коллоквиум. Закон Мозли. Почему закон Мозли отличается от обобщенной формулы Бальмера Какие области применения
 Скачать 5.46 Mb.
|
|
б). В чем отличие характера взаимодействия фотона и электрона при фотоэффекте и эффекте Комптона? При фотоэффекте фотон поглощается электроном, находящимся внутри кристаллического тела (т.е. этот электрон не свободный). При таком поглощении выполняется только закон сохранения энергии. Энергия фотона идет на вырывание электрона с поверхности, остальная часть энергии идет на сообщение электрону .Комптоновское рассеивание- это столкновение фотона со свободным электроном. При этом должны выполняться и закон сохранения энергии и закон сохранения импульса. Фотон может только рассеяться на электроны, но не поглотиться (иначе невозможно удовлетворить закон сохранения…). в). Что такое спонтанное излучение? резонансное поглощение? вынужденное излучение? Объясните механизм возникновения этих явлений. В чем отличие спонтанного излучения от вынужденного? Атомы наиболее интенсивно поглощают свет частоты, соответствующей переходу из основного состояния атома в ближайшее к нему вынужденное состояние. Это явление называют резонансным поглощением. Т.е. фотоны, испущенные атомом при переходе из первого возбужденного состояния в основное, без всяких проблем поглощаются такими же атомами, поскольку их частоты практически совпадают. При поглощении фотона атомы возбуждаются. Поглощение фотона всегда является вынужденным процессом, происходящим под действием внешней электромагнитной волны. В каждом акте поглощается один фотон, а участвующий в этом процессе атом переходит в состояние с большей энергией. Атом, находясь в возбужденном состоянии (2) может спонтанно, без внешних воздействий перейти в основное состояние, испуская при этом фотон с энергией . Процесс испускания фотона возбужденным атомом без внешних воздействий называется спонтанным излучением. Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связанны, то спонтанное излучение некогерентно. Спонтанное излучение атома обусловлено только неустойчивостью его верхнего (возбужденного) состояния, вследствие которого атом освобождается от энергии возбуждения путем излучения фотона. Различные атомы излучают независимо друг от друга, и генерируют фотоны, которые распространяются в различных направлениях, имеют различные фазы и направления поляризации. Следовательно спонтанное излучение некогерентно. Если на возбужденный атом действует электромагнитная волна с частотой v, удовлетворяющей соотношению энергии квантовых состояний атома, возникает вынужденное излучение. В каждом акте вынужденного излучения участвуют два фотона. Один из них, распространяясь от внешнего источника (соседнего атома), воздействует на атом, в результате которого испускается фотон. Оба фотона имеют одинаковое направление распространения и поляризации, а также одинаковые частоты и фазы. То есть вынужденное излучение всегда когерентно с вынуждающим. г). Почему массы атомов многих элементов в таблице Менделеева отличаются от целых чисел? Указанные в таблице Менделеева относительные атомные массы некоторых элементов сильно отличаются от целого числа. Оказывается, ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов при одинаковом числе протонов в ядре и электронов в электронной оболочке, Такие ядра имеют одинаковые химические свойства и располагаются в одной клетке таблицы Менделеева. Это изотопы 2. Покоящийся ион Не + испустил фотон, соответствующий головной линии серии Лаймана. Этот фотон вырвал фотоэлектрон из покоящегося атома водорода, который находился в основном состоянии.Найти скорость фотоэлектрона. 3. Параллельный пучок монохроматических лучей с длиной волны 0.5мкм падает нормально на зачерненную поверхность и производит давление 10 -8 Па. Определите концентрацию фотонов в потоке и его интенсивность (число частиц, падающих на единичную поверхность в единицу времени) Билет 22 а). На фарфоровой тарелке имеется темный рисунок. Почему, если ее быстро вынуть из печи, где она нагревалась до высокой температуры, и рассматривать в темноте, наблюдается светлый рисунок натемном фоне? Темный рисунок нанесен краской, которая имеет большую ( по-сравнению с тарелкой) поглощательную способность в оптическом диапазоне. По закону Кирхгофа Отношение испускательной способности к поглощательной .Следовательно испускательная способность у краски также выше, чем у тарелки в оптическом диапазоне. Части тарелки, которые больше поглощают, больше и излучают. б). Может ли золотая пластинка служить фотосопротивлением? Почему? Золотая пластинка не может служить фотосопротивлением. Фотосопротивлением являются полупроводники и диэлектрики, так как их сопротивление изменяется под действием электромагнитного излучения. При этом меняется концентрация носителей зарядов, либо их подвижность. Металл может нагреваться при поглощении электромагнитного излучения. С ростом температуры сопротивление металлов растет, поэтому косвенным образом сопротивление при таких условиях может меняться под действием электромагнитного излучения и у золотой пластинки, но все же в этом случае она работает как термосопротивление. в). Сформулируйте постулаты Бора. Как с их помощью объясняется линейчатый спектр атома водорода. Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний) гласит: атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E n .