Vidutinio sunkumo problemos. B1. Eksperimente, skirtame aptikti fotoelektrinį efektą, ant elektrometro strypo pritvirtinama cinko plokštelė, iš anksto įkraunama neigiamai ir apšviečiama šviesa.

B1. Eksperimente, skirtame aptikti fotoelektrinį efektą, ant elektrometro strypo pritvirtinama cinko plokštelė, iš anksto įkraunama neigiamai ir apšviečiama šviesa. elektros lankas kad spinduliai kristų statmenai plokštės plokštumai. Kaip pasikeis elektrometro iškrovos laikas, jei: a) plokštelė pasukama taip, kad spinduliai kris tam tikru kampu; b) priartinkite elektrometrą prie šviesos šaltinio; c) uždenkite dalį plokštės nepermatomu ekranu; d) padidinti apšvietimą; e) įrengti šviesos filtrą, blokuojantį infraraudonąją spektro dalį; f) įrengti šviesos filtrą, kuris blokuoja ultravioletinę spektro dalį?

B2. Raskite šviesos bangos ilgį, kuriuo apšviečiamas metalinis paviršius, jei fotoelektronai turi kinetinę energiją K= 4,5×10 –20 J, o elektrono iš metalo darbo funkcija A išėjimas = 7,5 × 10–19 J.

B3. Apibrėžkite didžiausias greitis elektronas, išspinduliuotas iš cezio, kai apšviečiamas šviesa, kurios bangos ilgis l = 331 nm. Darbo funkcija A išėjimas = 2 eV, elektronų masė 9,1×10 –31 kg.

4 klausimas. Nustatykite fotoelektronų greitį, jei fotosrovė sustoja ties 1 V lėtinančio potencialo skirtumu.

B5. Mažiausias šviesos, išmetančios elektronus nuo metalinio katodo paviršiaus, dažnis yra n 0 = 6,0 × 10 14 Hz. Kokiu dažniu
n šviesos, skleidžiami elektronai visiškai atitolinami dėl potencialų skirtumo U= 3,0 V?

Užduotys sunkios

C1. Kaip naudojant elektros lanką, stiklinį strypą ir popieriaus lapą įkrauti teigiamu krūviu prie elektrometro strypo pritvirtintą cinko plokštę? Negalite paliesti lėkštės lazda.

C2.Įrenginyje, parodytame fig. 22.6, fotoelemento katodas gali būti pagamintas iš įvairių medžiagų. Fig. 22.7 pavaizduoti blokavimo įtampos priklausomybės grafikai U h, švitinimo šviesos dažniu n dviem skirtingos medžiagos katodas Pagrįskite šios priklausomybės tiesiškumą. Kuri medžiaga turi aukštesnę darbinę funkciją?

Ryžiai. 22.6 Ryžiai. 22.7

C3. Norėdami nustatyti Planko konstantą, grandinė, parodyta Fig. 22.6. Kai slysta potenciometro kontaktas P yra kraštutinėje kairėje padėtyje, jautrus galvanometras G apšviesdamas fotoelementą registruoja silpną fotosrovę F. Perkeliant slankiojantį kontaktą į dešinę, blokavimo įtampa palaipsniui didinama tol, kol grandinėje sustoja fotosrovė. Kai fotoelementas apšviečiamas violetine šviesa, kurios dažnis n 2 = 750 THz, blokavimo įtampa U 32 = 2,0 V, o kai apšviečiama raudona šviesa, kurios dažnis n 1 = 390 THz, blokavimo įtampa U 31 = 0,50 V. Kokia buvo gauta Planko konstantos reikšmė?

C4. Kalio atveju raudona fotoelektrinio efekto riba yra l max = 0,62 µm. Kuris maksimalus greitis Ir gali turėti fotoelektronų, kai kalis apšvitinamas violetine šviesa, kurios bangos ilgis l = 0,42 μm?

C5. Kai tam tikro metalo paviršius apšviečiamas violetine šviesa, kurios bangos ilgis l 1 = 0,40 μm, šviesos išmušti elektronai visiškai atitolinami dėl potencialų skirtumo (blokavimo įtampos) U 1 = = 2,0 V. Kokia blokavimo įtampa? U 2 apšviečiant tą patį metalą raudona šviesa, kurios bangos ilgis l 2 = 0,77 μm?

4. Fotoelektrinis efektas praktiškai be inercijos.

Fotoelektrinio efekto tyrimo metodiką galima suskirstyti į kelis etapus:

1. Mokinių supažindinimas su fotoelektrinio efekto reiškiniu. Pasakojimas apie jo atradimo istoriją (G. Hertzas).

2. Pasakojimas apie šio reiškinio šablonų paieškas. Tyrimas.

3. Pagrindinių fotoelektrinio efekto dėsnių svarstymas. Esamų sunkumų demonstravimas, atskleidimas – neįmanoma paaiškinti visų fotoelektrinio efekto dėsnių iš studentams jau žinomų pozicijų (t. nauja teorija Sveta).

4. Šviesos kvantų hipotezės iškėlimas. Pasakojimas apie A. Einšteino kūrybą. Fotoelektrinio efekto lygtis.

5. Visų fotoelektrinio efekto dėsnių paaiškinimas kvantiniu požiūriu:

6. Išvados kvantinė teorija apie šviesos prigimtį.

7. Vakuuminiai ir puslaidininkiniai fotoelementai. Fotoelektrinio efekto taikymas technologijoje.

Su fotoelektrinio efekto reiškinio ir jo dėsnių supratimu moksleivius geriausia supažindinti eksperimentu. Pirmoje temos pamokoje paprastai siūloma atlikti keletą eksperimentų:

1) Gerai išvalyta cinko plokštelė, pritvirtinta prie elektrometro strypo, įkraunama neigiamai ir apšviečiama ultravioletinių spindulių srautu. Stebėkite elektrometro iškrovą.

2) Iškrova sustoja, jei stiklu blokuojame spindulių srautą.

3) Jei plokštei suteikiate teigiamą krūvį, tada prie to paties apšvietimo elektrometro iškrova nepastebima.

4) Iškrova vyksta greičiau, tuo didesnis šviesos intensyvumas.

