Страница 161 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

Авторы: Рымкевич А. П.
Тип: Задачник
Издательство: Просвещение, Дрофа
Год издания: 2016 - 2025
Цвет обложки: белый, синий
ISBN: 978-5-358-15963-1
Популярные ГДЗ в 10 классе
Cтраница 161

№1225 (с. 161)
Условие. №1225 (с. 161)

1225. Ввиду большой энергии связи, приходящейся на нуклон ядра гелия, возможны экзоэнергетические реакции деления лёгких ядер. Найти, какая энергия выделяется при бомбардировке бора ${}_{5}^{11}\text{B}$ протонами с образованием трёх $\alpha$-частиц.
Решение 1. №1225 (с. 161)

Решение 2. №1225 (с. 161)

Решение 3. №1225 (с. 161)

Решение 4. №1225 (с. 161)
Дано:
Ядерная реакция: $_{5}^{11}\text{B} + _{1}^{1}\text{p} \rightarrow 3 \cdot _{2}^{4}\text{He}$
Масса атома бора-11: $m(_{5}^{11}\text{B}) = 11,009305 \text{ а.е.м.}$
Масса атома водорода-1: $m(_{1}^{1}\text{H}) = 1,007825 \text{ а.е.м.}$
Масса атома гелия-4: $m(_{2}^{4}\text{He}) = 4,002603 \text{ а.е.м.}$
Энергетический эквивалент атомной единицы массы: $1 \text{ а.е.м.} \cdot c^2 \approx 931,5 \text{ МэВ}$
Найти:
Энергетический выход реакции $Q$.
Решение:
Запишем уравнение ядерной реакции, указав выделяющуюся энергию $Q$. Протон — это ядро атома водорода $_{1}^{1}\text{H}$, а α-частица — ядро атома гелия $_{2}^{4}\text{He}$.
$_{5}^{11}\text{B} + _{1}^{1}\text{p} \rightarrow 3 \cdot _{2}^{4}\text{He} + Q$
Сначала проверим выполнение законов сохранения зарядового и массового чисел.
Сумма зарядовых чисел до реакции: $Z_{нач} = 5 + 1 = 6$.
Сумма зарядовых чисел после реакции: $Z_{кон} = 3 \cdot 2 = 6$.
Сумма массовых чисел до реакции: $A_{нач} = 11 + 1 = 12$.
Сумма массовых чисел после реакции: $A_{кон} = 3 \cdot 4 = 12$.
Законы сохранения выполняются.
Энергетический выход реакции $Q$ определяется дефектом масс $\Delta m$ — разницей между суммарной массой частиц до реакции и после неё. Энергия связана с массой соотношением Эйнштейна $E=mc^2$.
$Q = \Delta m \cdot c^2 = (m_{нач} - m_{кон}) \cdot c^2$
где $m_{нач}$ — суммарная масса частиц до реакции, а $m_{кон}$ — суммарная масса частиц после реакции. В расчетах можно использовать массы нейтральных атомов, так как число электронов в исходных атомах ($5+1=6$) и в конечных атомах ($3 \cdot 2 = 6$) одинаково, поэтому их массы взаимно сокращаются при вычислении разности.
Вычислим массу частиц до реакции (атом бора-11 и атом водорода-1):
$m_{нач} = m(_{5}^{11}\text{B}) + m(_{1}^{1}\text{H}) = 11,009305 \text{ а.е.м.} + 1,007825 \text{ а.е.м.} = 12,017130 \text{ а.е.м.}$
Вычислим массу частиц после реакции (три атома гелия-4):
$m_{кон} = 3 \cdot m(_{2}^{4}\text{He}) = 3 \cdot 4,002603 \text{ а.е.м.} = 12,007809 \text{ а.е.м.}$
Теперь найдем дефект масс $\Delta m$:
$\Delta m = m_{нач} - m_{кон} = 12,017130 \text{ а.е.м.} - 12,007809 \text{ а.е.м.} = 0,009321 \text{ а.е.м.}$
Так как дефект масс положителен ($\Delta m > 0$), масса продуктов реакции меньше массы исходных частиц. Это означает, что реакция является экзоэнергетической, то есть протекает с выделением энергии.
Вычислим выделившуюся энергию $Q$, умножив дефект масс на энергетический эквивалент одной атомной единицы массы:
$Q = \Delta m \cdot 931,5 \frac{\text{МэВ}}{\text{а.е.м.}} = 0,009321 \text{ а.е.м.} \cdot 931,5 \frac{\text{МэВ}}{\text{а.е.м.}} \approx 8,682 \text{ МэВ}$
Ответ: при бомбардировке бора $^{11}\text{B}$ протонами выделяется энергия, равная приблизительно $8,682 \text{ МэВ}$.
№1226 (с. 161)
Условие. №1226 (с. 161)

