Методическое пособие. МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕ. Методическое пособие по организации самостоятельной работы студентов i курсов гбпоу кк колледж ейский
 Скачать 0.73 Mb.
|
|
Глава 5. Квантовая и атомная физика. 5.1. Квантовые свойства света. Теоретические сведения. Одним из явлений, подтверждающих квантовую природу света, является внешний фотоэффект. Квант света с энергией  , попадая, например, на металл, может выбить из него электрон. Энергия кванта при этом пойдёт на совершение работы выхода по вырыванию электронов из металла и сообщение электрону кинетической энергии. Это утверждение называется законом фотоэффекта и записывается в виде уравнения Эйнштейна для фотоэффекта:  .Фотоэффект наступает при определённой частоте или длине волны падающего излучения, которые называются красной границей фотоэффекта:  .С помощью квантовой теории удалось объяснить также такие явления, как давление света и люминесценцию. Давление света при нормальном падении на поверхность  ,где Е – энергия фотонов, падающих на 1м2 тела за 1 с; с – скорость света;  - коэффициент отражения. Энергия фотонов может быть найдена по формулам:  Импульс фотонов:  .Примеры решения задач. Задача №1. Определить наибольшую длину волны света, при которой может происходить фотоэффект для пластины, работа выхода которой равна 8,5·10-19Дж.
Задача №2. Определить наибольшую скорость электрона, вылетевшего из цезия, при освещении его светом с частотой 7,5·1014Гц.
Задача №3. Определить энергию, массу и импульс фотонов видимого света с длиной волны 500 нм.
Задачи для самостоятельного решения: Какая частота колебаний соответствует красным лучам видимого света, длина волны которых 7,6 · 10-7 м? Длина волны жёлтого света в вакууме равна 5,9 · 10-7 м. Какова частота колебаний в такой волне? Определите длину волны красной границы фотоэффекта для серебра. Красная граница фотоэффекта для калия равна 0,56 мкм. Чему равна работа выхода электронов с поверхности калия? Какую максимальную кинетическую энергию имеют вырванные из лития электроны при облучении светом с частотой 1015 Гц? Максимальная кинетическая энергия электронов, вылетающих из рубидия при освещении его ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 3,17 · 10-7 м, равна 2,84 · 10-19 Дж. Определите работу выхода электронов из рубидия. С какой длиной волны следует направить свет на поверхность цезия, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была равна 2000 км/с? Красная граница фотоэффекта для цезия равна 690 нм. Какова максимальная скорость электронов, вырванных с поверхности платины при облучении её светом с длиной волны 100 нм? Определить энергию фотонов, соответствующих наиболее длинным (λ = 0,75 мкм) и наиболее коротким (λ = 0,4 мкм) волнам видимой части спектра. Энергия фотона равна 6,4 · 10-19 Дж. Определите частоту колебаний для этого излучения и массу фотона. Энергия фотона равна 2,76 · 10-19 Дж. Определить массу и импульс фотона. Найдите массу, энергию и импульс фотона, соответствующего рентгеновскому излучению с длиной волны 1,5 · 10-10 м. Найти длину волны и частоту излучения, масса фотонов которого равна массе покоя электрона. Какого типа это излучение? С какой скоростью должен двигаться электрон, чтобы его импульс был равен импульсу фотона излучения с длиной волны 5,2 · 10-7 м? Какую энергию должен иметь фотон, чтобы его масса была равна массе покоя электрона? 5.2. Физика атома и атомного ядра. Теоретические сведения. Атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого по различным орбитам вращаются электроны. При этом выполняются следующие условия: суммарный заряд всех электронов, входящих в состав атома, равен заряду ядра: в стационарном состоянии атом не излучает. Движение электрона вокруг ядра возможно только по определённым орбитам, радиусы которых удовлетворяют соотношению (первый постулат Бора):  где me - масса электрона;  - скорость электрона на n - орбите; n = 1,2,3 …- порядковый номер орбиты; h – постоянная Планка. испускание (поглощение) света происходит при переходе атома из одного стационарного состояния в другое. Энергия фотона равна разности энергий стационарных состояний (второй постулат Бора):  ,где  - частота излучения; Е1 и Е2 – значения энергии электрона на соответствующих орбитах. Энергия электрона на n – стационарной орбите в простейшем по своему строению атоме водорода:  ;где  = 8,85∙1012Ф/м – электрическая постоянная; n = 1,2,3… - номер орбиты (главное квантовое число). Длина волны света  , испускаемого атомом водорода при переходе с орбиты  на орбиту  , может быть определена по формуле:  ,где R = 1,097∙107 м-1 – постоянная Ридберга. Для видимого света n1=2, n2 = 3,4,5… Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Массовое число А равно числу нуклонов в ядре. Оно представляет собой выраженную в атомных единицах массы массу атома элемента, округлённую до целого числа. Зарядовое число Z равно числу протонов в ядре, оно совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Число нейтронов в ядре N = A – Z. Атомы одного и того же элемента могут иметь разное количество нейтронов в ядре. Такие атомы называются изотопами данного элемента. Например, у атома кислорода три изотопа:  (сверху – массовое число, снизу – зарядовое число).Мааса ядра Мя меньше массы нейтрального атома Ма на массу электронов, входящих в состав электронной оболочки атома:  Дефектом массы ядра  называют разность между суммой масс протонов  и нейтронов  , составляющих ядро атома, и массой ядра Мя: В таблицах масс изотопов указывают не массы ядер, а массы нейтральных атомов. Поэтому данную формулу можно преобразовать в виде:  Энергия связи ядра  определяется работой, которую нужно совершить для разделения ядра на составляющие его протоны и нейтроны: , где с = 3∙108 м/с – скорость света в вакууме. Энергия в данном случае выражена в джоулях. Определено, что энергия, поглощающаяся или выделяющаяся при изменении массы на 1 а.е.м. составляет 931 МэВ. Поэтому для случая, когда дефект массы выражен в атомных единицах массы, соотношение для энергии связи можно записать в виде:  . Энергия связи в этом случае выражена в мегаэлектронвольтах: 1МэВ = 1,6∙10-13Дж. Изменение энергии при ядерных реакциях определяется соотношением:  , где  и  - суммы масс частиц до и после реакции. Если > , то энергия выделяется. Если < , то энергия поглощается. При радиоактивном распаде число радиоактивных (нераспавшихся) атомов убывает со временем по закону:  , где N0 – число радиоактивных атомов в начальный момент времени, - постоянная радиоактивного распада, t – время распада.Можно этот же закон радиоактивного распада записать в виде:  , где Т – период полураспада радиоактивного изотопа.Период полураспада и постоянная радиоактивного распада связаны между собой соотношением:  В результате радиоактивного распада в исходном элементе с течением времени число нераспавшихся ядер уменьшается, но растёт число ядер продуктов распада. Число ядер  , распавшихся за время  , пропорционально числу  нераспавшихся в начальный момент времени ядер и интервалу времени: Примеры решения задач. Задача №1. Каково строение ядра изотопа углерода  ?
Задача №1. Определить длину волны, соответствующую четвёртой спектральной линии в видимой области спектра атома водорода.
Задача №2. Найти энергию связи ядра изотопа гелия  , если масса этого изотопа ma = 3,01605 а.е.м., масса протона равна 1,00783 а.е.м.; масса нейтрона 1,00867 а.е.м.; масса электрона 0,00055 а.е.м.
Задача №3. За какое время произойдёт распад 3 мг полония  , если в начальный момент его масса равна 0,3 г? Период полураспада полония 138 суток.
Задачи для самостоятельного решения: Каков состав ядер натрия  , фтора  , серебра  Ag, кюрия  Cm, менделевия  Md?Каков состав изотопов неона  Ne, неона  Ne, неона  Ne?Вычислите энергию связи ядра дейтерия  Н. Масса протона равна 1, 67 · 10-27кг, масса нейтрона равна 1,68 · 10-27кг, масса электрона равна 9,1· 10-31кг.Найти энергию связи ядра алюминия  Al. Масса протона равна 1, 67 · 10-27кг, масса нейтрона равна 1,68 · 10-27кг, масса электрона равна 9,1 10-31кг. Найти удельную энергию связи ядра дейтерия. Написать реакции распада α - урана  U и β – распада свинца  Pb.В результате какого радиоактивного распада натрий  Na превращается в магний  Mg?В результате какого радиоактивного распада плутоний  Pu превращается в уран  U?Написать ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке алюминия Al α-частицами и сопровождающуюся выбиванием протона.Написать ядерную реакцию, происходящую при бомбардировке  α-частицами и сопровождающуюся выбиванием нейтронов.При бомбардировке изотопа бора  В нейтронами из образовавшегося ядра выбрасывается α-частица. Написать реакцию.Элемент менделевий был получен при облучении эйнштейния  Es α-частицами с выделением нейтрона. Написать реакцию.Элемент курчатовий получили, облучая плутоний  Рu ядрами неона Ne. Написать реакцию, если известно, что в результате образуется ещё 4 нейтрона.Написать недостающие обозначения в следующих ядерных реакциях: A) Al +  n → ? +  He Б) ? +  H →  Na + HeВ)  Mn + ? →  Fe + n Г) Al + γ →  Mg + ?При облучении изотопа меди  Cu протонами реакция может идти несколькими путями: с выделением одного нейтрона, с выделением двух нейтронов, с выделением одного нейтрона и одного протона. Ядра каких элементов образуются в каждом случае?Радиоактивный марганец  Mn получают двумя путями. Первый путь состоит в облучении изотопа железа Fe дейтронами, второй – в облучении изотопа железа  Fe нейтронами. Написать ядерные реакции.При бомбардировке азота  N нейтронами из образовавшегося ядра выбрасывается протон. Написать реакцию. Полученное ядро оказывается β - радиоактивным. Написать происходящую при этом реакцию.Найти энергию, выделяющуюся при реакции:  .Выделяется или поглощается энергия пари реакции:  ?Сколько процентов радиоактивных ядер кобальта останется через месяц, если период полураспада равен 71 дню? Активность радиоактивного элемента уменьшилась в 4 раза за 8 дней. Найти период полураспада. Сколько атомов радона распадается за 1 сутки из 106 атомов? Среди радиоактивных загрязнений, вызванных аварией на Чернобыльской АЭС, наиболее опасными являются долгоживущие продукты деления – стронций -90 и цезий-137. Сколько времени должно пройти к тому моменту, когда активность этих загрязнений уменьшится в 10 раз? Периоды полураспада стронция 28 лет, цезия – 30 лет. Литература Дмитриева В.Ф. Физика. Учебник для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования. - М.: Академия, 2005г – 464с. Кухлинг Х. Справочник по физике. Пер. с нем. - М.: Мир, 1985. Самойленко П.И., Сергеев А.В. Физика. Учебник. - М.: Мастерство, 2002. – 400с. Самойленко П.И., Сергеев А.В. Сборник задач и вопросов по физике. М.: Академия, 2002. Заключение Данное методическое пособие по организации самостоятельной работы студентов 1 курсов ГБПОУ КК «Колледж Ейский» при изучении дисциплины физика было опробовано на уроках и дало положительный результат в работе со слабоуспевающими студентами, студентами, которые по каким-то причинам отсутствовали на уроке. В свободное время студент разбирается с задачами из примеров решения задач, решает по аналогии задачи, и от урока к уроку у него появляется навык при решении задач, уверенность, самостоятельность и желание самому решать задания. Так развивается интерес к физике. Данное пособие будет интересно и начинающему учителю физики, также преподавателю, работающему на первых курсах колледжа. РЕЦЕНЗИЯ на учебно-методический материал «Методическое пособие по организации самостоятельной работы студентов 1 курсов ГБПОУ КК «Колледж Ейский» при изучении дисциплины Физика» Предлагаемое учебно-методическое пособие подготовлено в соответствии с государственными образовательными стандартами среднего профессионального образования и предназначено для организации самостоятельной подготовки учащихся к практическим и самостоятельным работам по физике. Содержание учебного пособия базируется на солидном учебно-методическом материале. Соответствующий учебный материал подается, в доступной форме, обладает практической значимостью, способствует решению задач обеспечения образовательного процесса. Это дает достаточные основания для его отличной, в целом, оценки. Данное пособие активизирует самостоятельную работу студентов, поспособствует выработке у них прочных теоретических знаний, умений и навыков, которые будут использованы ими в будущей профессиональной деятельности. Учебно-методическое пособие рекомендовано для использования в учебном процессе преподавателями физики и студентами. Рецензент _______________________________________________ |
; 
; 
) на вторую (
) (серия Бальмера). 
.
. 
, где N0 – число атомов, не распавшихся в начальный момент времени в 0,3 г полония; N - число атомов, не распавшихся через время t. Так как 
, где М – молярная масса полония, NA – число Авогадро. Исходя из условий задачи, найдём 
. Тогда выражение для 
. Отсюда следует. что 
, откуда 