Фундаментальные физические константы
Стр 1 из 2Следующая ⇒ Фотоэффект Задача 7.1. Какой максимальный заряд Q max возможно сообщить платиновому шарику с радиусом R = 1 см, облучая его ультрафиолетом? Длина волны излучения λ = 200 нм.
Решение: При облучении металлического шарика светом возникает явление внешнего фотоэффекта – вырывание с поверхности шарика электронов, в результате чего шарик приобретает положительный заряд. Когда величина приобретенного заряда достигает определенного значения Q max, создаваемое им электростатическое поле препятствует удалению электронов от шарика, т.е. создает задерживающий потенциал. Электроны больше не могут покидать шарик, и его заряд больше не изменяется, и фотоэффект прекращается. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
где – энергия фотона; – частота излучения; – длина волны излучения; м/с – скорость света; – работа выхода электронов из металла, по таблице находим ее значение для платины: ; – максимальная кинетическая энергия электрона. Если электрон не может покинуть шарик, значит, его кинетическая энергия не превышает потенциальную энергию его взаимодействия с заряженным шариком, т.е. . Потенциальная энергия электрона у поверхности шарика по модулю равна , где – заряд электрона; – потенциал электростатического поля у поверхности шарика ( – электрическая постоянная). Таким образом, , и уравнение Эйнштейна можно переписать в виде: , откуда выразим : . Наименование: .
Вычисление: Ответ: максимальный заряд шарика Q max = 107 Кл. Задача 7.2. Какая доля энергии фотона уносится фотоэлектронами, выбитыми из металла светом с частотой 2×1015 Гц, если красная граница фотоэффекта равна 300 нм?
Решение: При облучении металла светом происходит явление фотоэффекта – выбивание электронов с поверхности металла. При этом энергия падающих на металл фотонов расходуется в соответствии с уравнением фотоэффекта (7.1), согласно которому часть энергии фотона переходит в кинетическую энергию электрона, т.е. доля энергии, уносимой фотоэлектронами будет равна . Из (7.1) найдем Работа выхода электронов из металла равна минимальной энергии фотонов, при которой еще возможен фотоэффект , где – красная граница фотоэффекта. Тогда максимальная кинетическая энергия электронов будет равна . Доля этой энергии от энергии фотона составит . Вычислим: . Ответ: электроны уносят половину энергии фотонов.
Задача 7.3. Построить график зависимости задерживающей разности потенциалов от частоты падающего света для цезия. Решение:
Электроны, выбиваемые фотонами из металла, полностью задерживаются обратным электрическим полем, созданным между электродами фотоэлемента. Изменение кинетической энергии электронов при этом равно работе электрического поля: При полном торможении , а работа тормозящего электрического поля равна , где e – заряд электрона; – задерживающая разность потенциалов. Тогда
и уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (7.1) примет вид
Выразим (7.2) задерживающую разность потенциалов:
Уравнение (7.5) представляет собой зависимость задерживающей разности потенциалов от частоты падающего света . Это линейная зависимость вида , где угловой коэффициент
а свободный член
Для цезия работа выхода электронов из металла равна А = 1,9 эВ ≈ 3∙10–19Дж. Работа выхода электронов из металла равна минимальной энергии фотонов, при которой еще возможен фотоэффект
где – частота, соответствующая красной границе фотоэффекта.
При частоте падающего на металл света, равной , кинетическая энергия фотоэлектронов равна нулю, следовательно, согласно (7.3), в точке ν = ν 0 график будет пересекать ось абсцисс. Вычислим из (7.8): (Гц). Это будет первая точка нашей прямой. В качестве второй точки можно взять точку пересечения графиком оси ординат на основании (7.7): . Однако это будет верно только математически, физически же состояния, характеризуемые зависимостью (7.5) при ν < ν 0 не могут быть реализованы. Поэтому лучше вычислить значение U з при любом произвольном значении частоты падающего света, или провести прямую из точки ν = ν 0 под углом a к оси абсцисс. На основании (7.6) . Воспользуемся вторым способом. На рис. 7.1. приведен график зависимости (7.5) в общем виде, значения параметров известны: e = 1,6∙10-19 Кл, h = 6,63∙10–34 Дж∙с, ν 0 = 4,5∙1014 Гц.
