4.    Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решётки рас­полагаются молекулы, ориентированные определённым образом. Силы, образующие кристалл, имеют электростатическое происхождение. Следу­ет отметить, что многие свойства тел, такие как трение, прилипание, сцеп­ление, поверхностное натяжение, вязкость и т.д. являются проявлением электростатических сил. К молекулярным кристаллам относятся лёд, йод, парафин, большинство твёрдых органических соединений и т.п., а также водород, аргон, метан и другие газы после превращения их в твёрдые тела.

2. При строительстве и конструировании различных сооружений, в том числе и строительных, необходимо знать механические свойства исполь­зуемых материалов: бетона, железобетона, стали, пластмасс и т.д. Поэтому рассмотрим лишь механические свойства твёрдых тел.

1.     Основные понятии. деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием приложенных сил. Различают два вида де­формации — упругую и пластическую. Упругой называют деформацию, которая исчезает после прекращения действия приложенных сил. Если же после снятия сил тело не возвращается в исходное состояние, то такая деформация называется пластической (неупругой). Вид деформации за­висит от материала тела и от величины приложенного усилия. Механиче­ским усилием (усилием) р называют внешнюю силу, отнесённую к единице площади, т.е.

где F — сила, действующая на площадку S. При деформации в теле возни­кают cилы, противодействующие внешним силам. Их называют упругими. Упругая сила, отнесённая к единице площади, называется механическим напряжением (напряжением)

где Fупр сила, действующая на площадку S.

Деформацию тел оценивают абсолютной и относительной деформацией. Абсолютной деформацией       DХ называют разность конечного Х  и начального Х0  размера тела, т.е.

Абсолютная деформация при растяжении положитель­ная, а при сжатии — отрицательная. Относительной деформацией e называется отношение абсолютной де­формации к первоначальному размеру  тела, т.е.

Относительная деформация показывает, на какую часть изменились пер­воначальные размеры тела. Существуют различные виды деформации:

продольное растяжение (или сжатие), сдвиг, кручение, изгиб. Рассмотрим некоторые из них.

2.   Продольное растяжение (или сжатие). Простейшим видом дефор­мации твёрдого тела является продольное растяжение (сжатие). Оно воз­никает в тонком стержне, один конец которого закреплён, а к другому вдоль его оси приложена сила Г, равномерно распределённая по попереч­ному сечению стержня В результате этого длина стержня из­меняется от  до  Гук показал, что при упругой деформации удлинение(сокращение) стержня пропорционально приложенной силе

где k -  коэффициент пропорциональности. Это соотношение называют законом Гука. Однако удлинение (сжатие) тела зависит не только от приложенной силы, но и от его геометрической формы и размеров, а также от материала, из которого оно сделано. Опытным путём установлено, что чем длиннее стержень, тем он больше удлиняется (сокращается) при данной силе, и чем больше площадь его поперечного сечения, тем его удлинение (сокращение) меньше. Это утверждение можно записать математически следующим образом:

где l0 и S - длина и площадь поперечного сечения стержня, Dl - измене­ние длины стержня под действием силы F, Е — модуль Юнга. Но, усилие, действующее на стержень, равно F/S =  р, так как сила равномерно распределена по сечению, и Dl/I0 = e — относительное удли­нение (сжатие) стержня  Тогда соотношение запишется в виде

т.е.  в пределах упругости относительная деформация пропорциональ­на усилию, приложенному к телу.

Усилие, приложенное к телу, одинаково в любом поперечном сечении стержня. Оно вызывает появление внутри стержня напряжении, которые также будут одинаковы по всей его длине и равны усилию по модулю, но  противоположны по направлению, т.е. . С учётом этого выражение запишется:

Таким образом, напряжение упруго-деформированного тела пропорцио­нально его относительной деформации.

