Билет 21. 1. Термодинамический подход к изучению физи­ческих явлений

1. Термодинамический подход к изучению физи­ческих явлений. Внутренняя энергия и способы её изменения. Первый закон термодинамики. Примене­ние первого закона термодинамики к изотермичес­кому, изохорному, изобарному и адиабатному про­цессам.

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией.

Внутренняя энергия — это величина, характеризующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U = 3/2 • т/М • RT.
Существует два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).
Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q).
Эти способы количественно объединены в первый закон термодинамики: изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой.

, где — изменение внутренней энергии, Q — количество теплоты, переданное системе, А — работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают А*. Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называется первым законом термодинамики, можно записать так: , т.е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии.

При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами , где V1 и V2 — начальный и конечный объемы газа. Если процесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры ABCD, заключенной между линией, выражающей зависимость p(V), и начальным и конечным объемами газа V

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом.

В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: , т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.

В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы: .

При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е. А = 0, и уравнение первого закона имеет вид , т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается, Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатой.

2. Модели строения атомного ядра; ядерные силы; нуклонная модель ядра; энергия связи ядра; ядер­ные спектры; ядерные реакции.

. Протонно-нейтронная модель атома.

В 1932 г. россий­ский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра. Ядро атома любого химического элемента состоит из двух видов элементарных частиц: протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно атомному номеру элемента 2, в перио­дической системе элементов и называется зарядовым числом. Число нейтронов в ядре обозначают N. Сумма числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А: А = Z+ N. В качестве единицы массы в атомной и ядерной физике используется атомная единица массы (а. е. м.). Атомная единица массы равна 1/12 массы атома углерода атомной массой 12. 1 а. е. м. = 1,66057 *10-²⁷ кг).

Про­тон и нейтрон — это два так называемых зарядовых состоя­ния одной и той же частицы — нуклона (от латинского — ядро). Протон — нуклон в заряженных частиц, нейтрон — в нейтральном. Атомные ядра состоят из нуклонов.

Изотопы (от грече­ского- одинаковый, — место) представляют со­бой ядра с одним и тем же значением Z, но различными мас­совыми числами А, т. е. с различным числом нейтронов N.

Например, водород имеет три изотопа:¹₁ Н — протий (в яд­ре только один протон),²₁ Н— дейтерий (в ядре — протон и нейтрон), ³₁Н — тритий (в ядре — протон и два нейтрона).

Ядерные силы –это силы действующие между нуклонами в ядре.

Свойства ядерных сил:

1. Взаимодействия ядерных частиц час­то называют сильными взаимодействиями.

Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электриче­ские силы. Это самые мощные силы из всех.

2. Ядерные силы вплоть до некоторого расстояния являются силами притяже­ния, но начиная с некоторого расстояния между нукло­нами, силы притяжения заменяются силами отталкивания.

3. Ядерные силы имеют коротко­действующий характер. Ядерные силы заметно про­являются лишь на расстояниях, равных по порядку величины размерам ядра (Ю^-12 — 10~¹³ см). Ядерные силы — это, так сказать, «богатырь с очень короткими руками».

В ядерной физике вводится особая единица длины — ферми. 1 фм = 10~¹⁶ м.

Нейтрон начинает притягиваться к протону, находясь от него на расстоянии, меньшем 2 фм. На расстоянии, меньшем 0,4 фм, действуют мощные силы отталкивания между ними. При расстоянии между нуклонами всего 4,2 фм ядерные силы пренебрежимо малы.

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Атомные ядра при взаимодействиях испытывают превращения, которые сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц

Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена большая кинетическая энергия (например, протонам, ядрам дейтерия — дейтронам, а-частицам и другим ядрам с помощью ускорителей элементарных частиц ионов).

Первая ядерная реакция на быстрых протонах была осуществлена в 1932 г. Удалось расщепить литий на а-частицы: