Достижения современной физики реферат

Обновлено: 05.07.2024

В современная физика Это тот, который развивается в современный период, от Французской революции до наших дней, то есть с 18 века до наших дней. Таким образом, современная физика и самые последние теории частиц и космологии считаются частью современной физики.

Известные законы механики и всемирного тяготения Исаака Ньютона, а также законы движения планет, сформулированные Иоганном Кеплером, считаются частью классическая физика, поскольку они датируются семнадцатым веком и не являются частью современной физики.

Область изучения

Формально изучение физики включает в себя природные явления, такие как изменение состояния движения тел, характерных свойств материи, ее основных компонентов и взаимодействий между ними.

Конечно, пока эти изменения не связаны с образованием новых веществ или биологических процессов. Это определение справедливо как для классической, так и для современной физики.

Теперь мы сосредоточимся на основных открытиях и физических теориях, разработанных от Французской революции до наших дней, кратко и в более или менее хронологическом порядке:

18 и 19 века

-Электричество было заново открыто, и были созданы электростатическая модель силы, магнетизма и электромагнитной теории.

-Появились понятия потенциальной энергии и кинетической энергии, а также поля.

-Установлены законы сохранения энергии, вещества и электрического заряда.

- Появилась волновая теория света, и впервые было проведено точное измерение скорости света. Также изучались взаимодействия света с электрическим и магнитным полями.

- С промышленной революцией произошел подъем термодинамики. Был провозглашен второй закон термодинамики, а затем концепция энтропии, а также кинетическая теория газов, статистическая механика и уравнение Больцмана.

- Был открыт закон излучения тел (закон Стефана) и закон смещения длины волны, излучаемой горячим телом, в зависимости от его температуры (закон Вина).

-Электромагнитные волны появляются, теоретически предсказанные, в дополнение к рентгеновским лучам, естественной радиоактивности и электронам, все это в конце 19 века.

Современная физика до первой половины ХХ века

В это время классические теории пережили период кризиса, поскольку многие явления, открытые в XIX веке, не могли быть объяснены с помощью этих теорий. Поэтому было необходимо разработать новую физику, известную как современная физика, который включает в себя квантовую механику и теорию относительности.

Основные направления развития современной физики

Современная физика началась в 1900 году с открытия закон излучения черного тела Макса Планка, в котором концепция сколько энергии при взаимодействии излучения с веществом.

Атомные модели

В этот период были разработаны атомные модели, в которых атом, по-видимому, состоит из частиц, меньших, чем сам атом. Это электроны, протоны и нейтроны.

В начале 20 века Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро и разработал модель атома с положительным и массивным центральным ядром, окруженным легкими частицами с отрицательным зарядом. НО ТЕМ НЕМЕНЕЕ. Вскоре от этой модели отказались, уступив место моделям, более приспособленным к новым открытиям.

Фотон

Альберт Эйнштейн в 1905 г. предположил, что светящиеся кванты, названные фотоныони были единственным способом объяснить фотоэлектрический эффект. Фотон - это самый маленький пучок световой энергии, который зависит от его частоты.

Теории относительности и объединения

Специальная теория относительности, наиболее известное творение Эйнштейна, утверждает, что время и масса являются физическими величинами, которые зависят от системы отсчета.

Таким образом, необходимо было внести релятивистские поправки в классические законы движения.

С другой стороны, общая теория относительности Альберта Эйнштейна устанавливает, что гравитация - это не сила, а следствие искривления пространства-времени, создаваемого телами с массой, такими как Солнце и планеты. Это объясняет прецессию перигелия Меркурия и предсказывает кривизну света.

Искривление света массивным телом, подобным Солнцу, было доказано вне всяких сомнений. Это явление создает гравитационные линзы.

Поэтому ученые начали думать о теориях объединения, в которых гравитация и электромагнетизм являются проявлениями искаженных пространств с более чем четырехмерностью, как теория Калуцы-Клейна.

Космология

Теоретическая возможность расширения Вселенной тогда возникла благодаря работам Александра Фридмана, основанным на общей теории относительности, факт, который был подтвержден позже.

Черные дыры появились как решения уравнений Эйнштейна. Индуистский физик Чандрасекар установил предел коллапса звезды, чтобы образовалась черная дыра.

Важным открытием был эффект Комптона, который устанавливает, что фотоны, несмотря на отсутствие массы, имеют импульс, пропорциональный обратной длине их волны. Константа пропорциональности равна Постоянная Планка.