1226. При делении изотопа урана $^{235}_{92}\text{U}$ освобождается энергия 200 МэВ, причём 84% этой энергии приобретают осколки деления. Считая, что этими осколками являются ядра бария $^{137}_{56}\text{Ba}$ и криптона $^{84}_{36}\text{Kr}$ и что импульсы их по модулю одинаковы, найти энергию осколков.
Решение 1. №1226 (с. 161)

Решение 2. №1226 (с. 161)

Решение 3. №1226 (с. 161)

Решение 4. №1226 (с. 161)
Дано:
Полная энергия, освобождающаяся при делении ядра урана $_{92}^{235}\textrm{U}$, $E_{общ} = 200 \text{ МэВ}$.
Доля энергии, переходящая в кинетическую энергию осколков, $\eta = 84\% = 0.84$.
Осколки деления: ядро бария $_{56}^{137}\textrm{Ba}$ и ядро криптона $_{36}^{84}\textrm{Kr}$.
Массовое число бария $A_{Ba} = 137$.
Массовое число криптона $A_{Kr} = 84$.
Импульсы осколков по модулю равны: $p_{Ba} = p_{Kr}$.
Найти:
Кинетическую энергию ядра бария $E_{Ba}$ и кинетическую энергию ядра криптона $E_{Kr}$.
Решение:
1. Найдем суммарную кинетическую энергию $E_k$, которую приобретают осколки деления. Она составляет 84% от общей выделившейся энергии: $E_k = E_{общ} \cdot \eta = 200 \text{ МэВ} \cdot 0.84 = 168 \text{ МэВ}$.
Эта энергия равна сумме кинетических энергий ядра бария и ядра криптона: $E_k = E_{Ba} + E_{Kr}$.
2. Согласно условию задачи, импульсы осколков по модулю равны. Это также следует из закона сохранения импульса, так как начальный импульс ядра урана (если считать его покоящимся до деления) равен нулю: $\vec{p}_{Ba} + \vec{p}_{Kr} = 0 \implies p_{Ba} = p_{Kr} = p$.
3. Связь между кинетической энергией $E$ и импульсом $p$ частицы массой $m$ выражается формулой: $E = \frac{p^2}{2m}$.
Запишем это выражение для каждого осколка: $E_{Ba} = \frac{p^2}{2m_{Ba}}$
$E_{Kr} = \frac{p^2}{2m_{Kr}}$
4. Найдем отношение кинетических энергий осколков: $\frac{E_{Ba}}{E_{Kr}} = \frac{p^2 / (2m_{Ba})}{p^2 / (2m_{Kr})} = \frac{m_{Kr}}{m_{Ba}}$.
Массы ядер можно считать пропорциональными их массовым числам ($A$), т.е. $m \approx A \cdot u$, где $u$ — атомная единица массы. Тогда отношение масс равно отношению массовых чисел: $\frac{m_{Kr}}{m_{Ba}} = \frac{A_{Kr}}{A_{Ba}} = \frac{84}{137}$.
Следовательно, отношение энергий: $\frac{E_{Ba}}{E_{Kr}} = \frac{84}{137}$.
5. Теперь у нас есть система из двух уравнений с двумя неизвестными ($E_{Ba}$ и $E_{Kr}$):
$E_{Ba} + E_{Kr} = 168 \text{ МэВ}$
$E_{Ba} = \frac{84}{137} E_{Kr}$
Подставим второе уравнение в первое: $\frac{84}{137} E_{Kr} + E_{Kr} = 168$
$E_{Kr} \left(\frac{84}{137} + 1\right) = 168$
$E_{Kr} \left(\frac{84 + 137}{137}\right) = 168$
$E_{Kr} \left(\frac{221}{137}\right) = 168$
$E_{Kr} = 168 \cdot \frac{137}{221} = \frac{23016}{221} \approx 104.1 \text{ МэВ}$.
Теперь найдем энергию ядра бария, используя первое уравнение: $E_{Ba} = 168 - E_{Kr} \approx 168 - 104.1 = 63.9 \text{ МэВ}$.
Ответ: энергия ядра бария $E_{Ba} \approx 63.9 \text{ МэВ}$, энергия ядра криптона $E_{Kr} \approx 104.1 \text{ МэВ}$.
№1227 (с. 161)
Условие. №1227 (с. 161)

