Задачи средней трудности. В1. В опыте по обнаружению фотоэффекта цинко­вая пластина крепится на стержне электрометра, предва­рительно заряжается отрицательно и освещается светом

В1. В опыте по обнаружению фотоэффекта цинко­вая пластина крепится на стержне электрометра, предва­рительно заряжается отрицательно и освещается светом электрической дуги так, чтобы лучи падали перпендику­лярно плоскости пластины. Как изменится время разрядки электрометра, если: а) пластину повернуть так, чтобы лу­чи падали под некоторым углом; б) электрометр прибли­зить к источнику света; в) закрыть непрозрачным экраном часть пластины; г) увеличить освещенность; д) поставить светофильтр, задерживающий инфракрасную часть спект­ра; е) поставить светофильтр, задерживающий ультрафио­летовую часть спектра?

В2. Найти длину волны lсвета, которым освещается поверхность металла, если фотоэлектроны имеют кинетиче­скую энергию K = 4,5×10 –20 Дж, а работа выхода электрона из металла А вых = 7,5×10 –19 Дж.

В3. Определите наибольшую скорость электрона, вылетевшего из цезия при освещении его светом длиной волны l = 331 нм. Работа выхода А вых = 2 эВ, масса электрона 9,1×10 –31 кг.

В4. Определить скорость фотоэлектронов, если фототок прекращается при задерживающей разности потен­циалов 1 В.

В5. Минимальная частота света, вырывающего электроны с поверхности металлического катода, n 0 = 6,0×10 14 Гц. При какой частоте
n света вылетевшие электроны полностью задерживаются разностью потенциалов U = 3,0 В?

Задачи трудные

С1. Как зарядить цинковую пластину, закрепленную на стержне электрометра, положительным зарядом, имея электрическую дугу, стеклянную палочку и лист бумаги? Палочкой прикасаться к пластине нельзя.

С2. В установке, изобра­женной на рис. 22.6, катод фотоэлемента может быть вы­полнен из различных материа­лов. На рис. 22.7 приведеныграфики зависимости запираю­щего напряжения U з, от часто­ты n облучающего света для двух разных материалов като­да. Обосновать линейность этой зависимости. Какой из ма­териалов имеет бóльшую ра­боту выхода?

Рис. 22.6 Рис. 22.7

С3. Для определения по­стоянной Планка была состав­лена цепь, показанная на ри­с. 22.6. Когда скользящий контакт потенциометра П на­ходится в крайнем левом поло­жении, чувствительный гальванометр Г регистрирует слабый фототок при освещении фото­элемента Ф. Передвигая сколь­зящий контакт вправо, посте­пенно увеличивают запираю­щее напряжение до тех пор, по­ка в цепи не прекратится фототок. При освещении фотоэле­мента фиолетовым светом с частотой n 2 = 750 ТГц запираю­щее напряжение U 32 = 2,0 В, а при освещении красным светом с частотой n 1 = 390 ТГц запира­ющее напряжение U 31 = 0,50 В. Какое значение постоянной Планка было получено?

С4. Для калия красная граница фотоэффекта l макс = 0,62 мкм. Какую максимальную скорость и могут иметь фотоэлектроны, вылета­ющие при облучении калия фиолетовым светом с длиной волны l = 0,42 мкм?

С5. При освещении поверхности некоторого металла фиолетовым све­том с длиной волны l 1 = 0,40 мкм выбитые светом электроны полностью задерживаются разностью потенциалов (запирающим напряжением) U 1 = = 2,0 В. Чему равно запирающее напряжение U 2 при освещении того же металла красным светом с длиной волны l 2 = 0,77 мкм?

4. Фотоэффект практически безынерционен.

В методике изучения фотоэффекта можно выделить несколько этапов:

1. Знакомство учащихся с самим явлением фотоэффекта. Рассказ об истории его открытия (Г. Герц).

2. Рассказ о поиске закономерностей этого явления. Исследования.

3. Рассмотрение основных закономерностей фотоэффекта. Показ, вскрытие имеющихся трудностей - невозможность объяснить все законы фотоэффекта с известных уже учащимся позиций (волновой теории света).

4. Выдвижение гипотезы световых квантов. Рассказ о работе А. Эйнштейна. Уравнение фотоэффекта.

5. Объяснение всех закономерностей фотоэффекта с квантовых позиций:

6. Выводы квантовой теории о природе света.

7. Вакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Применение фотоэффекта в технике.

К пониманию явления фотоэффекта и его закономерностей лучше всего подвести школьников с помощью эксперимента. На первом уроке по теме обычно предлагают серию опытов:

1) Закрепленную на стержне электрометра хорошо очищенную цинковую пластину заряжают отрицательно и освещают потоком ультрафиолетовых лучей. Наблюдают разряд электрометра.

