Два точечные заряды q1 = -5 нКл и q2 = 4 нКл находятся на расстоянии d = 10 см друг от друга. Найти силу, действующую на третий заряд q3 = 2 нКл, который находится на прямой, которая соединяет заряды, на расстоянии L = 40 см от положительного ного заряда.
Спросите кого угодно, что произойдет с температурой идеального газа, который расширяется в замкнутом сосуде без теплообмена с окружающей средой, и почти все вам ответят, что газ охладится. Не «верьте! Это не всегда так.
Вообразим такой мысленный эксперимент. Пусть одна половина теплоизолированного сосуда занята идеальным газом с давлением p1 и температурой T1, а другая — пуста (рис. 1). В некоторый момент уберем перегородку между половинами сосуда. Газ, естественно, будет расширяться, причем в пустоту, и после многочисленных столкновений его молекул со стенками и между собой установится новое равновесное состояние. Ясно, что теперь объем газа вдвое больше: V2 = 2V1. А каковы его давление p2 и температура T2?
Рис. 1
С одной стороны, так как процесс адиабатический, точки, соответствующие начальному и конечному состояниям газа, должны лежать на адиабате 1—2’ (рис. 2). Адиабата, как известно, падает круче изотермы, поэтому температура газа должна уменьшаться: T’2 < T1.
Рис. 2
С другой стороны, посмотрим, что говорит первый закон термодинамики. Количество теплоты Q, подведенное к газу, идет на увеличение его внутренней энергии ΔU и на работу по расширению А:
Q=ΔU+A .
В нашем случае Q = 0 (по условию адиабатичности). А какая работа совершается газом? Да никакой, потому, что он расширяется в вакуум, со стороны которого не встречает противодействия. Значит, и сила, и работа равны нулю: А = 0. Следовательно, и изменение внутренней энергии тоже равно нулю: ΔU = 0. Но поскольку в случае идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, температура не изменится: T2 = T1, и давление станет равным p2=p12. Это означает, что точки, соответствующие начальному и конечному состояниям, будут лежать на изотерме 1-2.
А что происходит между этими состояниями? К сожалению, школьная термодинамика ничего об этом сказать не может. Почему? Да потому, что вся она верна только для очень медленных (так называемых квазистатических) процессов, которые происходят со скоростями, много меньшими тепловой скорости движения молекул. В нашем же случае как только мы уберем перегородку, газ буквально бросится в вакуум со скоростью порядка тепловой скорости молекул и даже еще быстрее, потому что в газе есть отдельные молекулы, скорость которых намного больше тепловой. А тут термодинамика просто неверна. Вот почему на рисунке 2 мы изобразили неизвестный нам процесс штрихами, а не сплошной линией.
Все наши рассуждения справедливы для случая идеального газа. А если газ не идеальный? Тогда его молекулы взаимодействуют друг с другом, и внутренняя энергия газа складывается из кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.
На рисунке 3 изображена зависимость потенциальной энергии П взаимодействия двух молекул от расстояния r между ними. Там, где потенциальная энергия минимальна (точка r0), вещество конденсируется, т. е. переходит в жидкое состояние.
Рис. 3
Так как, по условию, мы имеем в начальный момент газ, то среднее расстояние между молекулами соответствует точке r1 >> r0. После удвоения объема среднее расстояние между молекулами станет равным r2=r12–√3>r1. Получилось, как будто в результате расширения газ слегка «вытащили» наверх, по склону потенциальной ямы. Но кто поработал над тем, чтобы увеличить потенциальную энергию на ΔП? Никто. И сам газ тоже ни над кем не работал. Поэтому остается признать, что увеличение потенциальной энергии произошло за счет уменьшения кинетической энергии движущихся молекул. Значит, и температура — мера средней кинетической энергии молекул газа — в результате расширения слегка упадет. Но это верно только в случае реального газа.
Атомное ядро – центральная и очень компактная часть атома, в которой сосредоточена практически вся его масса и весь положительный электрический заряд.
Ядро, удерживая вблизи себя кулоновскими силами электроны в количестве, компенсирующем его положительный заряд, образует нейтральный атом. Большинство ядер имеют форму, близкую к сферической. Ядро имеет размер ≈ 10-12 см, что на четыре порядка меньше размера атома (10-8 см). Плотность вещества в ядре – около 230 млн. тонн/см3.
Атомное ядро было открыто в 1911 г. в результате серии экспериментов по рассеянию α-частиц тонкими золотыми и платиновыми фольгами, выполненных в Кембридже (Англия) под руководством Э. Резерфорда. Оказалось, что угловое распределение α-частиц, рассеянных на атоме, имеет вид
где Zα - электрический заряд α-частицы, Zядра – электрический заряд ядра, E – кинетическая энергия α-частицы, θ – угол рассеяния α-частицы.
Это означало, что в атоме имеется точечное положительно заряженное ядро, содержащее в себе практически всю массу ядра. В 1914 году Э.Резерфорд показал, что в состав атомного ядра входят протоны – ядра атома водорода.
В 1932 г. после открытия Дж.Чедвиком нейтрона стало ясно, что ядро состоит из протонов и нейтронов (В. Гейзенберг, Д.Д. Иваненко, Э. Майорана).
Атомные ядра представляют собой квантовые системы нуклонов, связанных между собой ядерным взаимодействием. Свойства атомных ядер определяются совместным действием сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий.
Атомные ядра состоят из нейтронов n и протонов p. Свойства свободных нейтрона и протона приведены в Табл. 1.
Для обозначения атомного ядра используется символ химического элемента атома, в состав которого входит ядро. Левый верхний индекс у этого символа показывает суммарное число нейтронов и протонов в данном ядре, а левый нижний – число протонов в нём. Например, ядро никеля, содержащее 58 нуклонов, из которых 28 протонов, обозначается . Это же ядро обозначают 58Ni, либо Ni-58.
Ядро – система плотно упакованных протонов и нейтронов, двигающихся со скоростью ~109 см/сек и удерживаемых мощными и короткодействующими ядерными силами взаимного притяжения. Область действия ядерных сил ограничена размером ~10-13 см. Протоны и нейтроны имеют размер около 10-13 см и рассматриваются как два разных состояния одной частицы, называемой нуклоном. Радиус ядра можно приближённо оценить по формуле R ≈ 1.3 А1/3·10-13 см, где А – число нуклонов (суммарное число протонов и нейтронов) в ядре.
Объяснение:
Свойства свободных нейтрона и протона n p
Масса, МэВ/c2 939.56536 ± 0.00008 938.27203 ± 0.00008
Квантовое число - спин 1/2 1/2
Спин, ћ = 6.58·10-22 МэВ·c ћ[1/2(1/2 + 1)]1/2 ћ[1/2(1/2 + 1)]1/2
Электрический заряд,
qe = (1.602176487 ± 40)·10-19 Кл (-0.4 ± 1.1)·10-21 |qp + qe|/qe < 10-21
Магнитный момент,
-1.9130427 ± 0.000005 +2.792847351 ± 000000028
Электрический дипольный момент
d, e · см < 0.29 10-25 < 0.54 10-23
Барионный заряд В +1 +1
Зарядовый радиус, Фм 0.875 ± 0.007
Радиус распределения
магнитного момента, Фм 0.89 ± 0.07 0.86 ± 0.06
Изоспин I 1/2 1/2
Проекция изоспина Iz -1/2 +1/2
Кварковый состав udd uud
Квантовые числа s ,c, b, t 0 0
Среднее время жизни (885.7 ± 0.8) с > 2.1±1029 лет
Четность + +
Статистика Ферми-Дирака
Схема распада n → p + e- + антинейтриноe