№ 1083. На сколько увеличится масса α-частицы при движении со скоростью 0,9с? Полагать массу покоя α-частицы равной 4 а. е. м.
Решебник по физике за 10, 11 класс (А.П. Рымкевич, 2001 год),
задача №1083
к главе «ГЛАВА XV. ЭЛЕМЕНТЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. 49. Релятивистский закон сложения скоростей. Зависимость массы от скорости. Закон взаимосвязи массы и энергии».
№1115 ГДЗ Рымкевич 10-11 класс (Физика)
Рассмотрим вариант решения задания из учебника Рымкевич 10-11 класс, Дрофа:
На сколько увеличится масса а-частицы при движении со скоростью 0,9с? Полагать массу покоя а-частицы равной 4 а. е. м.
*Цитирирование задания со ссылкой на учебник производится исключительно в учебных целях для лучшего понимания разбора решения задания.
*размещая тексты в комментариях ниже, вы автоматически соглашаетесь с пользовательским соглашением
Альфа-частица: масса, основные характеристики и свойства
Альфа-частица представляет собой ядро гелия. Если у атома гелия убрать электронную оболочку, то останется эта частица. Она состоит из двух протонов и двух нейтронов, имеет сферическую форму с радиусом 10 -5 метра. Масса альфа-частицы составляет 6,68 * 10 -27 килограмм.
История открытия
На рубеже XIX-XX веков два физика с мировым именем открыли существование альфа-частиц. Это были новозеландский физик Эрнест Резерфорд, который работал в Канаде в городе Монреале, и французский химик и физик Поль Вийяр, который ставил свои эксперименты в Париже. Эти два ученых изучали различные виды радиации по их свойствам проникать через различные среды, а также по их взаимодействию с искусственным магнитным полем.
Альфа и бета-распады ядер — широко известные явления. Кроме них существует ряд других реакций.
В результате этих экспериментов Резерфорд выделил три типа радиоактивного излучения: альфа, бета и гамма. Альфа-лучи были определены как лучи, имеющие наименьшую проникающую способность через различные предметы среди изучаемых видов радиации.
Элементарные частицы: протоны и нейтроны
В физике любой частице принято приписывать две основные характеристики — электрический заряд и массу, так как эти критерии определяют во многом ее свойства и поведение в конкретных физических условиях.
Как было сказано выше, альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Протон представляет собой элементарную частицу, имеющую массу 1,6726 * 10 -27 кг и заряд +1,602 * 10 –19 Кл. Что касается нейтрона, то его масса в 1,00137 раз больше, чем у протона, то есть составляет 1,67489*10 -27 кг. Заряд нейтрона равен нулю, то есть эта частица является электрически нейтральной (отсюда и название — «нейтрон»).
Ядро состоит из протонов и нейтронов, а электроны движутся вокруг.
Альфа-частицы и их заряд
Заряд и массу альфа-частицы можно определить, если принимать во внимание названные выше цифры, а также учитывать, что сама частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Заряд альфа-частицы является положительным и равен +3,204 * 10 –19 Кл. Отметим, что значение +1,602 * 10 –19 Кл принято в физике называть элементарным зарядом, поскольку он равен по модулю этим же величинам у протона и электрона. Таким образом, заряд альфа-частицы равен +2 элементарных заряда.
Масса альфа-частицы
Если учитывать аддитивное свойство физической величины «масса», то можно рассчитать самостоятельно, сколько весит альфа-частица. Приведенные выше цифры для протонов и нейтронов говорят, что масса альфа-частицы равна 6,69498 * 10 -27 кг. Получается эта цифра, если сложить массы в покое двух протонов и двух нейтронов. В итоге отношение масс протона и альфа-частицы приблизительно составляет 1/4. То есть альфа-частица в четыре раза тяжелее протона.
Однако множество проведенных экспериментов по установлению точной массы этой частицы говорят, что масса покоя альфа-частицы составляет 6,68 * 10 * 10 -27 кг, то есть она меньше на 0,015 * 10 -27 кг полученного выше значения. Куда же девается разница? Ответ на этот вопрос достаточно прост — она переходит в энергию. Дело в том, что при образовании альфа-частицы из протонов и нейтронов в результате ядерных взаимодействия между ними выделяется энергия в виде электромагнитного излучения, два протона и два нейтрона переходят в более выгодное энергетическое состояние — нашу альфа-частицу.
Энергия образования
Чтобы рассчитать энергию образования альфа-частицы, следует воспользоваться знаменитым уравнением Эйнштейна, которое связывает массу и энергию через одну из фундаментальных постоянных нашей Вселенной — скорость света. Это уравнение имеет вид: E = mc 2 , где E — энергия, m — масса, c — скорость света в вакууме.
Зная, что при образовании альфа-частицы масса ее компонентов уменьшается на 0,015 * 10 -27 кг, а также зная, что скорость света составляет 3 * 10 8 м/с, получаем энергию, которая выделяется во время этого процесса. Она равна E = 0,015 * 10 -27 * 9 * 10 16 = 1,35 * 10 -12 Дж. В физике элементарных частиц принято энергии записывать в электрон-вольтах (эВ). Один электрон-вольт равен 1,602177 * 10 −19 Дж. Тогда энергия образования альфа-частицы равна 8,426 * 10 6 эВ, или 8,426 МэВ (мегаэлектрон-вольт).
Чтобы понять, насколько велика эта энергия, можно провести простой расчет. Представим, что вся энергия образования альфа-частицы переводится на ее ускорение. Пользуясь уравнением Лоренца для нерелятивистских скоростей, то есть полагая, что кинетическая энергия-альфа частицы равна mv 2 /2, где v — скорость ее движения, получаем, что этой энергии образования будет достаточно, чтобы разогнать альфа-частицу до скорости 2 * 10 7 м/c, что составляет 6,7 % от скорости света в вакууме. Отметим, что задавать вопрос о том, на сколько увеличится масса альфа-частицы при таких скоростях, не имеет смысла, поскольку увеличением ее массы можно пренебречь, так как она составит всего 0,015/6,68 * 100 = 0,2 %.
Основные физические свойства
Альфа-частица тяжелее в 4 раза протона и в 8000 раз — электрона, то есть для мира элементарных частиц она обладает большой массой. Напомним, что масса одного протона или одного нейтрона в атомных единицах (а.е.м.) равна 1, а заряд протона равен +1 в единицах элементарного заряда, то есть альфа-частица имеет заряд +2, а массу — 4. Тогда отношение заряда к массе альфа-частицы равно +1/2 = +0,5.
Поскольку она обладает электрическим зарядом, пролетая через электрическое или магнитное поле, она взаимодействует с ним. Чтобы определить направление силы, которая действует на альфа-частицу в магнитном поле, необходимо воспользоваться так называемым правилом левой руки: четыре пальца следует расположить вдоль вектора движения альфа частицы, а ладонь повернуть таким образом, чтобы линии магнитной индукции входили в нее. Тогда оттопыренный под прямым углом большой палец укажет направление действующей силы на движущуюся заряженную частицу.
Альфа-частицы могут разгоняться до больших скоростей, достигающих величин 15 млн км/с, то есть 5 % от скорости света. Ввиду большой массы и огромных скоростей они приобретают значительную кинетическую энергию, которая может составлять до 10 МэВ.
Проникающая способность
Поскольку альфа-частица обладает значительной массой (по сравнению с массой электрона), а также электрическим зарядом, который по модулю превышает заряд электрона в 2 раза, то ее проникающая способность, то есть способность проходить через слой вещества, является незначительной.
Во время своего движения альфа-частица испытывает столкновения с атомами, передавая им значительное количество энергии, которая приводит к ионизации атомов, то есть к отрыву электронов от них. Например, проходя всего 5 см в воздухе, альфа-частица испытывает огромное число столкновений и практически полностью теряет свою кинетическую энергию.
Любое твердое вещество легко задерживает альфа-частицу. Так, она не может пройти через слой из нескольких листов бумаги, а алюминиевая пластина толщиной всего 0,1 мм задерживает поток любой интенсивности из альфа-частиц. Еще раз отметим, хотя проникающая способность этой частицы мала, она очень сильно ионизирует всякое вещество, через которое движется.
Альфа-частица — продукт радиоактивного распада
Несмотря на то что альфа-частица состоит из протонов и нейтронов, из этих элементарных частиц она в природе не образуется, а получается в результате радиоактивного альфа-распада некоторых химических элементов.
Альфа-распад является одним из видов радиоактивного распада, в результате которого атомное ядро некоторого химического элемента, испуская альфа-частицу, превращается в ядро другого элемента, масса которого на 4 а.е.м. меньше, чем эта величина у родительского ядра, а порядковый номер в таблице Менделеева на 2 единицы меньше, чем у исходного элемента.
Альфа-распад бывает спонтанным (происходит произвольным образом в природе) и вынужденным (вызван в результате какого-либо специального воздействия на атомное ядро). Спонтанный распад характерен только для очень тяжелых атомных ядер. Так, самым легким элементом, который испытывает спонтанный альфа-распад, является теллурий 106. Уран 238 также претерпевает альфа-распад с образованием технеция 234.
Поскольку альфа-частица обладает двойным положительным элементарным зарядом, она при распаде радиоактивного ядра быстро захватывает электроны, образуя при этом атом гелия. Именно по этой причине во многих породах с большим содержанием альфа-радиоактивных элементов имеются полости, заполненные газом гелием, например в минералах, богатых ураном или торием. Основным источником альфа-частиц на Земле является благородный газ радон, который находится в почве, воде, воздухе и различных типах горных пород.
Альфа и бета-распады ядер — широко известные явления. Кроме них существует ряд других реакций, имеющих меньшее распространение. Каждый из этих процессов стоит рассмотреть, чтобы иметь представление об атомной физике.
Ядро состоит из протонов и нейтронов, а электроны движутся вокруг ядра. В модели Бора электроны вращаются вокруг ядра на круговых орбитах, подобно Земле, вращающейся вокруг Солнца. Электроны могут переходить между этими уровнями, и когда они это .
Субатомные частицы — это те элементы, из которых состоят атомы. О том, каковы их свойства, и как они были открыты — читайте в статье.
На сколько увеличится масса a-частицы при ускорении её от начальной скорости, равной нулю, до скорости, равной 0,9 скорости света?
Готовое решение: Заказ №8379
Тип работы: Задача
Статус: Выполнен (Зачтена преподавателем ВУЗа)
Предмет: Физика
Дата выполнения: 28.08.2020
Цена: 227 руб.
Чтобы получить решение , напишите мне в WhatsApp , оплатите, и я Вам вышлю файлы.
Кстати, если эта работа не по вашей теме или не по вашим данным , не расстраивайтесь, напишите мне в WhatsApp и закажите у меня новую работу , я смогу выполнить её в срок 1-3 дня!
Описание и исходные данные задания, 50% решения + фотография:
№2(1) 330. На сколько увеличится масса a-частицы при ускорении её от начальной скорости, равной нулю, до скорости, равной 0,9 скорости света?
Масса релятивистской частицы растёт с увеличением скорости частицы: , где – масса покоя частицы; – скорость частицы в долях скорости света. Найдём, на сколько увеличится масса релятивистской -частицы при заданной скорости:
| Если вам нужно решить физику, тогда нажмите ➔ заказать контрольную работу по физике. |
| Похожие готовые решения: |
- На сколько увеличится масса a-частицы (m0 = 6,6•10-27 кг) при ускорении её от начальной скорости, равной нулю, до скорости, равной 0,9c (c = 3•108 м/с – скорость света в вакууме)?
- Какая энергия выделилась бы при полном превращении 1 г вещества в излучение?
- В системе K` покоится стержень, собственная длина которого равна 1 м. Стержень расположен так, что составляет угол α0 = 60° с осью x`. Определить угол α в системе K, если скорость системы K` относительно K равна 0,9c.
- На сколько процентов релятивистская масса частицы больше массы покоя при скорости v = 30 Мм/с?
Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔
Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.
Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.
Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.
В случае копирования материалов, указание web-ссылки на сайт natalibrilenova.ru обязательно.
© «Брильёнова Наталья Валерьевна»