5) Pakeitus cinko plokštę varine (po to švinu), pakartokite eksperimentus tomis pačiomis sąlygomis (apšvietimas, pradinis įkrovimas).

Pokalbio metu jie nuosekliai diskutuoja šiuos klausimus: Kodėl įkrauta plokštė gali išlaikyti įkrovą ilgą laiką? Kokiais būdais galite iškrauti lėkštę? Kaip paaiškinti greitą neigiamo krūvio plokštės iškrovimą, kai apšviečiama lanko šviesa? Ar teigiamai įkrauta cinko plokštė, apšviesta ultravioletine šviesa, išsikraus taip pat? Kodėl šiuo atveju elektrometras neaptinka krūvio pasikeitimo? Ar tomis pačiomis eksperimentinėmis sąlygomis stebime varinės plokštės išleidimą? Kodėl neigiamai įkrautos cinko plokštės iškrova sustoja, jei elektros lanko šviesą užstoja stiklo plokštė?

Diskusija leidžia padaryti tokias išvadas:

1. Šviesoje iškraunami tik neigiamo krūvio metalai. Todėl tam tikromis sąlygomis šviesa gali atskirti elektronus nuo metalų. Šis reiškinys vadinamas fotoelektriniu efektu. (Čia taip pat galite pakalbėti apie fotoelektrinio efekto atradimo istoriją.)

2. Iškrova prasideda kartu su apšvietimo pradžia, todėl fotoelektrinis efektas yra praktiškai be inercijos. (Tikslūs eksperimentai parodė, kad laikas nuo švitinimo pradžios iki fotoelektrinio efekto pradžios neviršija 10–9 s.)

3. Fotoelektrinio efekto buvimas priklauso nuo apšviečiamo metalo tipo ir apdorojimo bei nuo spektrinė kompozicija spinduliuotės, iškrovos greitis taip pat priklauso nuo šviesos energijos, patenkančios per laiko vienetą.

Fotoelektrinio efekto dėsnių tyrimas tęsiamas naudojant sąranką, leidžiančią ištirti fotosrovės priklausomybę nuo naudojamos įtampos, spinduliuotės intensyvumo ir spektrinės sudėties. Pirma, eksperimentiškai nustatoma soties srovės buvimas, o tada jos priklausomybė nuo šviesos, patenkančios į katodą, intensyvumo (pirmasis fotoelektrinio efekto dėsnis yra Stoletovo dėsnis).

Remiantis eksperimento rezultatais, nubraižyti srovės priklausomybės nuo šviesos intensyvumo ir įtampos grafikai.

Po to, apšviečiant fotoelementą tam tikro dažnio šviesa, potenciometru „užrakinamas“ fotoelementas ir išmatuojama blokavimo įtampa, leidžianti nustatyti didžiausią skleidžiamų elektronų greitį.

Keičiant šviesos filtrus, kartojant eksperimentus gaunami nauji duomenys ir įtikinami mokiniai, kad elektronų emisijos greitis priklauso nuo krentančios šviesos dažnio ir nepriklauso nuo šviesos intensyvumo (antrasis fotoelektrinio efekto dėsnis) .

Toliau pradedame aiškinti fotoelektrinio efekto dėsnius. Pats reiškinys ir tai, kad soties fotosrovė yra tiesiogiai proporcinga šviesos energijai, patenkančiai per laiko vienetą – pirmasis fotoelektrinio efekto dėsnis – taip pat gali būti paaiškintas iš bangos padėties. Paaiškinimas, kodėl yra fotoelektrinio efekto slenkstis (raudona riba), kodėl didžiausias pradinis greitis(ir maksimaliai kinetinė energija fotoelektronai) nepriklauso nuo šviesos intensyvumo, o yra nulemtas tik jos dažnio (didėja tiesiškai didėjant dažniui), o fotoelektrinio efekto inercijos paaiškinimas negali būti pateiktas remiantis banga. elektromagnetinė teorija Sveta. Iš tiesų, remiantis šia teorija, elektronų išmetimas iš metalo yra jų „svyravimo“ šviesos bangos kintamajame elektriniame lauke rezultatas. Bet tada ir fotoelektronų greitis, ir kinetinė energija turėtų priklausyti nuo intensyvumo vektoriaus E amplitudės elektrinis laukas banga, todėl, priklausomai nuo jos intensyvumo, reikia laiko, kad elektronas „pasiūbuotų“ be inercijos. Neatitikimas tarp eksperimentinių faktų ir nustatytų bangų teorijašviesa įrodė savo nenuoseklumą ir reikalavo sukurti naują teoriją.

Toliau jie sako, kad sunkumai paaiškinant fotoelektrinio efekto dėsnius nebuvo vienintelė naujos teorijos sukūrimo priežastis. 1900 m. M. Planckas, aiškindamas šiluminę spinduliuotę, buvo priverstas išsakyti iš pirmo žvilgsnio absurdišką mintį, kad kūnas energiją skleidžia ne nuolat, o atskiromis porcijomis (kvantais). Ši idėja prieštaravo vyraujančioms idėjoms klasikinė fizika, kur juos apibūdinantys procesai ir dydžiai nuolat kinta. 1905 metais A. Einšteinas panaudojo šią nesuprantamą ir todėl mažai priimtą idėją paaiškindamas fotoelektrinio efekto dėsnius. Jis nuėjo toliau nei M. Planckas ir įrodinėjo: šviesa ne tik skleidžiama, bet ir sklinda bei sugeriama kvantų.

Kitaip tariant, srautas monochromatinė šviesa, energiją nešančios E yra n dalelių (vėliau vadinamų fotonais) srautas, kurių kiekviena turi energiją h.

Fotono energija yra proporcinga šviesos dažniui. Kuo didesnis spinduliuotės dažnis (mažesnis bangos ilgis), tuo daugiau energijos neša kiekvienas fotonas. Ilgųjų bangų spinduliuotės fotonų energija yra mažesnė.