Квантовая механика

С приходом квантовой механики также устанавливается дуализм волна-частица. Теория предсказывала существование антивещества, которое действительно было обнаружено. Также появился нейтрон, а вместе с ним и новая модель атома: квантово-механическая.

Важным вкладом является вклад вращение, свойство субатомных частиц, способное, помимо прочего, объяснять магнитные эффекты.

Ядерная физика

Эта ветвь современной физики появляется, когда открываются ядерные процессы деления и синтеза. Первый привел к атомной бомбе и ядерной энергии, второй объясняет производство энергии звездами, но также привел к водородной бомбе.

В поисках управляемого ядерного синтеза было обнаружено, что протон и нейтрон имеют внутренние структуры: кварки, фундаментальные составляющие протонов и нейтронов.

С тех пор кварки и электроны считались фундаментальными частицами, но появились и новые фундаментальные частицы: мюон, пион, тау-лептон и нейтрино.

Важные открытия

Первая половина 20-го века знаменует собой важный вклад современной физики:

-Сверхпроводимость и сверхтекучесть

-Магнитно-резонансная томография атомных ядер, открытие, которое положило начало неинвазивным диагностическим системам сегодня.

-Большие теоретические разработки, такие как квантовая электродинамика и диаграммы Фейнмана, для объяснения фундаментальных взаимодействий.

Физика нашего времени (вторая половина ХХ века)

Теория BCS

Эта теория объясняет сверхпроводимость, согласно которой электроны, являющиеся частицами фермионика, взаимодействуют с кристаллической решеткой таким образом, что образуются электронные пары с бозонным поведением.

Теорема Белла

Это дает начало концепции квантовая запутанность и его возможные приложения в квантовых вычислениях. Кроме того, предлагаются квантовая телепортация и квантовая криптография, первые экспериментальные реализации которых уже выполнены.

Стандартная модель

За открытием кварков последовало создание стандартная модель частиц elementals, с еще двумя членами: W- и Z-бозонами.

Темная материя

Наблюдались аномалии в скорости вращения звезд вокруг центра галактик, поэтому Вера Рубин предлагает в качестве возможного объяснения существование темной материи.

Между прочим, есть важные доказательства существования темной материи из-за открытия гравитационных линз без видимой массы, которые объясняют кривизну света.

Другой важной областью исследований является энтропия черной дыры и излучение Хокинга.

Подтверждено также ускоренное расширение Вселенной, и считается, что за это отвечает темная энергия.

Физика сегодня

Тау-нейтрино

XXI век начался с экспериментального создания кварк-глюонной плазмы и открытия тау-нейтрино.

Космический микроволновый фон

Также были произведены точные наблюдения космического микроволнового фона, проливающие свет на теории раннего формирования Вселенной.

Бозон Хиггса

Широко обсуждаемое открытие - это открытие бозона Хиггса, частицы, ответственной за массу различных фундаментальных частиц, что подтверждает стандартную модель частиц.

Гравитационные волны

Обнаруженные в 2015 году гравитационные волны были предсказаны в первой половине 20 века Альбертом Эйнштейном. Они являются результатом столкновения двух сверхмассивных черных дыр.

Первое изображение черной дыры

В 2019 году впервые было получено изображение черной дыры, еще одно из предсказаний теории относительности.

Разделы современной современной физики

Среди разделов современной современной физики можно выделить:

1.- Физика элементарных частиц

2.- Физика плазмы

3.- Квантовые и фотонные вычисления

4.- Астрофизика и космология

5.- Геофизика и биофизика.

6.- Атомная и ядерная физика

7.- Физика конденсированного состояния.

Проблемы и приложения современной физики

Предметы физики, которые в настоящее время считаются открытыми и находятся в полной разработке:

-Физика сложных систем, теории хаоса и фракталов.

-Нелинейные динамические системы. Разработка новых методов и моделей, которые приводят к решению таких систем. Среди его приложений - лучший прогноз погоды.

-Теории объединения, такие как теории струн и теория М. Развитие квантовой гравитации.

-Физика жидкостей и плазмы в турбулентном режиме, которая может быть применена при разработке управляемого ядерного синтеза.

-Теории о происхождении темной материи и темной энергии. Если бы эти явления были поняты, возможно, космическую навигацию можно было бы развить за счет антигравитации и создания двигателей WARP.

-Сверхпроводимость при высоких температурах, применимая при создании более эффективных транспортных систем.

