Конспект лекций по физике для довузовской подготовки москва -2014
жүктеу/скачать 1,26 Mb. Pdf көрінісі
|
Конспект лекций по физике
- Бұл бет үшін навигация:
- 11.2. Внешний фотоэффект n=5 n=4 n=3 серия Пашена
- Лаймана Рис . 11.1
- 11.3. Атомное ядро . Дефект массы . Энергия
| 11.2.
Внешний фотоэффект n=5 n=4 n=3 серия Пашена n=2 серия Бальмера n=1 серия Лаймана Рис . 11.1 В . А . Никитенко , А . П . Прунцев 149 Корпускулярная теория электромагнитного излучения полу - чила подтверждение при объяснении явления , которое называют внешним фотоэффектом . Внешний фотоэлектрический эффект – это явление вырывания электронов с поверхности твердых тел и жидкостей при воздействии на них электромагнитного излучения , в частности , света . Для изучения фотоэлектрического эффекта обыч - но используют схему , изображенную на рис . 11.2. Фотоэлемент пре - дставляет собой прозрач - ную колбу , в которой создан вакуум . Внутри колбы имеются два элек - трода : катод ( К ) и анод ( А ). Катод облучается световым потоком Ф от источника монохромати - ческого света . Между анодом и катодом создают элек - трическое поле с помо - щью внешнего источника тока Е . Разность потенциалов между электродами регулируется по - тенциометром R. Амперметр и вольтметр , включенные в цепь фото - элемента , необходимы для измерений фототока и разности потенциа - лов между анодом и катодом . Основным показателем работы фотоэлемента является вольт - амперная характеристика , под которой понимают зависимость фотото - ка J от разности потенциалов U в пространстве анод - катод , т . е . J=f(U). Для неизменного светового потока и заданной частоты света вольт - амперная характеристика имеет вид , представленный на рис . 11.3. Получаемая характеристика позволяет сделать следующие выводы . Ф К А Е Рис . 11.2 V A R Конспект лекций 150 С поверхности ка - тода под действием света испускаются электроны , обладающие некоторой начальной скоростью 0 и способные достигнуть анода даже при нулевой разности потенциалов между анодом и катодом . Для того , чтобы полно - стью затормозить элек - троны , между анодом и катодом необходимо соз - дать тормозящее элек - троны электрическое по - ле , подавая на анод отрицательный по отношению к катоду потенциал U зап . . Увеличение светового потока не влияет на величину начальной скорости электронов , а , следовательно , и их кинетическую энергию . Запирающий потенциал также остается неизменным в силу закона сохранения энергии 2 m 2 0 = e U зап . , (11.7) где е – заряд электрона . Ток насыщения фотоэлемента J нас . не зави - сит от приложенной раз - ности потенциалов . Это говорит о том , что число электронов , вырываемых в единицу времени опреде - ляется только величиной светового потока . Если световой по - ток оставить неизменным , J = const Ф 2 Ф 1 Ф 1 I нас . О U U зап . Рис . 11.3 J Ф = const J нас . 1 2 2 1 О U U зап .1 U зап .2 Рис . 11.4 В . А . Никитенко , А . П . Прунцев 151 а изменять частоту света , то вольт - амперная характеристика примет следующий вид ( рис . 11.4). Из этой характеристики отчетливо видно , что начальная ско - рость вырванных с поверхности катода электронов не зависит от вели - чины светового потока , а некоторым образом определяется частотой света . Связь между током насыщения и величиной светового потока была изучена А . Г . Столетовым , установившим простой закон ( закон Столетова ): J н = const Ф . (11.8) При некоторой частоте min , характерной для данного мате - риала , фотоэффект исчезает . Экспериментально установленная зави - симость запирающего напряжения от частоты света выглядит как по - казано на рис . 11.5. При этом тангенс угла наклона соответ - ствует отношению e h , то есть tg e h . (11.9) С точки зрения классической физики может быть объяснен лишь закон Столетова . Все остальные опытные факты , установленные при исследовании фо - тоэффекта классическая физика , основанная лишь на представлениях о волновой природе света , не объясняет . Правильную , совпадающую с опытом , теорию фотоэффекта впервые сформулировал А . Эйнштейн . Он предложил рассматривать свет как поток отдельных порций излучения – квантов , названных U зап . min Рис . 11.5 Конспект лекций 152 фотонами . Каждый фотон имеет энергию Е = h , импульс р = с E и мас - су 2 c h . При этом каждый отдельный фотон взаимодействует с кон - кретным электроном , отдавая последнему свою энергию . Этой энер - гии может быть достаточно для совершения работы по преодолению сил электрического поля и выходу электрона на поверхность осве - щаемого вещества . Эта работа называется работой выхода А вых элек - трона из , например , металла . Иногда энергии фотона достаточно не только для совершения работы выхода , но и сообщения электрону дополнительной кинетической энергии . В соответствии с законом со - хранения энергии этот процесс можно описать соотношением , кото - рое было названо уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэф - фекта h = А вых + 2 m 2 0 . (11.10) Учитывая , что 2 m 2 0 = eU зап . , выражение (11.10) можно записать иначе h = А вых + eU зап . . (11.11) Минимальная частота ( максимальная длина волны ) света , при которой еще возможен фотоэффект называется красной границей фотоэффекта . При этом фотон обладает энергией , достаточной лишь для совершения работы выхода . Уравнение Эйнштейна для этого слу - чая записывается следующим образом h кр = А вых . (11.12) Объяснение закона Столетова по теории Эйнштейна заключа - ется в том , что ток насыщения , а , следовательно , и количество элек - тронов , испускаемых веществом пропорционально числу падающих В . А . Никитенко , А . П . Прунцев 153 на его поверхность фотонов , определяющих в свою очередь величину светового потока . 11.3. Атомное ядро . Дефект массы . Энергия связи . Основы ядерной энергетики . Радиоактивность Ядро атома – это его центральная массивная часть . Установ - лено , что ядро состоит из протонов и нейтронов , имеющих общее на - звание – нуклоны . Протон обладает положительным элементарным зарядом ( е =+1,6 10 -19 Кл ), его масса составляет 1836 m е масс электрона (m е =9,1 10 -31 кг ). Нейтрон электрически нейтрален ( отсюда его назва - ние ), его масса несколько больше массы протона и равна 1838,5 m е . Общее число нуклонов в ядре соответствует массовому числу А эле - мента в таблице Менделеева . Порядковый номер элемента Z равен числу протонов в ядре . Тогда число нейтронов легко подсчитать как N=A–Z. Ядра атомов , содержащие одинаковое число протонов , но различное число нейтронов , называются изотопами . Нуклоны в ядре связаны друг с другом ядерными силами , и для того , чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны , необ - ходимо совершить работу , равную энергии связи нуклонов в ядре . Из этого следует , что сумма масс покоя нуклонов , входящих в состав ядра больше , чем масса самого ядра на величину , которую называют дефектом массы : Zm p + (A–Z) m n – M я = m, (11.13) где m p – масса протона ; m n – масса нейтрона , M я – масса ядра , m – дефект массы . При этом энергия связи W = m c 2 = c 2 [Zm p +(A–Z) m n – M я ]. (11.14) жүктеу/скачать 1,26 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|