряд

В = +1 для барионов (нуклонов и гиперонов)

В = – 1 для антибарионов

         В = 0    для всех остальных частиц.

 

 В замкнутой системе для всех процессов с участием барионов и антибарионов суммарный барионный заряд будет сохраняться.

Согласно этому закону, например, протон  р  не  может превратиться в позитрон    и  фотон  γ , хотя это не запрещено законами сохранения энергии, импульса, момента и электрического заряда (у протона  В = 1, а у позитрона и  γ-кванта   В = 0).

Из этого же закона следует, что антибарион может рождаться только в паре со своим барионом. Например:

.

Лептонные заряды:

электронный  Le (для  е  и  νе);

мюонный  Lμ  (для  μ  и  νμ);

таонный  Lτ  (для  τ  и  ντ).

– электронное, мюонное и таонное нейтрино, которые являются разными. 

25 – 6

Le = Lμ = Lτ = +1   для лептонов ()

Le = Lμ = Lτ = – 1  для антилептонов ()

Le = Lμ = Lτ =  0  для всех остальных элементарных частиц.

 

 В замкнутой системе при любых процессах разность между числом лептонов и антилептонов сохраняется.

Например, закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы при распаде нейтрона

.

Для гиперонов применяется ещё такая квантовая характеристика как странность – S.

 S =  – 1  у  

 S =  – 2  у   

S =  – 3  у   

У соответствующих античастиц странность одинакова по модулю но имеет знак « + ».

В сильных и электромагнитных взаимодействиях странность сохраняется, а в слабых меняется на  .

Кварковая  структура  адронов

Все адроны построены из частиц, названных кварками.

В настоящее время установлено, что существуют шесть типов кварков: u, d, s, c, b и  t. Спин всех кварков равен  ½  (кварки являются фермионами), а барионный заряд   В = 1/3. Кроме странности  S  кварки обладают ещё такими квантовыми характеристиками как шарм (очарование) – С,  красота (прелесть) – b,  правдивость (истинность) – t

25 – 7

Соответствующие антикварки отличаются от кварков знаками зарядов Q, B, S, C, b  и   t.

Анализ показывает, что каждый мезон является парой  кварк-антикварк, а каждый барион состоит из трёх кварков.

Для выполнения принципа Паули, который запрещает одинаковым частицам с полуцелым спином находиться в одном и том же состоянии было выдвинуто предположение о наличии у кварков некой внутренней степени свободы, из-за которой кварки одного типа могут отличаться друг от друга. Эту степень свободы назвали  цветом.

Каждый тип кварка характеризуют тремя цветами: красный, зелёный и голубой. Их смесь бесцветна (белый). Цвет каждого кварка считается дополнительным к цвету антикварка, так что пара кварк-антикварк еак же бесцветна.

Противоречие с принципом Паули бало устранено с помощью принципа бесцветности адронов.

По самым современным представлениям сильные взаимодействия осуществляются путём обмена между кварками безмассовыми частицами – глюонами, являющимися квантами поля, которое кварки создают и которое на них же и воздействует. При испускании и поглощении глюонов цвет кварков изменяется, но их тип сохраняется ( и-кварк  не превращается в  s-кварк).

Анализ результатов, полученных при прямом просвечивании нуклонов электронами высоких энергий, привёл к заключению, что внутри адронов электроны рассеиваются на точечных частицах с электрическими зарядами +2/3  и  –1/3, причём эти частицы (кварки) ведут себя как бесструктурные точечные элементы.

В свободном состоянии кварки не существуют. Существует две гипотезы:

1). Сила взаимодействия между кварками не убывает с увеличением расстояния между ними (подобно силе упругости) и нужно затратить неограниченно большую энергию, чтобы вырвать кварк из адрона.

2). Кварки имеют очень большую массу. Это означает, что их энергия связи в адронах весьма велика и оказывается недоступной для современных ускорителей.

В настоящее время считают, что истинно элементарными или фундаментальными частицами являются фотон,  лептоны  и  кварки.