2) Разряд прекращается, если мы перекрываем поток лучей стеклом.

3) Если же сообщить пластине положительный заряд, то при таком же освещении разряд электрометра не наблюдается.

4) Разряд происходит тем быстрее, чем больше интенсивность света.

5) Заменив цинковую пластину медной (затем свинцовой), повторяют опыты при тех же условиях (освещенность, начальный заряд).

В ходе беседы последовательно обсуждают следующие вопросы: почему заряженная пластина может сохранять заряд в течение длительного времени? Какими способами можно разрядить пластину? Как объяснить быстрый разряд отрицательно заряженной пластины при ее освещении светом дуги? Будет ли при освещении ультрафиолетом так же разряжаться положительно заряженная цинковая пластина? Почему электрометр не обнаруживает изменения заряда в этом случае? Наблюдаем ли мы разряд медной пластины при тех же условиях опыта? Почему прекращается разряд отрицательно заряженной цинковой пластины, если свет от электрической дуги перекрыть стеклянной пластиной?

Проведенное обсуждение позволяет сделать выводы:

1. Под действием света разряжаются только отрицательно заряженные металлы. Следовательно, при некоторых условиях свет способен вырывать электроны из металлов. Это явление называют фотоэффектом. (Здесь же можно рассказать и об истории открытия фотоэффекта.)

2. Разряд начинается одновременно с началом освещения, следовательно, фотоэффект практически безынерционен. (Точные опыты показали, что время между началом облучения и началом фотоэффекта не превышает 10-9 с.)

3. Наличие фотоэффекта зависит от рода и обработки освещаемого металла и от спектрального состава излучения, скорость разряда зависит также и от падающей в единицу времени световой энергии.

Изучение закономерностей фотоэффекта продолжают на установке, позволяющей исследовать зависимость фототока от приложенного напряжения, интенсивности и спектрального состава излучения. Вначале экспериментально устанавливают существование тока насыщения, а затем - его зависимость от интенсивности падающего на катод света (первый закон фотоэффекта - закон Столетова).

По результатам эксперимента строят графики зависимости силы тока от интенсивности света и от напряжения.

После этого, освещая фотоэлемент светом определенной частоты, с помощью потенциометра "запирают" фотоэлемент и измеряют запирающее напряжение, что позволяет определить максимальную скорость вылетающих электронов.

Меняя светофильтры, получают при повторении опытов новые данные и убеждают учащихся в том, что скорость вылета электронов зависит от частоты падающего света и не зависит от интенсивности света (второй закон фотоэффекта).

Далее приступают к объяснению законов фотоэффекта. Само явление и то, что фототок насыщения прямо пропорционален падающей в единицу времени световой энергии - первый закон фотоэффекта, можно объяснить и с волновых позиций. Объяснение того, почему существует порог фотоэффекта (красная граница), почему максимальная начальная скорость (и максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов) не зависит от интенсивности света, а определяется только его частотой (линейно возрастает с частотой), а также объяснение безынерционности фотоэффекта не может быть дано на основе волновой электромагнитной теории света. Ведь по этой теории вырывание электронов из металла является результатом их "раскачивания" в переменном электрическом поле световой волны. Но тогда и скорость и кинетическая энергия фотоэлектронов должны зависеть от амплитуды вектора напряженности Е электрического поля волны и, следовательно, от ее интенсивности, на "раскачку" электрона требуется время, эффект не может быть безынерционным. Несоответствие экспериментальных фактов сложившейся волновой теории света доказывало ее несостоятельность и требовало создания новой теории.

Далее рассказывают о том, что трудности в объяснении законов фотоэффекта были не единственной причиной создания новой теории. В 1900 г. М. Планк для объяснения теплового излучения вынужден был высказать, на первый взгляд, нелепую идею, что тело излучает энергию не непрерывно, а отдельными порциями (квантами). Эта идея противоречила сложившимся представлениям классической физики, где процессы и величины, их характеризующие, изменяются непрерывно. Эту непонятную и поэтому мало кем принятую идею в 1905 г. А. Эйнштейн использовал для объяснения законов фотоэффекта. Он пошел далее М. Планка и утверждал: свет не только испускается, но и распространяется и поглощается квантами.

Иначе говоря, поток монохроматического света, несущий энергию Е, представляет собой поток n частиц (названных позднее фотонами), каждый из которых обладает энергией h.

Энергия фотона пропорциональна частоте света. Чем больше частота (меньше длина волны) излучения, тем большую энергию несет каждый его фотон. Энергия фотонов длинноволнового излучения меньше.