В стационарных состояниях атом не излучает. = nh/2 π, (n = 1,2,3,...), где - масса электрона, - cкорость электрона на n-ой орбите, - радиус n-ой стационарной орбиты, n - главное квантовое число. Второй постулат Бора (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией E n в другое стационарное состояние с энергией E m излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний: hν nm = E n – E m , где h – постоянная Планка.Отсюда можно выразить частоту излучения: v = (E n - E m )/ h Спектр поглощения атома водорода является линейчатым. Он объясняется теорией Бора. Так как свободные атомы водорода обычно находятся в основном состоянии (стационарное состояние с наименьшей энергией при n=1), то при сообщении им извне определенной энергии могут наблюдаться лишь переходы атомов из основного состояния ввозбужденные. Набор возможных дискретных частот квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома г). Как и во сколько раз изменится число ядер радиоактивного вещества за время, равное трем периодам его полураспада? 2. Найти дебройлевскую длину волны релятивистских электронов, подлетающих к аноду рентгеновской трубки, если длина волны коротковолновой границы сплошного рентгеновского спектра равна 10 пм. 3. При некотором минимальном значении задерживающей разности потенциалов фототок с поверхности лития, освещаемого светом с частотой , прекращается. Изменив частоту света в 1.5 раза , установили, что для прекращения фототока достаточно увеличить задерживающую разность потенциалов в 2 раза. Чему равна частота падающего света? Билет 23 а). Запишите формулу Рэлея-Джинса для теплового излучения. Что известный физик Эренфест имел ввиду, когда говорил об "ультрафиолетовой катастрофе"? Формула Рэлея-Джинса для теплового излучения : (1) Формула Рэлея-Джинса для испускательной способности абсолютно черного тела: (2) Интегрирование выражения (2) по всему частотному диапазону дает бесконечно большое значение, т.е. энергетическая светимость абсолютно черного тела должна равняться бесконечности при любой температуре.Практически вся энергия нагретого тела должна быть немедленно испущена в виде излучения с очень большой частотой и малой длиной волны. Этот результат назвали «ультрафиолетовой катастрофой Рэлея- Джинса» б). При замене одного металла другим пороговая длина волны фотоэффекта возрастает. Что можно сказать о работе выхода этих двух металлов? в). Объясните на основе закона сохранения импульса, почему фотоны, испускаемые атомом водорода, имеют чуть меньшую энергию, чем предсказывает второй постулат Бора. г). Как изменится положение химического элемента в таблице Менделеева после двух альфа распадов ядер его атома? Номер элемента в результате двух распадов уменьшается на распад – испускание ядра , заряда ядра следовательно заряд ядра элемента 2-ух распадов уменьшается на 4. 2.Параллельный поток моноэнергетических электронов падает нормально на диафрагму с узкой прямоугольной щелью ширины d=1мкм. Определить скорость этих электронов, если на экране, отстоящем от щели на расстояние L=50CM, ширина центрального дифракционного максимума х=0,36мм. 3. Найти длину волны рентгеновского излучения, если максимальная кинетическая энергия комптоновских электронов T max =0.1 МэВ. Билет 24 Билет 24 а). Сформулируйте закон Кирхгофа для теплового излучения. Какой физический смысл имеет универсальная функция Кирхгофа? Отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны и температуры. Закон Кирхгофа: где - испускательная способность тела, – поглощательнаяспособность, - универсальная функция Кирхгофа, Т -температура тела. Сами величины и , взятые отдельно, могут меняться чрезвычайно сильно при переходе от одного тела к другому. Отношение их одинаково для всех тел. Это значит, что тело, сильнее поглощающее какие-либо лучи, будет сильнее эти лучи и испускать. Физический смысл имеет универсальная функция Кирхгофа: - универсальная функция Кирхгофа есть не что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела. б). Нарисуйте график зависимости фототока Iф от напряжения U между электродами. Как изменится этот график, если: а) частота света, освещающего фотокатод, увеличится в два раза? б) интенсивность света увеличится в два раза? в). Почему в спектре водорода так много линий, если у атома водорода всего лишь один электрон? Энергия электрона в атоме слагается из кинетической энергии движения по орбите и потенциальной энергии в электрическом поле ядра. Энергия электрона на круговой орбите, а следовательно , и энергия атома в целом зависят от радиуса орбиты: меньшему радиусу орбиты соответствует меньшая энергия атома. Из квантовой механики следует, что энергии электронов в атомах могут принимать только определенные дискретные значения. Состояния, отвечающие этим значениям энергии, называются энергетическими уровнями . Т.к. энергия определяется радиусом орбиты, то каждому энергетическому уровню атома отвечает орбита определенного избранного радиуса. Основному энергетическому уровню атома соответствует орбита наименьшего радиуса. Нормально электрон находится на этой орбите. При сообщении достаточно большой энергии( при столкновении друг с другом) электрон переходит на другой энергетический уровень, т.е. перескакивает на одну из внешних орбит. В таком возбужденном состоянии атом неустойчив. Через некоторое время электрон переходит на более низкий уровень, т.е. перескакивает на орбиту меньшего радиуса. При переходе электронов на более низкие уровни излучаются спектральные линии. Совокупность линий, отвечающих переходам на один и тот же нижний уровень, образует спектральную серию. Переход электрона с дальней орбиты на ближнюю сопровождается испусканием светового кванта. При переходе электрона с уровней на основной уровень излучаются спектральные линии Сирии Лаймана (они лежат в невидимой ультрафиолетовой области спектра). При переходе электрона на уровень с уровней излучаются спектральные линии серии Бальмера (они лежат в видимой оптической области). При переходе электрона на уровень с высоких уровней излучаются линии серии Пашена (они лежат в невидимой инфракрасной области спектра). Имеются и другие серии линий в спектре атома водорода, соответствующие переходам на уровни с более высоких уровней. г). Почему деление тяжелых ядер и синтез легких ядер сопровождается выделением большого количества энергии? Когда на один нуклон выделяется большая энергия? Почему? 2. Частица находится в основном состоянии в одномерной прямоугольной потенциальной яме ширины Lс абсолютно непроницаемыми стенками (0 З.При взаимодействии свободного электрона с квантом света длиной волны 0.01 нм комптоновское смещение оказалось равным 0.0024нм. Определите: а) угол рассеяния кванта; б) энергию рассеянного кванта; в) энергию, переданную электрону отдачи. Билет 25 а). Что называют серым телом? Какой физический смысл имеет коэффициент излучения теплового излучателя (коэффициент черноты)? Серое тело – это тело, поглощательная способность которого < 1 и не зависит от длины волны падающего излучения и температуры тела. Поглощательную способность называют еще и коэффициентом черноты.Поглощательная способность тела α λ ,T - число, показывающее, какая доля энергии излучения, падающего на поверхность тела, поглощается им в диапазоне длин волн от λ до λ +d λ , т.е. . Тело, для которого α λ ,T =const<1 во всем диапазоне длин волн называют серым. Физический смысл коэффициента черноты: он показывает какая доля энергии падающего излучения поглощается телом. б). Перечислите известные вам опытные факты, подтверждающие наличие у света корпускулярных свойств. в). Когда свет с широким диапазоном длин волн проходит через газообразный водород при комнатной температуре, тонаблюдаются линии поглощения только серии Лаймана. Почему не наблюдаются линии поглощения других серий? Серия поглощения Лаймана соответствует переходам электрона в атоме водорода с основного состояния Атом находится в основном, а не в возбужденном состоянии. Действительно, для перехода атома в возбужденное состояние требуется сообщить атому энергию. Такая энергия передается атомам при столкновении их друг с другом. При комнатной температуре средняя кинетическая энергия атомов газа Эта энергия совершенно недостаточна для перевода атома в возбужденное состояния. Для этого требуется энергия порядка нескольких электровольт г). Как в квантовой механике представляется свободно движущаяся частица? Какова функциональная зависимость от координаты X плотности вероятности обнаружения такой частицы в пространстве(частица движется вдоль оси X)? Состояние частицы в квантовой механике описывается заданием волновой функции , являющейся функцией пространственных координат и времени. Определяя состояние частицы, следует указать способ определения вероятности обнаружения частицы в различных точках пространства в данный момент времени. Квадрат модуля волновой функции определяет плотность вероятности того, что в момент времени частица может быть обнаружена в точке пространства с координатами , и . Следовательно . 2. При изучении бета-распада 23 Mg в момент t o =0 был включен счетчик. К моменту он зарегистрировал N i бета-частиц, а к моменту в 2,66 раза больше. Найти среднее время жизни данных ядер. 3.На какой угол рассеялся гамма-квант с энергией 0.8 МэВ в результате столкновения с покоившимся электроном, если известно, что скоросгь электрона отдачи составляет 0.6С? (С - скорость света). Билет 26 а). Сформулируйте закон Стефана-Больцмана и правило смещения Вина для теплового излучения. Каков физический смысл энергетической светимости черного тела? Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость энергетической светимости от температуры. Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна , т.е. , где - постоянная Стефана-Больцмана. Правило смещения Вина: , где - постоянная Вина. Экспериментальное значение постоянной Вина равно: Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям ( в пределах телесного угла ) во всем спектральном диапазоне называется энергетической светимостью . Энергетическая светимость является функцией температуры. б). Приведите все известные вам примеры использования явления фотоэффекта в науке, технике, быту и т.д. в). Укажите различия между моделью атома Резерфорда и теорией Бора. Бор сделал попытку сформулировать законы движения электронов в атоме на основе представлений о том, что атом является устойчивой системой и что энергия, которую может излучать или поглощать атом, квантуется. Также он предположил, что из всего многообразия возможных орбит, которые вытекают из реализуются только удовл. условию квантования: Т.е. при переходе с орбиты на орбиту энергия меняется порциями, кратными Это Боровское правило квантования или правило отбора. Для устранения противоречия модели Резерфорда, Бор предположил, что излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе атома из одного стационарного состояния в другое. При каждом таком переходе излучается квант энергии, равный разности энергий стационарных состояний, между которыми происходит переход: |