Ссылки

Ревность между братьями и сестрами: симптомы и как действовать

Теория дискомфорта при депрессии: что это такое и чем объясняется это расстройство

Достижения физики 20 — 21 века открыли познания об элементарных частицах и их взаимодействии. До конца второй мировой войны только несколько частиц были известны, не было систематической теории, объясняющей их разнообразие и их свойства. Несмотря на успехи, достигнутые в 1930 даже ядерная физика была еще в зачаточном состоянии во многих отношениях. Ничего не было известно о составе нейтронов и протонов. Измерительные приборы были очень грубы с ограниченным диапазоном измерений.

Открытия новых частиц

Для того чтобы отслеживать частицы до и после их взаимодействия с другими частицами в начале 1950-х годов был разработан ускоритель. Другие типы приборов обнаружения, как искровая камера или многопроволочная пропорциональная камера как детектор элементарных частиц, были разработаны и усовершенствованы позднее. Для того чтобы обнаруживать и измерять нейтрино, которые вряд ли вообще взаимодействуют с веществом, огромные помещения были построены глубоко под землей для устранения всех нежелательных излучений.

Физики-теоретики добились существенного прогресса в раскрытии принципов, регулирующих их взаимодействие. В начале 1960-х годов была разработана теория кварков (элементарных частиц входящих в состав протонов и нейтронов). Это открытие может объяснить многие из закономерностей более тяжелых частиц. Возможно открыто самое главное: новые принципы упорядочения частиц считаются основополагающими в физике.

В начале 21 века началось строительство ускорителя заряженных частиц адронного коллайдера.В настоящее время ученые с помощью коллайдера фиксируют результаты столкновения частиц на рекордных энергиях. С помощью этого ускорителя открыт бозон Хиггса.

Существование антиматерии

Еще один прорыв как достижения физики 20 века была экспериментальная демонстрация существования антиматерии. Материя и антиматерия быстро распадаются в чистую энергию. Это было предсказано, как теоретическое основание и предоставляет доказательства текущей теории фундаментальных законов природы.

Не следует забывать что, несмотря на прогресс в фундаментальной физике, все еще существует большой пробел в наших знаниях — разрыв, который необходимо заполнить.

Два главных столпа физики XX века: квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна, они взаимно несовместимы.

Их совместимость является абсолютно необходимым для последовательной физики, которая является целью дальнейшего теоретического прогресса. Эта цель может быть достигнута путем изменения, по крайней мере, одной из этих теорий существенным образом. Никто не знает к чему эта проблема может привести.

Ядерная физика

В 20 — 21 веке физика имеет огромное технологическое воздействие.

В результате развития атомной бомбы и как следствие увеличение знаний ядерной физики, были разработаны реакторы для производства электрической энергии путем использования тепла при реакции ядерного деления. С 1950 по это время мирное использование ядерной энергии было принято во всем мире. Многие промышленно развитые страны и некоторые развивающиеся страны сейчас используют ядерную энергию для производства электроэнергии.

Будущее ядерной энергии, однако, представляется несколько неопределенным из-за потенциально опасных радиоактивных отходов, которые она производит. Дальнейшие события в ядерной физике включают производство или обнаружение новых элементов, помимо уже известных.

Физическая оптика

Гигантские и фундаментальные шаги были сделаны в оптике. Это привело к разработке первого мощного электронного микроскопа в начале 1950-х годов. За ним последовал ионный микроскоп и сканирующий электронный микроскоп. Электронные микроскопы высокого разрешения обеспечивают проницательность в атомные структуры твердых тел.

В 1980-х годах был изобретен сканирующий микроскоп туннелирования. Это прототип сканирующего зондового микроскопа привел к разработке инструментов, которые позволяют визуализировать один атом. Родилась новая область технологии.

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость была обнаружена в 1911.

При чрезвычайно низких температурах некоторые материалы теряют электрическое сопротивление. Таким образом, они могут проводить электричество без малейших потерь. Совершенно очевидно, что это явление имеет множество потенциальных технических приложений как, например, в чрезвычайно мощных магнитах. Но явление сверхпроводимости ученые не могли объяснить вплоть до второй половины 20 века.

В 1980-х впечатляющие успехи были достигнуты в производстве керамических материалов, которые демонстрируют сверхпроводимость при значительно более высоких температурах, чем ранее считалось возможным.

Изобретение лазера

В 1960 году был изобретен лазер. Он производит когерентный свет, который может быть направлен узким лучом. У лазеров оказались несметные технологические приложения. Они включают целый ряд различных измерительных приборов, таких как детекторы загрязнения воздуха, высокоскоростная фотография, новые запоминающие устройства для компьютеров, хирургические инструменты различных видов.