Лекция  26

Взаимодействие  ионизирующих  излучений  с  веществом

В веществе быстрые заряженные частицы взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов.

А). Электрон, получив дополнительную энергию, переходит на один из удалённых энергетических уровней или совсем покидает атом. Происходит  возбуждение или ионизация атома.

Б). При прохождении вблизи атомного ядра быстрая заряженная частица испытывает торможение в его электрическом поле, которое сопровождается испусканием квантов тормозного рентгеновского излучения.

В). Возможно упругое и неупругое соударение заряженных частиц с атомными ядрами.

Длина пробега частицы зависит от:

– её заряда;

– массы;

– начальной энергии;

– свойств среды.

Пробег увеличивается с возрастанием начальной энергии, уменьшением плотности среды, с уменьшением скорости частицы (при одинаковых энергиях массивные частицы имеют меньшую скорость и более эффективно взаимодействуют с атомами среды).

Проникающую способность β-частиц обычно характеризуют толщиной слоя вещества, полностью поглощающего все β-частицы. Пластина алюминия толщиной  3,5 мм полностью защищает от    β-частиц с энергией  Емакс = 2 МэВ.

α-частицы имеют малый пробег в веществе: ~ 2,5 см в воздухе и сотые доли мм в мягких тканях человека.

α- и β-излучения  не представляют большой опасности при внешнем облучении, но могут причинить серьёзный вред здоровью при попадании внутрь человека с пищей, водой и воздухом или при загрязнении радиоактивными веществами поверхности тела.

Нейтроны при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов, но при столкновении с атомными ядрами они могут выбивать из них заряженные частицы, которые ионизируют  и возбуждают атомы среды.

γ-кванты  взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам (явление фотоэффекта, эффекта Комптона или рождение электрон-позитронных пар). Возникающие быстрые электроны производят ионизацию атомов среды.

Пробег γ-квантов  и нейтронов в воздухе измеряется сотнями метров, а в твёрдом веществе от десятков см до нескольких метров.

Потоки γ-квантов  и нейтронов  представляют наибольшую опасность для человека при внешнем облучении.                                           

26 – 2

Энергия

 γ-квантов, МэВ

Толщина слоя вещества, ослабляющая поток                γ-излучения  в десять раз, см

вода

бетон

свинец

0,5

24

12

1,3

5,0

76

36

4,7

Детектирование  различных  излучений

Так как все виды элементарных частиц в конечном итоге приводят к ионизации атомов среды то приборы для регистрации этих частиц основаны на выявлении актов ионизации.

Первая группа приборов – устройства, регестрирующие факт пролёта частицы –  ионизационные камеры, газоразрядные, сцинтилляционные, полупроводниковые и черенковские счётчики.

В сцинтилляционном счётчике заряженная частица вызывает возбуждение атомов, которые переходя в основное состояние дают заметную вспышку (сцинтилляцию). Счётчик состоит из датчика, светопровода и фотоумножителя. Импульсы с фотоумножителя подвергаются счёту.

Полупроводниковый счётчик – полупроводниковый диод. В нормальном состоянии диод заперт. При прохождении через переходный            р-п-слой быстрая заряженная частица порождает электроны и дырки открывающие диод.

Счётчики части объединяют в группы, чтобы зарегистрировать только такие события, которые отмечаются одновременно несколькими приборами.

Вторая группа приборов – трековые устройства – камеры Вильсона, диффузионные, пузырьковые, искровые и эмульсионные камеры.

В камере Вильсона дорожка из ионов становится видимой потому, что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой либо жидкости (обычно пары спирта в инертном газе). Прибор работает циклами (0,1 с через 100 с) так как пересыщение достигается быстрым адиабатическим расширением рабочей смеси.

В диффузионной камере пересыщение достигается в результате диффузии паров спирта от тёплой (t = 10oC) крышки камеры к охлаждаемому (t = – 70оС) дну. В отличие от камеры Вильсона диффузионная камера работает непрерывно.