Далее Эйнштейн предположил: каждый фотон взаимодействует не со всем веществом, на которое падает свет, и даже не с атомом в целом, а с отдельным электроном атома. Фотон отдает свою энергию электрону, а электрон, получив энергию, вырывается из металла с определенной кинетической энергией. На основе закона сохранения энергии можно записать следующее уравнение для элементарного акта взаимодействия фотона с электроном:

Важно при этом подчеркнуть, что наблюдают прямую пропорциональность, а не равенство, так как часть падающих на металл фотонов отражается, а из поглощенных фотонов не все вырывают из металла свободные электроны. Энергия части поглощенных фотонов превращается во внутреннюю энергию металла. Поэтому отношение числа электронов к числу падающих на металл фотонов значительно меньше единицы (для чистых металлов примерно в 1000 раз).

Далее объясняют, почему наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего света, а не от его интенсивности (второй закон фотоэффекта). Из уравнения Эйнштейна следует: так как для данного вещества работа выхода постоянна, то наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте падающего света. Анализируют случай, когда энергия светового кванта численно равна работе выхода.

Следовательно, вся энергия фотона идет на совершение работы выхода и скорость электронов равна нулю. Красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода, т. е. от химической природы металла, и может лежать на любом участке оптического диапазона. Для каждого вещества есть определенная длинноволновая граница фотоэффекта (третий закон фотоэффекта).

Таким образом, уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Оно позволяет вычислять скорости фотоэлектронов и определять наибольшую длину волны, при которой еще наблюдается явление фотоэффекта для данного вещества, а также вычислить работу выхода для конкретного металла.

После анализа уравнения Эйнштейна можно показать, как была осуществлена экспериментальная проверка этого уравнения. Она состояла в определении постоянной Планка из результатов опыта.

Так как работа выхода для данного вещества - величина постоянная, то кинетическая энергия фотоэлектрона является линейной функцией частоты излучения, падающего на фотоэлемент.

При практическом проведении таких измерений встретились большие трудности. Первые тщательные измерения постоянной Планка этим методом были проведены в 1915 г. Р. Милликеном. Он получил значение, близкое к тому, какое было уже известно из теории теплового излучения.

В нашей стране в 1928 г. опытами и была подтверждена линейная зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света и получено значение постоянной Планка.

Для закрепления уравнений Эйнштейна решают задачи на вычисление скорости и энергии электронов, красной границы фотоэффекта, работы выхода.

ЭФФЕКТ КОМПТОНА

Формирование представлений о фотоне, начатое при изучении: фотоэффекта, продолжают при изучении последующих вопросов курса - эффекта Комптона, давления света, химического действия света.

Контрольные работы

Подготовка к ЕГЭ. 11-й класс

(Здесь публикуются контрольные только по двум темам из присланных одиннадцати, по всему курсу для 11-го класса. Полный текст задач опубликован на интернет-сайте «Физики»: в рубрике «Дополнительные материалы». – Ред .)

Предлагаю систему контрольных работ, разработанных с целью подготовки учащихся к ЕГЭ. Каждая рассчитана на один урок, включает в себя шесть вариантов и является как бы тематическим фрагментом ЕГЭ. Уровень сложности пяти заданий дифференцирован. В каждом – три теста с выбором ответа и две задачи (одна проще, другая сложнее). Через три минуты после начала контрольной я собираю ответы на тесты, и учащиеся приступают к решению задач. Таким образом, темп (вопрос в минуту) оказывается максимально приближенным к условиям ЕГЭ.

Задачи оформляются традиционно: краткое условие, чертёж, расчётные формулы с краткими пояснениями, подстановка числовых данных, проверка единиц физических величин. Полная гласность подведения итогов контрольной работы обеспечивается детальной информированностью учащихся и системой выставления оценки. Решённый тест оценивается в 1 балл, 4-я задача – в 2 балла, более сложная 5-я – в 3 балла. Оценка за контрольную работу выставляется в зависимости от суммарного балла, полученного учащимся за правильные ответы на вопросы и задачи, по следующей шкале: 7–8 баллов – «5», 5–6 баллов – «4», 3–4 балла – «3», меньше 3 – «2».

Подобная структура контрольной работы позволяет объединить текущий контроль усвоения материала (задания 1–3) с проверкой глубины понимания физической теории (задачи 4, 5). Имея сводные данные по ответу на каждый вопрос и по решению каждой задачи, можно составить представление о динамике изучения материала каждым учащимся. Например, если учащийся регулярно правильно отвечает на первые три вопроса, но не справляется с четвёртой и пятой задачами, это означает, что он достаточно (на репродуктивном уровне) представляет себе материал курса. Наоборот, если учащийся регулярно решает пятую задачу, но неправильно отвечает на остальные вопросы, то это свидетельствует о достаточно глубоком, но фрагментарном изучении им курса.