Открытие полупроводников

Возможно, наиболее распространенной научной инновацией и самым важным изобретением 20 века было открытие полупроводников.

Полупроводники, кристаллы, которые сочетают свойства электрических проводников и изоляторов. Исследования этих свойств привели к открытию транзистора в конце 1940-х.

Транзистор постепенно заменил вакуумные лампы и, в конце концов, в начале 1960-х годов, привел к интегральным микросхемам и микропроцессорам малого размера. Микропроцессоры имели огромное влияние на электротехнику. Их поразительная эффективность и размер вызвал множество приложений в самых различных областях. Чрезвычайно быстрое развитие компьютеров со значительно расширенной памятью стало возможным с появлением транзисторов, интегрированных в микропроцессорах. Практически все сегодняшние вычислительные и коммуникационные устройства основаны на этой технологии. Стоимость и размер вычислительной мощности была сокращена на несколько порядков. Кроме того при разработке и внедрении Интернета, который соединяет миллионы компьютеров сегодня, позволяет получить доступ к информации из всех уголков земного шара на беспрецедентном уровне и скорости. Масштабы потенциального воздействия современных информационных и коммуникационных технологий на общество могут быть сопоставимы с изобретением печатного станка.

Современные компьютеры и компьютерные науки привели также к захватывающим достижениям в рамках фундаментальной науки, например в области искусственного интеллекта.

Еще одним событием, вытекающих из исследования полупроводников было изобретение фотоэлектрических ячеек, с помощью которых можно конвертировать свет в электрическую энергию. Они приносят надежду, что большую часть энергии необходимо будет преобразовывать непосредственно от солнца без значительного загрязнения.

Ядерная физика — относительно молодая наука, но темпы ее развития настолько высоки, что уже сегодня достижения физиков-ядерщиков поражают своей масштабностью.

Благодаря ядерной физике промышленность вооружилась атомными электростанциями и реакторами для опреснения воды и получения трансурановых элементов. Кроме того, были изобретены источники γ-излучения для дефектоскопии, активационный анализ для экспресс-определения примесей в сплавах, угле и т. д. Огромное значение имеют изотопные источники тока и тепла. Их применяют для энергоснабжения труднодоступных районов и автоматических станций (например, метеорологических или спутников Земли). Источники γ-излучения применяются для автоматизации различных операций (например, измерение плотности среды, толщины слоя угольного пласта и т. д.). В сельском хозяйстве нашли применение установки для облучения овощей и фруктов с целью предохранения их от гниения и плесени. Кроме того, разработаны способы выведения новых сортов растений путем генетических трансмутаций. Неоценима помощь ядерной физики в геологии, медицине, биологии и многих других областях знаний, так как с ее помощью можно получать невероятно точные и быстрые результаты. Однако Чернобыльская катастрофа поставила под сомнение идею использования ядерной энергии как оптимальной альтернативы природным источникам энергии. Кроме того, с каждым годом все острее встает проблема захоронения ядерных отходов, а ядерное оружие до сих пор остается одним из опаснейших видов вооружения. Участившиеся в последнее время техногенные катастрофы поставили перед учеными новую задачу — научиться использовать ядерную физику, максимально обезопасить окружающую среду и человека от возможных негативных последствий.

Ядерная физика в химии

ядерный физика химия геология

Основное применение радионуклидов и радиоактивного излучения в химии — область анализа качественного и количественного состава вещества. Эта отрасль химического знания получила название радиоаналитической химии. До открытия искусственной радиоактивности число радионуклидов, которые были бы пригодны для применения в анализе, было очень ограничено. Однако со временем были разработаны радиоаналитические методы, базирующиеся на измерении радиоактивности, причем естественные радиоактивные элементы использовались в качестве реагентов, взаимодействующих с другими веществами. Гораздо шире радионуклиды стали применяться в анализе только после налаживания производства требуемых искусственных радионуклидов в ядерных реакциях. Это и дало толчок к развитию радиоаналитической химии. Радиоаналитическая химия, возникшая на стыке аналитической химии и прикладной радиохимии, использует, при качественном и количественном анализе веществ ядерные характеристики соответствующих нуклидов. Методы радиоаналитической химии позволяют определить вещества, обнаруживая и измеряя ядерное или характеристическое рентгеновское излучение. Причем это излучение может испускать как само исследуемое вещество, так и его радиоактивный изотоп. Изотопы могут присутствовать в веществе, добавляться к нему или возникать в результате активации. Кроме того, возможна ситуация, когда излучение возникает в результате различных процессов, происходящих с веществом (отражение, поглощение, рассеяние и т. д.). Доказано, что интенсивность излучения прямо пропорциональна концентрации исследуемого вещества. Поэтому наибольшее применение радиоаналитические методы имеют прежде всего в количественном анализе. Гораздо реже используются методы радиохимического качественного анализа, позволяющие определить неизвестный источник излучения по периоду полураспада, типу и энергии испускаемого излучения. Все методы радиоаналитической химии можно разделить на две группы:

— радиоаналитические методы. Радиохимический анализ используется для изучения систем естественных и искусственных радионуклидов. К группе радиоаналитических методов относятся главным образом индикаторные методы. Они основываются на том, что в анализируемый материал вводится радиоактивный изотоп определяемого элемента (или его соединение) в известном количестве и с известной активностью. К индикаторным методам относятся:

— метод изотопного разбавления;

— методы радиоактивных реагентов. К радиоаналитическим методам принадлежит также активационный анализ. Он базируется на изучении радионуклида, возникшего в анализируемом образце непосредственно в результате ядерной реакции. С точки зрения практического проведения эксперимента этот метод значительно сложнее индикаторного Существуют также неактивационные методы анализа. В их основе лежат явления поглощения и рассеяния разных видов излучений (α-, β-, γ-, нейтронного и др.) при их прохождении через анализируемое вещество. Другими словами, неактивационные методы используют процессы взаимодействия излучения с веществом.

Ядерная физика в археологии

На первый взгляд, ядерная физика не может иметь ничего общего с археологией — наукой, изучающей историю человечества, опираясь на найденные материальные ценности (орудия труда, предметы искусства). Однако перед археологами постоянно стоит проблема — как определить точный возраст находки? Ответить на этот вопрос можно, во-первых, опираясь на письменные источники, а во-вторых — с помощью радиоуглеродного метода хронологической маркировки ископаемых находок органического происхождения. Изобретатель этого метода Либби был удостоен Нобелевской премии по физике. Сущность метода заключается в измерении остаточной радиоактивности А найденного предмета и сравнения ее с некоторым стандартным значением А₀ . Существует строгая зависимость между возрастом предмета и величиной остаточной радиоактивности, что позволяет точно установить возраст находки, т. е. чем сильнее отличается А от А₀ , тем старше предмет. Приведем теоретическое обоснование данного метода. Как известно, в процессе жизнедеятельности растения усваивают из воздуха С0₂ . Основная часть углерода, входящего в состав углекислоты — это изотопы 12 С (99%) и 13 С (= 1%), однако кроме них в состав С0₂ входит очень малая (порядка 10 -10% ) примесь радиоактивного углерода 14 С, который возникает в результате ядерной реакции в атмосферном азоте:

₇ 14 N + 1 ₀ n ―› 14 ₆ C + 1 ₁ P.

Содержание 14 С в атмосфере практически не изменяется со временем, поэтому процентное содержание 14 С в живом растении неизменно.

Период полураспада для 14 С:

τ_1/2 ( 14 С) = 5 000 лет.

Таким образом, измерив радиоактивность предмета и сравнив ее со стандартной величиной, можно определить время его изготовления.

Аналогично определяется и дата смерти живого существа. Измерение радиоактивности останков базируется на том, что в течение жизни животное имеет постоянное число ядер 14 С на 1 г углерода; травоядные животные получают 14 С из растений, а плотоядные — поедая травоядных.

Несмотря на простоту и относительную универсальность, этот метод имеет ряд недостатков, которые приводят к тому, что анализ становится очень трудоемким.

Так, существует опасность загрязнения образца более молодым углеродом. Учитывая микроколичества 14 С, можно предположить, что даже незначительные количества молодого углерода могут привести к огромным погрешностям (например, 0,1% молодого углерода увеличивает радиоактивность образца вдвое, тогда вычисленный возраст образца окажется меньше истинного на период полураспада 14 С, т. е. на 5 000 лет). Для того чтобы избежать этой проблемы, разработаны специальные способы очистки образцов от загрязнения молодым углеродом. Ведь именно степень очистки, а точнее — остаточное загрязнение молодым углеродом определяет верхнюю границу применения радиоуглеродного метода.

Еще одной проблемой в применении этого метода служит то, что содержание радиоактивного и нерадиоактивного углерода в атмосфере колеблется в пределах нескольких процентов в зависимости от места и времени измерения.