Be to, Einšteinas pasiūlė: kiekvienas fotonas sąveikauja ne su visa medžiaga, ant kurios krinta šviesa, ir net ne su visu atomu, o su atskiru atomo elektronu. Fotonas atiduoda savo energiją elektronui, o elektronas, gavęs energiją, su tam tikra kinetine energija išeina iš metalo. Remdamiesi energijos tvermės dėsniu, galime rašyti sekančią lygtį elementariam fotono ir elektrono sąveikos aktui:

Svarbu pabrėžti, kad laikomasi tiesioginio proporcingumo, o ne lygybės, nes dalis ant metalo patenkančių fotonų atsispindi, o ne visi sugerti fotonai yra išplėšiami iš metalo. laisvųjų elektronų. Dalies sugertų fotonų energija paverčiama į vidinė energija metalo Todėl elektronų skaičiaus ir ant metalo patenkančių fotonų skaičiaus santykis yra žymiai mažesnis už vienetą (gryniems metalams jis yra maždaug 1000 kartų).

Jie taip pat paaiškina, kodėl didžiausia fotoelektronų kinetinė energija priklauso nuo krintančios šviesos dažnio, o ne nuo jos intensyvumo (antrasis fotoelektrinio efekto dėsnis). Iš Einšteino lygties išplaukia: kadangi tam tikros medžiagos darbo funkcija yra pastovi, maksimali fotoelektronų kinetinė energija yra proporcinga krintančios šviesos dažniui. Išanalizuokite atvejį, kai energija šviesos kvantas yra skaitine prasme lygi darbo funkcijai.

Vadinasi, visa fotono energija eina darbo funkcijai atlikti, o elektronų greitis lygus nuliui. Raudonoji fotoelektrinio efekto riba priklauso tik nuo darbo funkcijos, t.y. cheminė prigimtis metalo ir gali būti bet kurioje optinio diapazono dalyje. Kiekvienai medžiagai yra nustatyta tam tikra fotoelektrinio efekto ilgosios bangos riba (trečiasis fotoelektrinio efekto dėsnis).

Taigi Einšteino lygtis paaiškina visus išorinio fotoelektrinio efekto dėsnius. Tai leidžia apskaičiuoti fotoelektronų greitį ir nustatyti ilgiausio ilgio banga, kuriai esant tam tikros medžiagos fotoelektrinio efekto reiškinys vis dar stebimas, taip pat apskaičiuokite konkretaus metalo darbo funkciją.

Išanalizavus Einšteino lygtį, galima parodyti, kaip buvo atliktas eksperimentinis šios lygties patikrinimas. Jį sudarė Planko konstantos nustatymas pagal eksperimento rezultatus.

Kadangi tam tikros medžiagos darbo funkcija yra pastovi vertė, fotoelektrono kinetinė energija yra tiesinė funkcijaį fotoelementą patenkančios spinduliuotės dažnis.

At praktinis įgyvendinimas su tokiais matavimais teko susidurti didelių sunkumų. Pirmuosius kruopščius Planko konstantos matavimus šiuo metodu 1915 m. atliko R. Millikanas. Jis gavo vertę, artimą tai, kas jau buvo žinoma iš šiluminės spinduliuotės teorijos.

Mūsų šalyje 1928 metais tai buvo patvirtinta eksperimentais tiesinė priklausomybė gauta fotoelektronų kinetinė energija iš krintančios šviesos dažnio ir Planko konstantos reikšmės.

Norėdami konsoliduoti Einšteino lygtis, išspręskite elektronų greičio ir energijos, fotoelektrinio efekto raudonosios ribos ir darbo funkcijos skaičiavimo uždavinius.

COMPTON EFEKTAS

Idėjų apie fotoną formavimas, pradėtas studijuojant: fotoelektrinis efektas, tęsiamas studijuojant vėlesnius kurso klausimus - Komptono efektą, šviesos slėgį, cheminis veikimas Sveta.

Testai

Pasirengimas vieningam valstybiniam egzaminui. 11 klasė

(Čia skelbiami tik testai dviem temomis iš vienuolikos pateiktų, visam kursui 11 klasei. Visas tekstas problemos, paskelbtos fizikos svetainėje: skiltyje „ Papildomos medžiagos». – Raudona.)

Siūlau testų sistemą, skirtą parengti studentus vieningam valstybiniam egzaminui. Kiekviena skirta vienai pamokai, apima šešis variantus ir yra tarsi teminis vieningo valstybinio egzamino fragmentas. Penkių užduočių sudėtingumo lygis yra skirtingas. Kiekviename yra trys testai su atsakymų variantais ir dvi problemos (viena lengvesnė, kita sunkesnė). Praėjus trims minutėms nuo kontrolinio darbo pradžios, aš renku testų atsakymus, o mokiniai pradeda spręsti uždavinius. Taigi, tempas (klausimas per minutę) pasirodo kuo panašesnis į vieningo valstybinio egzamino sąlygas.

Užduotys formalizuojamos tradiciškai: trumpa sąlyga, brėžinys, skaičiavimo formules su trumpais paaiškinimais, skaitinių duomenų pakeitimu, fizikinių dydžių vienetų tikrinimu. Visišką testų rezultatų sumavimo skaidrumą užtikrina išsami informacija studentams ir vertinimo sistema. Išspręstas testas – 1 balas, 4-as uždavinys – 2 balai, sunkesnis – 5-asis uždavinys – 3 balai. Vertinimas už testą skiriamas atsižvelgiant į bendrą mokinio gautą balą už teisingus atsakymus į klausimus ir užduotis, tokia skale: 7–8 balai – „5“, 5–6 balai – „4“, 3–4. taškai – „3“, mažiau nei 3 – „2“.

Tokia bandomojo darbo struktūra leidžia derinti srovės valdymas medžiagos įsisavinimas (1–3 užduotys) su supratimo gilumo patikrinimu fizinė teorija(4, 5 užduotys). Turėdami apibendrintus duomenis apie atsakymą į kiekvieną klausimą ir kiekvienos problemos sprendimą, galite susidaryti vaizdą apie kiekvieno studento mokymosi medžiagos dinamiką. Pavyzdžiui, jei studentas reguliariai teisingai atsako į pirmus tris klausimus, bet nesusitvarko su ketvirta ir penkta užduotimis, tai reiškia, kad jis pakankamai (reprodukciniu lygmeniu) supranta kurso medžiagą. Priešingai, jei studentas reguliariai sprendžia penktąją problemą, bet neteisingai atsako į likusius klausimus, tai rodo gana gilų, bet fragmentišką kurso studiją.