8. эффект комптона Задача 8.1. Под каким углом произошло комптоновское рассеяние фотона рентгеновского излучения на свободном электроне, если в результате этого рассеяния фотон потерял 20% своей энергии? Какая часть энергии фотона перейдет в кинетическую энергию отдачи электрона?
Решение: Эффект Комптона состоит в упругом соударении фотона и покоящегося электрона. При этом выполняется закон сохранения импульса: , где и – импульсы фотона до и после рассеяния соответственно. Импульсы и энергии фотона до и после рассеяния соответственно равны , , W Ф1 = , W Ф2 = , где h – постоянная Планка, с – скорость света. По условию задачи, потери энергии фотона составляют 20%, т.е. Δ W Ф = 0,2 W Ф1, значит, W Ф2 = W Ф1 – 0,2 W Ф1 = 0,8 W Ф1, , следовательно, . Из векторной диаграммы сложения импульсов (рис.8.1) найдем cos φ = , значит, угол рассеяния фотона равен φ = arсcos 0,8 37°. При упругом рассеянии выполняется также закон сохранения энергии: W Ф1 = W Ф2 + W ЭЛ, где W Ф1 и W Ф2 – энергии фотона до и после рассеяния. Из закона сохранения энергии следует, что вся энергия, теряемая фотоном при столкновении, переходит в кинетическую энергию электрона, т.е. W ЭЛ = Δ W Ф = 0,2 W Ф1 или = 0,2 = 20%. Ответ: угол рассеяния фотона φ = 37°, кинетическая энергия электрона отдачи составляет 20% от первоначальной энергии фотона.
9. гипотеза де бройля Задача 9.1. Найти длину волны де Бройля для протона, кинетическая энергия которого равна энергии теплового движения молекулы водорода при комнатной температуре.
Решение: Длина волны де Бройля рассчитывается по формуле:
где – постоянная Планка, – импульс частицы. Массу протона возьмем из таблицы: . Скорость протона найдем из условия равенства энергий. Кинетическая энергия протона равна: . Энергия теплового движения молекулы водорода находится по формуле: , где – число степеней свободы молекулы, – постоянная Больцмана, – абсолютная температура. Молекула водорода – двухатомная, поэтому для нее . Комнатную температуру примем 20°С или 293 К. Приравняем энергии протона и водорода: , отсюда выразим скорость протона: , и подставим ее в выражение для длины волны де Бройля (9.1): или . Наименование:
Вычисление: Ответ: длина волны де Бройля для протона равна . Задача 9.2. Показать, что стационарным орбитам Бора соответствует целое число волн де Бройля. Сколько длин волн укладывается на каждой орбите? Как зависит длина волны от номера орбиты и универсальных постоянных? Решение: Согласно теории водородоподобных атомов Бора, в одноэлектронном ионе электрон может двигаться по круговым орбитам (рис. 4.1), разрешенные радиусы которых r n связаны с линейными скоростями υ n электрона на этих орбитах правилом квантования (4.1). Длина n -ой орбиты равна , разделим ее на длину волны де Бройля (9.1): , т.е. на n -ой боровской орбите укладывается n длин волн де Бройля. Правило квантования (4.1) и второй закон Ньютона для электрона на n -ой орбите (4.5) дают систему уравнений с двумя неизвестными (4.9). Выразим υ n из первого уравнения системы (4.9): , и подставим во второе уравнение системы: . Теперь упростим и выразим r n:
Отсюда радиус n -ой орбиты электрона равен . Тогда длина волны де Бройля будет равна: . Последнее выражение дает зависимость длины волны де Бройля от фундаментальных постоянных.
10. волновая функция Задача 10.1. Оценить кинетическую энергию протона, локализованного в прямоугольной одномерной потенциальной яме c бесконечно высокими стенками и шириной а = 10-15м (размеры атомного ядра). Решение: Состояние частицы в квантовой механике задаётся волновой функцией координат и времени y(x, y, z, t), значения которой в любой точке пространства и в любой момент времени задает уравнение Шредингера. Если функция y не зависит от времени и является функцией только одной координаты l (т.е. в случае плоской волны), то она задается амплитудным (или стационарным) уравнением Шредингера:
В этом уравнении Е – полная энергия частицы, U – потенциальная энергия. При движении протона вдоль оси l его потенциальная энергия меняется так, что в интервале от l = 0 до l = a потенциальная энергия равна нулю, а в остальных точках (l < 0 и l > a) потенциальная энергия частицы бесконечно велика. График такой зависимости потенциальной энергии от координаты l получил название потенциального "ящика" (рис. 10.1). Квадрат волновой функции определяет собой плотность вероятности – вероятность нахождения частицы в элементарном объеме: , для одномерного случая . Тогда вероятность встретить частицу в определенном месте пространства определяется квадратом волновой функции:
Чтобы частица имела координату l ³ a, она должна получить бесконечно большую энергию U ® ¥. То же самое и для координат l £ 0. Поэтому вероятность встретить частицу за пределами потенциального ящика стремится к нулю, а если так, то согласно (10.1) значение функции y в точках l = a и l = 0 должно стремиться к нулю. Для частицы в потенциальном ящике уравнение Шрёдингера (10.1) имеет вид:
Это дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами, и решением его, как известно из курса математики, является гармоническая функция, то есть синус или косинус, а в общем случае – сумма этих функций. Для упрощения записи заменим коэффициент при y:
Тогда уравнение (10.3) примет вид
Решение этого уравнения ищем в виде
Постоянные коэффициенты А и В найдём из граничных условий, то есть из полученных нами выше значений функции y на границах ящика, при l = 0 и при l = a: y(0) = 0 и y(а) = 0. Подставив в общее решение (10.6) значение l = 0, будем иметь Y(0) = A sin(0) + B cos(0) = 0, откуда очевидно, что коэффициент В = 0. С учётом последнего волновая функция будет содержать только синус:
В соответствии со вторым граничным условием y в точке l = a должна обращаться в нуль:
Y(а) = А sin (ka) = 0. Отсюда очевидно, что sin (ka) = 0, и аргумент под знаком синуса должен быть кратен p: ka = np, где п – целое число: п = 1, 2, 3,… Следовательно, в волновой функции, определяющей движение частицы в потенциальном ящике, k может принимать не любые, а только фиксированные значения
Подставляем полученное выражение (10.8) в формулу замены (10.4): и выражаем энергию: или
Еп – кинетическая энергия частицы, находящейся в квантовом состоянии с номером п, т.е. энергия протона, находящегося в потенциальном ящике, квантована. Она кратна минимальной энергии , т.е. протон может иметь энергию E 1, 4 E 1, 9 E 1 и так далее (рис. 10.2). Вычислим минимальную кинетическую энергию протона: (Дж) или (эВ) или 200 МэВ. Ответ: минимальная кинетическая энергия протона 200 МэВ. Задача 10.2. Частица в одномерной потенциальной яме с шириной a с бесконечно высокими стенками находится в состоянии n = 3. Определить вероятность нахождения частицы в области 0 < l < а/3. Построить график зависимости плотности вероятности │ψ2│от координаты x. Решение: В этой задаче рассматривается случай, аналогичный рассмотренному в предыдущей задаче. Движение частицы ограничено, и ее потенциальная энергия при движении вдоль оси l меняется таким образом, что график зависимости U (l) имеет вид одномерного прямоугольного “ящика” (рис. 10.1). Энергия частицы в потенциальном “ящике” квантуется, и поведение частицы описывается волновой функцией (10.7). С учетом (10.8) эта функция примет вид , где n – номер квантового состояния. В нашем случае (для n = 3)
Из (10.2) можно найти вероятность нахождения частицы в заданном интервале координат:
Подставим выражение для волновой функции (10.10) в подынтегральное выражение в (10.11) и расставим переделы интегрирования:
Найдем из условия нормировки:
это означает, что вероятность нахождения частицы в потенциальном ящике равна 1 (т.е. она там есть стопроцентно). В это равенство входит табличный интеграл вида
где, в нашем случае, . Подставим значение интеграла (10.14) в условие нормировки (10.13) и, учитывая пределы интегрирования, получим: , отсюда
С учетом (10.14) и (10.15) сделаем расчет вероятности z по (10.12): , т.е. вероятность нахождения частицы в состоянии с n = 3 в первой трети потенциального ящика составляет 1/3. Для построения графика зависимости сначала необходимо построить график функции . Функция (10.10) обращается в ноль, если . Это происходит при , где k – целое число. Значит, синусоида пересекает ось l в точках , т.е. 0, а /3, 2 а /3, а. Строим синусоиду (рис. 10.2) и преобразуем ее в график функции , которая может принимать только положительные значения. Из второго графика видно, что в интервал 0 < l < а/ 3 попадает 1/3 всей площади под графиком функции . Т.к. вся площадь равна вероятности нахождения частицы внутри всего ящика (т.е. 1), убеждаемся, что вероятность нахождения частицы в указанном интервале равна 1/3 (заштрихованная часть площади).
11. соотношение неопределенностей Задача 11.1. Атом излучает фотон с длиной волны 800 нм. Известно, что время излучения D t составляет 10–8 с. С какой точностью может быть локализован фотон в направлении своего движения? Оценить относительную ошибку Dl/lв определении указанной длины волны, исходя из соотношения неопределенностей для энергии и времени.
Решение: Т.к. точно неизвестно, в какой момент времени происходит излучение, то местонахождение фотона также невозможно точно определить. Если известен интервал времени, в котором происходит излучение, то положение фотона можно тоже определить лишь в некотором интервале координат: Δ x = c ∙Δ t, где с = 3∙108 м/с – скорость света (скорость распространения фотона). Вычислим: Δ x = 3∙108∙10–8 = 3 (м). Чтобы найти Dl/l, воспользуемся соотношением неопределенностей для энергии и времени: Δ Е ∙Δ t ≥ или , где ħ =6,63∙10-34Дж∙с – постоянная Планка. Энергия фотона равна: , дифференцируя по λ, найдем d E: . Подставляя последнее выражение в соотношение неопределенностей, получим: или . Отсюда найдем минимальную относительную ошибку в определении длины волны . Вычислим: Ответ: м, .
Задача 11.2. Оценить с помощью соотношения неопределенностей минимальную кинетическую энергию протона, локализованного в области размером Δ x = 10-15м (размеры атомного ядра), пренебрегая релятивистскими эффектами.
Решение: Из соотношения неопределенностей координата–импульс или найдем . Кинетическая энергия протона в классическом случае равна . Чтобы найти , надо найти производную от энергии по скорости: , отсюда или . Значит, . Выразим : . Возьмем для оценки максимально возможное значение скорости с = 3∙108 м/с, получим неопределенность в определении энергии частицы: . Минимальное значение кинетической энергии не может превышать эту неопределенность, поэтому (Дж) или (эВ) или 200 МэВ. Ответ: минимальная энергия частицы 200 МэВ.
12. физика ядра Задача 12.1. Вычислить удельную энергию связи ядра изотопа 4Be8. Решение: При образовании ядра часть массы частиц, принимающих участие в этом процессе, идёт на создание энергии связи, которая определяется по формуле Эйнштейна
где c – скорость света в вакууме, Δ m – дефект масс, который находится как разность суммарной массы нуклонов и массы ядра:
где тР – масса протона; тN – масса нейтрона; т Я– масса ядра, Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева (он равен заряду ядра и, значит, числу протонов нем), А – массовое число (оно определяет количество нуклонов в ядре), соответственно, (A – Z) – число участвующих в образовании ядра нейтронов. Удельная энергия связи – это энергия связи, приходящаяся на один нуклон, т.е.
В периодической таблице элементов (и в таблицах масс изотопов) приводятся массы атомов, а не ядер. Поэтому нужно учесть, что масса атома отличается от массы ядра на массу всех электронов, которых в атоме столько же, сколько протонов в ядре (это обеспечивает электрическую нейтральность атома). Поэтому массу ядра можно найти так:
Подставим (12.4) в формулу для дефекта масс (12.2) и перегруппируем слагаемые: Δ m = [ ZmР + (A – Z)mN ]– [ m А – Z m е] = Z (mР + +m е) + (A – Z)mN – m А
Здесь мы обозначили m (1Н1) = mР + m е – масса атома водорода, которую также, как и массу рассматриваемого изотопа, возьмем из таблицы. Теперь выпишем все необходимые данные из таблиц: mР = 1,00728 а.е.м.; mN = 1,00867 а.е.м.; m (1Н1) = 1,00783 а.е.м.; mА = m (4Be8) = 8,00531 а.е.м.; 1 а.е.м. = 1,6605655·10-27 кг; c = 2,9979·108 м/с. Для изотопа бериллия 4Be8 определяем, что Z = 4, A = 8. Подставляем все эти данные в выражение для дефекта масс (12.5): Δ m = 4· 1,00783 + 4·1,00867 – 8,00531 = 0,06069 (а.е.м.) Переведем полученное значение в килограммы: Δ m = 0,06069 · 1,6605655·10-27 = 0,10078·10-27 = 1,0078·10-28 (кг). Теперь вычислим энергию связи по (13.1): Е св = (2,9979·108) 2 · 1,0078·10-28 = 9,0575·10–12 (Дж) Переведем полученное значение в электрон-вольты: 1 эВ = 1,6·10–19 Дж Е св = = 5,66·107 (эВ) или Е св = 56,6 МэВ. Тогда, согласно (12.3), на один нуклон в ядре приходится энергия МэВ. Ответ: удельная энергия связи ядра изотопа бериллия 4Be8 равна 7,08 МэВ.