1227. Для замедления быстрых нейтронов можно использовать, например, тяжёлую воду или углерод. В каком из этих замедлителей нейтрон испытает большее число столкновений, пока его скорость не снизится до тепловой?
Решение 1. №1227 (с. 161)

Решение 2. №1227 (с. 161)

Решение 3. №1227 (с. 161)

Решение 4. №1227 (с. 161)
Решение
Замедление быстрых нейтронов до тепловых скоростей происходит в результате упругих столкновений с ядрами атомов вещества-замедлителя. Эффективность этого процесса, то есть доля кинетической энергии, которую нейтрон теряет при одном столкновении, зависит от соотношения масс сталкивающихся частиц.
Согласно законам сохранения энергии и импульса для упругого столкновения, передача энергии от налетающей частицы к покоящейся мишени максимальна, когда их массы равны. Чем ближе масса ядра-мишени к массе нейтрона, тем большую часть своей энергии нейтрон теряет за одно соударение, и тем меньше столкновений потребуется для его замедления до заданной (тепловой) скорости.
Сравним массы ядер замедлителей с массой нейтрона ($m_n$):
1. Масса нейтрона: $m_n \approx 1$ атомной единице массы (а.е.м.).
2. Замедлитель — тяжёлая вода ($D_2O$). Основные столкновения происходят с ядрами дейтерия (дейтронами, $D$), которые состоят из одного протона и одного нейтрона. Масса дейтрона: $m_D \approx 2$ а.е.м.
3. Замедлитель — углерод ($C$). Столкновения происходят с ядрами углерода. Основной изотоп — углерод-12 ($^{12}C$), ядро которого состоит из 6 протонов и 6 нейтронов. Масса ядра углерода-12: $m_C \approx 12$ а.е.м.
Сравнивая массы, видим, что масса ядра дейтерия ($m_D \approx 2 \cdot m_n$) гораздо ближе к массе нейтрона, чем масса ядра углерода ($m_C \approx 12 \cdot m_n$).
Это означает, что при каждом столкновении с ядром дейтерия в тяжёлой воде нейтрон теряет в среднем значительно большую долю своей энергии, чем при столкновении с ядром углерода. Следовательно, для замедления до тепловых скоростей в тяжёлой воде потребуется меньшее число столкновений.
Соответственно, в углероде, как в менее эффективном замедлителе с точки зрения потери энергии за одно столкновение, нейтрон испытает большее число столкновений, пока его скорость не снизится до тепловой.
Ответ: нейтрон испытает большее число столкновений в углероде.
№1228 (с. 161)
Условие. №1228 (с. 161)

1228. При делении одного ядра урана ${}_{92}^{235}\text{U}$ на два осколка выделяется энергия 200 МэВ. Какая энергия освобождается при «сжигании» в ядерном реакторе 1 г этого изотопа? Сколько каменного угля нужно сжечь для получения такой энергии?
Решение 1. №1228 (с. 161)

Решение 2. №1228 (с. 161)

Решение 3. №1228 (с. 161)

