Монохроматический свет с длиной волны падает на поверхность металла
Обновлено: 04.10.2024
Тип 19 № 3133Как изменяется заряд и массовое число радиоактивного ядра в результате его -распада?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
3) не изменилась.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
При -распаде радиоактивное ядро испускает электрон. Согласно закону сохранения электрического заряда, заряд ядра должен увеличиться (А — 1). При этом один из нейтронов превращается в протон. Поскольку один нуклон превращается в другой, то массовое число, то есть количество нуклонов в ядре, при -распаде не изменяется (Б — 3).
Возможно ли превращение протона в нейтрон? Например, при каком-нибудь испускании позитрона из протона?
Возможно, однако для этого протону потребуется дополнительная энергия, так как его масса меньше, чем у нейтрона, и просто так он не развалится. Эта энергия может взяться за счет энергии взаимодействия внутри ядра.
Тип 19 № 6502Монохроматический свет с энергией фотонов Eф падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Запирающее напряжение, при котором фототок прекращается, равно Uзап. Как изменятся модуль запирающего напряжения Uзап и длина волны λкр, соответствующая «красной границе» фотоэффекта, если энергия падающих фотонов Eф увеличится?
Запишите в ответ выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Энергия налетающих фотонов передаётся электронам и расходуется на преодоление электронами работы выхода из металла и увеличение скорости электронов Запирающее напряжение определяется максимальной кинетической энергией вылетевших электронов: С увеличением энергии налетающих фотонов увеличится запирающее напряжение. «Красная граница» фотоэффекта — это максимальная длина волны при которой ещё происходит фотоэффект и она зависит от работы выхода, не зависит от энергии налетающих фотонов. Следовательно, при увеличении энергии налетающих фотонов длина волны, соответствующая «красной границе» фотоэффекта не изменится.
Источник: Демонстрационная версия ЕГЭ—2015 по физике., Демонстрационная версия ЕГЭ—2022 по физике, ЕГЭ по физике 2022. Досрочная волна. Вариант 2
Тип 19 № 6657В результате бомбардировки ядра X некоторого атома нейтронами в результате ядерной реакции получается ядро Y другого атома. Установите характер изменения массового числа и зарядового числа атома в результате такой реакции.
| Массовое число ядра | Зарядовое число ядра |
Масса нейтрона равна единице, а его заряд нулю. Следовательно, массовое число ядра возрастёт на единицу, а зарядовое число останется неизменным.
А как же ядерные реакции на медленных нейтронах? Нейтрон легко влетает в ядро, так как не участвует в кулоновском взаимодействии, а после атом претерпевает распад на два других атома с меньшими массовыми и зарядовыми числами.
Такие реакции тоже существуют.
Тип 19 № 6741Для некоторых атомов характерной особенностью является возможность захвата атомным ядром одного из ближайших к нему электронов из электронной оболочки атома. Как изменяются масса ядра и число протонов в ядре при захвате ядром электрона?
| Масса ядра | Число протонов в ядре |
При захвате ядром атома электрона протон взаимодействует с электроном в результате чего образуется нейтрон. Массовое число атома при этом не изменяется, но масса нейтрона чуть больше массы протона, поэтому масса ядра увеличивается. Число протонов в ядре при таком захвате уменьшается на единицу.
Непонятно, почему, если в ядро попадает электрон и взаимодействует с протоном, то образуется нейтрон? Можно какой-нибудь источник, в котором можно почитать об этом?
Как число протонов может уменьшиться? Вроде как уменьшится суммарный заряд из-за влетевшего электрона, но число протонов останется прежним. Протон - это же частица, он так и останется в ядре, просто его положительному заряду будет противопоставлен отрицательный заряд электрона, и суммарный заряд этих двух частиц станет равным нулю
Я в википедии нашел ответ на свой вопрос. Это явление называется электронным захватом. Но появился другой вопрос. В ответе к заданию написано, что масса ядра увеличилась. А в википедии сказано что масса не меняется:
"При электронном захвате один из протонов ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. Заряд ядра при этом уменьшается на единицу. Массовое число ядра, как и во всех других видах бета-распада, не изменяется. Этот процесс характерен для протонноизбыточных ядер."
