Edits to “Условие”, “Решение”, “Ответ”

Valter edited
revision #20147 parent #20146 ← older newer →
@@ -1,11 +1,50 @@
### Условие
−$5.3.8.$ [Вставьте условие задачи]
+$5.3.8.$
+а. Относительное содержание радиоактивных атомов в газе невелико. Их число в единице объема линейно растет с высотой: $n = \alpha h$. Масса атома $m$, длина его свободного пробега $\lambda$, а температура $T$. Оцените плотность этих атомов на земле.
+б. Оцените коэффициент диффузии водяного пара в воздухе при $20^\circ \text{C}$. Радиус молекул воды $0,21 \text{ нм}$. Радиус молекул азота и кислорода $0,18 \text{ нм}$.
### Решение
−* Примечание : судя по формулировке и предупреждению о неточностях , в пункте (а) скорее всего нужно оценить плотность потока этих атомов на землю, а не просто "плотность" - иначе ответ тривиально равен нулю, ведь по условию $n(0) = 0$
+<b>Пункт а)</b>
+Исходя из данных параметров (наличие температуры $m$ и $T$), в задаче требуется оценить не просто концентрацию, а "плотность потока" атомов на землю.
+
+Рассмотрим горизонтальную площадку единичной площади, находящуюся на высоте $h$. Ее пересекают два встречных потока атомов.
+Атомы, пересекающие площадку сверху вниз, в среднем испытали свое последнее столкновение на расстоянии длины свободного пробега $\lambda$ над ней, то есть на высоте $h + \lambda$. Плотность этого потока направлена вниз и равна:
+$$W_1 \approx \frac{1}{2} n_{h+\lambda} \bar{v}_z$$
+где $n_{h+\lambda} = \alpha(h + \lambda)$ — концентрация атомов на высоте $(h + \lambda)$, а $\bar{v}_z \approx \sqrt{\frac{kT}{m}}$ — характерная тепловая скорость направленного движения молекул вдоль оси $z$.
+
+Аналогично, поток атомов, идущий снизу вверх, формируется частицами, летящими с высоты $h - \lambda$:
+$$W_2 \approx \frac{1}{2} n_{h-\lambda} \bar{v}_z = \frac{1}{2} \alpha(h - \lambda) \sqrt{\frac{kT}{m}}$$
+
+Результирующая плотность потока радиоактивных атомов на Землю — это разность этих двух встречных потоков:
+$$W = W_1 - W_2 \approx \frac{1}{2} \sqrt{\frac{kT}{m}} \cdot \alpha (h + \lambda - (h - \lambda))$$
+$$W \approx \frac{1}{2} \sqrt{\frac{kT}{m}} \cdot 2\alpha \lambda = \alpha \lambda \sqrt{\frac{kT}{m}}$$
+
+<b>Пункт б)</b>
+
+Оценим коэффициент диффузии $D$ водяного пара в воздухе. В молекулярно-кинетической теории он выражается как:
+$$D = \frac{1}{3} \lambda \bar{v}$$
+где $\bar{v} = \sqrt{\frac{8RT}{\pi \mu}}$ — средняя скорость молекулы воды ($\mu = 18 \text{ г/моль}$).
+
+Длина свободного пробега молекулы воды с учетом относительного движения молекул воздуха вычисляется по формуле:
+$$\lambda = \frac{1}{\sqrt{2} n \sigma} = \frac{1}{\sqrt{2} n \pi (r_1 + r_2)^2}$$
+Концентрацию молекул воздуха $n$ при нормальном атмосферном давлении $P \approx 10^5 \text{ Па}$ найдем как $n = \frac{P}{kT}$.
+Тогда итоговая формула:
+$$D = \frac{1}{3} \cdot \frac{kT}{\sqrt{2} P \pi (r_1 + r_2)^2} \cdot \sqrt{\frac{8RT}{\pi \mu}}$$
+
+<b>Вычисление:</b>
+Подставим данные: $T = 293 \text{ K}$, $r_1 + r_2 = (0.21 + 0.18) \text{ нм} = 0.39 \cdot 10^{-9} \text{ м}$.
+Средняя скорость $\bar{v} \approx \sqrt{\frac{8 \cdot 8.31 \cdot 293}{3.14 \cdot 0.018}} \approx 587 \text{ м/с}$.
+Концентрация $n \approx \frac{10^5}{1.38 \cdot 10^{-23} \cdot 293} \approx 2.47 \cdot 10^{25} \text{ м}^{-3}$.
+Длина свободного пробега $\lambda \approx \frac{1}{1.41 \cdot 2.47 \cdot 10^{25} \cdot 3.14 \cdot (0.39 \cdot 10^{-9})^2} \approx 6.0 \cdot 10^{-8} \text{ м}$.
+
+Считаем коэффициент диффузии:
+$$D \approx \frac{1}{3} \cdot 6.0 \cdot 10^{-8} \cdot 587 \approx 1.17 \cdot 10^{-5} \text{ м}^2/\text{с}$$
+Переводя в квадратные миллиметры, получаем $D \approx 12 \text{ мм}^2/\text{с}$.
+
#### Ответ
+а. $W = W_1 - W_2 \approx \alpha \lambda \sqrt{kT/m}$
−[Вставьте краткий ответ или результат в рамке]
+б. $D \approx 12 \text{ мм}^2/\text{с}$