Решение 4. №1228 (с. 161)
Дано:
Изотоп урана: $ ^{235}_{92}\text{U} $
Энергия деления одного ядра, $E_0 = 200 \text{ МэВ}$
Масса урана, $m_U = 1 \text{ г}$
Молярная масса урана-235, $M_U \approx 235 \text{ г/моль}$
Число Авогадро, $N_A = 6,022 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1}$
Удельная теплота сгорания каменного угля (справочное значение), $q_у = 2,9 \cdot 10^7 \text{ Дж/кг}$
$m_U = 1 \text{ г} = 1 \cdot 10^{-3} \text{ кг}$
$M_U = 235 \text{ г/моль} = 0,235 \text{ кг/моль}$
$E_0 = 200 \text{ МэВ} = 200 \cdot 10^6 \text{ эВ} = 200 \cdot 10^6 \cdot 1,602 \cdot 10^{-19} \text{ Дж} = 3,204 \cdot 10^{-11} \text{ Дж}$
Найти:
$E_U$ - ?
$m_у$ - ?
Решение:
Какая энергия освобождается при «сжигании» в ядерном реакторе 1 г этого изотопа?
Сначала найдем количество ядер $N$ в 1 грамме урана-235. Количество вещества (число молей) $\nu$ можно найти по формуле:
$\nu = \frac{m_U}{M_U}$
Число ядер $N$ связано с количеством вещества и числом Авогадро $N_A$ следующим соотношением:
$N = \nu \cdot N_A = \frac{m_U}{M_U} \cdot N_A$
Подставим значения в СИ:
$N = \frac{1 \cdot 10^{-3} \text{ кг}}{0,235 \text{ кг/моль}} \cdot 6,022 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1} \approx 2,56 \cdot 10^{21}$ ядер
Общая энергия $E_U$, которая выделится при делении всех этих ядер, равна произведению числа ядер $N$ на энергию, выделяющуюся при делении одного ядра $E_0$:
$E_U = N \cdot E_0$
Выполним расчет:
$E_U = 2,56 \cdot 10^{21} \cdot 3,204 \cdot 10^{-11} \text{ Дж} \approx 8,2 \cdot 10^{10} \text{ Дж} = 82 \text{ ГДж}$
Ответ: при сжигании 1 г урана-235 освобождается энергия около $8,2 \cdot 10^{10} \text{ Дж}$.
Сколько каменного угля нужно сжечь для получения такой энергии?
Энергия, получаемая при сгорании топлива, рассчитывается по формуле:
$Q = q_у \cdot m_у$
где $q_у$ – удельная теплота сгорания угля, а $m_у$ – его масса.
Приравняем эту энергию к энергии, полученной от деления урана $E_U$:
$E_U = q_у \cdot m_у$
Отсюда можем выразить массу угля:
$m_у = \frac{E_U}{q_у}$
Подставим числовые значения:
$m_у = \frac{8,2 \cdot 10^{10} \text{ Дж}}{2,9 \cdot 10^7 \text{ Дж/кг}} \approx 2,83 \cdot 10^3 \text{ кг} = 2830 \text{ кг}$
Переведем массу в тонны для наглядности: $2830 \text{ кг} = 2,83 \text{ т}$.
Ответ: для получения такой же энергии нужно сжечь примерно $2,83$ тонны каменного угля.
№1229 (с. 161)
Условие. №1229 (с. 161)

1229. Какова электрическая мощность атомной электростанции, расходующей в сутки 220 г изотопа урана $_{92}^{235}\text{U}$ и имеющей КПД 25%?
Решение 1. №1229 (с. 161)

Решение 2. №1229 (с. 161)

Решение 3. №1229 (с. 161)