Например, после взрыва водородной бомбы возникает избыток радиоактивного углерода, а при сжигании больших количеств топлива (каменный уголь, нефть) в промышленных районах наблюдается резкое увеличение содержания нерадиоактивного углерода. Стандартным показателем радиоактивности в этом случае выступают годичные кольца многолетних деревьев.

Дело в том, что радиоактивность годичного кольца отражает радиоактивность окружающей среды в том году, когда это кольцо образовалось. Таким образом, учитывая распад 14 С во времени, можно с высокой точностью установить возраст археологической находки.

Ядерная физика в медицине

Способность атомных ядер испускать γ-кванты дало возможность использовать их в различных отраслях медицины, и в первую очередь — в диагностике, лечении и исследовании функций разных органов. Малые размеры ядер позволяют им беспрепятственно проникать в любые уголки организма, а непрерывное испускание излучения позволяет точно определить их местоположение. Рассмотрим ряд методов, позволяющих проводить диагностику органов человека. В большинстве случаев они основаны на способности организма накапливать в тканях некоторые химические элементы. Так, например, костная ткань выделяет из организма и накапливает фосфор, кальций и стронций, щитовидная железа — йод, печень — красители и т. д. При этом больной и здоровый органы характеризуются разной скоростью накопления веществ. Особо широкое применение нашел γ-радиоактивный изотоп йода 131 J. Его используют при диагностике отклонений щитовидной железы. Здоровая щитовидная железа накапливает до 10% введенного йода в течение двух часов. Если же активность железы повышена (т. е. за то же время она накапливает гораздо больше йода) или понижена, то налицо нарушение нормального режима ее функционирования, т. е. болезнь. Количество накопленного железой йода определяется γ-счетчиками, улавливающими γ-излучение радиоактивного изотопа. Для здорового органа существует оптимальная интенсивность излучения по прошествии определенного времени. Сравнивая это значение с полученным экспериментально, можно сделать вывод о состоянии органа. Исследование работы печени также можно проводить с помощью изотопа 131 J, если пометить им специальный органический краситель бенгал-роз. Этот метод базируется на том, что введенная в организм (точнее, в кровь) краска выводится только через печень. Скорость перехода краски из крови в печень, время задержки в печени и скорость выведения из печени во внешнюю среду определяются состоянием печени. Если скорости перехода и выведения уменьшаются, а время задержки увеличивается, это сигнализирует о заболевании печени. Изменение концентрации красителя в печени устанавливают, регистрируя γ-счетчиком интенсивность излучения изотопа 131 J. Этот метод можно применять и для диагностики заболеваний почек, но используя другой препарат. Радионуклиды используются для выявления злокачественных образований в различных органах. Диагностика онкологических заболеваний основана на том, что клетки опухоли накапливают радиоактивный препарат иначе, чем здоровые ткани. Некоторые изотопы (например 32 Р) накапливаются в опухолевых клетках гораздо активнее, чем в здоровых. Причина состоит в том, что соединения фосфора являются богатым источником энергии, которая необходима для роста злокачественных тканей. Для выявления опухолей также используются радиоактивный йод 131 J и коллоидное золото 198 Аu. Фосфор 32 Р в основном используют для диагностики опухолей, возникающих около поверхности тела или в легкодоступных местах (кожа, мягкие ткани конечностей, гортань, пищевод и т. д.). Это продиктовано тем, что пробег (5-частицы, испускаемой фосфором, не превышает 8 мм. В отличие от фосфора, радиоактивные йод и золото испускают γ-излучение, способное легко пронизывать ткани тела человека, поэтому они используются в диагностике опухолей внутренних органов. Радиоактивный изотоп можно вводить в организм путем инъекций с физиологическим раствором ( 198 Аu) или в составе веществ, которые хорошо поглощаются диагностируемым органом ( l 3 l J вводят вместе с бенгал-роз для оценки состояния печени, вместе с дийодофлуоресцеином или альбумином — для мозга и т. д.). Кроме того, с помощью радионуклидов изучают пути и способы выведения из организма отравляющих веществ, усвоение и выведение лекарственных препаратов, поведение микроорганизмов (меченые микробы в эпидемиологии) и т. д. Широко известен метод лучевой терапии, базирующийся на воздействии излучением либо на нервную систему, либо непосредственно на заболевший орган. Применение этого метода возможно благодаря тому, что клетки злокачественного образования более чувствительны к облучению, чем обычные клетки. Единственным непреодолимым недостатком воздействия радионуклидов на организм является то, что радиоактивное излучение вызывает ионизацию атомов и молекул всех веществ, образующих организм. Полученные ионы реагируют с молекулами всех тканей, в том числе и здоровых, что приводит к нарушениям в обмене веществ и приостанавливает размножение клеток (в том числе и здоровых). Поэтому в случаях использования лучевой терапии особое внимание уделяется тому, чтобы максимально оградить здоровые ткани от воздействия облучения.

