КВАНТОВАЯ ОПТИКА И АТОМНАЯ ФИЗИКА

1. Максимум энергии излучения абсолютно черного тела приходится на длину волны 450 нм. Определить температуру и энергетическую светимость тела.

Дано: λ_maх = 450 нм = 4,5·10^{-7 м; b = 2,89·10-3} м·К; σ = 5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴).

Найти: Т, R.

Решение. Длина волны λ_max, на которую приходится максимум энергии излучения черного тела, по закону Вина равна: λ_max = .

Отсюда:

В соответствии с законом Стефана - Больцмана энергетическая светимость R абсолютно черного тела равна: R = σT⁴. В результате вычислений имеем:

 

2. Красная граница фотоэффекта для никеля равна 0,257 мкм. Найти длину волны света, падающего на никелевый электрод, если фототок прекращается при задерживающей разности потенциалов, равной 1,5 В.

Дано: λ_к=

Найти: λ.

Решение. Согласно уравнению Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

Е_кmax. (1)

Красная граница фотоэффекта определяется из условия равенства энергии фотона работе выхода электронов А_В, т. е.

. (2)

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов может быть определена через задерживающую разность потенциалов U_з:

Е_кmax= eU₃, (3)

где е – заряд электрона.

Подставляя выражения (2) и (3) в (1), получим:

(4)

Из уравнения (4) найдем длину волны света:

(5)

Подставляя в (5) числовые значения, получим:

3. Определить максимальную скорость электрона, вырванного с поверхности металла γ – квантом с энергией 1,53 МэВ.

Дано: Е = 1,53 МэВ; Е₀ = 0,511 МэВ (энергия покоя электрона).

Найти: v_max,

Решение: По формуле Эйнштейна для фотоэффекта: Е = А_вых+Е_к.max.. Энергия кванта излучения расходуется на работу вырывания электрона А_вых и сообщение ему кинетической энергии Е_к.max.. Так как А_вых<< Е, то электрон будет релятивистским и Е Е_к, а кинетическая энергия будет выражаться формулой:

где Е₀ – энергия покоя электрона.

4. Гамма-фотон с длиной волны 1,2 пм в результате комптоновского рассеяния на свободном электроне отклонился от первоначального направления на угол 60⁰. Определить кинетическую энергию и импульс электрона отдачи. До столкновения электрон покоился.

Дано:

Найти: Е_к, р.

Решение. Изменение длины волны фотона при комптоновском рассеянии на неподвижном свободном электроне равно:

(1)

где λ₁ и λ₂ – длины волн падающего и рассеянного фотона, θ – угол рассеяния фотона, - комптоновская длина волны электрона.

Из выражения (1) найдем: (2)

Выразим энергию падающего и рассеянного фотона через его длину волны:

(3)

Кинетическая энергия электрона отдачи согласно закону сохранения энергии равна: (4)

Подставляя выражения (3) в (4), найдем:

(5)

Сделав вычисления, получим:

Зная кинетическую энергию электрона, найдем его импульс. Поскольку кинетическая энергия электрона сравнима с его энергией покоя, то импульс и кинетическая энергия связаны соотношением:

(6)

Подставляя в (6) числовые данные, получим:

5. Сколько линий спектра атома водорода попадает в видимую область света Вычислить длину волн этих линий. Каким цветам они соответствуют?

Дано:

Найти: λ.

Решение: Длины волн спектра атома водорода определяются по формуле:

где n = 1, 2, 3,...,k = n + 1; n + 2;....

Квантом излучения в видимой области спектра соответствуют переходы электронов на второй энергетический уровень (n = 2). Перебирая возможные варианты, находим, что в видимой области спектра находятся первые четыре линии серии Бальмера (n = 2; k = 3, 4, 5, 6). Длины волн этих линий будут равны: красная линия;

голубая линия;

фиолетовая линия;

фиолетовая линия.

6. Определить кинетическую энергию протона и электрона, для которых длина волны де Бройля равна 0,06 нм.

Дано:

Найти: Е_е, Е_р.

Решение. Длина волны де Бройля . Из уравнения кинетической энергии движущейся частицы следует: .

Тогда импульс частицы равен: , а .

Подставив эти выражения в формулу для энергии, получим: .

Тогда для электрона: (Дж) = 419 (эВ).

Для протона: (Дж) ≈ 0,23(эВ).

 

7. В атоме среднее время жизни электронов в возбужденном состоянии составляет 10 нс. Вычислить естественную ширину спектральной линии

(λ = 0,7 мкм), соответствующей переходу между возбужденными уровнями атома.

Дано: τ = 10^-8 с; λ = 7·10^{-7 м.}

Найти: Δλ_min.

Решение. При переходе электрона из одного стационарного состояния в другое излучается (или поглощается) квант энергии, равный:

(1)

Из (1) следует, что неопределенность длины волны Δλ излучения, определяющая естественную ширину спектральной линии, связана с неопределенностью энергии уровней электронов в атоме ΔΕ_n и ΔΕ_k соотношением:

(2)

Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга:

(3)

где Δt – неопределенность времени перехода атома из одного стационарного состояния в другое.

Поскольку Δt не превышает среднее время жизни τ возбужденного состояния атома, то минимальная неопределенность энергии возбужденных уровней, согласно (3), равна:

(4)

Из (2) с учетом (4) найдем минимальную неопределенность длины волны излучения, которая называется естественной шириной спектральной линии:

(5)

Если одно из состояний, между которыми совершается переход, является основным, то

(6)

поскольку для основного состояния t_n = ¥. Для возбужденных состояний с одинаковым временем жизни τ_n = τ_k = τ имеем:

. (7)

Подставляя в (7) числовые значения, получим:

(м).

 

8. Кинетическая энергия электрона в атоме водорода порядка 10 эВ. Используя соотношение неопределенностей, оценить минимальные линейные размеры атома.

Дано: Е = 10 эВ = 1,6·10^-18 Дж; m = 9,1·10^{-31 кг.}

Найти: r.

Решение. Минимальные размеры атома можно оценить, исходя из соотношения неопределенностей Гейзенберга: Δх×Δp_х ≥ ћ, где Δх – неопределенность координаты, Δр_х – неопределенность импульса, ћ = h/2p – постоянная Планка.

Предполагая, что Δх ≈ r – соответствует линейному размеру атома, получим Импульс электрона, обладающего кинетической энергией Е, равен:

Предполагая, что по порядку величина Δр ≈ р, оценим r:

; (м).

 

9. Электрон находится в одномерной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Ширина ямы l = 1 нм. Определить наименьшую разность энергетических уровней электрона.

Дано: l = 10^{-9 м,} m = 9,1×10^{-31 кг,} h = 6,64×10^-34 Дж×с.

Найти: ΔЕ_min.

Решение. Энергия электрона Е_n, находящегося в потенциальной яме шириной l, на n-м энергетическом уровне определяется по формуле:

Разность ΔΕ_n,n+1 энергий электрона на соседних n и (n+1)-м уровнях равна:

Очевидно, что ΔΕ будет минимальна при n = 1. Тогда:

(Дж) ≈ 1,1 (эВ).

10. Вычислить дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра .

Дано: m = 1.00783 а.е.м.; m_n = 1,00867 а.е.м.; m = 15,99492 а.е.м.;

Z = 8; А = 16.

Найти: Δm, Е_св, ε_св.

Решение. Дефект массы Δm ядра определяется по формуле:

Δm = Zm_p + (A-Z)m_n - m_я. (1)

В таблицах чаще всего приводят массу атомов (изотопов), т.е. суммарную массу ядра вместе с электронами, то формулу (1) можно записать также в виде:

Δm = Zm + (А-Z)m_n - m_a, (2)

где m_a-масса изотопа, дефект массы ядра которого необходимо определить.

Подставляя в (2) числовые данные, получим:

Δm = 0,13708 а.е.м.

Энергия связи ядра Е_св определяется по формуле:

Е_св = с²Δm. (3)

Если дефект массы Δm выражать в а.е.м., а энергию связи Е_св в МэВ, то формула (3) примет вид:

Е_св = 931 Δm (МэВ). (4)

Подставляя в (4) числовые значения, получим:

Е_св = 931·0,13708 ≈ 128 (МэВ).

Удельная энергия связи ε_св вычисляется по формуле:

ε_св= . (5)

Проведя вычисления, получим: ε_св = = 8 (МэВ).

 

11. За год распалось 60 % атомов некоторого радиоактивного элемента. Определить период полураспада этого элемента.

Дано: t = 1 год; = 0,6.

Найти: T_1/2.

Решение. Закон радиоактивного распада имеет вид:

N = N₀·e^-λt,

где N₀ – исходное число радиоактивных ядер, N – число не распавшихся ядер через время t, λ - постоянная радиоактивного распада, которая связана с периодом полураспада T_1/2 соотношением: T_1/2 = . По условию задачи:

;

е^-λt = 0,4; е^λt = = 2,5; λt = ln 2,5; λ = .

Тогда: T_1/2 =

 

12. Вычислить энергию ядерной реакции: Выделяется или поглощается энергия при этой реакции?

Решение. Энергия ядерной реакции определяется по формуле:

Q = c²(m₁ + m₂ - ∑m_i), (1)

где m₁ и m₂ - массы ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, ∑m_i - сумма масс ядер и частиц, образовавшихся в результате реакции. Если массу частиц выражать в а.е.м., а энергию реакции в МэВ, то формула (1) примет вид:

Q = 931(m₁ + m₂ - ∑m_i). (2)

При вычислении энергии ядерной реакции можно использовать массы атомов вместо масс их ядер. Из справочных данных находим:

а.е.м., а.е.м., а.е.м.

Дефект массы реакции равен: Dm = (2 = - 0,01864 а.е.м.

Подставляя значение дефекта массы реакции в (2), получим:

Q = 931(-0,01864) ≈ -17,4 (МэВ).