коллоквиум
.pdf
атомы каждого химического элемента независимо от того, в каких химических соединениях они находятся, обладают своим определенным линейчатым спектром характеристического рентгеновского излучения. Рентгеновские линейчатые спектры являются индивидуальной характеристикой атома, не изменяющейся при вступлении его в химические соединения. Это указывает на то, что возникновение характеристического рентгеновского излучения связано с процессами, происходящими в глубинных, застроенных электронных оболочках атомов, которые не изменяются при химических реакциях атомов. В этом и заключается отличие от оптических линейчатых спектров, которые существенно различаются для атомов, находящихся в свободном состоянии и в химических соединениях. Как и оптические спектры, линейчатые рентгеновские спектры состоят из линий, составляющих несколько серий. Однако в отличие от серий оптических спектров, имеющих множество линий и обнаруживающих большое разнообразие у атомов разных химических элементов, серии рентгеновских линейчатых спектров имеют небольшое число линий. Оптические спектры определяются состоянием внешних, валентных электронов, а рентгеновские характеристические — внутренних, глубинных, электронов атомов.
г). Чем отличаются изобары и изотопы?
Атомы с одинаковым массовым числом называются изобарами, например,
Изотопы – нуклиды с одинаковым Z, но различными А и N. Например, химический элемент водород (т.е. разновидность атомов с одинаковым зарядом ядра, равным +1) в
природе существует в виде (протий), (дейтерий, ), (тритий, ). Искусственно
получен , отличающийся числом нейтронов и массовым числом (N и А), т. е. известны четыре изотопа водорода.
У ядер изотопов одно и то же Z (заряд ядра = числу протонов), но разные A (массовое число) и N (число нейтронов в ядре); у ядер-изобар одинаковое A(массовое число) и разные Z(заряд ядра = числу протонов) и N(число нейтронов в ядре).
2. Фототок, возникающий в цепи вакуумного фотоэлемента при освещении цинкового электрода электромагнитным излучением с длиной волны 262нм, прекращается, если подключить внешнее задерживающее напряжение 1,5 В. Найти величину и полярность внешней контактной разности потенциалов фотоэлемента.
3. Волосок лампы накаливания, рассчитанный на напряжение 2В, имеет длину 10см и диаметр 0.03мм.Полагая, что волосок излучает как абсолютно черное тело, определите температуру нити и длинуволны, на которую приходится максимум энергии в спектре излучения. Вследствие теплопроводности лампа
рассеивает 8% потребляемой мощности, удельное сопротивление материала волоска U.
Билет 15
а). Неплохим приближением к абсолютно черному телу служит зрачок глаза. Почему?
На принципе многократного отражения основано устройство тела, наиболее приближающегося по своим свойствам к абсолютно черному. Оно изготовляется в виде почти замкнутой полости, снабженной небольшим отверстием. Излучение, проникающее через отверстие, падает на стенки полости, частично поглощается ими, частично рассеивается или отражается и вновь попадает на стенки. Благодаря малым размерам отверстия, луч должен претерпеть много отражений, прежде чем он сможет выйти наружу. Повторные поглощения на стенках приводят к тому, что практически все излучение любой частоты поглощается такой полостью. Это устройство очень похоже на зрачок глаза.
б). Какие среды испускают линейчатый спектр: а) газы; б) жидкости; в) твердые тела? Какие испускают непрерывный спектр?
Непрерывный спектр дают тела в жидком или твердом состоянии, высокотемпературная плазма.
Линейный спектр имеют все вещества в газообразном атомарном состоянии. Полосатый спектр дают газообразные тела в молекулярном состоянии
в). Что определяет квадрат модуля волновой функции?
В квантовой физике описание состояния имеет вероятностный характер. Вероятность W нахождения частицы в точке (x,y,z) определяется квадратом модуля волновой
функции
Квадpат модуля волновой функции определяет вероятность обнаружения частицы в заданной точке пpостpанства.
г). Укажите как можно больше различий между альфа-, бета- и гамма-излучением.
Принципиальная разница этих видов излучений в том, что бета-излучение (как, впрочем и альфа-) это материальное излучение, - излучение частиц. А гаммаизлучением называется излучение энергии. Различна физическая природа этих
излучений: - излучение ядер Не, |
- быстрых электронов, - излучение |
|
электромагнитных волн с длинами |
. |
|
частицы положительно заряжены, |
- отрицательно, |
- электромагнитные. |
Различна проникающая способность: |
- наименьшая, |
- наибольшая. |
2. Фотон с длиной волны 6,0 пм рассеялся под прямым углом на покоившемся свободном электроне. Найти: а)частоту рассеянного фотона; б)кинетическую энергию электрона отдачи.
:
Находим частоту рассеянного фотона:
3. В спектре излучения огненного шара, радиусом 100м, возникающего при ядерном взрыве, максимум энергии излучения приходится на длину волны 0.289мкм. Определите: а) температуру поверхности шара; б) энергию, излучаемую поверхностью шара за время 0.001с.
Билет 16
а). Что можно сказать об относительной температуре звезд, имеющих желтый, голубой и красный оттенки?
Температура красных звезд меньше температуры желтых. Температура голубых звезд больше температуры желтых.
Если считать, что излучение звезд близко к излучению абсолютно черного тела, то справедлив закон Вина: максимум излучения приходится на длину
волны так как .
б). В чем суть опытов Франка и Герца? Какие выводы можно сделать из этих опытов?
Дж.Франк и Г.Герц экспериментально подтвердили правильность представления о квантовании энергетических уровней, бомбардируя атомы паров ртути электронами с известной энергией. Они измеряли энергию, теряемую электронами при рассеянии на атомах ртути. Электроны с энергией ниже определенного порогового значения вообще не передавали энергию атомам ртути; но, как только энергия электронов оказывалась достаточной для возбуждения перехода атома ртути на ближайший уровень с более высокой энергией, электроны интенсивно передавали свою энергию, атомы могли поглощать энергию только определенными порциями. Это было убедительным доказательством существования квантованных энергетических уровней .
Также их опыты явились экспериментальным подтверждением правильности основных положений теории Бора, например, второй постулат Бора – правило частот.
в). Какие условия необходимы для возникновения вынужденного излучения в веществе? Что такое инверсия населенностей?
Если на возбужденный атом действует электромагнитная волна с частотой v,
удовлетворяющей соотношению энергии квантовых состояний атома, возникает вынужденное излучение. В каждом акте вынужденного излучения участвуют два фотона. Один из них, распространяясь от внешнего источника (соседнего атома), воздействует на атом, в результате которого испускается фотон. Оба фотона имеют одинаковое направление распространения и поляризации, а также одинаковые частоты и фазы. То есть вынужденное излучение всегда когерентно с вынуждающим.
Чтобы вынужденное излучение превосходило спонтанное излучение и вынужденное поглощение необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в основном
состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсией населенности или инверсными. Для того, чтобы происходило усиление излучения, необходимо, чтобы интенсивность вынужденного излучения превышала интенсивность поглощения фотонов. Вынужденное излучение возможно тогда, когда создана инверсия населенностей энергетических уровней, т.е. на более высоком энергетическом уровне находится больше электронов, чем на более низком..
г). Источником световой энергии, излучаемой Солнцем и звездами, служит ядерный синтез. Какие условия в недрах звезд делают возможным протекание термоядерных реакций?
Для осуществления ядерного синтеза необходимо сблизить ядра легких элементов на
расстояние , поскольку на таких расстояниях действуют ядерные силы. Звезды за счет соей огромной массы испытывают огромное гравитационное сжатие , за счет чего во внутренних слоях звезды и происходит сближение
ядер осуществляется термоядерный синтез
2.Фотон с энергией Е=0,15 МэВ рассеялся на покоившемся свободном электроне, в результате чего его длина волны изменилась на 3,0пм. Найти угол, под которым вылетел комптоновский электрон.