В пузырьковой камере пересыщенные пары заменены прозрачной перегретой жидкостью (давление жидкости ниже давления насыщенного пара).

Эмульсионная камера состоит из толстой пачки тонких фотопластин. После облучения пачка разбирается на слои, каждый из которых проявляется и просматривается под микроскопом. Перед разборкой пачки на все слои наносится с помощью рентгеновских лучей одинаковая координатная сетка.

26 – 3

Искровая камера состоит из системы плоских параллельных друг другу металлических электродов, которые соединены через один с заземлением. Если в момент подачи на незаземлённые электроды высоковольтного импульса через камеру пролетает ионизирующая частица, то её путь будет тмечен цепочкой искр.

Дозиметрия

Поглощённая доза излучения (ПДИ) – равна отношению энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества

.

Единицей  ПДИ  в СИ является грей (Гр):     1 Гр = 1 Дж/кг.

На практике используется внесистемная единица – рад: 1 рад = 0,01 Гр.

Экспозиционная  доза (ЭзД) – отношение электрического заряда ионов одного знака, возникающих в сухом воздухе при  его облучении фотонами, к массе воздуха:

.

В СИ единицей  ЭзД  является кулон/кг.

На практике употребляется внесистемная единица  ЭзД – рентген  (Р):

1 Р = 2,58 .10 –4 Кл/кг.

Доза в 1 рентген накапливается за  1 час на расстоянии  1 м  от радиоактивного препарата  радия  массой  1 грамм.

При облучении мягких тканей организма человека экспозиционной дозе  1 Р  соответствует поглощённая доза  8,8 мГр

.

Коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества

К = 1 – для рентгеновского и  γ-излучения

К = 3 – для тепловых нейтронов (ЕК ~ 0,5 МэВ)

К = 7 – для тепловых нейтронов (ЕК ~ 5 МэВ).

Эквивалентная  доза (ЭД) – произведение ПДИ на коэффициент  ОБЭ:

Н = D.K .

Единицей  ЭД в СИ является  зиверт  (Зв):  1 Зв = 1 Гр  при   К = 1.

На практике используется внесистемная единица ЭД – биологический эквивалент рентгена (бэр):

1 бэр = 0.01 Зв .

26 – 4

Биологическое действие ионизирующих излучений на живые организмы  –  это ионизация атомов и молекул в клетках.

Первые признаки общего острого поражения организма взрослого человека обнаруживаются начиная с  0,5 . При такой ЭД начинаются нарушения в работе кроветворной системы человека. При  Н = () Зв около  50% облучённых умирает от лучевой болезни в течение 1 мес. из-за поражения костного мозга.

Значительная часть повреждений, вызванных реакцией в живых клетках, является необратимыми.

Доза  Н = 1 Зв приводит в среднем на 1000 облучённых к

2 случаям лейкоза,

10 случаям рака щитовидной железы,

10 случаям рака молочной железы у женщин,

5 случаям рака лёгких.

Естественный  фон  облучения

В любом месте на поверхности Земли, под землёй, в воде, в атмосферном воздухе и в космическом пространстве существует ионизирующая радиация различных видов и разного происхождения.

Дозы облучения, близкие к уровню естественного фона, не представляют сколько-нибудь серьёзной опасности для живых организмов.

Доза внешнего фонового гамма-излучения колеблется в большинстве мест от 0,3 до 0,6 мЗв за 1 год кроме мест, где почвы содержат большое количество урана и тория.

Под действием первичного космического излучения (потока протонов) возникает вторичное космическое излучение (поток γ-квантов  и быстрых электронов и мюонов). Земная атмосфера надёжно защищает всё живое на Земле от его воздействия (0,3 мЗв за 1 год на уровне моря).

Кроме внешнего облучения, каждый живой организм подвергается внутреннему облучению. Воздействие β-частиц и γ-излучения  радиоактивного калия и углерода обусловливает дозу  ~ 0,2 мЗв  за год.