Literatūra

Kasjanovas V.A. Fizika-11: Teminė ir pamokų planavimas. – M.: Bustard, 2002 m.

Kasjanovas V.A. Vieningas valstybinis fizikos egzaminas Rusijoje ir SAT-II JAV. – Fizika („PS“, Nr. 40/03.

Konoplicas R.V., Orlovas V.A., Dobrodejevas N.A., Tatur A.O. Testo užduočių rinkinys teminiam ir galutiniam kontrolei. Fizika-11. – M.: Intelekto centras, 2002 m.

Konoplicas R.V., Orlovas V.A., Dobrodejevas N.A., Tatur A.O. Testo užduočių rinkinys teminiam ir galutiniam kontrolei. Fizika-10. – M.: Intelekto centras, 2002 m.

Kirikas L.A. Fizika-11. Kelių lygių savarankiškas ir kontrolinis darbas. – M.: Ileksa, 2003 m.

Kirikas L.A. Fizika-10. Kelių lygių savarankiškas ir kontrolinis darbas. – M.: Ileksa, 2003 m.

Orlovas V.A., Khannanovas N.K., Fadeeva A.A. Mokomoji medžiaga, skirta pasirengti vieningam valstybiniam egzaminui. Fizika. – M.: Intelekto centras, 2003 m.

Pigalicynas L.V. Teminiai fizikos testai. 11 klasė. – N. Novgorodas: Nižnij Novgorodo humanitarinis centras, 1997 m.

Testas Nr. 10. Kvantinė teorija elektromagnetinė spinduliuotė medžiagų

1 variantas

1. Fotono impulsas r yra susijęs su jo dažniu ryšiu ( h– Planko konstanta):

2. Fotoelektrinis efektas yra reiškinys:

A) fotografinės emulsijos pajuodinimas veikiant šviesai;

B) elektronų emisija nuo metalo paviršiaus veikiant šviesai;

C) kai kurių medžiagų švytėjimas tamsoje;

D) įkaitintos kietosios medžiagos spinduliuotė.

3. Paveikslėlyje parodyta diagrama energijos lygiai atomas. Kuri rodyklė rodo perėjimą su didžiausio dažnio fotono emisija?

A) 1; B) 2; B) 3; D) 4.

4. Kai elektronas vandenilio atome juda iš vienos orbitos į kitą, arčiau branduolio, išspinduliuojami fotonai, kurių energija yra 3,03 10–19 J. Nustatykite atomo spinduliavimo dažnį.

5. Elektrono iš cinko darbo funkcija yra 3,74 eV. Nustatykite cinko fotoelektrinio efekto raudonąją ribą. Kokį greitį gaus iš cinko išstumti elektronai, apšvitinti ultravioletine spinduliuote, kurios bangos ilgis 200 nm?

2 variantas

1. Fotono energija yra tiesiogiai proporcinga ( – bangos ilgiui):

A) –2;

2. B) –1; IN) ; D) 2.

3. Kuris grafikas teisingai parodo fotosrovės (fotoelektrinio efekto metu) priklausomybę nuo įtampos tarp elektrodų esant pastoviam apšvietimui standartinio eksperimento metu? Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose E Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 1 ir

2, pereinant į pagrindinę būseną, jie išspinduliavo atitinkamai 1 ir 2 bangos ilgio fotonus, kurių 1 > 2. Šių būsenų energijoms galioja toks ryšys: Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 1 > Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose A) Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 1 < Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 2 ;

2 ; B) Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 1 = Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose IN) Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 1 | < | Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 2 |.

4. 2 ; D) |

5. Kai elektronas vandenilio atome pereina iš trečiosios stacionarios orbitos į antrąją, išspinduliuojamas fotonas, atitinkantis 0,652 μm bangos ilgį (raudona vandenilio spektro linija). Kiek energijos šiame procese praranda vandenilio atomas?

Kai kuriems metalams raudona fotoelektrinio efekto riba yra šviesa, kurios bangos ilgis yra 690 nm. Nustatykite elektrono iš šio metalo darbo funkciją ir didžiausią greitį, kurį elektronai įgis veikiami spinduliuotės, kurios bangos ilgis yra 190 nm.

1. 3 variantas A bangos ilgis kr, atitinkantis raudoną fotoelektrinio efekto ribą, yra lygus ( h- darbo funkcija,

– Planko konstanta):

2. A) ; B); IN) ; G) .

Prisotinimo fotosrovė fotoelektrinio efekto metu, kai krinta šviesos srautas:

A) didėja; B) mažėja; B) nesikeičia;

3. D) didėja arba mažėja priklausomai nuo eksperimento sąlygų.

A) 1; B) 2; B) 3; D) 4.

4. Koks skaičius pateiktoje atomo energijos lygių diagramoje rodo perėjimą su didžiausio dažnio fotono spinduliavimu?

5. Žmogaus akis suvokia šviesą, kurios bangos ilgis yra 500 nm, jei šviesos spinduliai į akį atneša mažiausiai 20,8 10–18 J energijos kas sekundę. Kiek šviesos kvantų patenka į tinklainę?

Kokį didžiausią greitį įgis fotoelektronai, kai juos nuo molibdeno paviršiaus atplėšia spinduliuotė 3 10 15 Hz dažniu? Molibdeno elektronų darbo funkcija yra 4,27 eV.

A) E. Rutherfordas; B) J. J. Tomsonas;

2. Kuris iš šių teiginio tęsinių yra teisingas? Pereidamas tarp dviejų skirtingų stacionarių būsenų, atomas gali:

A) spinduliuoja ir sugeria bet kokios energijos fotonus;

B) spinduliuoja ir sugeria fotonus tik su tam tikromis energijos vertėmis;

C) spinduliuoja bet kokios energijos fotonus, bet sugeria tik tam tikras energijos vertes;

D) sugeria bet kokios energijos fotonus ir išskiria tik tam tikras energijos vertes.

3. Kuris iš šių reiškinių: I – spontaniška emisija; II – stimuliuojama emisija – naudojama optiniuose kvantiniuose generatoriuose?