Какая-то путаница, почему тут написано еще что это бета-распад, если электрон попадает в ядро, а не вылетает из него?
Протон захватывает электрон и превращается в нейтрон. Можно сказать, частица так и остаётся в ядре, превращаясь из протона в нейтрон.
Массовое число ядра равно количеству протонов и нейтронов в ядре, но поскольку масса нейтрона больше массы протона, то при замене протона нейтроном масса ядра увеличивается.
Бета-распад — это, наоборот, испускание электрона. И при захвате, и при испускании электрона массовое число ядра не изменяется.
В общем, масса и массовое число — не одно и то же. Возможны ситуации (бета-распад, захват электрона), когда масса ядра меняется, а его массовое число остаётся неизменным.
Монохроматический свет с длиной волны падает на поверхность металла
Задания Д32 C3 № 25386Металлическая пластина облучается в вакууме светом с длиной волны, равной 200 нм. Работа выхода электронов из данного металла Aвых = 3,7 эВ. Вылетающие из пластины фотоэлектроны попадают в электрическое поле напряженностью Е = 260 В/м, причем вектор напряженности перпендикулярен поверхности пластины и направлен к этой поверхности. Измерения показали, что на некотором расстоянии L от пластины максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов равна W = 15,9 эВ. Определите значение L/
На фотоэлектроны со стороны электрического поля действует сила направленная от пластины, заряд электрона отрицательный. По теореме о кинетической энергии работа электрического поля равна изменению кинетической энергии электронов Работа электрического поля A = eU, разность потенциалов U = EL.
Применим уравнение Эйнштейна для фотоэффекта Учитывая, то , уравнение имеет вид Тогда расстояние от пластины до данной точки
Задания Д21 № 3622При освещении металлической пластины светом наблюдается фотоэффект. Частоту света плавно изменяют. Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от частоты падающего света эти графики могут представлять. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
1) работа выхода фотоэлектрона из металла
2) максимальный импульс фотоэлектронов
3) энергия падающего на металл фотона
4) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
Энергия фотона прямо пропорциональна частоте: На графике Б изображена именно такая зависимость физической величины от частоты, поэтому этот график соответствует энергии падающего на металл фотона (Б — 3).
Работа выхода фотоэлектрона характеризует свойства материала металлической пластины и не зависит от частоты падающего на нее света, поэтому график этой величины должен представлять собой горизонтальную линию. Максимальный импульс фотоэлектронов связан с с максимальной кинетической энергией соотношением а потому его зависимость от частоты будет нелинейной.
Задания Д21 № 3623При освещении металлической пластины светом наблюдается фотоэффект. Длину волны света плавно изменяют. Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от длины волны падающего света эти графики могут представлять. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
2) импульс падающего на металл фотона
3) сила фототока
Работа выхода фотоэлектрона характеризует свойства материала металлической пластины и не зависит от длины волны падающего на нее света, поэтому график этой величины должен представлять собой горизонтальную линию. Тоже самое и для силы фототока: она определяется интенсивностью света, а не его длиной волны. Разберемся с оставшимися вариантами ответа.
Импульс фотона обратно пропорционален длине волны: На графике А изображена именно такая зависимость физической величины от длины волны, поэтому этот график соответствует импульсу падающего на металл фотона (А — 2).
Сила фототока может зависеть от длины волны фотонов тоже. При наличии ускоряющего напряжения доля фотонов (максимальный угол отклонения начальной скорости от направления на анод, при котором электрон еще попадает на анод) зависит от модуля их начальной скорости, и, следовательно, от энергии падающих фотонов.
Рассмотрим уединенный металлический шарик в вакууме, на который падает свет. В этом случае нет ускоряющего напряжения, ни анода с катодом.
Задания Д12 B23 № 5479В таблице представлены результаты измерений фототока в зависимости от разности потенциалов между анодом и катодом на установке по изучению фотоэффекта. Точность измерения силы тока равна 5 мкА, разности потенциалов 0,1 В. Фотокатод освещается монохроматическим светом с энергией фотонов 4,8 эВ.
| -1,5 | -1,0 | -0,5 | 0,0 | +0,5 | +1,0 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 10 | 40 | 80 | 110 |
Работа выхода фотоэлектронов с поверхности фотокатода
1) не превосходит 4,4 эВ
2) не превосходит 2,4 эВ
3) равна (5,8 +0,1) эВ
4) превышает 5,2 эВ
Согласно уравнению фотоэффекта, энергия фотона, работа выхода и максимальная кинетическая энергия электрона связаны соотношением: При отрицательной разности потенциалов создаётся тормозящее поле, которое мешает фотоэлектронам достигнуть анода. Но при отрицательном напряжении в прибор уже фиксирует фототок. Значит, кинетическая энергия вылетевших электронов больше энергии тормозящего поля, равной
Для того, чтобы оценить минимум кинетической энергии, а значит, максимум разности между энергией фотонов и кинетической энергией фотоэлектронов, учтём погрешность измерений в и получим Тогда
Урок 22. Фотоэффект
Квантовая физика - раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.
Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.
Квант - (от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо величины в физике.
Ток насыщения - некоторое предельное значение силы фототока.
Задерживающее напряжение - минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.
Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. которую нужно сообщить электрону, для того чтобы он мог преодолеть силы, удерживающие его внутри металла.
Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 259 – 267.
2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. – С. 153 – 158.
3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 422 – 429.
4. Тульчинский М. Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 157.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.
Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.
Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:
h = 6,63 ∙ 10 -34 Дж∙с.
После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.
Квантовая физика - раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.
Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.
В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.
Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.
Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.
Схема установки для изучения законов фотоэффекта
Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения - максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, - прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.
Зависимость силы тока от приложенного напряжения
Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.
Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.
Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.
где Ав – работа выхода электронов;
h – постоянная Планка;
νmin - частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;
с – скорость света;
λкр – длина волны, соответствующая красной границе.
Фотоэффект практически безынерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.
Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.
Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.
Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, "затрудняющее" вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.
Задерживающее напряжение - минимальное обратное напряжение между анодом и катодом, при котором фототок равен нулю.
Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:
гдеЕ – заряд электрона;
Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:
В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».
Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны - фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.
Примеры и разбор решения заданий
1. Монохроматический свет с длиной волны λ падает на поверхность металла, вызывая фотоэффект. Фотоэлектроны тормозятся электрическим полем. Как изменятся работа выхода электронов с поверхности металла и запирающее напряжение, если уменьшить длину волны падающего света?
Работа выхода
Запирающее напряжение
Работа выхода - это характеристика металла, следовательно, работа выхода не изменится при изменении длины волны падающего света.
Запирающее напряжение - это такое минимальное напряжение, при котором фотоэлектроны перестают вылетать из металла. Оно определяется из уравнения:
Следовательно, при уменьшении длины волны падающего света, запирающее напряжение увеличивается.
2. Красная граница фотоэффекта для вещества фотокатода λ0 = 290 нм. При облучении катода светом с длиной волны λ фототок прекращается при напряжении между анодом и катодом U = 1,5 В. Определите длину волны λ.
Запишем уравнение для фотоэффекта через длину волны:
Условие связи красной границы фотоэффекта и работы выхода:
Запишем выражение для запирающего напряжения – условие равенства максимальной кинетической энергии электрона и изменения его потенциальной энергии при перемещении в электростатическом поле:
Решая систему уравнений (1), (2), (3), получаем формулу для вычисления длины волны λ:
Читайте также: