Ответы на лабы по физике. Под светом в узком смысле
 Скачать 2.8 Mb.
|
Д триод, наполненную парами ртути, они обнаружили провалы на вольтамперной характеристике I(U). Эти провалы, т. е. снижения силы тока при некоторых значениях напряжения между анодом А и сеткой С, были объяснены ими как результат неупругого соударения носителей тока – электронов с атомами ртути10. Сетка С, на которую подавался небольшой, порядка 0,5 В положительный потенциал относительно анода, «перехватывала» «ослабевшие» электроны, потерявшие свою кинетическую энергию в результате неупругих соударений с атомами ртути. Соответственно на анод попадало меньше электронов, что и проявляло себя в уменьшении анодного тока. Атомы ртути могли воспринять (забрать) от электронов лишь определенную энергию, кратную энергии их возбуждения. Если пары ртути достаточно разрежены, то столкновения ускоряемого электрическим полем электрона с атомами ртути достаточно редки. Электрон успевает накопить энергию достаточную для возбуждения атомов ртути не только в ближайшее, но и более высокие возбужденные состояния. При этом атомы ртути переходят в возбуждённые состояния, отстоящие от основного по энергии на 4,9 эВ; 6,7 эВ; 10,3 эВ… . Это говорит о том, что энергия атома ртути обладает дискретным спектром значений.В более плотных парах второй минимум тока на ВАХ объясняется тем, что электрон ускоренный до энергии, в два раза превышающей энергию возбуждения, оказывается в состоянии достаточно быстро произвести последовательное возбуждение двух атомов ртути. Поэтому первый и второй минимумы тока на ВАХ отстоят на величину, равную первому потенциалу возбуждения. 4. Что такое потенциал возбуждения атома и какова физическая идея его опытного определения в данной работе? Разность энергий электрона на втором и первом энергетических уровнях называется энергией  возбуждения атома. Выраженная в вольтах эта энергия называется первым потенциалом возбуждения атома. Для водорода: Ев = Е2 – Е1 = 10,2 эВ и 1 = Ав/qе = 10,2 В.В основу метода экспериментального определения первого потенциала возбуждения положена выявленная Франком и Герцем особенность вольтамперной характеристики лампы, содержащей разреженный газ из соответствующих атомов. Эта особенность заключается в том, что на вольтамперной характеристике чередуются провалы, отстающие друг от друга по напряжению на величину, равную первому потенциалу возбуждения атомов газа. Расстояние по напряжению между первыми двумя провалами на ВАХ, равное первому потенциалу возбуждения, и определяется опытным путем в данной работе. 5. Чем объясняется размытость спадов анодного тока в опыте Франка – Герца, и почему в них анодный ток уменьшается не до нуля? Спад тока в лампе обусловлен тем, что при достижении ускоряющим напряжением некоторого значения, вылетающие из катода электроны, приобретают энергию, достаточную для возбуждения при столкновениях атомов газа. Отдавая приобретенную в ускоряющем электрическом поле энергию атомам газа, электроны оказываются не в состоянии затем преодолеть тормозящее электрическое поле сетки и «выключаются» из процесса переноса тока между анодом и катодом лампы. Это «выключение» происходит не сразу для всех электронов, так как они вылетают из катода, имея заметный статистический (тепловой) разброс в значениях начальных скоростей и кинетических энергий. С этим разбросом связано и то, что провал анодного тока на ВАХ не опускается до нулевого значения. 6. Почему в данной работе не наблюдается второй потенциал возбуждения? Второй потенциал возбуждения, соответствующий энергии бомбардирующих атомы электронов, достаточной для заброса атомов газа с первой орбиты (из основного состояния) на третью, может наблюдаться в опыте лишь в достаточно разреженных газах. В них вероятность столкновения электронов с атомами газа не очень велика и заметная часть электронов успевает набрать необходимую энергию раньше, чем произойдет их столкновение с атомом. Но в таких газах сила тока оказывается очень малой, и усложняется проблема его измерения. В данной работе газ не очень разрежен, и вероятность столкновений электронов с атомами газа столь высока, что электроны соударяются и отдают энергию атомам раньше, чем приобретут (накопят) энергию, достаточную для заброса атомов на третий энергетический уровень. 7. Охарактеризуйте полученные в работе результаты на физическую достоверность и соответствие их целям работы. Работы N 51 - 55 ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА 1. Из каких частиц состоит ядро, и каковы особенности сил, которые их связывают? Что такое энергия связи? Почему энергия ядра квантуется? Согласно планетарной (ядерной) модели атома по Резерфорду, атом состоит из положительно заряженного ядра, сосредоточенного в очень малом объеме и содержащем в себе почти всю массу атома и вращающихся вокруг ядра легких отрицательно заряженных электронов. Радиус ядра примерно в 100000 раз меньше радиуса атома и составляет величину порядка 10-15 м. В соответствии с протонно-нейтронной моделью строения ядра, предложенной В. Гейзенбергом и Д. Д. Иваненко (1939 г.), ядро является сложным образованием и состоит из более мелких частиц - положительно заряженных протонов и незаряженных (электрически) нейтронов. Этим частицам дают общее название - нуклоны (ядерные частицы; nucleus (лат.) - ядро) Заряд протона численно равен заряду электрона (1,610-19 Кл), а масса протона чуть меньше массы нейтрона (наличие заряда и электрического взаимодействия как бы "съедают" часть массы, "снимают стружку" с частицы) и почти в 2000 раз больше массы электрона:    В отличие от протона, являющегося стабильной частицей, нейтрон в свободном состоянии нестабилен и распадается с периодом полураспада в 16 минут. Заряд (электрический) ядра определяется числом протонов в ядре. Это число обозначается Z и называется зарядовым. Оно же является порядковым номером соответствующего химического элемента в таблице Менделеева. Если число нейтронов в ядре обозначить за N , то сумма нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре выразится числом A = Z + N, называемым массовым числом. Этому числу пропорциональна масса ядра. Используя зарядовое Z и массовое А числа, вводят следующее условное обозначение ядер:  , где за Х обозначен химический символ соответствующего элемента в таблице Менделеева.Что удерживает (склеивает) нуклоны в ядре? Ведь нейтроны не заряжены, а протоны должны электрически отталкиваться друг от друга! Для объяснения опытного факта устойчивости существования ядра, устойчивости соединения протонов и нейтронов в ядре, было выдвинуто предположение о наличии в природе нового, дополнительного к известным гравитационному и электромагнитному взаимодействиям - ядерного, являющегося гораздо более сильным в сравнении с гравитационным и электромагнитным. На малых расстояниях (внутриядерных, порядка 10-15 м) это взаимодействие носит характер притяжения, причем оно не зависит от электрического заряда частиц и является одинаковым для протонов и нейтронов11. На еще меньших расстояниях ядерное взаимодействие-притяжение сменяется отталкиванием и таким образом, возможно состояние и положение динамического равновесия. Для сравнения можно сказать, что в маленьком ядре составные части - нуклоны связаны сильными, но короткодействующими ядерными силами, а в "большом" атоме частицы (электроны и ядра) связаны более дальнодействующими, но и более слабыми электрическими силами. Вследствие короткодействующего характера ядерные силы обладают свойством насыщения. Оно проявляет себя в том, что каждый нуклон способен эффективно взаимодействовать лишь с небольшим числом близких к нему нуклонов. Например, два протона и два нейтрона, образующие так называемую - частицу, практически не взаимодействуют с другими нуклонами ядра. Связанное (в ядре) состояние нуклонов отвечает минимуму потенциальной (ядерной) энергии взаимодействия нуклонов, поэтому полная энергия (и масса соответственно) их в ядре оказывается меньшей их полной энергии и массы в состоянии, когда нуклоны разведены на расстояния, при котором они не взаимодействуют друг с другом. Поэтому на расщепление ядра требуется затратить работу против сил связи (ядерных), удерживающих нуклоны в ядре. Эта работа равна разности энергий нуклонов связанных в ядре и тех же нуклонов, но не взаимодействующих друг с другом. Иначе говоря, эта работа и выражает собой энергию связи нуклонов в ядре: Есв = mр + (А - )mn - Мяс2 = Мс2, где за М = Есв/c2 = mр + (А - )mn - Мя обозначена разность масс нуклонов и ядра, называемая дефектом массы12 ядра. Э  нергия связи, приходящаяся на один нуклон Есв/А = Есв уд, называется удельной энергией связи. Она выражает меру устойчивости ядра как соединения нуклонов и зависит от массового числа А. На усредненном графике зависимость Есв уд (А) имеет вид кривой с максимумом. 