Учебное пособие: Методические указания к решению задач по атомной физике для студентов физического факультета Ростов-на-Дону

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

«КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к решению задач по атомной физике

для студентов физического факультета

Ростов-на-Дону

2006

Методические указания разработаны кандидатом физико-математических наук, ассистентом кафедры нанотехнологии И.Н. Леонтьевым и кандидатом физико-математических наук, зав. кафедрой нанотехнологии Ю.И. Юзюком.

Ответственный редактор канд. физ.-мат. наук И.Н. Леонтьев

Компьютерный набор и верстка инженер Г.А. Колесников

Печатается в соответствии с решением кафедры общей физики физического факультета РГУ, протокол № 21 от 25 апреля 2006 г.

ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ

· Закон Стефана — Больцмана

,

где R е – энергетическая светимость черного тела; Т – термодинамическая температура; s — постоянная Стефана – Больцмана.

· Энергетическая светимость серого тела в классическом приближении

,

где e – коэффициент теплового излучения (степень черноты) серого тела.

· Закон смещения Вина

,

где l m – длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения; b -постоянная закона смещения Вина.

· Энергия фотона

или ,

где h – постоянная Планка; ; n – частота излучения; w – циклическая частота; l – длина волны.

· Формула Планка для спектральной плотности энергии

,

где – спектральная плотность энергетической светимости черного тела; w – круговая частота; с – скорость света в вакууме; к – постоянная Больцмана; – постоянная Планка.

· Формула Эйнштейна для фотоэффекта

,

где e – энергия фотона, падающего на поверхность металла; А – работа выхода электрона из металла; Е max – максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона.

· Коротковолновая граница lmin сплошного рентгеновского спектра

,

где – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме; е – заряд электрона; U – разность потенциалов, приложенная к рентгеновской трубке.

· Давление производимое светом при нормальном падении,

или ,

где Ee – облученность поверхности; с – скорость электромагнитного излучения в вакууме; w – объемная плотность энергии излучения; r – коэффициент отражения.

· Изменение длины волны Dl фотона при рассеянии его на свободном электроне на угол q

,

где m – масса покоя электрона отдачи; с – скорость света в вакууме; – комптоновская длина волны.

Задача №1

Исследование спектра излучения Солнца показывает, что максимум спектральной плотности энергетической светимости соответствует длине волны l = 500 нм. Принимая Солнце за черное тело, определить: 1) энергетическую светимость Солнца; 2) поток энергии Фе ,излучаемый Солнцем; 3) массу m электромагнитных волн (всех длин), излучаемых Солнцем за 1 с.

Энергетическая светимость R черного тела выражается формулой Стефана – Больцмана

.

Температура излучающей поверхности может быть определена из закона смещения Вина

.

Выразив отсюда температуру Т и подставив ее в закон Стефана – Больцмана, получим

.

Произведя вычисления по этой формуле, получим Re = 64 МВт/м2 .

Поток энергии Фе, излучаемый Солнцем, равен произведению энергетической светимости R на площадь поверхности солнца S

,

где RC = радиус Солнца. Подставляя в последнюю формулу численные значения, получим Фе = 3,9×1026 Вт.

Массу электромагнитных волн (всех длин), излучаемых Солнцем за время D t, определим, применив закон пропорциональности массы и энергии

.

С другой стороны, энергия электромагнитных волн, излучаемых за время D t , равна произведению потока энергии Фе (мощности излучения) на время

.

Отсюда

.

Произведя вычисления, получим m = 4,3×109 кг.

Задача №2

Вин предложил следующую формулу для распределения энергии в спектре теплового излучения:

,

где а = 7,64 × 10-12 К × с. Найти с помощью этой формулы при Т = 2000 К: а) наиболее вероятную частоту w вер длину l вер излучения; б) средние значения частоты < w >.

Наиболее вероятную частоту излучения ω найдем из условия

.

Отсюда

.

Удовлетворяющие этому уравнению значения ω = 0, ω = ∞ соответствуют минимумам функции . Значение w, обращающее в нуль выражение, стоящее в скобках, представляет собой наиболее вероятную частоту излучения wвер

.

Откуда =7,8×1014 с-1 .

2. Поскольку связь функций и имеет следующий вид:

,

то в нашем случае

.

Наиболее вероятную длину волны излучения найдем из условия

.

Тогда

.

Удовлетворяющие этому уравнению значения λ = 0, λ = ∞ соответствуют минимумам функции . Значение λ, обращающее в нуль выражение, стоящее в скобках, представляет собой наиболее вероятную частоту излучения λвер .

=> =2,40 мкм.

Среднее значение частоты излучения определяется следующим выражением

.

Интегралы, стоящие как в числителе последней дроби, так и в знаменателе сводятся к следующему табличному интегралу:

.

Тогда

=1,05×1014 с-1 .

Задача №3

Преобразовать формулу Планка к виду, соответствующему распределению: а) по линейным частотам; б) по длинам волн.

Энергетическая светимость абсолютно черного тела определяется следующим выражением:

, (1)

где – функция спектрального распределения энергии излучения, определяемая формулой Планка

. (2)

Чтобы получить распределение по линейным частотам произведем в (1) замену переменных с учетом того, что

.

Тогда

,

,

отсюда

.

Аналогичным образом поступим, чтобы найти распределение по длинам волн. Поскольку

,

то

,

,

отсюда

.

Задача №4

Получить приближенные выражения формулы Планка при << и >> .

Рассмотрим первый случай, когда << . Отсюда

<< 1.

Тогда мы можем воспользоваться следующим тождеством

,

откуда

.

Подставляя полученное выражение в формулу Планка, получим

.

Полученное выражение представляет собой закон Рэлея – Джинса.

Рассмотрим теперь случай, когда >> . В этом случае единицей в знаменателе формулы Планка можно пренебречь т.к.

>> 1.

Отсюда

.

Полученное выражение совпадает с законом Вина (см. задачу №2). Здесь

, .

Задача №5

Определить максимальную скорость фотоэлектронов vmax , вырываемых с поверхности серебра: 1) ультрафиолетовым излучением с длиной волны l 1 = 0,155 мкм; 2) g –излучением с длиной волны l 2 = 2,47 пм.

Максимальную скорость фотоэлектронов определим из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта

. (3)

Энергия фотона вычисляется по формуле

.

Работа выхода электрона для серебра равна А = 4,7 эВ.

Кинетическая энергия фотоэлектрона в зависимости от того, какая скорость ему сообщается, может быть выражена по классической формуле

(4)

или по релятивистской

. (5)

Если энергия фотона e много меньше энергии покоя электрона Е0, то может быть применена формула (4); если же e сравнима по размеру с Е0, то вычисление по формуле (4) приводит к грубой ошибке, в этом случае кинетическую энергию фотоэлектрона необходимо вычислять по формуле (5).

Для ультрафиолетового излучения с длиной волны l 1 = 0,155 мкм энергия фотона равна e 1 = 8 эВ, что много меньше энергии покоя электрона (0,511 МэВ). Следовательно, в данном случае формула (4) справедлива, откуда

= 1,08×106 м/c.

В случае g – излучения с длиной волны l 2 = 2,47 пм энергия фотона равна e 1 = 0,502 МэВ, тогда работой выхода электрона (А = 4,7 эВ) можно пренебречь и можно принять, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна энергии фотона. Т.к. в данном случае энергия покоя электрона сопоставима с энергией фотона, то для вычисления скорости фотоэлектрона необходимо воспользоваться релятивистской формулой для кинетической энергии

,

где . Произведя математические преобразования, получим

.

Тогда максимальная скорость фотоэлектронов, вырываемых g – излучением равна

= 226×106 м/c.

Задача №6

До какого потенциала можно зарядить удаленный от других тел цинковый шарик, облучая его ультрафиолетовым излучением с длиной волны l = 200 нм.

При облучении шарика ультрафиолетовым излучением с длиной волны l, из него будут выбиваться электроны с максимальной кинетической энергией Е max, причём электроны будут покидать шарик до тех пор, пока энергия электростатического взаимодействия (притяжения) W не станет равной максимальной кинетической энергии фотоэлектронов Е max, т. е.

W = Е max .

Максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов найдем из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта

,

где AZn – работа выхода электрона для цинка. Отсюда

.

Поскольку

,

где е – заряд электрона, j – потенциал шарика, то

.

Отсюда

=2,74 В.

Задача №7

Определить красную границу l кр фотоэффекта для цезия, если при облучении его поверхности фиолетовым светом с длиной волны l = 400 нм максимальная скорость vmax фотоэлектронов равна 0,65 Мм/с…

При облучении светом, длина волны которого l кр соответствует красной границе фотоэффекта, скорость, а следовательно, и кинетическая энергия фотоэлектронов равны нулю. Поэтому уравнение Эйнштейна в этом случае будет иметь вид

или ,

где А Cs – работа выхода электрона из цезия. Отсюда

. (6)

Чтобы получить работу выхода электрона из цезия воспользуемся уравнением Эйнштейна в виде

. (7)

Подставляя (7) в (6), получим

.= 651 нм.

Задача №8

После увеличения напряжения на рентгеновской трубке в h = 2,0 раза первоначальная длина волны l коротковолновой границы сплошного рентгеновского спектра изменилась на D l = 50пм. Найти l .

Коротковолновая граница тормозного излучения сплошного рентгеновского спектра определяется выражением:

,

где V – напряжение на рентгеновской трубке; а – некоторая постоянная, то при увеличении напряжения на рентгеновской трубке длина волны рентгеновского излучения будет уменьшаться. Тогда

и .

Разделив второе равенство на первое, получим

.

Отсюда находим

.

Задача №9

Определить напряжение на рентгеновской трубке, если известно, что зеркальное отражение узкого пучка ее излучения от естественной грани монокристалла NaCl наблюдается при уменьшении угла скольжения вплоть до a = 4,1 ° . Соответствующее межплоскостное расстояние d = 281 пм.

Согласно закону Вульфа – Брэгга

, (8)

где d – межплоскостное расстояние, a – угол дифракции (брэгговский угол или угол, под которым наблюдается максимум отраженного от кристалла рентгеновского пучка), l – длина волны падающего рентгеновского излучения, n – порядок дифракции (в данном случае n = 1).

Коротковолновая граница тормозного излучения сплошного рентгеновского спектра определяется следующим выражением:

,

где V – напряжение на рентгеновской трубке. Подставляя последнее выражение в (8), получим

.

Отсюда

.

Подставляя в последнее выражение численные значения, получим V = 31 кВ.

Задача №10

Узкий пучок рентгеновского излучения с длиной волны λ падает на рассеивающее вещество. Найти λ , если длины волн смещенных составляющих излучения, рассеянного под углами q 1 = 60° и q 2 = 120°, отличаются друг от друга в h = 2,0 раза.

Изменение длины волны фотона при его рассеивании на свободном электроне равно

, (9)

где – комптоновская длина волны электрона. Тогда формула (9) для случаев рассеяния на углы q 1 и q 2 примет соответственно следующий вид:

,

.

По условию задачи

,

отсюда

.

Используя тригонометрическое тождество , получим

.

Отсюда

.

Подставляя в последнее выражение численные значения получим l = 1,2 пм.

Задача №11

Фотон с энергией Е = 0,75 Мэв рассеялся на свободном электроне под углом q = 60 ° . Принимая, что кинетическая энергия и импульс электрона до соударения с фотоном были пренебрежимо малы, определить: а) энергию Е ¢ рассеянного фотона; б) кинетическую энергию электрона отдачи; в) направление его движения.

Энергию рассеянного фотона найдем, воспользовавшись формулой Комптона:

.

Выразив длины волн l¢ и l через энергии Е ¢ и Е соответствующих фотонов, получим

.

Разделив обе части полученного равенства на , получим

. (10)

Отсюда

.

Подставив численные значения величин, получим Е ¢ = 0,43 МэВ.

Кинетическая энергия электрона отдачи Ек, как это следует из закона сохранения энергии, равна разности между энергией падающего фотона Е и энергией рассеянного фотона Е ¢:

МэВ.

Направление движения электрона отдачи можно определить воспользовавшись законом сохранения импульса, согласно которому импульс падающего фотона равен векторной сумме импульсов рассеянного фотона и электрона отдачи :

.

Векторная диаграмма импульсов показана на рис.1. Все векторы проведены из точки О, где находился электрон в момент соударения с фотоном. Угол j определяет направление движения электрона отдачи.

Из треугольника OCD находим

Рис.1

Или

Так как и , то

. (11)

Из (10) следует, что

. (12)

Заменяя в (11) отношение Е/ E ¢ по формуле (12), получим

.

Учитывая, что

и ,

получим

.

Подставив численные значения, получаем , откуда j = 35°

Задача №12

Пучок монохроматического света с длиной волны l = 663 нм падает нормально на плоскую зеркальную поверхность. Поток энергии Фе = 0,6 Вт. Определите силу F давления, испытываемую этой поверхностью, а также число фотонов N , падающих на нее за время D t =5с.

Сила светового давления на поверхность равна произведению светового давления p на площадь S поверхности:

.

Световое давление может быть найдено по формуле

.

Тогда

. (13)

Поскольку произведение облученности поверхности Ее на площадь поверхности S равно потоку Фе энергии излучения, падающего на поверхность, то (13) можно переписать в виде

.

После подстановки численных значений и с учетом того, что r = 1 (поверхность зеркальная), получим F = 4 нН.

Число фотонов, падающих за время D t на поверхность, определяется по формуле

,

где D W – энергия получаемая поверхностью за время D t , – энергия одного фотона. Отсюда

=1019 фотонов.

Задача №13

Параллельный пучок света с длиной волны l = 500 нм падает нормально на зачерненную плоскую поверхность, производя давление p = 10 мкПа. Определить: 1) концентрацию n фотонов в пучке; 2) число n 1 фотонов, падающих на поверхность площадью 1 м2 за время 1с.

Концентрация фотонов в пучке n может быть найдена, как частное от деления объемной плотности энергии w на энергию одного фотона e

. (14)

Из формулы, определяющей давления света

,

выразим w и, подставив в (14), получим

Поскольку энергия одного фотона определяется выражением

,

то

Коэффициент отражения r для зачерненной поверхности равен нулю. Тогда подставляя численные значения, получаем n = 2,52×1013 м-3 .

Число фотонов n 1, падающих на поверхность площадью 1 м2 за время 1с найдем из соотношения

,

где N – число фотонов, падающих за время D t на поверхность площадью S. Но так как

,

следовательно

.

После подстановки численных значений, получаем = 7,56×1021 м-2 ×с-1 .

Задача №14

Лазер излучает в импульсе длительностью t = 0,13 мс узкий пучок света с энергией Е = 10 Дж. Найти среднее за время t давление такого пучка света, если его сфокусировать в пятнышко диаметром d = 10мкм на поверхности, перпендикулярной пучку, с коэффициентом отражения r = 0,5.

Так как давление света определяется выражением

,

а произведение облученности поверхности Ее на площадь поверхности S равно потоку Фе энергии излучения, падающего на поверхность, то

.

Поток Фе энергии излучения, падающего на поверхность равен

,

тогда с учетом того, что

,

получим

.

Подставляя численные значения, получим р = 5 МПа ~ 50 атм.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ

Постоянная Планка
Скорость света в вакууме	с = 2,998×108 м/c
Масса электрона
Заряд электрона
Электрическая постоянная	eo = 8,85×10-12 Ф/м 1/4peo =9×109 м / Ф
Постоянная Стефана — Больцмана	s = 5,67×10-8 Вт/(м2 ×К4 )
Постоянная закона смещения Вина	b = 2,90×10-3 м ×К
Постоянная Больцмана

ЛИТЕРАТУРА

1. Иродов И.Е. Задачи по квантовой физике: Учебное пособие для физ. спец. вузов. – М.: Высшая шк., 1991. – 175с.

2. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы: Учебное пособие для вузов. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. – 271с.

3. Трофимова Т.И., Павлова З.Г.: Сборник задач по курсу физики с решениями: Учебное пособие для вузов. Изд. седьмое, стереотипное– М.: Высшая шк., 2006. – 591с.

4. Чертов А.Г, Воробьев А.А. Задачник по физике. Изд. пятое, переработанное и дополненное – М.: Высшая шк., 1988. – 527с.

5. Борн М. Атомная физика. – М.: «Мир», 1970. – 483с.

6. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3 — М.: Наука., 1982. – 304с.

7. Савельев И.В. Сборник вопросов и задач по общей физики. — М.: Наука, 1982. –271с.