Решение 4. №1229 (с. 161)
Дано:
Масса урана-235, $m = 220 \text{ г}$
Время, $t = 1 \text{ сутки}$
КПД, $\eta = 25\%$
Изотоп: $_{92}^{235}\text{U}$
Энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана-235, $E_0 \approx 200 \text{ МэВ}$
Число Авогадро, $N_A \approx 6.022 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1}$
Молярная масса урана-235, $M \approx 235 \text{ г/моль}$
$t = 1 \text{ сутки} = 24 \cdot 3600 \text{ с} = 86400 \text{ с}$
$\eta = 25\% = 0.25$
$M = 235 \text{ г/моль} = 0.235 \text{ кг/моль}$
$E_0 = 200 \text{ МэВ} = 200 \cdot 10^6 \text{ эВ} = 200 \cdot 10^6 \cdot 1.6 \cdot 10^{-19} \text{ Дж} = 3.2 \cdot 10^{-11} \text{ Дж}$
Найти:
Электрическая мощность, $P_{эл}$
Решение:
Электрическая мощность $P_{эл}$ атомной электростанции определяется как полезная работа (выработанная электроэнергия) $A_{полезная}$ за единицу времени $t$:
$P_{эл} = \frac{A_{полезная}}{t}$
Полезная работа связана с полной энергией $E_{полная}$, выделившейся в реакторе, через коэффициент полезного действия $\eta$:
$A_{полезная} = \eta \cdot E_{полная}$
Полная энергия, выделившаяся при делении ядер урана, равна произведению числа разделившихся ядер $N$ на энергию, выделяющуюся при делении одного ядра $E_0$:
$E_{полная} = N \cdot E_0$
Число ядер $N$ в массе урана $m$ можно найти по формуле:
$N = \frac{m}{M} \cdot N_A$
где $M$ — молярная масса урана-235, $N_A$ — число Авогадро.
Объединим все формулы в одну для расчета электрической мощности:
$P_{эл} = \frac{A_{полезная}}{t} = \frac{\eta \cdot E_{полная}}{t} = \frac{\eta \cdot N \cdot E_0}{t} = \frac{\eta \cdot m \cdot N_A \cdot E_0}{M \cdot t}$
Подставим числовые значения в систему СИ:
$P_{эл} = \frac{0.25 \cdot 0.22 \text{ кг} \cdot 6.022 \cdot 10^{23} \text{ моль}^{-1} \cdot 3.2 \cdot 10^{-11} \text{ Дж}}{0.235 \text{ кг/моль} \cdot 86400 \text{ с}}$
$P_{эл} \approx \frac{1.0599 \cdot 10^{12} \text{ Дж}}{20304 \text{ с}} \approx 5.22 \cdot 10^7 \text{ Вт}$
Переведем результат в мегаватты: $5.22 \cdot 10^7 \text{ Вт} = 52.2 \text{ МВт}$.
Ответ: электрическая мощность атомной электростанции составляет примерно $52.2 \text{ МВт}$.
№1230 (с. 161)
Условие. №1230 (с. 161)

1230. Какая энергия выделяется при термоядерной реакции
$${}_{1}^{2}\text{H} + {}_{1}^{3}\text{H} \rightarrow {}_{2}^{4}\text{He} + {}_{0}^{1}\text{n}?$$
Решение 1. №1230 (с. 161)

Решение 2. №1230 (с. 161)

Решение 3. №1230 (с. 161)