2. Что такое радиоактивность? Как объясняется механизм испускания ядрами альфа-, бета- и гамма- лучей? Какие изменения происходят при этом с ядром? Под радиоактивностью понимают явление самопроизвольного превращения ядер (неустойчивых изотопов) одних элементов в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием разного рода частиц. Радиоактивность может быть искусственной (для ядер, получаемых искусственно, в результате ядерных реакций). Явление радиоактивности, открытое А. Беккерелем в 1896 г. сопровождается, как показали исследования П. и М. Кюри, испусканием трех видов излучений, названных ими -, -, - лучами. Сейчас мы знаем, что - лучи это поток так называемых - частиц, представляющих собой ядра атома гелия - очень устойчивые образования из двух протонов и двух нейтронов (дважды магическое ядро). В тяжелых ядрах - частицы (образованные из четырех нуклонов) находятся в потенциальной яме, где их энергия квантуется. Б  удучи в ядерном отношении самонасыщенными, - частицы испытывают ослабленное ядерное притяжение к другим нуклонам и повышенное кулоновское отталкивание от ядра. Из опытов известно, что - частицы вылетают из тяжелых ядер (с Z > 82) с энергиями, меньшими глубины потенциальной ямы. Поэтому вылет - частиц объясняют туннелированием, "просачиванием" их через потенциальный барьер. Энергия - частиц в потенциальной яме квантуется:Е 6 МэВ. При - распаде из ядра вылетают - частицы, под которыми понимают электроны и позитроны. Позитроны, представляя собой античастицы по отношению к электронам, являются неустойчивыми, и в опыте при - распаде наблюдается лишь поток электронов. Откуда же берутся - частицы, выбрасываемые ядром, состоящим из протонов и нуклонов? Принцип неопределенности хрх  запрещает электронам находиться в ядре. При х 10-15 м, х с, чего быть не может. - распад есть следствие взаимопревращения нуклонов в ядре, протекающего по следующей схеме:  и  , где символами и  обозначены элементарные частицы, названные нейтрино и антинейтрино, соответственно. К представлению об этих частицах пришел Паули, пытавшийся объяснить непрерывный характер энергии - частиц, испускаемых радиоактивными ядрами. Уменьшение энергии вылетающих электронов в сравнении с Емакс (- энергией, теряемой ядром) - кажущееся нарушение закона сохранения энергии, было объяснено Паули тем, что часть энергии уносится некоторой дополнительной незаряженной частицей, названной им на итальянский манер - нейтрино (нейтрончиком). Электрону же остается неопределенная энергия, точнее, определенная лишь сверху – значением Емакс. Таким образом, в отличие от - частиц, энергетический спектр - частиц является сплошным.  - лучи, представляющие собой жесткое (с очень высокой частотой) электромагнитное излучение, обычно сопровождают все типы радиоактивного распада ядер. Ядро в целом, как и атом, его электронная оболочка, может находиться в различных квантовых состояниях с дискретными (квантованными) значениями энергии. Разнос этих уровней в тысячи раз превышает значения, характерные для атомов, составляя тысячи и десятки тысяч электроновольт. При распаде так называемого материнского ядра, получающееся дочернее ядро оказывается в разных возбужденных состояниях, из которых оно может перейти в основное состояние путем испускания - квантов.  - излучение - основная форма уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Дискретный линейчатый спектр - излучения является подтверждением дискретного характера энергетических уровней ядра, как квантовой системы.Почему у альфа- и бета - частиц и гамма - квантов, испускаемых ядром, оказывается очень высокая энергия, а её спектр у альфа - частиц и гамма - квантов - дискретный, а у бета - частиц - сплошной? - и - частицы, а также - кванты, испускаемые ядрами, имеют высокую энергию, в тысячи раз большую, чем энергия света или электронов, испускаемых атомами. Это связано с тем что - и - частицы, а также - кванты уносят энергию гораздо более интенсивного внутриядерного сильного взаимодействия, в сравнении с энергией внутриатомного электрического взаимодействия, уносимого из атомов электронами или оптическим излучением. Ядро, как и атом, является квантовой системой, ибо характер внутреннего движения составляющих их частиц является пространственно локализованным (ограниченным). Соответственно энергетический спектр ядра и атома квантуется, является дискретным. Поэтому, выбрасывая - или - частицу, или испуская фотон, ядро может передать им лишь определенную, дискретную энергию, равную разности энергетических уровней, между которыми осуществляется квантовый переход ядра. При этом, однако, у - частиц энергетический спектр оказывается не дискретным, а сплошным. Такое несоответствие квантовым представлениям объясняется тем, что - частица (электрон или позитрон) всегда вылетает из ядра в паре с другой частицей (антинейтрино или нейтрино). И дискретную энергию Ея, отдаваемую ядром, они делят между собой в случайном соотношении, так, что на долю - частицы может приходиться разное значение энергии, ограничиваемое лишь сверху значением Ея. 4. Как выводится закон радиоактивного распада и почему он носит экспоненциальный характер? Какой физический смысл имеют его основные характеристики? Пусть из N имеющихся радиоактивных ядер за время dt распадается dN ядер. Число ядер, оставшихся нераспавшимися, уменьшится на dN. Так как ядра распадаются независимо, то dN будет прямо пропорционально начальному общему числу ядер и интервалу времени dt, то есть: d = - dt, где - характеристика (константа) сорта ядер. = - d/dt - вероятность распада 1 ядра за 1 с называется постоянной распада. Знак минус отражает то, что d 0, то есть число ядер убывает со временем. Тот факт, что dN N, то есть элементарное изменение величины пропорционально ее значению, обусловливает экспоненциальный характер, закон ее изменения. Для получения этого закона проинтегрируем имеющееся дифференциальное соотношение:  - закон радиоактивного распада ядер (ЗРРЯ).П  олучили экспоненциальный характер убывания числа ядер, оставшихся нераспавшимися к моменту времени t. Характерным параметром этого распада являются среднее время жизни ядер, представляющее собой такое время, за которое число ядер оставшихся нераспавшимися, уменьшается в е = 2,72 раз. Постоянная распада оказывается обратной среднему времени жизни ядер = 1/. Действительно, при t = 1/ = 1/ , () = ое-t/ = о/е. Чаще используется такая временная характеристика распада ядер, как период полураспада Т - время, за которое число нераспавшихся ядер уменьшается в 2 раза. При t = Т, (Т) = ое-Т = о/2 Т = ln2/ = ln2 0,7. Быстроту распада ядер характеризуют величиной А, называемой активностью, измеряемой числом распадов в секунду.  Единица активности - беккерель - один распад в секунду, или кюри: 1 Кю = 3,71010 Бк (расп/с). Охарактеризуйте физическую сторону метода исследования в работе, объясните вывод расчётных формул и полученные в работе результаты. Работа № 47 ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА 1. Почему и как вещество поглощает свет? Какие энергетические преобразования происходят при поглощении света веществом? Как и почему поглощение света веществом зависит от агрегатного состояния вещества? 2. При каких условиях закон поглощения света веществом оказывается экспоненциальным? Каковы основные характеристики поглощения света веществом, как они взаимосвязаны и от чего и почему зависят? 3. Дайте характеристику физической стороне метода исследования поглощения света веществом в данной работе. Какие физические идеи и закономерности лежат в основе принципа действия экспериментальной установки? 4. Дайте теоретическое объяснение полученным в работе результатам и зависимостям. В какой мере полученные в работе результаты соответствуют ее цели и теоретическим ожиданиям? 1 Белым называют обычный (естественный, видимый свет), включающий в себя «семь цветов радуги». 2 Волновой обычно называют поверхность, до которой в данный момент дошли колебания волны. Такую поверхность еще называют фронтом волны. Она является эквифазовой поверхностью, то есть все ее точки колеблются в одинаковой фазе. 3 Спектром в математике называют совокупность значений, который может принимать та или иная величина. В оптике под спектром обычно понимают совокупность частот (или длин волн), испускаемых каким-либо источником света. 4 Под световым потоком Ф понимают величину, равную энергии излучения, падающего на поверхность за единицу времени. 5 Красную границу фотоэффекта часто выражают через максимальную длину волны света о = со; для многих веществ она лежит в красном диапазоне света. 6 Световой поток Ф представляет собой мощность излучения, падающего на поверхность, а интенсивность излучения есть поверхностная плотность светового потока, то есть мощность излучения, приходящаяся на единицу площади. 1 Спектром в математике называют совокупность значений, который может принимать та или иная величина. В оптике под спектром обычно понимают совокупность частот (или длин волн), испускаемых каким-либо источником света. 7 Обычные «механические» соударения легкого электрона с гораздо более массивным атомом ртути носят упругий характер – практически без изменения энергии электрона. При неупругих соударениях энергия электрона расходуется на возбуждение атома ртути, то есть переходит во внутреннюю энергию атома. 8 Стационарное состояние с наименьшей энергией называется основным. 9 Возможны переходы электрона в атоме «сверху вниз» и без излучения кванта света. В этом случае энергия возбуждения отдается обычно решетке твердого тела, то есть в виде внутренней, тепловой энергии. 10 Обычно соударения легкого электрона с массивным атомом ртути носят упругий характер – без изменения энергии электрона. 11 В связи с этим протон и нейтрон можно считать двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона. 12 При соединении нуклонов в ядро, с них за счет взаимодействия, как бы "снимается стружка", и в результате масса ядра оказывается меньшей, чем масса составляющих его, но не взаимодействующих нуклонов. |