Литература

Касьянов В.А. Физика-11: Тематическое и поурочное планирование. – М.: Дрофа, 2002.

Касьянов В.А. Единый государственный экзамен по физике в России и SAT-II в США. – Физика («ПС», № 40/03.

Коноплич Р.В. , Орлов В.А. , Добродеев Н.А. , Татур А.О. Сборник тестовых заданий для тематического и итогового контроля. Физика-11. – М.: Интеллект-Центр, 2002.

Коноплич Р.В. , Орлов В.А. , Добродеев Н.А. , Татур А.О. Сборник тестовых заданий для тематического и итогового контроля. Физика-10. – М.: Интеллект-Центр, 2002.

Кирик Л.А. Физика-11. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. – М.: Илекса, 2003.

Кирик Л.А. Физика-10. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. – М.: Илекса, 2003.

Орлов В.А. , Ханнанов Н.К. , Фадеева А.А. Учебно-тренировочные материалы для подготовки к единому государственному экзамену. Физика. – М.: Интеллект-Центр, 2003.

Пигалицын Л.В. Тематические тесты по физике. 11 класс. – Н.Новгород: Нижегородский гуманитарный центр, 1997.

Контрольная работа № 10. Квантовая теория электромагнитного излучения вещества

Вариант 1

1. Импульс фотона р связан с его частотой соотношением (h – постоянная Планка):

2. Фотоэффект – это явление:

А) почернения фотоэмульсии под действием света;

Б) вылета электронов с поверхности металла под действием света;

В) свечения некоторых веществ в темноте;

Г) излучения нагретого твёрдого тела.

3. На рисунке представлена диаграмма энергетических уровней атома. Какой стрелкой обозначен переход с излучением фотона наибольшей частоты?

А) 1; Б) 2; В) 3; Г) 4.

4. При переходе электрона в атоме водорода с одной орбиты на другую, более близкую к ядру, излучаются фотоны энергией 3,03 10 –19 Дж. Определите частоту излучения атома.

5. Работа выхода электрона из цинка равна 3,74 эВ. Определите красную границу фотоэффекта для цинка. Какую скорость получат электроны, вырванные из цинка при облучении его ультрафиолетовым излучением длиной волны 200 нм?

Вариант 2

1. Энергия фотона прямо пропорциональна ( – длина волны):

А) –2 ; Б) –1 ; В) ; Г) 2 .

2. На каком из графиков верно изображена зависимость фототока (при фотоэффекте) от напряжения между электродами при неизменной освещённости в стандартном эксперименте?

3. Атомы одного элемента, находившиеся в состояниях энергиями Е 1 и Е 2 , при переходе в основное состояние испустили фотоны длинами волн 1 и 2 соответственно, причем 1 > 2 . Для энергий этих состояний справедливо соотношение:

А) Е 1 > Е 2 ; Б) Е 1 < Е 2 ;

В) Е 1 = Е 2 ; Г) | Е 1 | < | Е 2 |.

4. При переходе электрона в атоме водорода с третьей стационарной орбиты на вторую излучается фотон, соответствующий длине волны 0,652 мкм (красная линия водородного спектра). Какую энергию теряет при этом атом водорода?

5. Для некоторого металла красной границей фотоэффекта является свет длиной волны 690 нм. Определите работу выхода электрона из этого металла и максимальную скорость, которую приобретут электроны под действием излучения длиной волны 190 нм.

Вариант 3

1. Длина волны кр, соответствующая красной границе фотоэффекта, равна (А – работа выхода, h – постоянная Планка):

А) ; Б) ; В) ; Г) .

2. Фототок насыщения при фотоэффекте при уменьшении падающего светового потока:

А) увеличивается; Б) уменьшается; В) не изменяется;

Г) увеличивается или уменьшается в зависимости от условий опыта.

3. Какой цифрой на приведённой диаграмме энергетических уровней атома обозначен переход с излучением фотона максимальной частоты?

А) 1; Б) 2; В) 3; Г) 4.

4. Глаз человека воспринимает свет длиной волны 500 нм, если световые лучи ежесекундно приносят в глаз энергию не менее 20,8 10 –18 Дж. Какое количество квантов света при этом ежесекундно попадает на сетчатку глаза?

5. Какую максимальную скорость приобретут фотоэлектроны, вырванные с поверхности молибдена излучением частотой 3 10 15 Гц? Работа выхода электрона для молибдена 4,27 эВ.

А) Э.Резерфорд; Б) Дж.Дж.Томсон;

В) Ф.Жолио-Кюри; Г) И.В.Курчатов.

2. Какое из приведённых ниже продолжений утверждения правильно? При переходе между двумя различными стационарными состояниями атом может:

А) излучать и поглощать фотоны любой энергии;

Б) излучать и поглощать фотоны лишь с определёнными значениями энергии;

В) излучать фотоны любой энергии, а поглощать лишь с некоторыми значениями энергии;

Г) поглощать фотоны любой энергии, а излучать лишь с некоторыми значениями энергии.