A) aš; B) II; B) I ir II; D) nei aš, nei II.

4. Kokio elektromagnetinės bangos ilgio fotono energija lygi 9,93 10 –19 J?

5. Raudonoji rubidžio fotoelektrinio efekto riba yra 0,81 mikrono. Kokia įtampa turi būti įjungta į fotoelementą, kad sulaikytų rubidžio išspinduliuojamus elektronus ultravioletiniai spinduliai bangos ilgis 0,1 mikrono?

5 variantas

1. Kokia yra dažnio fotono energija?

2, pereinant į pagrindinę būseną, jie išspinduliavo atitinkamai 1 ir 2 bangos ilgio fotonus, kurių 1 > 2. Šių būsenų energijoms galioja toks ryšys: hSu A) hSu; IN) h; G) h/Su.

2. Kai vakuuminio fotoelemento katodas apšviečiamas monochromatine šviesa, išsiskiria fotoelektronai. Kaip pasikeis maksimali fotoelektronų energija, kai šviesos dažnis padidės 2 kartus?

A) nepasikeis; B) padidės 2 kartus;

C) padidės mažiau nei 2 kartus;

D) padidės daugiau nei 2 kartus.

3. Šioje energijos lygio diagramoje nurodykite teisingą teiginį:

2, pereinant į pagrindinę būseną, jie išspinduliavo atitinkamai 1 ir 2 bangos ilgio fotonus, kurių 1 > 2. Šių būsenų energijoms galioja toks ryšys: Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 1 > Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 4 ; B) Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 4 > Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 2 ;

2 ; B) Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 2 > Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 3; G) Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 2 > Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose 4 .

4. Norint jonizuoti azoto atomą, reikia 14,53 eV energijos. Raskite spinduliuotės bangos ilgį, kuris sukels jonizaciją.

5. Elektronų iš kadmio darbo funkcija yra 4,08 eV. Kokiu šviesos bangos ilgiu kadmį reikia apšviesti, kad didžiausias skleidžiamų elektronų greitis būtų 7,2 10 5 m/s?

6 variantas

1. Raudonos šviesos dažnis yra beveik 2 kartus mažesnis už violetinės spalvos dažnį. „Raudonojo“ fotono impulsas „violetinio“ fotono impulso atžvilgiu:

A) 4 kartus daugiau; B) 4 kartus mažiau;

B) 2 kartus daugiau; D) 2 kartus mažiau.

2. Koks yra jėgų, kurios atkreipia a-daleles mažais kampais nuo tiesių trajektorijų Rutherfordo eksperimente, pobūdis?

A) Gravitacinė; B) Kulonas;

B) elektromagnetinis; D) branduolinis.

3. Apšviečiant darbo funkciją turinčio kūno paviršių A Monochromatinis šviesos dažnis išskiria fotoelektronus. Kas lemia skirtumą ( h – A)?

A) Vidutinė fotoelektronų kinetinė energija;

B) vidutinis greitis fotoelektronai;

B) didžiausia fotoelektronų kinetinė energija;

D) didžiausias fotoelektronų greitis.

4. Kai elektronai vandenilio atome juda iš 4-osios stacionarios orbitos į 2-ąją, išspinduliuojamas fotonas, žalia linija vandenilio spektre. Nustatykite šios linijos bangos ilgį, jei išspinduliuojant fotonui prarandama 2,53 eV energijos.

5. Neigiamai įkrauta cinko plokštelė buvo apšviesta monochromatine šviesa, kurios bangos ilgis 300 nm. Raudonoji cinko riba yra 332 nm. Kokį didžiausią potencialą įgyja cinko plokštė?

Atsakymai

Testas Nr. 11. Didelės energijos fizika

1 variantas

1. Kai branduolys išskiria dalelę, susidaro dukterinis branduolys, kuris turi:

A) didesnis krūvis ir toks pat masės skaičius;

B) mažesnis krūvis ir toks pat masės skaičius;

B) didesnis krūvis ir mažesnis masės skaičius;

D) mažesnis krūvis ir didesnis masės skaičius.

2. Skaičius radioaktyvieji branduoliai pavyzdyje keičiasi laikui bėgant, kaip parodyta paveikslėlyje. Mėginio medžiagos pusinės eliminacijos laikas:

A) 1 metai; B) 1,5 metų; B) 2 metai; D) 2,5 metų.

3. Radioaktyvaus urano skilimo metu branduolinė reakcija Koks izotopas susidaro šiuo atveju?

4. Radioaktyvaus elemento pusinės eliminacijos laikas yra 400 metų. Kiek šio elemento mėginio suyra po 1200 metų?

5. Nustatykite jungimosi energiją vienam nukleonui atomo branduolyje, jei pastarojo masė yra 22,99714 amu.

2 variantas

1. Dėl natūralaus radioaktyvaus skilimo susidaro:

A) tik -dalelės;

B) tik -dalelės;

B) tik -kvantai;

D) -dalelės, -dalelės, -kvantai, neutrinai.

2. Radioaktyviųjų branduolių skaičius mėginyje laikui bėgant kinta, kaip parodyta paveikslėlyje. Raskite medžiagos pusėjimo trukmę.

A) 2 ms; B) 2,5 ms; B) 3 ms; D) 3,5 ms.

3. Kokia dalelė X susidarė dėl branduolinės reakcijos

4. Kokia radioaktyviojo izotopo, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 2 dienos, branduolių dalis išliks po 16 dienų?

5. Išdegus protonus į boro branduolius, susidaro berilis. Kokie dar branduoliai susidaro šios reakcijos metu ir kiek energijos išsiskiria?

Kai kuriems metalams raudona fotoelektrinio efekto riba yra šviesa, kurios bangos ilgis yra 690 nm. Nustatykite elektrono iš šio metalo darbo funkciją ir didžiausią greitį, kurį elektronai įgis veikiami spinduliuotės, kurios bangos ilgis yra 190 nm.

1. Kiek protonų yra branduolyje

2, pereinant į pagrindinę būseną, jie išspinduliavo atitinkamai 1 ir 2 bangos ilgio fotonus, kurių 1 > 2. Šių būsenų energijoms galioja toks ryšys: Z; B) A – Z; B) A + Z; Z – A.