Наиболее значительный вклад в дозу внутреннего облучения вносит радиоактивный газ – радон, попадающий в организм человека при дыхании. В большинстве помещений (особенно в подвалах и 1-ых этажах) удельная активность радона в 25 раз выше уровня вне зданий.

Среднее значение эквивалентной дозы облучения, обусловленной естественным радиационным фоном, составляет около  2 мЗв за 1 год (1 мЗв за счёт радона).

Средняя эквивалентная доза, получаемая человеком за год в промышленно развитых регионах от искусственных источников ионизирующей радиации ~ 1 мЗв  за год.

26 – 5

Биологическое влияние малых доз излучения – не будь радиоактивности и космического излучения, видимо, не было бы и человека на Земле. Небольшие дозы излучения, сравнимые с уровнем естественного фона, стимулируют развитие растений и организмов.

Предельно-допустимые дозы (ПДД)

Люди некоторых профессий подвергаются дополнительному облучению (врачи и инженеры рентгенологи, работники АЭС, физики экспериментаторы, космонавты, сотрудники аэрофлота, военные). Для этих профессий   ПДД = 50 мЗв/год.

Допустимый уровень разового аварийного облучения для населения – 0,1 Зв.

При систематическом облучении населения установлена доза не более 0,1 ПДД (5 мЗв/год).

За всё время жизни человека допустимая доза для населения составляет 0,35 Зв = 35 бэр.

При ежедневном просмотре TV – программ по три-четыре часа в день за год будет получена доза  ~ 10 – 5 Зв ( в 100 раз меньше уровня естественного фона).

Лекция  27

КВАНТОВЫЕ  ОБЪЕКТЫ  НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Цель нанотехнологий состоит в управлении поведением отдельных наночастиц (атомов, молекул, молекулярных систем) при создании новых наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Приборы  нанотехнологий

1). Сканирующий туннельный микроскоп.

Принцип работы был рассмотрен в лекции, где излагался туннельный эффект.

СТМ позволяет изучать поверхность проводящих образцов путём измерения туннельного тока между образцом и острой иглой, подводящейся к нему на расстояние, составляющее доли нанометров.

Важной особенностью СТМ является то, что помимо измерительных функций наблюдения он может выполнять и активные исследовательские функции: осуществлять захват и перемещение отдельных атомов, проводить локальные химические реакции, манипулировать отдельными молекулами, атомами и даже квантовыми точками , собирая из них заранее заданные структуры.

При горизонтальном способе перемещения атомов по поверхности образца игла СТМ осуществляет «перекатывание» атома по поверхности.

Процесс вертикального перемещения атомов подобен работе башенного крана. Атом с помощью иглы СТМ отрывают от поверхности образца, перемещают в нужное место и затем опускают и «отцепляют», приближая остриё к поверхности и переключая напряжение на игле.

2). Атомно-силовой микроскоп. 

АСМ в отличие от СТМ позволяет исследовать поверхности не только проводников, но и полупроводников и диэлектриков.

В основе работы АСМ лежит ванн-дер-ваальсовское взаимодействие между атомами заострённой иглы, подводимой к поверхности образца, и атомами поверхности.

При больших расстояниях r между остриём иглы и поверхностью образца действует сила притяжения. При малых r электронные облака атомов поверхности и острия перекрываются, что приводит к электростатическому отталкиванию. Силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга при r = r*  0,2 нм.

27 – 2

Обычно используют бесконтактный метод, когда  r   и режим работы «постоянной силы».

Игла АСМ расположена на конце миниатюрной гибкой консольной балки – кантилевера, изгиб которого регистрируется оптическим или пьезорезистивным зондирующим узлом.

Современные АСМ позволяют проводить  исследования  поверхнос-

ти с очень высоким разрешением, вплоть до атомных при изучении неоргонических и синтетических материалов и биологических объектов.

Оригинальное применение методам АСМ нашли в  IBM. Они предложили принципиально новое квантовое устройство записи и хранения информации («Многонож-ка»), принцип работы которого основан на механическом сканировании системой из большого количества АСМ-зондов (4096 шт) тонкой полимерной плёнки толщиной 70 нм, нанесённой на кремниевую подложку. При этом  чип  размером в 5 см2 может хранить информацию, содержащуюся на 25 DVD-дисках (~ 153 Гбайт).

Объекты  нанотехнологий

Это объекты, имеющие кристаллическую структуру с размерами хотя бы в одном направлении от 0,1 нм  до  1 мкм .

Квантовая  яма – наноструктура, в которой движение электрона ограничено в одном направлении.

На практике квантовую яму можно получить, расположив тонкий слой полупроводника с меньшей шириной запрещённой зоны (Ез1) между двумя более толстыми слоями полупро-водника с большей шириной запрещённой зоны.

В верхней яме помещаются электроны, в нижней – дырки.

27 – 3

Квантовая нить (проволока) – наноструктура, в которой движение электрона ограничено в двух направлениях.

Квантовая точка – наноструктура, в которой движение электрона ограничено в трёх направлениях, как в потенциальном ящике. Квантовые точки формируются подобным образом как и квантовые ямы. Они представляют собой выращенные специальным образом наноостровки-включения одного полупроводника в матрице или на поверхности другого полупроводника.

Квантовые точки могут иметь форму пирамид, сфер, сплющенных капель и т.д., но всегда это своеобразная ловушка, удерживающая электроны внутри себя.

Поведение электронов в квантовых точках хорошо описывается моделью потенциального ящика. Это касается как дискретности энергетического спектра электрона, так и плотности вероятности нахождения электрона в том или ином квантовом состоянии.

Квантовую точку можно рассматривать как «искусственный атом», лишённый ядра.

На основе квантовых точек создаются новые виды полупроводниковых сверхмалых лазеров и другие принципиально новые устройства и методы исследований во всех областях современных высоких технологий и биологии.

Углеродные нанотрубки – представляют собой цилиндрическую поверхность, образованную правильными шестиугольниками из атомов углерода. При диаметре от долей нанометра до нескольких нанометров углеродные трубки могут достигать в длину несколько сантиметров.

В зависимости от размеров и структуры нанотрубки могут обладать свойствами как проводников так и полупроводников.

Проводимость нанотрубок, обладающих металлическим типом проводимости, может быть очень большой. Они могут пропускать ток плотностью  до 109 А/см2 , тогда как медный провод из-за джоулева нагрева плавится уже при  j = 106 А/см2.

Углеродные нанотрубки обладают также уникальными механическими свойствами, что является следствием их атомной структуры. Предел прочности однослойной углеродной нанотрубки более чем в 20 раз выше, чем у стали, а плотность в 4 раза ниже (детали в 4 раза легче стальных и в два раза легче деталей из магниевых, титановых и алюминиевых сплавов).

Структурные и электронные свойства нанотрубок обеспечивают широкие возможности их использования при создании электронных устройств нанометровых размеров – выпрямителей, транзисторов, осцилляторов с очень высоким быстродействием, плоских мониторов, катодолюминисцентных источников света и т.д.

27 – 4

Ожидается, что плотность записи информации в наноэлектронике будет больше, чем в кремниевой микроэлектронике, примерно на три порядка.

Уникальные перспективы имеют углеродные нанотрубки в медицине, в частности при создании мозговых имплантов головного мозга , а так же в информационных нейросетевых технологиях и при создании искусственного интеллекта.

Три  основных  направления  развития  нанотезнологий

1). Создание электронных схем, размеры активных элементов которых сравнимы с размерами атомов и молекул.

2). Разработка и изготовление нанороботов молекулярных размеров.