3. Какое из указанных явлений: I – спонтанное излучение; II – индуцированное излучение, – используется в оптических квантовых генераторах?

А) I; Б) II; В) I и II; Г) ни I, ни II.

4. При какой длине электромагнитной волны энергия фотона равна 9,93 10 –19 Дж?

5. Красная граница фотоэффекта для рубидия равна 0,81 мкм. Какое напряжение надо приложить к фотоэлементу, чтобы задерживать электроны, вырываемые из рубидия ультрафиолетовыми лучами длиной волны 0,1 мкм?

Вариант 5

1. Чему равна энергия фотона частотой ?

А) h с 2 ; Б) h с ; В) h ; Г) h /с .

2. При освещении катода вакуумного фотоэлемента монохроматическим светом происходит освобождение фотоэлектронов. Как изменится максимальная энергия фотоэлектронов при увеличении частоты света в 2 раза?

А) Не изменится; Б) увеличится в 2 раза;

В) увеличится менее, чем в 2 раза;

Г) увеличится более, чем в 2 раза.

3. Для данной диаграммы энергетических уровней укажите правильное утверждение:

А) Е 1 > Е 4 ; Б) Е 4 > Е 2 ;

В) Е 2 > Е 3 ; Г) Е 2 > Е 4 .

4. Для ионизации атома азота необходима энергия 14,53 эВ. Найдите длину волны излучения, которое вызовет ионизацию.

5. Работа выхода электронов из кадмия 4,08 эВ. Светом какой длиной волны нужно освещать кадмий, чтобы максимальная скорость вылетающих электронов была 7,2 10 5 м/с?

Вариант 6

1. Частота красного света почти в 2 раза меньше частоты фиолетового. Импульс «красного» фотона по отношению к импульсу «фиолетового» фотона:

А) больше в 4 раза; Б) меньше в 4 раза;

В) больше в 2 раза; Г) меньше в 2 раза.

2. Какова природа сил, отклоняющих a-частицы на малые углы от прямолинейных траекторий в опыте Резерфорда?

А) Гравитационная; Б) кулоновская;

В) электромагнитная; Г) ядерная.

3. При освещении поверхности тела с работой выхода А монохроматическим светом частотой вырываются фотоэлектроны. Что определяет разность (h – А )?

А) Среднюю кинетическую энергию фотоэлектронов;

Б) среднюю скорость фотоэлектронов;

В) максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов;

Г) максимальную скорость фотоэлектронов.

4. При переходе электронов в атоме водорода с 4-й стационарной орбиты на 2-ю излучается фотон, дающий зелёную линию в спектре водорода. Определите длину волны этой линии, если при излучении фотона теряется 2,53 эВ энергии.

5. Отрицательно заряженная цинковая пластинка освещалась монохроматическим светом длиной волны 300 нм. Красная граница для цинка составляет 332 нм. Какой максимальный потенциал приобретает цинковая пластинка?

Ответы

Контрольная работа № 11. Физика высоких энергий

Вариант 1

1. При испускании ядром -частицы образуется дочернее ядро, имеющее:

А) большее зарядовое и то же массовое число;

Б) меньшее зарядовое и то же массовое число;

В) большее зарядовое и меньшее массовое число;

Г) меньшее зарядовое и большее массовое число.

2. Число радиоактивных ядер в образце изменяется со временем, как показано на рисунке. Период полураспада материала образца:

А) 1 год; Б) 1,5 года; В) 2 года; Г) 2,5 года.

3. При радиоактивном распаде урана протекает ядерная реакция Какой при этом образуется изотоп?

4. Период полураспада радиоактивного элемента 400 лет. Какая часть образца из этого элемента распадается через 1200 лет?

5. Определите энергию связи, приходящуюся на один нуклон в ядре атома если масса последнего 22,99714 а.е.м.

Вариант 2

1. В результате естественного радиоактивного распада образуются:

А) только -частицы;

Б) только -частицы;

В) только -кванты;

Г) -частицы, -частицы, -кванты, нейтрино.

2. Число радиоактивных ядер в образце изменяется со временем, как показано на рисунке. Найдите период полураспада материала.

А) 2 мс; Б) 2,5 мс; В) 3 мс; Г) 3,5 мс.

3. Какая частица Х образуется в результате ядерной реакции

4. Какая доля ядер радиоактивного изотопа с периодом полураспада 2 дня останется через 16 дней?

5. При обстреле ядер бора протонами получается бериллий . Какие ещё ядра получаются при этой реакции и сколько энергии высвобождается?