2.

G)

A) Vandenilio branduolių srautas; B) helio branduolių srautas;

3. B) neutronų srautas; D) elektronų srautas.

A) 1; B) 2; B) 3; D) 4.

4. Atomo branduolys gali spontaniškai suskilti į du fragmentus. Vienas iš fragmentų – baris, kitas – kriptonas. Kiek neutronų išsiskiria dalijimosi metu?

5. Nustatykite, ar reakcija vyksta absorbuojant ar išleidžiant energiją

Kai bombarduojama boro dalelėmis, stebima neutronų emisija. Parašykite lygtį branduolinei reakcijai, kuri sukelia vieno neutrono emisiją. Kokia šios reakcijos energija?

1. 4 variantas

Nurodykite antrąjį branduolinės reakcijos produktą

A) neutronas; B) protonas;

2. B) elektronas; D) - dalelė.

Kas yra radiacija?

A) Neutronų srautas;

B) greitųjų elektronų srautas;

B) elektromagnetinės spinduliuotės kvantų srautas;

3. Branduoliniuose reaktoriuose neutronų dauginimo koeficientas dalijimosi grandininėje reakcijoje turi būti:

A) > 1; B) = 1; IN)< 1; Г) 1.

4. Nustatykite energiją, kuri išsiskiria anihiliuojant elektroną ir pozitroną, jei elektrono masė yra 9,1 10 –31 kg.

5. Kas yra elektros galia atominė elektrinė kurių efektyvumas yra 25%, per dieną suvartojant 220 g urano-235 izotopo?

5 variantas

1. Kokią dalelę skilimo metu išskiria atomo branduolys?

A) Tik neutronai; B) tik -kvantinis;

B) elektronų ir antineutrino; D) pozitronas ir neutronas.

2. Kokios jėgos veikia tarp neutronų branduolyje?

A) Gravitacinė; B) branduolinis;

B) Kulonas; D) branduolinė ir gravitacinė.

3. Saulės gelmėse temperatūra siekia keliasdešimt milijonų laipsnių. Tai paaiškinama:

2, pereinant į pagrindinę būseną, jie išspinduliavo atitinkamai 1 ir 2 bangos ilgio fotonus, kurių 1 > 2. Šių būsenų energijoms galioja toks ryšys: greitas sukimasis Saulė aplink savo ašį;

B) sunkiųjų branduolių dalijimasis;

2 ; B) termobranduolinė sintezė lengvieji branduoliai;

D) vandenilio degimo deguonyje reakcija.

4. Kai aliuminio izotopas bombarduojamas -dalelėmis, paaiškėja radioaktyvusis izotopas fosforo, kuris vėliau suyra ir išskiria pozitronus. Parašykite abiejų reakcijų lygtis.

5. Kai boro izotopas yra bombarduojamas neutronais, susidaro -dalelės. Parašykite šios reakcijos lygtį ir suraskite jos energiją.

6 variantas

1. Helio atomo branduolio masė daugiau masės vandenilio atomo branduolys:

A) 2 kartus; B) 3 kartus; B) 4 kartus; D) 6 kartus.

2. Reakcijoje pirmą kartą buvo pastebėta visiška elementų transformacija, dėl kurios atsirado du branduoliai:

A) vandenilis; B) helis; B) berilio; D) boras.

3. Kokia radioaktyviųjų branduolių dalis suyra po dviejų pusinės eliminacijos periodų?

A) 25 %; B) 50 %; C) 75 % D) 100 %.

4. Termobranduolinės sintezės procese 5 10 4 kg vandenilio virsta 49 644 kg helio. Nustatykite, kiek energijos išsiskiria šio proceso metu.

5. Branduolinio reaktoriaus galia naudojant 0,2 kg urano-235 izotopo per parą yra 32 000 kW. Kiek energijos, išsiskiriančios dėl branduolio dalijimosi, panaudojama naudingai?

Atsakymai

Olga Pavlovna Sorokina Baigė Gorkio valstybinio universiteto Kompiuterinės matematikos ir kibernetikos fakultetą. N.I. Lobačevskis 1988 m. Nuo 1993 m. dėsto matematiką, fiziką, informatiką ir IKT (pastaruosius dvejus metus). Aukščiausios kvalifikacinės kategorijos mokytojas. Dviejų pedagoginio turinio straipsnių autorė. Credo: „Mokydami kitus mokomės patys“. Ji su vyru augina du vaikus. Visą savo laisvalaikį skiria savišvietai. Mėgsta gaminti, kepti pyragus ir pyragus.

Demonstruoja paprastą patirtį. Jei neigiamo krūvio cinko plokštė prijungta prie elektroskopo (prietaiso, rodančio, kad yra elektros krūvis), apšviesti šviesa ultravioletinė lempa, tada labai greitai elektroskopo adata pajudės į nulinė būsena. Tai rodo, kad krūvis dingo nuo plokštės paviršiaus. Jei tas pats eksperimentas bus atliktas su teigiamai įkrauta plokštele, elektroskopo adata visiškai nenukryps. Šį eksperimentą 1888 metais pirmą kartą atliko rusų fizikas Aleksandras Grigorjevičius Stoletovas.

Aleksandras Grigorjevičius Stoletovas

Kas nutinka medžiagai, kai ant jos patenka šviesa?

Žinome, kad šviesa yra elektromagnetinė spinduliuotė, srautas kvantinės dalelės- fotonai. Kai elektromagnetinė spinduliuotė krenta ant metalo, dalis jos atsispindi nuo paviršiaus, o dalį sugeria paviršinis sluoksnis. Sugertas fotonas atiduoda savo energiją elektronui. Gavęs šią energiją elektronas veikia ir palieka metalo paviršių. Tiek plokštelė, tiek elektronas turi neigiamas krūvis, todėl jie atstumia vienas kitą ir elektronas išbėga iš paviršiaus.

Jei plokštė yra teigiamai įkrauta, neigiamas elektronas, išmuštas iš paviršiaus, vėl bus pritrauktas ir nepaliks savo paviršiaus.

Atradimų istorija

Fotoelektrinio efekto reiškinys buvo atrastas m pradžios XIX amžiaus.

1839 metais prancūzų mokslininkas Alexandre'as Edmondas Becquerelis pastebėjo fotovoltinį efektą metalinio elektrodo ir skysčio (elektrolito) sąsajoje.

Aleksandras Edmondas Bekerelis

1873 metais anglų elektros inžinierius Smithas Willoughby atrado, kad jei selenas yra veikiamas elektromagnetinės spinduliuotės, jo elektrinis laidumas pasikeičia.

Tyrimo eksperimentų vykdymas elektromagnetines bangas 1887 metais vokiečių fizikas Heinrichas Hercas pastebėjo, kad įkrautas kondensatorius išsikrauna daug greičiau, jei jo plokštės apšviečiamos ultravioletine spinduliuote.

Heinrichas Hercas

1888 metais vokiečių eksperimentinis fizikas Wilhelmas Galwachsas atrado, kad apšvitinus metalą trumpųjų bangų ultravioletine spinduliuote, metalas praranda neigiamą krūvį, tai yra stebimas fotoelektrinio efekto reiškinys.

Didžiulį indėlį į fotoelektrinio efekto tyrimą įnešė rusų fizikas Aleksandras Grigorjevičius Stoletovas, kuris 1888–1890 metais atliko išsamius fotoelektrinio efekto tyrimo eksperimentus. Norėdami tai padaryti, jis sukūrė specialų įrenginį, sudarytą iš dviejų lygiagrečių diskų. Vienas iš šių diskų katodas, pagamintas iš metalo, buvo vitrinoje. Kitas diskas anodas, buvo metalinis tinklelis, uždėtas ant korpuso galo iš kvarcinio stiklo. Kvarcinį stiklą mokslininkas pasirinko neatsitiktinai. Faktas yra tas, kad jis perduoda visų tipų šviesos bangas, įskaitant ultravioletinė spinduliuotė. Paprastas stiklas blokuoja ultravioletinę spinduliuotę. Iš korpuso buvo išpumpuotas oras. Kiekvienam diskui buvo pritaikyta įtampa: neigiama katodui, teigiama anodui.

Stoletovo patirtis

Eksperimentų metu mokslininkas katodą per stiklą apšvietė raudona, žalia, mėlyna ir ultravioletinė šviesa. Srovės dydis buvo užfiksuotas galvanometru, kurio pagrindinis elementas buvo veidrodis. Atsižvelgiant į fotosrovės dydį, veidrodis buvo nukreiptas skirtingas kampas. Didžiausias efektas veikiami ultravioletinių spindulių. Ir kuo daugiau jų buvo spektre, tuo stipresnis šviesos poveikis.

Stoletovas atrado, kad veikiant šviesai išsiskiria tik neigiami krūviai.

Katodas buvo pagamintas iš įvairių metalų. Jautriausi šviesai buvo metalai, tokie kaip aliuminis, varis, cinkas, sidabras ir nikelis.

1898 metais buvo atrasta, kad fotoelektrinio efekto metu išsiskiriantys neigiami krūviai yra elektronai.

O 1905 metais Albertas Einšteinas paaiškino fotoelektrinio efekto fenomeną kaip ypatingas atvejis energijos tvermės ir transformacijos dėsnis.

Išorinis fotoefektas

Išorinis fotoefektas

Vadinamas procesas, kai elektronai palieka medžiagą veikiant elektromagnetinei spinduliuotei išorinis fotoefektas , arba fotoelektronų emisija. Iš paviršiaus išspinduliuoti elektronai vadinami fotoelektronai. Atitinkamai, elektros srovė, kuris susidaro jiems tvarkant judėjimą, vadinamas foto srovė.

Pirmasis fotoelektrinio efekto dėsnis

Fotosrovės stiprumas yra tiesiogiai proporcingas tankiui šviesos srautas . Kuo didesnis spinduliavimo intensyvumas, tuo daugiau elektronai bus išmušti iš katodo per 1 s.

Šviesos srauto intensyvumas proporcingas fotonų skaičiui. Didėjant fotonų skaičiui, didėja elektronų, paliekančių metalo paviršių ir sukuriančių fotosrovę, skaičius. Dėl to srovė didėja.

Antrasis fotoelektrinio efekto dėsnis

Didžiausia šviesos išmestų elektronų kinetinė energija didėja tiesiškai su šviesos dažniu ir nepriklauso nuo jos intensyvumo.

Paviršiuje krintančio fotono turima energija yra lygi:

E = h ν , Kur ν - krintančio fotono dažnis; h - Planko konstanta.

Gavęs energijos Vieno elemento atomai, kurie buvo energijos būsenose , elektronas atlieka darbo funkciją φ . Likusi energijos dalis yra fotoelektrono kinetinė energija.

Energijos tvermės dėsnis reiškia tokią lygybę:

h·ν=φ + W e , Kur W e - didžiausia elektrono kinetinė energija atitrūkimo nuo metalo momentu.

h·ν=φ + m v 2 / 2

Trečiasis fotoelektrinio efekto dėsnis

Kiekvienai medžiagai yra nustatyta raudona fotoelektrinio efekto riba, ty minimalus šviesos dažnis ν min(arba maksimalus ilgis bangos λ maks), kai fotoelektrinis efektas vis dar įmanomas, ir jei ν˂ ν min, tada fotoelektrinio efekto nebelieka.

Fotoelektrinis efektas atsiranda nuo tam tikro šviesos dažnio ν min . Tokiu dažniu vadinamas „raudona“ fotoelektrinio efekto riba, prasideda elektronų emisija.

h ν min = φ .

Jei fotonų dažnis mažesnis ν min , jo energijos nepakaks „išmušti“ elektroną iš metalo.

Vidinis fotoelektrinis efektas

Jeigu veikiami spinduliuotės elektronai praranda ryšį su savo atomais, bet nepalieka kietųjų ir skystųjų puslaidininkių bei dielektrikų, o lieka jų viduje kaip laisvieji elektronai, tai šis fotoelektrinis efektas vadinamas vidiniu. Dėl to elektronai persiskirsto kartu energetinės būsenos. Pasikeičia krūvininkų koncentracija ir a fotolaidumas(padidėjęs laidumas veikiant šviesai).

Vidinis fotoelektrinis efektas taip pat apima vožtuvo fotoelektrinis efektas, arba fotoelektrinis efektas barjeriniame sluoksnyje. Šis fotoelektrinis efektas atsiranda tada, kai, veikiami šviesos, elektronai palieka kūno paviršių ir pereina į kitą, besiliečiantį kūną – puslaidininkį arba elektrolitą.

Fotoelektrinio efekto taikymas

Vadinami visi įrenginiai, kurių veikimo principas pagrįstas fotoelektriniu efektu fotoelementai. Pirmasis pasaulyje fotoelementas buvo Stoletovo prietaisas, kurį jis sukūrė eksperimentams tirti fotoelektrinį efektą.

Fotoelementai plačiai naudojami įvairiuose automatikos ir telemechanikos įrenginiuose. Be fotoelementų neįmanoma valdyti kompiuterinio skaitmeninio valdymo (CNC) staklių, kurios be žmogaus įsikišimo gali sukurti detales pagal brėžinius. Jų pagalba garsas skaitomas iš filmo. Jie yra įvairių valdymo įrenginių dalis, padeda sustabdyti ir blokuoti įrenginį tinkamas momentas. Fotoelementų pagalba gatvių apšvietimas įsijungia temstant, o išsijungia auštant. Jie padeda valdyti turniketus metro ir švyturėlius sausumoje bei nuleisti užtvarą, kai traukinys artėja prie pervažos. Jie naudojami teleskopuose ir saulės baterijose.

1887 metais vokietis mokslininkas Hertzas atrado šviesos įtaką elektros iškrova. Studijuoja kibirkštinio išlydžio, Hertz atrado, kad jei neigiamas elektrodas yra apšviestas ultravioletiniais spinduliais, iškrovimas vyksta esant žemesnei elektrodų įtampai.

Be to, buvo atrasta, kad apšvietus šviesą ant neigiamo krūvio metalinės plokštės, sujungtos su elektroskopu, elektroskopo adata juda žemyn. Tai rodė, kad elektros lanku apšviesta metalinė plokštė praranda neigiamą krūvį. Teigiamas krūvis apšviesta metalinė plokštė nepraranda spalvos.

Pralaimėjimas metaliniai korpusai kai apšviečiamas neigiamos šviesos spinduliais, jis vadinamas fotoelektriniu efektu arba tiesiog fotoelektriniu efektu.

Reiškinius nuo 1888 metų tyrinėjo garsus rusų mokslininkas A.G.Stoletovas.

Stoletovas tyrinėjo fotoelektrinį efektą naudodamas instaliaciją, kurią sudaro du maži diskai. Tvirta cinko plokštė ir plonas tinklelis buvo sumontuoti vertikaliai vienas priešais kitą, sudarant kondensatorių. Jo plokštės buvo sujungtos su stulpais ir tada apšviestos elektros lanko šviesa.

Šviesa laisvai prasiskverbė per tinklelį ant kieto cinko disko paviršiaus.

Stoletovas nustatė, kad jei kondensatoriaus cinko plokštė yra prijungta prie neigiamo įtampos šaltinio poliaus (tai yra katodas), tada galvanometras, prijungtas prie grandinės, rodo srovę. Jei katodas yra tinklelis, tada nėra srovės. Tai reiškia, kad apšviesta cinko plokštė išskiria neigiamo krūvio daleles, kurios lemia srovės buvimą tarpe tarp jos ir tinklelio.

Stoletovas, tyrinėdamas fotoelektrinį efektą, kurio fizika dar nebuvo atskleista, savo eksperimentams paėmė diskus iš įvairiausių metalų: aliuminio, vario, cinko, sidabro, nikelio. Prijungęs juos prie neigiamo įtampos šaltinio poliaus, jis stebėjo, kaip veikiamas lanko jo grandinėje bandomoji gamykla atsirado elektros srovė. Ši srovė vadinama fotosrove.

Didėjant įtampai tarp kondensatoriaus plokščių, fotosrovė didėjo ir pasiekė savo vertę esant tam tikrai įtampai. maksimali vertė, vadinama soties fotosrove.

Stoletovas, tyrinėdamas fotoelektrinį efektą, kurio fizika yra neatsiejamai susijusi su soties fotosrovės priklausomybe nuo kritimo ant katodo plokštės dydžio, Stoletovas nustatė. kitas įstatymas: soties fotosrovės vertė bus tiesiogiai proporcinga šviesos srautui, patenkančiam į metalinę plokštę.

Šis įstatymas vadinamas Stoletov.

Vėliau buvo nustatyta, kad fotosrovė yra elektronų srautas, kurį šviesa išplėšė iš metalo.

Fotoelektrinio efekto teorija buvo plačiai paplitusi praktinis pritaikymas. Taigi, remiantis šiuo reiškiniu, buvo sukurti įrenginiai. Jie vadinami fotoelementais.

Šviesai jautrus sluoksnis – katodas – dengia beveik visą vidinis paviršius stiklinė talpykla, išskyrus nedidelį langą šviesai patekti. Anodas yra vielos žiedas, pritvirtintas cilindro viduje. Cilindre yra vakuumas.

Jei žiedą prijungsite prie teigiamo akumuliatoriaus poliaus, o šviesai jautrų metalinį sluoksnį per galvanometrą prie jo neigiamo poliaus, tada, kai sluoksnis bus apšviestas atitinkamu šviesos šaltiniu, grandinėje atsiras srovė.

Galite visiškai išjungti akumuliatorių, tačiau net ir tada stebėsime srovę, tik labai silpną, nes tik nereikšminga dalis šviesos išmestų elektronų nukris ant vielos žiedo - anodo. Norint sustiprinti efektą, reikalinga apie 80-100 V įtampa.

Fotoelektrinis efektas, kurio fizika naudojama tokiuose elementuose, gali būti stebimas naudojant bet kurį metalą. Tačiau dauguma jų, pavyzdžiui, varis, geležis, platina, volframas, yra jautrūs tik šarminių metalų- kalis, natris ir ypač cezis yra jautrūs matomiems spinduliams. Jie naudojami fotoelementų katodams gaminti.