Ядерная физика в геологии

Нетрудно предположить, что залежи минералов, обладающих естественной радиоактивностью, обнаружить несложно. Методы их обнаружения сводятся к регистрации их излучений, причем для предварительной разведки достаточно анализа, проведенного с самолета. Однако ядерная физика помогает решать и более сложные задачи; а именно — обнаруживать месторождения минералов, которые не имеют естественной радиоактивности. В этом случае разведка ископаемых проводится нейтронами и γ-квантами, а иногда и электронами. Если породу облучать γ-квантами, то будет происходить рассеяние и поглощение излучения породой. Поглощение γ-квантов приводит к образованию нейтронов, регистрируя интенсивность которых можно сделать выводы о характере породы. Важную информацию несут также интенсивность рассеянных γ-квантов и степень их поглощения. Например, по рассеянию и поглощению γ-излучения судит о влажности и плотности породы, по числу образующихся нейтронов — о содержании в породе бериллия, а в воде — дейтерия. Что касается облучения нейтронами, то здесь объем информации, которую можно получить, гораздо больше, чем в предыдущем методе. В породе нейтроны могут испытывать последовательные упругие и неупругие соударения с атомными ядрами. Процессы, происходящие при этом, существенно различаются, что позволяет разработать методы распознавания большого количества атомных ядер, а значит точно определять свойства ископаемых. Рассмотрим подробней, какие процессы имеют место при взаимодействии нейтронов с ядрами атомов. В результате неупругих взаимодействий идут реакции поглощения нейтрона с испусканием протона, α-частицы или антинейтрона. Это приводит к возникновению новых — радиоактивных — ядер и частиц. Нейтрон при этом может либо перейти в состав образующегося ядра, либо лишиться части своей энергии. Упругое рассеяние приводит к замедлению нейтрона (т.е. он теряет свою энергию постепенно) в процессе перемещения по породе. В результате нейтрон либо превращается в тепловой нейтрон, либо поглощается ядром атома. Параметрами, характеризующими среду, в этом случае выступают интенсивность рассеянных нейтронов, время замедления быстрого нейтрона и расстояние, которое он пройдет за это время. Тепловой нейтрон (т. е. нейтрон, кинетическая энергия которого в результате соударений сравнялась с энергией теплового движения атомов) будет перемещаться но породе до тех пор, пока не поглотится атомным ядром. При этом свойства среды определяют интенсивность тепловых нейтронов, время жизни и путь, пройденный ими до поглощения. Часто эти данные используются для определения содержания в среде водорода (вода, нефть) и солей. В результате поглощения медленных и тепловых нейтронов происходит излучение γ-кванта и образование искусственно-радиоактивных ядер. Параметрами, зависящими от свойств среды, являются характер радиоактивности ядер (β, γ), период полураспада, интенсивность испускаемых частиц и их энергия. В силу того что расстояние, которое частица проходит в породе, достаточно мало, необходимо, чтобы источник излучения, детектор и исследуемая среда находились на расстоянии не более нескольких десятков сантиметров. Поэтому основной областью применения этой методики является исследование нефтяных, газовых, угольных, рудных и др. скважин. Этот метод исследования носит название радиоактивного каротажа скважин. Для его осуществления в скважину опускают глубинный прибор, состоящий из источника и детектора излучения, которые разделены экраном. Комбинируя источники (γ или п) и детекторы (γ или п), можно моделировать и изучать любой из процессов взаимодействия, γ-излучения и нейтронов с ядрами. На основе этого выделяют, n -n -каротаж, γ-γ-каротаж, γ-n -каротаж и т. д. Существует также γ-каротаж, с помощью которого можно определять фоновую радиоактивность γ-радиоактивных пород. В качестве источников γ-квантов используют искусственно-радиоактивные изотопы кобальта, цезия и др., в качестве источников нейтронов — Ро-Ве- или Pu-Be-источники и испульсные нейтронные генераторы. Использование каротажа позволяет точно определить вид ископаемого. Например, γ-γ-каротаж выделяет угольные пласты, п-п- и n -у-каротаж дают возможность выделять водородсодержащие пласты (т. е. породы, насыщенные водой или нефтью) и породы, которые способны усиленно поглощать нейтроны (бор, хлор и т. д.). Если же два последних метода применять совместно, то можно различать воду и нефть, т. к. подземная вода обычно сильно засолена (содержит NaCl и другие соли). Следует отметить, что полезными ископаемыми богато дно морей и океанов. Разведка этих залежей стала намного проще и эффективнее благодаря методам, основанным на ядерных реакциях. Облучение поверхности дна океана нейтронами сообщает ядрам атомов, входящих в состав грунта, наведенную радиоактивность. Обнаруживается она с помощью γ-детектора. Ядерный состав породы при этом определяется благодаря тому, что энергия испускаемых разными ядрами γ-квантов и период полураспада — индивидуальные характеристики атома определенного вида.