Задача 12.2. Определить возраст древних деревянных предметов, если известно, что удельная активность изотопа С 14 у них составляет 3/5 удельной активности этого изотопа в только что срубленных деревьях. Период полураспада ядер С 14 равен 5570 лет.
Решение: Известно, что деревья поглощают углекислый газ, преобразуя его в углерод и кислород. В состав углекислого газа (СО2) помимо углерода С12 в небольшом количестве входит изотоп С14. Когда дерево срубают, оно перестает поглощать СО2, и количество углерода в нем больше не увеличивается. Изотоп углерода С14 радиоактивен, и со временем его количество уменьшается в результате распада. По оставшемуся количеству С14 в деревянных изделиях определяют их возраст. Активность изотопа определяет количество распадающихся ядер в единицу времени: или , где N – количество наличных ядер, – постоянная распад а, Т – период полураспада. Удельная активность – это активность единицы массы изделия, т.е. , а в только что срубленных деревьях . Запишем закон распада в интегральном виде (предполагая, что возраст деревянных изделий соизмерим с периодом полураспада): или , где N – количество наличных ядер, N 0 – исходное количество ядер. Левую часть этого равенства, пренебрегая изменением массы деревянного изделия, можно заменить на отношение удельных активностей: или . Потенцируя последнее выражение, находим время t, за которое произошло такое уменьшение активности, – возраст деревянных предметов: . Вычислим: (лет). Ответ: деревянным предметам 4107 лет.
Задача 12.3. В урановой руде обнаружен 82 Рb 206. Чему равен возраст урановой руды, если она теперь содержит 0,8 г свинца на каждый грамм 92 U 238?
Решение: Каждое ядро атома свинца образуется из ядра атома урана в результате нескольких ядерных реакций распада. Уран, содержащийся в руде, распадается все время существования руды, при этом количество урана в руде уменьшается, а количество свинца растет. В некоторый момент времени t на N ядер урана приходится Δ N ядер свинца, т.е. распавшихся ядер урана. Распишем число ядер через массу (считаем, что масса ядра практически равна массе атома): , . Полагая, что возраст урановой руды соизмерим с периодом полураспада урана, запишем закон распада в интегральном виде: , где N – количество наличных ядер, N 0 – исходное количество ядер, – постоянная распада, Т – период полураспада урана (из справочной таблицы Т(92U238) = 4,5∙109 лет). Исходное количество ядер N 0 = N + Δ N, тогда закон распада примет вид: или . Потенцируя последнее выражение, получаем: или . Подставим выражения для N и Δ N и выразим время: . Молярные массы урана и свинца равны: μ (92U238) = 0,238 кг/моль, μ (82Pb206) = 0,206 кг/моль. Вычисление: (лет). Ответ: возраст урановой руды составляет 4,25∙109 лет.
Библиографический список 1. Чертов, А.Г. Задачник по физике // А.Г. Чертов, А.А. Воробьёв. – М.: Высшая школа, 1993. 2. Волькенштейн, В.С. Сборник задач по общему курсу физики / В.С. Волькенштейн. – М.:Физматгиз, 1996. 3. Фирганг, Е.В. Руководство к решению задач по курсу общей физики: Учебное пособие для втузов / Е.В. Фирганг. – М.:Высшая школа, 1987. 4. Трофимова, Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: Высшая школа, 2001. 5. Савельев, И.В. Курс общей физики / И.В. Савельев. – М.:Наука, 1987. – Т.2. 6. Соколова, Н.М. Физика: Курс лекций. / Н.М. Соколова, В.И. Биглер. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2001. – Ч. 2. ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1 Фундаментальные физические константы (с точностью, требуемой для решения задач)
Приложение 2
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|