3. Энергия ионизации водородного атома Ei=13.6 эВ. Исходя из этого, определить энергию (в эВ) фотона, соответствующего второй линии серии Бальмера.
Билет 17
a). Запишите формулу Планка. Используя формулу Планка получите формулу РэлеяДжинса и правило смещения Вина.
Правило смещения Вина. Если испускательная способность абсолютно черного тела достигает максимального значения при λ=λm, то производная по λ от испускательной
способности в выражении
должна обращаться в ноль при λ=λm. Взяв производную по λ и введя обозначение
, получаем уравнение xex−5ex+5=0.
Единственное решение этого транцендентного уравнения x4.965, тогда
- постоянная Вина.
Формула Рэлея-Джинса. Как упоминалось выше, формула Рэлея-Джинса хорошо согласуется с экспериментальными данными для случая больших температур и малых
частот, т.е. |
. Тогда в выражении (1.33) можно записать |
, и |
значение испускательной способности абсолютно черного тела будет
равно |
, что совпадает с формулой Рэлея-Джинса |
б). Чему равно отношение давления света на зеркальную и зачерненную поверхности?
На зачерненной поверхности фотон с импульсом Р: поглощает и передает этот импульс стенке. На зеркальной поверхности – отражается. Импульс фотона (при падении на
поверхность) меняется на величину . Такой же импульс передается стенке
на зеркальную поверхность давление в 2 раза выше..
в)Какие типы лазеров вы знаете? Объясните принцип действия наиболее распространенного - He-Neлазера.
Существует несколько классификаций лазеров. По типу активной среды они делятся на газовые, твердотельные, жидкостные и полупроводниковые. По временным характеристикам излучения: на непрерывные и импульсные. Можно классифицировать лазеры также по типу накачки, по типу резонатора и.т.д.
Инверсия населенности в гелий-неоновом лазере достигается при помощи газового разряда. В газовом разряде электроны ускоряются электрическим полем, сталкиваются с атомами и ионизуют их, вызывая появление вторичных электронов, которые в свою очередь также ускоряются, и т. д. Часть атомов при столкновениях не ионизуется, а возбуждается. При определенных условиях (давлении газа, напряжении на трубке) доля возбужденных атомов может оказаться столь велика, что возникнет инверсия населенности. В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы Ne. Они могут быть возбуждены непосредственно в газовом разряде. Однако времена жизни уровней неона таково, что инверсная населенность, создаваемая таким образом, невелика. Поэтому дополнительно используется резонансная передача возбуждения атомами гелия, которые присутствуют в разряде в качестве примеси. При этом используется тот факт, что энергии уровней E2и E3 гелия весьма близки к энергиям уровней E4 и E5 неона. Для того, чтобы процесс передачи энергии эффективно шел от He к Ne, а не наоборот, отношение парциальных давлений He и Ne должно быть
приблизительно 3:1.Рабочими переходами Ne являются переходы E5→E3 и E4→E3, при этом длины волн лазерного излучения равны λ53=0,63 мкм и λ43=1,15 мкм. Выбор
длины |
волны |
излучения He-Ne лазера |
осуществляется |
выбором |
типа |
интерференционных |
зеркал. Энергетический |
уровень E3 опустошается за |
счет |
||
безизлучательных переходов на уровень E2. |
|
|
|
||
г). Почему прочность ядер уменьшается при переходе к тяжелым элементам?
При объединении нуклонов в ядро выделяется определенное количество энергии -
энергия образования ядра. Эта энергия численно равна энергии связи ядра , которая измеряется минимальной работой, необходимой для того, чтобы расщепить ядро на
составляющие его нуклоны. Энергия связи ядер зависит от числа нуклонов в ядре. обладают все элементы, находящиеся в центре периодической системы
Менделеева . Уменьшение удельной энергии связи (энергии связи,