В самом конце XIX столетия, занимаясь довольно хорошо известным в то время процессом люминесценции, Беккерель неожиданно наткнулся на совершенно новое явление - радиоактивность. Природа преподнесла исследователю подарок - позволила заглянуть в новый, неизведанный мир субатомной физики. Перед исследователями, которые работали в этой области в XX веке, открылся совершенно иной мир, со своими закономерностями, так не похожий на привычный мир, описываемый классической физикой. Оказалось, что установленные новые законы работают не только на очень малых расстояниях, но и определяют физические явления, происходящие в колоссальных масштабах Вселенной. XX век принес много неожиданностей и вряд ли сегодня мы можем предсказать, что готовит нам век XXI.

Используемая литература

1. Э. Ферми "Ядерная физика",пер. с англ., Москва, изд.

"Иностранная литература", 1951 г.

2. В.Е. Левин "Ядерная физика",Москва, Атомиздат, 1985 г.

3. А.С. Герасимов, Т.С. Зарицкая, А.П. Рудик "Справочник по образованию нуклидов в ядерных реакторах", Москва,

Энергоатомиздат, 1989 г.

4. В.Д. Сидоренко, В.М. Колобашкин, П.М. Рубцов, П.А. Ружанский

"Радиационные характеристики облученного ядерного топлива", справочник, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г.

Ученые всего мира ежегодно совершают новые открытия в физике. Их работа делает нашу жизнь удобнее, проще и комфортнее, позволяет достичь высот в той или иной сфере, которые были недоступны ранее.

2020 год не стал исключением. Физики сделали ряд удивительных открытий в разных областях науки.

Открытия в физике: новый сверхпроводник

Команда ученых из университета в Родчестера в Нью-Йорке сообщила о создании нового материала, имеющего свойства сверхпроводимости. Сохраняются они при температура до 15˚С.

Сам сверхпроводник состоит из порошка углерода и серы, помещенных в среду с водородом. Но свойства сверхпроводимости в материале возникают лишь тогда, когда он помещен в алмазную наковальню и там раздавлен и спрессован под давлением, с силой, приближенной к давлению ядра Земли.

Эта технология не нова. Но, ранее процесс создания материала требовал очень низких температур. Теперь, благодаря новому открытию в физике, сверхпроводник может работать при комнатной температуре.

Невероятное в этом открытии в области физики то, что в этот материал не может проникнуть магнитное поле. Если поместить магнит сверху такого сверхпроводника, то он зависнет в воздухе.

Самое тонкое зеркало в мире

Немецкий институт Макса Планка в 2020 году разработал самое легкое и тонкое зеркало в мире. Его толщина составляет 10 нанометров, а диаметр 7 микрометров. Это, так называемое, квантовое зеркало.

Для науки это открытие в физике означает переход на следующий уровень в развитии квантовых компьютеров и лазерных датчиков.

Квантовое зеркало настолько мало, что его невозможно увидеть без специального аппарата. Но, оно приближает нас к тому времени, когда станет изобретен квантовый способ передачи информации.

Новые открытия в физике: спагеттификация

Произошло это событие на расстоянии более 200 световых лет от нашей планеты. Названо оно спагеттификацией.

Самая большая черная дыра

Австралийский национальный университет в 2020 году также отмечен открытием в области физики. Команда ученых получила новые данные о самой большой черной дыре во Вселенной.

Астрофизики определили, что ее размер превышает массу нашего Солнца в 34 раза. Она необычайно прожорлива. Количество ее поглощений эквивалентно одному Солнцу в день. Возраст этой черной дыры около 1,5 миллиардов лет. Сколько же она уже успела уничтожить звезд, трудно даже представить. Хорошо, что мы находимся так далеко от нее.

Это были, лишь 4 важные открытия в области физики 2020 года. Надеемся, что 2021 нас порадует новыми научными сенсациями.

Читайте также: