- •Световые кванты.
- •З аконы теплового излучения. Закон Кирхгофа.
- •Химическое действие света
- •Процесс фотосинтеза
- •Фотография. Первые в мире снимки
- •Снимок Ньепса
- •Снимок Тальбота
- •Снимок Дагера
- •Совершенствование и развитие фотографии
- •Квантовая оптика. Квантовая физика. Элементы квантовой оптики.
- •Взаимодействия в природе.
- •Общая энергия за счёт которой нагревается капля
Взаимодействия в природе.
Вид взаимо- действия |
Квант поля |
Радиус дейст- вия |
Относи- тельная интенсив- ность |
Участвуют во взаимо- действии |
Зависи-мость E (R) |
Проявление |
Ядерное (сильное) |
Пионы и каоны |
10 м |
1 |
Тяжелые частицы (нуклоны) |
Экспонен-та на R<10 , далее нуль |
Устойчивость атомных ядер |
Электро- магнитное |
Фотоны |
∞ |
1/137 |
Заряженные частицы и фотоны |
~ |
Устойчивость атомов, моле- кул, макротел |
Слабое |
Бозоны |
10 м |
10 |
Все части- цы, кроме фотона (и гравитона) |
Неизвестна |
Нестабиль- ность элемен- тарных частиц |
Гравитаци-онное |
Гравитоны (гипотеза) |
∞ |
10 |
Все тела и частицы |
~ |
Устойчивость звезд, планет- ных систем |
ТЕСТЫ.
Специальная теория относительности. Квантовая и ядерная физика.
1. Два автомобиля движутся в противоположных направлениях со скоростями ν и ν относительно поверхности Земли. Чему равна скорость света от фар первого автомобиля в системе отсчета, связанной с другим автомобилем?
1) с + (ν + ν ); 2) с + (ν - ν ); 3) с - (ν - ν ); 4) с.
2. Стержень длиной в 1 м и толщиной 1 см движется вдоль своей длинной стороны со скоростью 0,6 с. При этом его толщина для земного наблюдателя составляет:
1) 1 см; 2) 0,6 см; 3) 0,4 см; 4) 0,8 см.
3. Стержень длиной в 1 м и толщиной 1 см движется вдоль своей длинной стороны со скоростью 0,8 с. При этом его длина для земного наблюдателя составляет:
1) 1 м; 2) 0,8 м; 3) 0,6 м; 4) 0,2 м.
4. В космическом корабле, летящем к далекой звезде с постоянной скоростью, проводят экспериментальное исследование взаимодействия заряженных шаров. Будут ли отличаться результаты этого исследования от аналогичного, проводимого на Земле?
1) да, так как корабль движется с некоторой скоростью; 2) да, из-за релятивистских эффектов, если скорость корабля близка к скорости света; нет, при малых скоростях корабля; 3) нет, будут одинаковыми при любых скоростях корабля; 4) да, так как к электрическому взаимодействию добавится магнитное взаимодействие движущихся заряженных шаров.
5. В шкафу висят две куртки. Одна куртка синего цвета, а другая – желтого. Разные цвета курток говорят о том, что:
1) синяя куртка холоднее на ощупь, чем желтая; 2) синяя куртка лучше греет; 3) краски, которыми покрашены куртки, поглощают свет разных длин волн; 4) желтая куртка прочнее.
6. Атом испустил фотон энергией 6 · 10 Дж. Какой импульс приобрел атом?
1) 0 кг·м/с; 2) 2·10 кг·м/с ; 3) 1,8·10 кг·м/с ; 4) 5·10 кг·м/с .
7. Покоящийся атом поглотил фотон энергией 1,2 · 10 Дж. При этом импульс атома:
1) не изменился; 2) стал равным 1,2·10 кг·м/с ; 3) стал равным 4·10 кг·м/с ; 4) стал равным 3,6·10 кг·м/с
8. Излучение лазера – это:
1) тепловое излучение; 2) вынужденное излучение; 3) спонтанное (самопроизвольное) излучение; 4) люминесценция.
9. Интерференцию света с помощью лазерной указки показать легче, чем с обычным источником, так как пучок света, даваемый лазером, более:
1) мощный; 2) когерентный; 3) расходящийся; 4) яркий.
10. Скорость света в первой среде 225 000 км/с, а во второй 200 000 км/с. Луч света падает под углом 30º и переходит в другую среду. Определить угол преломления.
1) 26,7º; 2) 33,8º; 3) 73,5º; 4) 26,5º.
Фотоэффект.
1. При исследовании фотоэффекта Столетов выяснил, что:
1) атом состоит из ядра и окружающих его электронов; 2) атом может поглощать свет только определенных частот; 3) сила фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего света; 4) фототок возникает при частотах падающего света, меньших некоторого значения.
2. Определить энергию фотонов для света с частотой 5 · 10 Гц.
1) 3,3 · 10 Дж; 2) 3,3 · 10 Дж; 3) 1,5 · 10 Дж; 4) данных в задаче недостаточно.
3. Определить массу фотона для света с частотой 6 · 10 Гц.
1) 4,4 · 10 кг; 2) 4,4 · 10 кг; 3) 1,32 · 10 кг; 4) 1,32 · 10 кг.
4. Фотоны рентгеновских лучей по сравнению с фотонами видимого света:
1) тяжелее; 2) легче; 3) обладают меньшей энергией; 4) быстрее.
5. Давление света, производимое на идеально белую поверхность, по сравнению с давлением на идеально черную поверхность:
1) в два раза меньше; 2) одинаково; 3) результат зависит от длины волны света; 4) в два раза больше.
6. Источник света мощностью 60 Вт испускает за 1 с 3 · 10 фотонов. Найти среднюю длину волны излучения.
1) 1 мкм; 2) 0,5 мкм; 3) 5 мкм; 4) 0,6 мкм.
7. Источник света мощностью 100 Вт испускает за 1 с 5 · 10 фотонов. Найти среднюю частоту излучения.
1) 3 · 10 Гц; 2) 3 · 10 Гц; 3) 1 · 10 Гц; 4) 5 · 10 Гц.
8. Энергия фотона, соответствующая красной границе фотоэффекта, для калия равна 7,2 · 10 Дж. Определите максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, если на металл падает свет, энергия фотонов которого равна 10 Дж.
1) 2,8 · 10 Дж; 2) 0 Дж; 3) 1,72 · 10 Дж; 4) 7,2 · 10 Дж.
9. Фотоэлектроны, излучаемые цезием (работа выхода равна 1,9 эВ), обладают энергией 0,6 эВ. Какова длина волны света, облучающего цезий?
1) 0,6 мкм; 2) 1 мкм; 3) 0,15 мкм; 4) 0,5 мкм.
10. На пластину из никеля попадает электромагнитное излучение, энергия фотонов которого равна 8 эВ. При этом в результате фотоэффекта из пластины вылетают электроны с максимальной энергией 3 эВ. Какова работа выхода электронов из никеля?
1) 11 эВ; 2) 5 эВ; 3) 3 эВ; 4) 8 эВ.
Строение атома. Спектры.
1. Изотоп кислорода О имеет массу (в а.е.м.):
1) 25; 2) 17; 3) 9; 4) 8.
2. Число электронов в изотопе урана U составляет:
1) 235; 2) 92; 3) 143; 4) 327.
3. Если сравнить массу атомного ядра и суммарную массу составляющих его нуклонов, то:
1) масса ядра равна массе нуклонов; 2) задача не имеет смысла, т.к. масса покоя нуклона равна нулю; 3) масса ядра больше суммы масс нуклонов; 4) масса ядра меньше суммы масс нуклонов.
4. Один фотон движется вдвое быстрее другого. Это означает, что:
1) частота излучения ν , соответствующая первому фотону, вдвое больше ν ; 2) ν вчетверо больше ν ; 3) ν вдвое меньше ν ; 4) это невозможно.
5. Альфа-частица – это:
1) ядро атома водорода; 2) ядро одного из изотопов водорода; 3) ядро атома гелия; 4) одна двенадцатая часть ядра атома углерода.
6. Ядро состоит из:
1) нейтронов и электронов; 2) протонов и нейтронов; 3) протонов и электронов; 4) нейтронов.
7. Ядерная энергия выделяется при:
1) слиянии легких ядер и некоторых других процессах; 2) только при слиянии легких ядер; 3) расщеплении и легких, и тяжелых ядер; 4) только при расщеплении тяжелых ядер.
8. Практически вся масса атома сконцентрирована в:
1) его протонах; 2) его ядре; 3) его нейронах; 4) его электронах.
9. Альфа-излучение и бета-излучение под действием магнитного поля:
1) не отклоняются; 2) отклоняются в разные стороны; 3) отклоняются в одну и ту же сторону; 4) уменьшают интенсивность.
10. При альфа-распаде массовое число элемента:
1) уменьшается на 2; 2) увеличивается на 4; 3) не меняется; 4) уменьшается на 4.
Ядерные реакции.
1. Укажите второй продукт ядерной реакции
Pb → Bi + …
1) электрон; 2) γ-частица; 3) реакция невозможна; 4) позитрон.
2. Ядро азота поглотило альфа-частицу и испустило протон. В результате такой реакции образовалось ядро:
1) О; 2) О; 3) О; 4) N.
3. Ядро магния поглотило (захватило) электрон и испустило протон. В результате такой реакции образовалось ядро:
1) Ne; 2) Mg; 3) Ne; 4) Si.
4. Ядро бериллия Be поглотило альфа-частицу. Образовалось ядро углерода С и:
1) протон; 2) нейтрон; 3) альфа-частица; 4) такая реакция невозможна.
5. Указать второй продукт реакции Со + n → Со + …
1) гамма-частица; 2) нейтрон; 3) протон; 4) альфа-частица.
6. Укажите второй продукт ядерной реакции Be + He → C + …
1) n; 2) He; 3) е ; 4) γ-частица.
7. Укажите второй продукт ядерной реакции Ra → Re + …
1) нейтрон; 2) γ-частица; 3) реакция невозможна; 4) ά-частица.
8. Деление урана-235 может проходить различными путями. Сколько нейтронов выделяется, если реакция выглядит таким образом:
U + n → Cs + Br + нейтроны
1) 2; 2) 3; 3) 4; 4) реакция невозможна.
9. При самопроизвольном распаде ядра энергия:
1) не выделяется и не поглощается; 2) поглощается; 3) сначала поглощается, а потом выделяется; 4) выделяется.
10. Реакция деления урана идет с большим выделением энергии. Эта энергия выделяется в основном в виде:
1) энергии β-электронов; 2) энергии γ-квантов; 3) энергии α-частиц; 4) кинетической энергии осколков ядер.
ВОПРОСЫ.
1. Фотоэлектронные приборы могут быть разделены на три группы. Укажите принцип действия приборов каждой группы. Заполните таблицу.
Название прибора |
Для чего используется |
Где применяется |
Фоторезистор |
Изменяет электропроводи- мость под действием света |
1.Фотореле: а) для автоматизации производственных процессов; б)для контроля продукции 2. Фототелеграф 3. Звуковое кино |
Фотоэлемент |
|
|
Фотоумножитель |
|
|
2. Заполните таблицу, вписав известные характеристики и свойства фотона и электрона.
Свойство частицы |
Фотон,частица электромаг- нитного поля |
Электрон, частица вещества |
Обладают энергией |
|
|
Обладают массой |
|
|
Имеют скорость |
|
|
Обладают импульсом |
|
|
Электрический заряд |
|
|
Поведение в магнитном поле |
|
|
Поведение в электрическом поле |
|
|
Волновые характеристики |
|
|
3. Заполните таблицу.
Виды спектров |
Непрерывный |
Линейчатый |
Полосатый |
Источник излучения |
|
|
|
Распределение энергии излучения (графики) |
|
|
|
К какому виду спектров относится спектр поглощения |
|
|
|
Какой вид спектра положен в основу метода спектрального анализа |
|
|
|
4. Заполните таблицу.
Виды излучения |
α |
β |
γ |
Природа излучения |
|
|
|
Параметры излучения (масса, скорость) |
|
|
|
Наличие заряда |
|
|
|
Ионизирующая способность (велика, мала) |
|
|
|
Проникающая способность |
|
|
|
Кинетическая энергия излучения |
|
|
|
5. Заполните таблицу.
Регистрирующий прибор |
Принцип действия |
Виды частиц, подлежащих регистрации |
Преимущества прибора |
Недостатки прибора |
Счетчик Гейгера |
|
|
|
|
Камера Вильсона |
|
|
|
|
Пузырьковая камера |
|
|
|
|
Фотоэмульсии |
|
|
|
|
6. Заполните таблицу, в которой для каждого класса частиц укажите тип взаимодействия.
Класс частиц |
Тип взаимодействия |
|||
гравитационное |
электромагнитное |
слабое |
сильное |
|
Фотоны |
|
|
|
|
Лептоны |
|
|
|
|
Адроны |
|
|
|
|
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ.
ЗАДАЧИ.
Пример №1.
У металла красная граница фотоэффекта равна Гц. Какова частота света (в Гц), вырывающегося с поверхности металла электроны, полностью задерживающиеся напряжением 2,2 В?
Дано: Решение:
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
U = 2,2 В. .
Работа выхода А = , максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона .
Тогда
Выражаем частоту :
Ответ:
Пример №2.
Два автомобиля двигаются на встречу друг другу со скоростью . Чему равна скорость света фар первого автомобиля в системе отсчёта, связанной со вторым автомобилем?
Ответ: с.
Пример №3.
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов с поверхности металла равна Дж. Красная граница фотоэффекта 234 нм. Во сколько раз длина волны излучения, вызвавшего фотоэффект, меньше красной границы?
Дано: Решение:
Дж. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
.
Учтём, что и
-?
Отношение красной границы фотоэффекта к длине волны излучения, вызвавшего фотоэффект равно или . Подставляем полученное значение в уравнении:
Выражаем .
Ответ: 2.
Пример №4.
Если на пути потока света, падающего на поверхность металла, поставить фильтр, задерживающий инфракрасные лучи, то количество электронов, выражаемых светом с поверхности металла за одну секунду:
Ответ: не изменится.
Пример №5.
При освещении фотоэлемента светом сначала с длиной волны 600 нм, а затем 400 нм, обнаружили, что запирающий потенциал изменился в два раза. Найти запирающий потенциал (в В) в первом случае.
Дано: Решение:
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
Учитываем, что и ,
Работа выхода А постоянна для данного фотоэффекта, поэтому при уменьшении длины волны падающего излучения ( ), задерживающее напряжение увеличится и . Следовательно уравнение для первого и второго случаев, соответственно, и .
Получаем .
Выражаем
Ответ: 1 В.
Пример №6.
Красная граница фотоэффекта для металла равна 620 нм. Работа выхода электронов при этом составляет:
Ответ: 2 эВ.
Пример №7.
Монохроматический источник света потребляет мощность 50 Вт и излучает фотонов в секунду. Определить КПД источника (в %), если длина волн излучения 530 нм.
Дано: Решение:
Р = 50 Вт. Коэффициент полезного действия равен
отношению энергии, излучённой
t = 1 c. Источником, к затраченной энергии:
.
, где - энергия одного
излучённого фотона.
.
Следовательно, .
Затраченная энергия .
Подставляем Е и в формулу для :
Ответ: 2%.
Пример №8.
Если задерживающее напряжение для фотоэлектронов составляет 2 В, то их максимальная кинетическая энергия равна.
Ответ: Дж.
Пример №9.
Найти световое давление (в мкПа) на поверхность площадью 0,01 , если за одну секунду на неё падает световая энергия 21 Дж. Считать, что поверхность полностью поглощает падающие световые лучи.
Дано: Решение:
Энергия и импульс для нового фотона: ,
T = 1c. .
Е = 21 Дж. Следовательно, .
Аналогично, импульс для всех падающих фотонов
Р - ? .
При поглощении изменение импульса равно самому импульсу .
Из второго закона Ньютона следует, что произведение силы на время её действия (импульс силы) равно изменению импульса тела, т.е. .
Выражаем силу светового давления: .
Т.к. давление равно отношению силы к площади поверхности, то получаем ,
.
Ответ: 7 мкПа.
Пример №10.
Определить импульс фотона света с длиной волны .
Ответ: .
Пример №11.
Солнце излучает ежеминутно энергию . Считая его излучение постоянным, найти, за какое время масса Солнца уменьшится в 2 раза? Масса солнца .
Дано: Решение:
Проведём энергию, излучаемую Солнцем, в Дж:
t = 1 мин = 60 с
Тогда мощность излучения Солнца:
t - ? .
Согласно формуле Эйнштейна . Поэтому, чтобы масса Солнца М Уменьшилась вдвое, должно пройти время , где . Следовательно,
.
Ответ: .
Пример №12.
Атом перешёл из возбуждённого состояния с энергией , в состоянии с энергией . Чему равна энергия излучённого фотона?
Ответ: .
Пример №13.
Катод вакуумного фотоэлемента изготовлен из серебра. Между катодом, и анодом приложено напряжение 1,5 В, ускоряющее вылетающие электроны. При какой длине волны падающего на катод света (в нм) начнётся фотоэффект, если между электродами приложить задерживающее напряжение 2,3 В?
Дано: Решение:
Работа выхода электронов из серебра
U = 2,3 В .
А = 4,3 эВ Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
.
- ? Задерживающее напряжение U компенсирует
кинетическую энергию и ускоряющее направление :
, .
Тогда и .
Соответствующая длина волны:
;
.
Ответ: м.
Пример №14.
Чем отличаются атомы водорода, дейтерия, трития?
Ответ: Числом нейтронов в ядре.
Пример №15.
Ядро при делении освобождает энергию 200 МэВ. При взрыве урановой бомбы успевает прореагировать 1,5 кг урана. Какова масса эквивалентной тротиловой бомбы, если теплопроводная способность тротила 4,1 МДж/кг?
Дано: Решение:
=200 МэВ Число прореагировавших ядер урана
M = 1,5 кг находим из формулы
, здесь - молярная масса.
= 235 кг/моль.
- ?
- число Авогадро
- число молей в данной массе урана.
Переведём энергию одного распада в Дж:
.
Энергия взрыва .
Тогда эквивалентна масса тротила .
.
Ответ: .
1. Сколько фотонов зеленого света с длинной волны 550 нм испускает в одну секунду одна электрическая лампа мощностью 100 Вт, имеющая световую отдачу 3.6%?
; .
2. Найдите длину волны излучения, у которого импульс фотона равен среднему импульсу молекулы водорода при температуре С.
; ;
; .
3. Какую длину волны должен иметь фотон, чтобы его масса была равна массе покоя электрона?
; .
4. Радиостанция работает на волне длинной 3 м. Вычислить энергию одного фотона этого излучения и число фотонов, испускаемых за одну секунду, если излучаемая мощность 10 Вт.
; .
5. Определить длину волны света, кванты которого имеют такую же энергию, что и электрон, прошедший ускоряющую разность потенциалов 4.1 В.
; .
6. Предел чувствительности сетчатки глаза к зеленому свету длинной волны 550 нм составляет Вт. Сколько фотонов должно падать ежесекундно на сетчатку, чтобы человек видел свет?
; .
7. Светом какой длины волны следует облучать поверхность металла, красная граница фотоэффекта для которого равна 290 нм, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была не меньше км/ч?
; .
8. Свет частотой Гц падает перпендикулярно плоскому зеркалу. Определить изменение импульса фотона при отражении.
; .
9. При каком запирающем напряжении прекратиться фотоэмиссия с цезиевого катода, освещаемого красным светом с длинной волны 600 нм? Работа выхода для цезия 1.8 эВ.
; .
10. Произойдет ли фотоэффект, если цинковую пластину облучать световыми лучами с длинной волны 0.45 мкм? Работа выхода электронов из цинка 3.7 эВ. Найдите энергию фотонов, вызывающих фотоэффект.
.
нет.
.
11. Определить скорость электрона на третьей боровской орбите в атоме водорода, имеющей радиус 0,45 нм.
.
12. С какой частотой вращается электрон в атоме водорода, находясь на круговой орбите радиусом 50 нм?
.
13. Энергия невозбужденного состояния атома водорода равна -13,6 эВ. При переходе из возбужденного состояния в основное атом излучил квант электромагнитной энергии с длиной волны 102,8 нм. Найти энергию возбужденного состояния (в Эв).
.
14. Для ионизации атома водорода необходима энергия 13,6 эВ. Найти длину волны излучения, которое вызовет ионизацию.
.
15. При переходе атома водорода из четвертого энергетического состояния во второе излучаются фотоны с энергией 2,55 эВ. Вычислить длину волны этой линии спектра и указать цвет линии.
.
16. Электрон, пройдя ускоряющую разность потенциалов 10,2 В, сталкивается с атомом водорода и переводит его в первое возбужденное состояние. Какую длину волны имеет фотон, излученный атомом при переходе в основное состояние?
.
17. Вычислить дефект массы и энергию связи ядра изотопа .
18. При термоядерной реакции слияния дейтерия и трития образуется нейтрон, неизвестная частица и выделяется энергия. Определить неизвестную частицу и выделившуюся энергию.
.
19. Сколько ядер распадается за одну секунду в куске урана массой 1г? Период полураспада урана 4,5109лет.
; ; ; .
20. Какая масса урана расходуется в сутки на атомной станции мощностью 1 ГВт, имеющей КПД 17 %? Считать, что при каждом акте распада ядра урана выделяется энергия 200 МэВ.
21. При какой частоте v электромагнитное излучение (поток фотонов) при взаимодействии с веществом способно вызвать рождение пары электрон — позитрон ? те = 9,1 Ю-31 кг.
Решение:
E=2Fe Ee=Ee=Eо=m (электрона)*с*с
…hc/=2m(электрона)*с*с
=2m*c*c / h=8.2*((10) ) Гц
Ответ: =8.2*((10) ) Гц
22. Определите длину волны фотона, энергия которого равна кинетической энергии протона, прошедшего ускоряющую разность потенциалов U = 20 В.
Решение:
A=q*U
Работа эл поля
А=Еn
Энергия фотона Еф=h=hc/
Приравняем Еф=Еп qU=hc/
Отсюда =hc/qU=0.62*((10) ) м
Ответ : 0.62*((10) ) м
23. Капля воды массой m = 0,2 мг, попав в луч лазера, поглощает ежесекундно п = 1015 с-' фотонов. На сколько градусов нагреется капля за t = 10 с ? Длина волны света А. = 0,75 мкм. Св = 4200 Дж/кг К.
Решение: