Физика (лучшее)
ния электрона ему надо сообщить минимальную
энергию, называемую работой выхода А электрона. Если энергия фотона больше
или равна работе выхода, то электрон вырывается из вещества, т.е.
происходит фотоэффект. Вылетающие электроны имеют различные кинетические
энергии. Наибольшей энергией обладают электроны, вырываемые с поверхности
вещества. Электроны же, вырванные из глубины прежде, чем выйти на
поверхность теряют часть своей энергии при соударениях с атомами вещества.
Наибольшую кинетическую энергию Wк, которую приобретает электрон, найдём,
используя закон сохранения энергии,
[pic] или [pic]
где m и Vm – масса и наибольшая скорость электрона. Это соотношение можно
записать иначе:
[pic] или [pic]
Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно
формулируется: энергия поглощённого фотона расходуется на работу выхода
электрона и приобретение им кинетической энергии.
Уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Пусть на
вещество падает монохроматический свет. Согласно квантовой теории,
интенсивность света пропорциональна энергии, которая переносится фотонами,
т.е. пропорциональна числу фотонов. Поэтому с увеличением интенсивности
света увеличивается число фотонов, падающих на вещество, а следовательно, и
число вырываемых электронов. Это есть первый закон внешнего фотоэффекта. Из
формулы (87.1) следует, что наибольшая кинетическая энергия фотоэлектрона
зависят от частоты v света и от работы выхода А, но не зависит от
интенсивности света. Это второй закон фотоэффекта. И, наконец, из выражения
(87.2) вытекает вывод, что внешний фотоэффект возможен, если hv ( А.
Энергии фотона должно по крайней мере, хватить хотя бы на вырывание
электрона без сообщения ему кинетической энергии. Тогда красную границу v0
фотоэффекта находим из условия hv0 = А или v0 =А/h. Таким образом
объясняется третий закон фотоэффекта.
2.Применение фотоэффекта. Открытие фотоэффекта имело очень большое
значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки
состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строение
окружающего нас мира, но и в том, что она даёт нам в руки средства,
используя которые можно совершенствовать производство, улучшать условия
материальной и культурной жизни общества.
С помощью фотоэффекта «заговорило» кино и стала возможной передача
движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов
позволило создать станки, которые без всякого участия человека изготовляют
детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют
размеры изделий лучше любого человека, вовремя включают и выключают маяки и
уличное освещение и т. п.
Все это оказалось возможным благодаря изобретению особых устройств —
фотоэлементов, в которых энергия света управляет энергией электрического
тока или преобразуется в нее.
Современный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, часть
внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла с малой работой
выхода (рис. 208). Это катод. Через прозрачное «окошко» свет проникает
внутрь колбы. В ее центре расположена проволочная петля или диск — анод,
который служит для улавливания фотоэлектронов. Анод присоединяют к
положительному полюсу батареи. Применяемые фотоэлементы реагируют на
видимый свет и даже на инфракрасные лучи.
При попадании света на катод фотоэлемента в цепи возникает электрический
ток, который включает или выключает то или иное реле. Комбинация
фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество различных видящих
автоматов. Одним из них является автомат в метро. Он срабатывает (выдвигает
перегородку) при пересечении светового пучка, если предварительно не
опущена пятикопеечная монета.
Подобного рода автоматы могут предотвращать аварии. На заводе фотоэлемент
почти мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека оказывается
в опасной зоне.
При попадании света на фотоэлемент в цепи батареи G1 через резистор R идет
слабый ток. К концам резистора присоединены база и эмиттер транзистора.
Потенциал базы выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи
транзистора отсутствует. Когда рука человека попадает в опасную зону, она
перекрывает световой поток, падающий на фотоэлемент. Переход эмиттер база
открывается для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в
цепь коллектора, пойдет ток. Реле сработает, и контакты реле замкнут цепь
питания механизма, который остановит пресс.
С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного
на кинопленке.
Кроме рассмотренного в этой главе фотоэффекта, называемого внешним
фотоэффектом, разнообразные применения находит внутренний фотоэффект в
полупроводниках. Это явление используется в фоторезисторах — приборах,
сопротивление которых зависит от освещенности. Кроме того, сконструированы
полупроводниковые фотоэлементы, непосредственно преобразующие световую
энергию в энергию электрического тока. Эти приборы сами могут служить
источниками тока. Их можно использовать для измерения освещенности,
например в фотоэкспонометрах. На том же принципе основано действие
солнечных батарей, устанавливаемых на всех космических кораблях.
Билет № 25
Состав атомного ядра. Эксперименты Резерфорда показали, что атомы имеют
очень малое ядро, вокруг которого вращаются электроны. По сравнению с
размерами ядра, размеры атомов огромны и, поскольку практически вся масса
атома заключена в его ядре, большая часть объёма атома фактически является
пустым пространством. Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов.
Элементарные частицы, образующие ядра (нейтроны и протоны) — называются
нуклонами. Протон (ядро атома водорода) обладает положительным зарядом +е,
равным заряду электрона и имеет массу в 1836 раз больше массы электрона.
Нейтрон — злектрически нейтральная частица с массой примерно равной 1839
масс электрона.
Количество протонов Z в ядре нейтрального атома равно числу электронов в
его электронной оболочке и определяет его заряд, равный +Ze. Число Z
называется зарядовым числом и определяет порядковый номер химического
элемента периодической системы Менделеева. N — число нейтронов в ядре, А —
массовое число, равное суммарному количеству протонов Z и нейтронов N в
ядре. Ядро атома обозначается тем же символом, что и химический элемент,
снабжаясь двумя индексами (например, [pic]), из которых верхний обозначает
массовое, а нижний зарядовое число.
Изотопами называются ядра с одним и тем же зарядовым числом и различными
массовыми числами. Большинство химических элементов имеет несколько
изотопов. Они обладают одинаковыми химическими свойствами и занимают одно
место в таблице Менделеева. Например, водород имеет три изотопа: протий
([pic]), дейтерий ([pic]) и тритий ([pic]). У кислорода встречаются изотопы
с массовыми числами А = 16, 17, 18. В подавляющем большинстве случаев
изотопы одного и того же химического элемента обладают почти одинаковыми
физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода)
Приближённо размеры ядра были определены в опытах Резерфорда по рассеянию
(-частиц. Наиболее точные результаты получаются при изучении рассеяния
быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерно сферическую
форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле[pic] м.
Энергия связи ядра. Атомные ядра, состоящие из положительно заряженных
протонов и нейтронов, представляют собой устойчивые образования несмотря на
то, что между протонами существует сильное отталкивание. Устойчивость ядер
свидетельствует, что между нуклонами в ядре действуют силы притяжения,
превосходящие силы электростатического отталкивания протонов. Их назвали
ядерными силами. Эти силы обладают рядом особенностей:
1) Они являются только силами притяжения и значительно сильнее
электростатического отталкивания протонов.
2) Эти силы короткодействующие. Расстояние, на котором ещё действуют
ядерные силы, называют радиусом действия этих сил. Он равен примерно
[pic]м.
3) Ядерные силы являются зарядово независимыми. Это означает, что
взаимодействие двух нуклонов совсем не зависит от того, обладают или не
обладают они зарядом. Ядерные силы между двумя протонами, или двумя
нейтронами, или протоном и нейтроном одинаковы
4) для ядерных сил характерно насыщение, подобно насыщению сил
химической связи валентных электронов атомов в молекуле. Насыщение
проявляется в том, что нуклон взаимодействует не со всеми остальными
нуклонами ядра, а лишь с некоторыми ближайшими соседями.
Для изучения ядерных сил, казалось бы, надо знать их зависимость от
расстояния между нуклонами. Однако изучение связи между нуклонами может
быть проведено и энергетическими методами.
О прочности того или иного образования судят по тому, насколько легко или
трудно его разрушить: чем труднее его разрушить, тем оно прочнее. Но
разрушить ядро — это значит разорвать связи между его нуклонами. для
разрыва этих связей, т.е. для расщепления ядра на составляющие его нуклоны,
необходимо затратить определённую энергию, называемую энергией связи ядра.
Оценим энергию связи атомных ядер. Пусть масса покоя нуклонов, из которых
образуется ядро, равна [pic], Согласно специальной теории относительности,
ей соответствует энергия
| |  скачать работу |
Физика (лучшее) |