Решение 4. №1230 (с. 161)
Дано:
Термоядерная реакция: $_{1}^{2}\text{H} + _{1}^{3}\text{H} \to _{2}^{4}\text{He} + _{0}^{1}\text{n}$
Массы ядер (из справочных таблиц):
$m(_{1}^{2}\text{H}) = 2.014102 \text{ а.е.м.}$
$m(_{1}^{3}\text{H}) = 3.016049 \text{ а.е.м.}$
$m(_{2}^{4}\text{He}) = 4.002603 \text{ а.е.м.}$
$m(_{0}^{1}\text{n}) = 1.008665 \text{ а.е.м.}$
Энергетический эквивалент атомной единицы массы: $1 \text{ а.е.м.} \approx 931.5 \text{ МэВ}$.
Атомная единица массы в СИ: $1 \text{ а.е.м.} \approx 1.66054 \times 10^{-27} \text{ кг}$.
$m(_{1}^{2}\text{H}) = 2.014102 \times 1.66054 \times 10^{-27} \text{ кг} \approx 3.34449 \times 10^{-27} \text{ кг}$
$m(_{1}^{3}\text{H}) = 3.016049 \times 1.66054 \times 10^{-27} \text{ кг} \approx 5.00827 \times 10^{-27} \text{ кг}$
$m(_{2}^{4}\text{He}) = 4.002603 \times 1.66054 \times 10^{-27} \text{ кг} \approx 6.64648 \times 10^{-27} \text{ кг}$
$m(_{0}^{1}\text{n}) = 1.008665 \times 1.66054 \times 10^{-27} \text{ кг} \approx 1.67493 \times 10^{-27} \text{ кг}$
Найти:
$E$ — ?
Решение:
Энергия, которая выделяется или поглощается в ходе ядерной реакции, называется энергетическим выходом реакции. Она равна изменению энергии покоя ядер и частиц, участвующих в реакции. Эта энергия связана с дефектом масс $\Delta m$ соотношением Эйнштейна $E = \Delta m c^2$.
Дефект масс — это разница между суммой масс исходных частиц (реагентов) и суммой масс конечных частиц (продуктов).
1. Найдем суммарную массу частиц до реакции (ядро дейтерия $_{1}^{2}\text{H}$ и ядро трития $_{1}^{3}\text{H}$):
$M_{до} = m(_{1}^{2}\text{H}) + m(_{1}^{3}\text{H}) = 2.014102 \text{ а.е.м.} + 3.016049 \text{ а.е.м.} = 5.030151 \text{ а.е.м.}$
2. Найдем суммарную массу частиц после реакции (ядро гелия $_{2}^{4}\text{He}$ и нейтрон $_{0}^{1}\text{n}$):
$M_{после} = m(_{2}^{4}\text{He}) + m(_{0}^{1}\text{n}) = 4.002603 \text{ а.е.м.} + 1.008665 \text{ а.е.м.} = 5.011268 \text{ а.е.м.}$
3. Вычислим дефект масс:
$\Delta m = M_{до} - M_{после} = 5.030151 \text{ а.е.м.} - 5.011268 \text{ а.е.м.} = 0.018883 \text{ а.е.м.}$
Поскольку дефект масс положителен ($\Delta m > 0$), это означает, что суммарная масса частиц уменьшилась, а "пропавшая" масса превратилась в энергию. Следовательно, реакция является экзотермической, то есть протекает с выделением энергии.
4. Рассчитаем выделившуюся энергию $E$. Для этого умножим дефект масс на энергетический эквивалент одной атомной единицы массы, который составляет приблизительно $931.5 \text{ МэВ}$.
$E = \Delta m \times 931.5 \text{ МэВ/а.е.м.} = 0.018883 \times 931.5 \text{ МэВ} \approx 17.589 \text{ МэВ}$.
Ответ: при данной термоядерной реакции выделяется энергия, равная примерно $17.59 \text{ МэВ}$.
№1231 (с. 161)
Условие. №1231 (с. 161)

1231. Толщина $h$ слоя перекрытия, ослабляющего данное ионизирующее излучение в 2 раза, носит название толщины слоя половинного ослабления. Доказать, что слой толщиной $H = nh$ ослабляет излучение в $2^n$ раз.
Решение 1. №1231 (с. 161)

Решение 2. №1231 (с. 161)

Решение 3. №1231 (с. 161)