Вариант 3

1. Сколько протонов входит в состав ядра

А) Z ; Б) A – Z ; B) A + Z ; Г) Z – A .

2.

А) Поток ядер водорода; Б) поток ядер гелия;

В) поток нейтронов; Г) поток электронов.

3. Ядро атома может самопроизвольно делиться на два осколка. Один из осколков – барий , другой – криптон Сколько нейтронов вылетает при делении?

А) 1; Б) 2; В) 3; Г) 4.

4. Определите, с поглощением или выделением энергии протекает реакция

5. При бомбардировке -частицами бора наблюдается вылет нейтронов. Напишите уравнение ядерной реакции, приводящей к вылету одного нейтрона. Каков энергетический выход этой реакции?

Вариант 4

1. Укажите второй продукт ядерной реакции

А) Нейтрон; Б) протон;

В) электрон; Г) -частица.

2. Что представляет собой -излучение?

А) Поток нейтронов;

Б) поток быстрых электронов;

В) поток квантов электромагнитного излучения;

Г) поток протонов.

3. В ядерных реакторах коэффициент размножения нейтронов в цепной реакции деления должен быть:

А) > 1; Б) = 1; В) < 1; Г) 1.

4. Определите энергию, которая выделяется при аннигиляции электрона и позитрона, если масса электрона 9,1 10 –31 кг.

5. Какова электрическая мощность атомной электростанции с КПД 25%, расходующей в сутки 220 г изотопа урана-235?

Вариант 5

1. Какая частица испускается атомным ядром при -распаде?

А) Только нейтрон; Б) только -квант;

В) электрон и антинейтрино; Г) позитрон и нейтрон.

2. Какие силы действуют между нейтронами в ядре?

А) Гравитационные; Б) ядерные;

В) кулоновские; Г) ядерные и гравитационные.

3. В недрах Солнца температура достигает десятков миллионов градусов. Это объясняют:

А) быстрым вращением Солнца вокруг своей оси;

Б) делением тяжёлых ядер;

В) термоядерным синтезом лёгких ядер;

Г) реакцией горения водорода в кислороде.

4. При бомбардировке изотопа алюминия -частицами получается радиоактивный изотоп фосфора , который затем распадается с выделением позитронов. Напишите уравнения обеих реакций.

5. При бомбардировке нейтронами изотопа бора образуются -частицы. Напишите уравнение этой реакции и найдите её энергетический выход.

Вариант 6

1. Масса ядра атома гелия больше массы ядра атома водорода в:

А) 2 раза; Б) 3 раза; В) 4 раза; Г) 6 раз.

2. Полное превращение элементов впервые наблюдалось в реакции , в результате которой появились два ядра:

А) водорода; Б) гелия; В) бериллия; Г) бора.

3. Какая доля радиоактивных ядер распадается через интервал времени, равный двум периодам полураспада?

А) 25%; Б) 50%; В) 75% Г) 100%.

4. В процессе термоядерного синтеза 5 10 4 кг водорода превращается в 49 644 кг гелия. Определите, сколько энергии выделяется при этом.

5. Мощность атомного реактора при использовании за сутки 0,2 кг изотопа урана-235 составляет 32 000 кВт. Какая часть энергии, выделяемой вследствие деления ядер, используется полезно?

Ответы

Ольга Павловна Сорокина окончила факультет вычислительной математики и кибернетики Горьковского госуниверситета им. Н.И.Лобачевского в 1988 г. С 1993 г. преподаёт математику, физику, информатику и ИКТ (последние два года). Учитель высшей квалификационной категории. Автор двух статей педагогического содержания. Кредо: «Уча других, мы учимся сами». Вместе с мужем воспитывает двоих детей. Всё свободное время отдаёт самообразованию. Любит готовить, печь пироги и торты.

Демонстрирует простой опыт. Если отрицательно заряженную цинковую пластинку, соединённую с электроскопом (прибором, показывающим наличие электрического заряда), осветить светом ультрафиолетовой лампы, то очень быстро стрелка электроскопа перейдёт в нулевое состояние. Это говорит о том, что заряд исчез с поверхности пластины. Если такой же опыт проделать с положительно заряженной пластиной, стрелка электроскопа не отклонится вовсе. Этот опыт был впервые проведен в 1888 г. русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым .

Александр Григорьевич Столетов

Что же происходит с веществом, когда на него падает свет?

Мы знаем, что свет - это электромагнитное излучение, поток квантовых частиц - фотонов . Когда электромагнитное излучение падает на металл, часть его отражается от поверхности, а часть поглощается поверхностным слоем. При поглощении фотон отдаёт электрону свою энергию. Получив эту энергию, электрон совершает работу и покидает поверхность металла. И пластинка, и электрон имеют отрицательный заряд, поэтому они отталкиваются, и электрон вылетает с поверхности.

Если же пластинка заряжена положительно, отрицательный электрон, выбитый с поверхности, снова притянется ею и не покинет её поверхность.

История открытия

Явление фотоэффекта было открыто в начале XIX века.

В 1839 г. французский учёный Александр Эдмонд Беккерель наблюдал фотогальванический эффект на границе металлического электрода и жидкости (электролите).

Александр Эдмонд Беккерель

В 1873 г. английский инженер-электрик Смит Уиллоуби обнаружил, что если воздействовать на селен электромагнитным излучением, то его электропроводность меняется.

Проводя опыты по исследованию электромагнитных волн в 1887 г., немецкий физик Генрих Герц заметил, что заряженный конденсатор разряжается гораздо быстрее, если осветить его пластины ультрафиолетовым излучением.

Генрих Герц

В 1888 г. германский физик-экспериментатор Вильгельм Гальвакс обнаружил, что при облучении металла коротковолновым ультрафиолетовым излучением металл теряет отрицательный заряд, то есть наблюдается явление фотоэффекта.

Огромный вклад в изучение фотоэффекта внёс русский физик Александр Григорьевич Столетов, проводивший детальные опыты по изучению фотоэффекта в 1888-1890 гг. Для этого он сконструировал специальный прибор, состоявший из двух параллельных дисков. Один из этих дисков, катод , сделанный из металла, находился внутри стеклянного корпуса. Другой диск, анод , представлял собой металлическую сетку, нанесённую на изготовленный из кварцевого стекла торец корпуса. Кварцевое стекло было выбрано учёным не случайно. Дело в том, что оно пропускает все виды световых волн, включая ультрафиолетовое излучение. Обычное стекло ультрафиолетовое излучение задерживает. Из корпуса откачивался воздух. К каждому из дисков подводилось напряжение: к катоду отрицательное, к аноду положительное.

Опыт Столетова

Во время опытов учёный освещал катод через стекло красным, зелёным, синим и ультрафиолетовым светом. Величина тока регистрировалась гальванометром, в котором основным элементом было зеркало. В зависимости от величины фототока, зеркало отклонялось на разный угол. Наибольший эффект оказывали ультрафиолетовые лучи. И чем больше их было в спектре, тем сильнее оказывалось воздействие света.

Столетов обнаружил, что под действием света освобождаются только отрицательные заряды.

Катод изготавливали из различных металлов. Наиболее чувствительными к свету оказались такие металлы, как алюминий, медь, цинк, серебро, никель.

В 1898 г. было установлено, что освобождаемые при фотоэффекте отрицательные заряды являются электронами.

А в 1905 г. Альбер Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта, как частный случай закона сохранения и превращения энергии.

Внешний фотоэффект

Внешний фотоэффект

Процесс выхода электронов из вещества под действием электромагнитного излучения называют внешним фотоэффектом , или фотоэлектронной эмиссией . Электроны, вылетающие с поверхности, называются фотоэлектронами . Соответственно, электрический ток, который образуется при их упорядоченном движении, называют фототоком .

Первый закон фотоэффекта

Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока . Чем выше интенсивность излучения, тем большее количество электронов будет выбито из катода за 1 с.

Интенсивность светового потока пропорциональна числу фотонов. С увеличением числа фотонов увеличивается число электронов, покидающих поверхность металла и создающих фототок. Следовательно, увеличивается сила тока.

Второй закон фотоэффекта

Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности .

Энергия, которой обладает падающий на поверхность фотон, равна:

Е = h·ν ,где ν - частота падающего фотона; h - постоянная Планка.

Получив энергию Е , электрон совершает работу выхода φ . Остальная часть энергии - это кинетическая энергия фотоэлектрона.

Из закона сохранения энергии вытекает равенство:

h·ν=φ + W e , где W e - максимальная кинетическая энергия электрона в момент вылета из металла.

h·ν=φ + mv 2 /2

Третий закон фотоэффекта

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν min (или максимальная длина волны λ max ), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν˂ ν min , то фотоэффект уже не происходит.

Фотоэффект проявляется, начиная с определённой частоты света ν min . При этой частоте, называемой «красной» границей фотоэффекта , начинается испускание электронов.

h· ν min = φ .

Если частота фотона ниже ν min , его энергии будет недостаточно, чтобы «выбить» электрон из металла.

Внутренний фотоэффект

Если под воздействием излучения электроны теряют связь со своми атомами, но не покидают твёрдые и жидкие полупроводники и диэлектрики, а остаются внутри них как свободные электроны, то такой фотоэффект называется внутренним. В результате происходит перераспределение электронов по энергетическим состояниям. Изменяется концентрация носителей зарядов и возникает фотопроводимость (увеличение проводимости под воздействием света).

К внутреннему фотоэффекту относят и вентильный фотоэффект , или фотоэффект в запирающем слое . Этот фотоэффект возникает, когда под воздействием света электроны покидают поверхность тела и переходят в другое, контактирующее тело - полупроводник или электролит.

Применение фотоэффекта

Все устройства, принцип действия которых основан на фотоэффекте, называются фотоэлементами . Первым в мире фотоэлементом стал прибор Столетова, созданный им для проведения опытов по изучению фотоэффекта.

Фотоэлементы широко используются в самых различных устройствах в автоматике и телемеханике. Без фотоэлементов невозможно управление станками с числовым программным управлением (ЧПУ), которые могут создавать детали по чертежам без участия человека. С их помощью считывается звук с киноплёнки. Они входят в состав различных контролирующих устройств, помогают остановить и заблокировать устройство в нужный момент. С помощью фотоэлементов уличное освещение включается с наступлением темноты и отключается на рассвете. Они помогают управлять турникетами в метро и маяками на суше, опускают шлагбаум при приближении поезда к переезду. Их используют в телескопах и солнечных батареях.

В 1887 году немецкий ученый Герц открыл влияние света на электрический разряд. Изучая искровой разряд, Герц обнаружил, что если освещать отрицательный электрод ультрафиолетовыми лучами, то разряд наступает при меньшем напряжении на электродах.

Далее было обнаружено, что при освещении светом отрицательно заряженной металлической пластинки, соединенной с электроскопом, стрелка электроскопа опускается. Это свидетельствовало о том, что освещаемая электрической дугой металлическая пластинка теряет свой отрицательный заряд. Положительный заряд металлическая пластинка при освещении не теряет.

Потеря металлическими телами при освещении их лучами света отрицательного получила название фотоэлектрический эффект или просто фотоэффект.

Явления изучалась с 1888 года и знаменитым русским ученым А. Г. Столетовым.

Изучение фотоэффекта Столетов производил при помощи установки, состоящей из двух небольших дисков. Сплошная цинковая пластинка и тонкая сетка устанавливались вертикально друг против друга, образуя конденсатор. Его пластинки соединялись с полюсами а затем освещались светом электрической дуги.

Свет свободно проникал через сетку на поверхность сплошного цинкового диска.

Столетов установил, что если цинковая обкладка конденсатора соединена с отрицательным полюсом источника напряжения (является катодом), то гальванометр, включенный в цепь, показывает ток. Если же катодом является сетка, то ток отсутствует. Значит, освещенная цинковая пластинка испускает отрицательно заряженные частички, которые и обусловливают существование тока в промежутке между ней и сеткой.

Столетов, изучая фотоэффект, физика которого была еще не раскрыта, брал для своих опытов диски из самых различных металлов: алюминиевые, медные, цинковые, серебряные, никелевые. Присоединяя их к отрицательному полюсу источника напряжения, он наблюдал, как под действием дуги в цепи его опытной установки возникал электрический ток. Такой ток называется фототоком.

При увеличении напряжения между обкладками конденсатора фототок увеличивался, достигая при некотором напряжении своего максимального значения, называемого фототоком насыщения.

Исследуя фотоэффект, физика которого неразрывно связана с зависимостью фототока насыщения от величины падающего на катодную пластину, Столетов установил следующий закон: величина фототока насыщения, будет прямо пропорциональна падающему на металлическую пластинку световому потоку.

Этот закон носит название Столетова.

В дальнейшем было установлено, что фототок - поток электронов, вырванный светом из металла.

Теория фотоэффекта нашла широкое практическое применение. Так были созданы устройства, в основе которых лежит это явление. Называются они фотоэлементами.

Светочувствительный слой - катод - покрывает почти всю внутреннюю поверхность стеклянного баллона, за исключением небольшого окошечка для доступа света. Анод же представляет собой проволочное кольцо, укрепленное внутри баллона. В баллоне - вакуум.

Если соединить кольцо с положительным полюсом батареи, а светочувствительный слой металла через гальванометр с отрицательным ее полюсом, то при освещении слоя надлежащим источником света в цепи появится ток.

Можно батарею выключить совсем, но и тогда мы будем наблюдать ток, только очень слабый, так как только ничтожная часть вырываемых светом электронов будет попадать на проволочное кольцо - анод. Для усиления эффекта необходимо напряжение порядка 80-100 в.

Фотоэффект, физика которого используется в таких элементах, можно наблюдать, используя любой металл. Однако большинство из них, такие, как медь, железо, платина, вольфрам, чувствительны только к Одни лишь щелочные металлы - калий, натрий и особенно цезий - чувствительны и к видимым лучам. Они-то и применяются для изготовления катодов фотоэлементов.