Модуль Юнга является важной характеристикой материала, из которо­го изготовлено тело, независимо от его формы и размеров. Он измеряется в паскалях (Па). Выясним физический смысл модуля Юнга. Из (42.7) сле­дует, что если е = 1 (когда Al = ‘о), то Е = р, т.е. модуль Юнга равен усилию, которое надо приложить к телу, чтобы изменить его длину вдвое при сохранении упругой деформации. В действительности же подавляюще число материалов разрушается значительно раньше, чем это произойдёт. Следовательно, величина Е вычисляется, а не измеряется непосредствен­но. Наиболее удобным способом исследования механических свойств твёрдого тела является его испытание на растяжение и построение диаграмм растяжения, т.е. зависимости между относительным удлинением e и усилием p.

Билет № 26

1. Радиоактивность. Процесс самопроизвольного распада атомных ядер называют радио­активностью. Радиоактивный распад ядер сопровождается  превращени­ем одних нестабильных ядер в другие и испусканием различных частиц. Было установлено, что эти превращения ядер не зависят от внешних усло­вий: освещения, давления, температуры и т.д. Существует два вида радио­активности: естественная и искусственная. Естественная радиоактивность наблюдается у химических элементов находящихся в природе. Как прави­ло, она имеет место у тяжёлых ядер, располагающихся в конце таблицы Менделеева, за свинцом. Однако имеются и лёгкие естественно-радиоактивные ядра: изотоп калия , изотоп углерода  и другие. Искусственная радиоактивность наблюдается у ядер, полученных в лабо­ратории с помощью ядерных реакций. Однако принципиального различия между ними нет.

Известно, что естественная радиоактивность тяжёлых ядер сопровож­дается излучением, состоящим из трёх видов: a-, b-, g-лучи. a-лучи - это поток ядер гелия  обладающих большой энергией, которые имеют дискретные значения. b-лучи -  поток электронов, энергии которых при­нимают всевозможные значения от величины, близкой к нулю до 1,3 МэВ. g-лучи — электромагнитные волны с очень малой длиной волны.

Радиоактивность широко используется в научных исследованиях и технике. Разработан метод контроля качества изделий или материалов – дефектоскопия. Гамма-дефектоскопия позволяет установить глубину залегания и правильность расположения арматуры в железобетоне, выявить раковины, пустоты или участки бетона неравномерной плотности, случаи неплотного контакта бетона с арматурой. Просвечивание сварных швов позволяет выявить различные дефекты. Просвечиванием образцов извест­ной толщины определяют плотность различных строительных материалов; плотность, достигаемую при формировании бетонных изделий или при укладке бетона в монолит, необходимо контролировать, чтобы получит заданную прочность всего сооружения. Степень уплотнения грунтов и до­рожных оснований — важный показатель качества работ. По степени по­глощения g-лучей высокой энергии можно судить о влажности материа­лов. Построены радиоактивные приборы для измерения состава газа, при­чём источником излучения в них является очень небольшое количество изотопа, дающего g-лучи. Радиоактивный сигнализатор позволяет опреде­лить наличие небольших примесей газов, образующихся при горении лю­бых материалов. Он подаёт сигнал тревоги при возникновении пожара в помещении.

2. Методы регистрации заряженных частиц. В настоящее время хорошо установлено, что ядро атома имеет слож­ную структуру и состоит из протонов и нейтронов. Из рассмотрения явле­ния радиоактивности следует, что ядра могут претерпевать существенные изменения. Всё это наводит на мысль, что нуклоны могут превращаться друг в друга и сама структура протонов, нейтронов и даже электронов мо­жет быть сложной. Встаёт вопрос о том, существуют ли какие-то кирпичики мироздания (их физики назвали элементарными частицами), из кото­рых построено всё? Ответ оказался очень сложным, и сейчас ещё на него нет окончательного ответа. В настоящее время физикам известны сотни элементарных (или, как говорят, субъядерных) частиц. Изучением их за­нимаются учёные, работающие в области физики элементарных частиц. Каким же образом можно “увидеть’, зарегистрировать столь малые объек­ты, которые недоступны никакому микроскопу? для этого разработан це­лый ряд хитроумных, весьма тонких способов, которые позволяют не только их зарегистрировать, распознать, но и увидеть их взаимные пре­вращения.

Рассмотрим только некоторые наиболее важные и широко используе­мые методы регистрации излучений. Элементарные частицы удаётся на­блюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохож­дении через вещество. Это связано с тем, что заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём пути. нейтральные частицы, такие как нейтроны, следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момента спада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким – либо ядром.

1.    Сцинцилляционные методы. Существует ряд веществ (бензол, нафталин, сернистый цинк с серебром и т.д.), которые дают световую вспышку (сцинцилляцию) при прохождении через них ионизирующего излучения. Эту вспышку можно зарегистрировать как просто глазом, так и соответствующим прибором, преобразующим световой сигнал в электри­ческий.

2.    Счётчик Гейгера. Это устройство представляет собой стеклянную трубку, наполненную газом, в которую введены два электрода. Одни явля­ется цилиндрической поверхностью, другой тонкой проволокой, про­ходящей с одного торца к другому, по оси цилиндра. К электродам подво­дится напряжение. При пролёте через такую трубку заряженной Частицы, молекулы газа ионизируются, образовавшиеся ионы разгоняются электри­ческим полем и в свою очередь ионизируют другие молекулы, в результате чего образуется лавина ионов. В этот момент по электрической цепи, в ко­торую включена трубка, проходит ток в виде импульса. Процесс повторя­ется при каждом пролёте частицы, и электронный прибор регистрирует и считает число пролетевших частиц. Счётчик Гейгера играет весьт’4а боль­шую роль при изучении радиоактивности, радиоактивного заражения, при измерении доз, полученных в заражённых зонах.

3.    Метод толстослойных фотопластин Заряженные частицы, прохо­дя через фотоэмульсию, вызывают такое же действие, как свет. Поэтому после проявления фотоматериала в эмульсии проявляется видимый след, который можно легко увидеть в микроскоп.

4.  Камера Вильсона. Принцип действия камеры основан на явлении конденсации пересыщенного пара при пролёте через него заряженной час­тицы. дорожку из капелек жидкости можно сфотографировать С несколь­ких точек и получить данные о пространственном расположении траекто­рии полёта частицы. Если камеру поместить между полюсами электромаг­нита, то в результате взаимодействия частицы с полем траектории частицы будет искривляться и по этому искривлению можно определить знак заря­да частицы и её импульс.

Биологическое действие радиоактивных излучении Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает темпера­туру тела лишь на 0,00 1 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.

Живая клетка — это сложный механизм, не способный про­должать нормальную деятельность даже при малых поврежде­ниях отдельных его участков. Между тем даже слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь). При большой интен­сивности излучения живые организмы погибают. Опасность излу­чений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Механизм поражающего биологические объекты действия из­лучения еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает пора­жение клеток пищеварительного тракта и других органов.

Сильное влияние оказывает облучение на наследственность. В большинстве случаев это влияние является неблагоприятным.

Облучение живых организмов может оказывать и опреде­ленную пользу. Быстро размножающиеся клетки в злокачествен­ных (раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли g-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.

Доза излучения. Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения. Поглощенной дозой излучения D называется отношение поглощенной энергии Е ионизи­рующего излучения к массе гп облучаемого вещества:

В СИ поглощенную дозу излучения выражают в г р э я х (сокращенно: Гр). Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:

Естественный фон радиации (космические лучи; радиоактив­ность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около Гр на человека. Международ­ная комиссия по радиационной защите установила для лиц, рабо­тающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения в 3 – 10  Гр, полученная за короткое время, смертельна.

Защита организмов от излучения. При работе с любым источ­ником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необхо­димо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.

Самый простой метод защиты это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убыва­ет о пропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.

В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, используют для защиты от излучения преграды из поглощающих материалов.

Наиболее сложна защита от g-лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности. Лучшим поглотителем g-лу­чей является свинец. Медленные нейтроны хорошо погло­щаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.

Билет № 11

1.Работа в термодинамике. Пусть газ находится в цилиндрическом сосуде с площадью поперечного сечения S, закрытом подвижным поршнем. Нагреем газ, в результате чего его объем увеличивается. Найдем работу, совершаемую газом при его расширении. Она равна работе, которую совершает сила, действующая на поршень, при его перемещении. При движении поршня в общем случае давление газа и сила F, приложенная к поршню, изменяются. Поэтому рассмотрим случай расширения газа, когда его давление остаётся постоянным. Предположим, что поршень переместился на расстояние l. Механическая работа А находится по формуле так как угол  между силой и перемещением равен нулю и cosa = 1. Модуль силы F находим через давление Р, которое оказывает газ на пор­шень: . С учётом этого получаем А = PSl. Но DV= Sl — изменение объёма газа. Итак,

2. Внутренняя энергия.  Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия. Внутренней энергией термодинамической системы называют сумму кинетической и потенциальной энергии всех частиц, входящих в неё. Следовательно, внутренняя энергия состоит из кинетической энергии молекул (атомов) и потенциальной энергии электронов в молекулах (атомах) и из внутриядерной энергии. Необходимо отметить, что термодинамика изучает лишь такие переходы термодинамической системы из одного состояния в другое, при которых изменяются только кинетическая и потенциальная энергия молекул (или атомов), из которых она состоит. Внутренняя энергия однозначно определяется параметрами состояния и не зависит от пути перехода в это состояние. Выбор состояния системы, в котором внутренняя энергия принимается равной нулю, произволен. Обычно счи­тают, что внутренняя энергия равна нулю при температуре 0 К.

2.   В качестве примера найдём внутреннюю энергию идеального одноатомного газа, т.е. газа состоящего из атомов. Такими газами являются ге­лий, неон, аргон и другие. В идеальном газе притяжение между молекула­ми отсутствует. Поэтому их потенциальная энергия равна нулю. Тогда внутренняя энергия этого газа будет складываться только из кинетических энергий отдельных молекул. Вычислим сначала внутреннюю энергию од­ного моля газа. Известно, что число молекул, наход5пцвхся в одном моле вещества, равно числу Авогадро NA. Согласно (24.1), средняя кинетиче­ская энергия молекулы находится по формуле <ek> = (3/2) kТ. Следователь­но, внутренняя энергия Um одного моля идеального газа равна

так как— универсальная газовая постоянная. Внутренняя энергия U произвольной массы газа m будет равна внутренней энергии одного моля, умноженной на число молей, где m  - молярная масса газа, т.е.

Таким образом, внутренняя энергия данной массы идеального газа за­висит только от температуры и не зависит от объёма и давления.

3. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия термодинамической системы под воздействием ряда внешних факторов меняется, о чём, как видно из (27.2), можно судить по изменению температуры этой системы. Например, когда быстро сжать газ, то его температура повышается. Если привести в контакт два тела, имеющих разные температуры, то температура более холодного тела по­вышается, а более нагретого понижается. В первом случае внутренняя энергия изменяется за счёт работы внешних сил, во втором происходит обмен кинетическими энергиями молекул, в результате чего суммарная кинетическая энергия молекул нагретого тела уменьшается, а менее нагре­того - возрастает. Это приводит к передаче энергии от горячего тела к холодному без совершения механической работы. Процесс передачи энерг­ии от одного тела к другому без совершения механической работы получило название теплопередачи или теплообмен,. Передача энергии между телами, имеющими разные температуры, характеризуется величиной, на­зываемой количеством теплоты или теплотой. Количество теплоты - это энергия, переданная путём теплообмена от одной термодинамиче­ской системы к другой вследствие разности температур этих систем.

Рассмотрение понятия внутренней энергии и количества теплоты ис­пользуется в формулировке первого закона термодинамики, играющего первостепенную роль при изучении различного рода термодинамических процессов.

В природе существует закон сохранения и превращения энергии, со­гласно которому энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь перехо­дит из одного вида в другой. Этот закон применительно к тепловым про­цессам получил название первого закона термодинамики. Отметим, что тепловыми процессами называют процессы, связанные с изменением температуры термодинамической системы, а также с изменением агрегатного  состояния вещества. Если термодинамической системе сообщить некоторое количество теплоты Q, т.е. некоторую энергию, то за счёт этой энергии в общем случае происходит изменение её внутренней энергии DU и система, расширяясь, совершает определённую механическую работу А. Очевидно, что, согласно закону сохранения энергии, должно выполняться равенство:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7