Решение 4. №1231 (с. 161)
Дано:
$h$ - толщина слоя перекрытия, ослабляющего излучение в 2 раза (толщина слоя половинного ослабления).
$H = nh$ - общая толщина слоя, где $n$ - количество слоев половинного ослабления.
Найти:
Доказать, что слой толщиной $H$ ослабляет излучение в $2^n$ раз.
Решение:
Пусть $I_0$ — это начальная интенсивность ионизирующего излучения.
Согласно условию, слой толщиной $h$ ослабляет излучение в 2 раза. Это означает, что после прохождения через один такой слой интенсивность излучения $I_1$ станет:
$I_1 = \frac{I_0}{2}$
Рассмотрим слой толщиной $H = nh$. Этот слой можно представить как $n$ последовательно расположенных слоев, каждый толщиной $h$.
После прохождения первого слоя интенсивность станет $I_1 = I_0/2$.
Когда излучение с интенсивностью $I_1$ проходит через второй слой толщиной $h$, его интенсивность снова уменьшается в 2 раза. Интенсивность после второго слоя, $I_2$, будет:
$I_2 = \frac{I_1}{2} = \frac{I_0/2}{2} = \frac{I_0}{2^2}$
Аналогично, после прохождения третьего слоя интенсивность $I_3$ составит:
$I_3 = \frac{I_2}{2} = \frac{I_0/2^2}{2} = \frac{I_0}{2^3}$
Закономерность очевидна: после прохождения $k$-го слоя интенсивность становится $I_k = I_0/2^k$. Следовательно, после прохождения $n$ слоев (то есть слоя общей толщиной $H = nh$) итоговая интенсивность $I_n$ будет равна:
$I_n = \frac{I_0}{2^n}$
Кратность ослабления излучения $K$ определяется как отношение начальной интенсивности к конечной. Для слоя толщиной $H = nh$ она будет равна:
$K = \frac{I_0}{I_n} = \frac{I_0}{I_0/2^n} = 2^n$
Таким образом, мы доказали, что слой толщиной $H = nh$ ослабляет излучение в $2^n$ раз.
Это же можно доказать более формально, используя закон ослабления интенсивности излучения (закон Бугера-Ламберта-Бера):
$I(x) = I_0 e^{-\mu x}$
где $I(x)$ — интенсивность после прохождения слоя толщиной $x$, а $\mu$ — линейный коэффициент ослабления.
Для слоя половинного ослабления $h$ имеем: $I(h) = I_0/2$.
$\frac{I_0}{2} = I_0 e^{-\mu h} \implies \frac{1}{2} = e^{-\mu h}$
Для слоя толщиной $H=nh$ интенсивность $I(H)$ будет:
$I(H) = I_0 e^{-\mu H} = I_0 e^{-\mu (nh)} = I_0 (e^{-\mu h})^n$
Подставив $e^{-\mu h} = 1/2$, получаем:
$I(H) = I_0 \left(\frac{1}{2}\right)^n = \frac{I_0}{2^n}$
Тогда кратность ослабления $K = \frac{I_0}{I(H)} = \frac{I_0}{I_0/2^n} = 2^n$, что и требовалось доказать.
Ответ: Слой толщиной $H = nh$ можно рассматривать как $n$ последовательных слоев толщиной $h$. Каждый из этих слоев ослабляет падающее на него излучение в 2 раза. Следовательно, после прохождения первого слоя интенсивность составит $I_0/2$, после второго — $(I_0/2)/2 = I_0/2^2$, и так далее. После прохождения всех $n$ слоев итоговая интенсивность будет $I_0/2^n$. Кратность ослабления, как отношение начальной интенсивности к конечной, равна $I_0 / (I_0/2^n) = 2^n$.
№1232 (с. 161)
Условие. №1232 (с. 161)

1232. Лучше всего нейтронное излучение ослабляет вода (в 4 раза лучше бетона и в 3 раза лучше свинца). Толщина слоя половинного ослабления нейтронного излучения для воды равна 3 см. Во сколько раз ослабит нейтронное излучение слой воды толщиной 30 см?
Решение 1. №1232 (с. 161)

Решение 2. №1232 (с. 161)

Решение 3. №1232 (с. 161)

Решение 4. №1232 (с. 161)
Дано:
$d_{1/2} = 3 \text{ см} = 0.03 \text{ м}$
$d = 30 \text{ см} = 0.3 \text{ м}$
Найти:
Коэффициент ослабления $k = \frac{I_0}{I}$ — ?
Решение:
Интенсивность излучения при прохождении через поглощающий слой вещества уменьшается по экспоненциальному закону. Для описания ослабления часто используют понятие "слой половинного ослабления".
Толщина слоя половинного ослабления ($d_{1/2}$) — это такая толщина вещества, при прохождении которой интенсивность излучения уменьшается в 2 раза.
Чтобы найти, во сколько раз ослабнет излучение в слое воды толщиной $d = 30$ см, сначала определим, сколько слоев половинного ослабления $n$ укладывается в этой толщине: $n = \frac{d}{d_{1/2}}$
Подставим данные из условия задачи: $n = \frac{30 \text{ см}}{3 \text{ см}} = 10$
Это означает, что слой воды толщиной 30 см эквивалентен 10 слоям половинного ослабления. Каждый такой слой ослабляет излучение в 2 раза. Следовательно, общее ослабление $k$ будет равно произведению коэффициентов ослабления каждого слоя, то есть $2$ в степени $n$: $k = 2^n$
Подставим найденное значение $n = 10$: $k = 2^{10} = 1024$
Таким образом, слой воды толщиной 30 см ослабит интенсивность нейтронного излучения в 1024 раза. Информация о том, что вода ослабляет излучение лучше бетона и свинца, является дополнительной и для решения задачи не требуется.
Ответ: слой воды толщиной 30 см ослабит нейтронное излучение в 1024 раза.
Помогло решение? Оставьте отзыв в комментариях ниже.