3). Сборка из атомов и молекул любых структур и конструкций.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46607. Методика анализа художественного произведения на уроке изобразительного искусства 21.77 KB
  Методика анализа художественного произведения на уроке изобразительного искусства.анализ живописного произведения Методика анализа худ. предполагает постановку учителем целей задач содержания выбор средствметодов форм обучения. 20Какую роль играет в картине колорит подчинён рисунку и объёму или наоборот подчиняет себе рисунок и сам выстраивает композицию 22В картине преобладают локальные цвета или тональный колорит 24Художник оперирует большими массами цвета или маленькими пятнамимазками 25Как написаны теплые и холодные цвета...
46608. Доходный подход к оценке недвижимости 21.93 KB
  Доходный подход Доходный подход основан на том что стоимость недвижимости в которую вложен капитал должна соответствовать текущей оценке качества и количества дохода который эта недвижимость способна принести.5: или где С V стоимость недвижимости; ЧД I ожидаемый доход от оцениваемой недвижимости. Оценка потерь от неполной загрузки сдачи в аренду и невзысканных арендных платежей производится на основе анализа рынка характера его динамики применительно к оцениваемой недвижимости.
46609. Миссия 21.96 KB
  Миссия смысл существования компании с позиции удовлетворения потребностей клиентов реализации конкурентных преимуществ мотивации сотрудников фирмы Миссия это основная общая цель организации четко выраженная причина ее существования. Постоянное самосовершенствование: стремиться к улучшению корпоративных и личных обязательств чтобы выполнить миссию фирмы по достижению прочного мира и процветания[1]. В процессе планирования необходимо ответить на следующие вопросы: Что должно быть сделано Когда это должно быть сделано Как это будет...
46611. Офіційно-діловий стиль сучасної української літературної мови. Підстилі й жанри офіційно-ділового стилю. Їхня характеристика 22 KB
  Офіційноділовий стиль сучасної української літературної мови. Підстилі й жанри офіційноділового стилю. В українській літературній мові виділяють п'ять основних функціональних стилів: публіцистичний розмовний науковий художній офіційноділовий. Офіційноділовий функціональний стиль літературної мови що використовують у сфері офіційноділових відносин.
46612. Поняття термін, термінологія, терміносистема. Проблеми кодифікації та стандартизації сучасної економічної терміносистеми 22 KB
  Термінологія це сукупність термінів певної галузі або мови або розділ лексикології вивчає терміни різних галузей знань. Терміносистема це система термінів у певній галузі підгалузі наукового знання що обслуговує певну наукову концепцію або теорію. Кодифікація це систематизація термінів у словниках та довідниках. Стандартизація це вироблення еталонів термінів унормування термінології певної галузі.
46613. Поняття граматична норма. Стилістичні можливості граматичних форм у різностильових текстах 22 KB
  Стилістичні можливості граматичних форм у різностильових текстах. Вони передбачають правильне вживання граматичних форм слів узгодження керування прилягання морфологічні та правильне утворення словосполучень і речень синтаксичні. Граматична форма слова це засіб вираження граматичного значення показник граматичних значень. Прикладами граматичних форм можуть бути закінчення афікси наголос службові слова суплетивні форми порядок слів у реченні чергування звуків чи взагалі контекст.
46614. Синтаксична норма. Складні випадки керування 22 KB
  Складні випадки керування. Вони передбачають правильне вживання граматичних форм слів узгодження керування прилягання морфологічні та правильне утворення словосполучень і речень синтаксичні. Керування вид підрядного зв'язку коли головне слово вимагає від залежного конкретної граматичної форми яка зберігається при зміні форми головного слова читати книгу читаю книгу. Складні випадки керування: близькі за значенням слова вимагають різних відмінків оволодіти англійською мовою опанувати англійську мову; слова пароніми окрім...
46615. Усна форма літературної мови. Орфоепічні норми як компонент формування мовної компетенції фахівця 22 KB
  Усна форма літературної мови. Усна форма мови це мова яка використовується у спілкуванні. Важливим елементом усної мови є інтонація від якої залежить зміст вислову. Мовна норма сукупність найтісніших усталених елементів мови які в процесі історичного розвитку відібрала і закріпила мовна практика певного суспільства; вони зафіксовані у правописі граматиках і словниках.