Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Фундаментальные физические константы




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.

Дано: R = 1 см = 10–2м λ = 200 нм = 2·10–7м  
Q max –?

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:

, (7.1)

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?

Дано: ν = 2∙1015 Гц λ0 = 300 нм = 3·10–7м
–?

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:

. (7.2)

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

, (7.3)

и уравнение Эйнштейна для фотоэффекта (7.1) примет вид

. (7.4)

Выразим (7.2) задерживающую разность потенциалов:

. (7.5)

Уравнение (7.5) представляет собой зависимость задерживающей разности потенциалов от частоты падающего света . Это линейная зависимость вида , где угловой коэффициент

, (7.6)

а свободный член

. (7.7)

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

, (7.8)

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?

Дано: Δ W Ф = 0,2 W Ф1
φ –? –?

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.

Дано: W k = W Т2)
λ Б –?  

Решение:

Длина волны де Бройля рассчитывается по формуле:

, (9.1)

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:

(10.1)

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:

. (10.2)

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:

. (10.3)

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:

(10.4)

Тогда уравнение (10.3) примет вид

. (10.5)

Решение этого уравнения ищем в виде

Y(l) = A sin(kl) + B cos(kl), (10.6)

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:

Y(l) = A sin(kl). (10.7)

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

; (n = 1,2,3…). (10.8)

Подставляем полученное выражение (10.8) в формулу замены (10.4):

и выражаем энергию:

или

. (10.9)

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)

. (10.10)

Из (10.2) можно найти вероятность нахождения частицы в заданном интервале координат:

. (10.11)

Подставим выражение для волновой функции (10.10) в подынтегральное выражение в (10.11) и расставим переделы интегрирования:

. (10.12)

Найдем из условия нормировки:

, (10.13)

это означает, что вероятность нахождения частицы в потенциальном ящике равна 1 (т.е. она там есть стопроцентно). В это равенство входит табличный интеграл вида

, (10.14)

где, в нашем случае, . Подставим значение интеграла (10.14) в условие нормировки (10.13) и, учитывая пределы интегрирования, получим:

,

отсюда

. (10.15)

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.

Дано: λ = 800 нм = 8∙10-7 м Δ t = 10–8 с
  Δ х –? Dl/l –?  

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.

Дано: Δ x = 10-15м
Ekmin –?

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

Е св = c2 Δ m, (12.1)

где c – скорость света в вакууме, Δ m – дефект масс, который находится как разность суммарной массы нуклонов и массы ядра:

Δ m = [ ZmР + (A – Z)mN ] – m Я. (12.2)

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.

(12.3)

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:

m Я = m АZ m е. (12.4)

Подставим (12.4) в формулу для дефекта масс (12.2) и перегруппируем слагаемые:

Δ m = [ ZmР + (A – Z)mN ]– [ m АZ m е] = Z (mР + +m е) + (A – Z)mNm А

Δ m = Z m (1Н1) + (A – Z)mNm А. (12.5)

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.

Дано: T = 5570 лет
  t –?  

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?

Дано: m(92U238) = 1 г = 10–3 кг m(82Pb206) = 0,8 г = 0,8∙10–3 кг  
  t –?  

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)

Название Обозначение Величина
Гравитационная постоянная G 6,67×10–11
Скорость света в вакууме c 3×108
Магнитная постоянная m0 4p×10-7
Электрическая постоянная e0 8,85×10-12
Постоянная Планка h 6,63×10-34 Дж×с
Постоянная Планка ħ 1,05×10-34 Дж×с
Масса покоя электрона m e 9,1×10–31 кг
Масса покоя протона m p 1,6726485×10–27 кг
Масса покоя нейтрона m n 1,6749543×10–27 кг
Отношение массы протона к массе электрона  
Элементарный заряд e 1,6×10-19 Кл
Отношение заряда электрона к его массе 1,76×1011
Атомная единица массы 1 а.е.м. 1,6605655×10–27 кг
Постоянная Авогадро N A 6,02×1023 моль–1
Универсальная газовая постоянная R 8,31
Постоянная Больцмана k 1,38×10-23
Постоянная Стефана – Больцмана s 5,67×10-8
Постоянная Ридберга R 1,097×107 м-1

 

 

Приложение 2

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...