Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
сессия / физика / Atomnaya_fizika_i_yadernaya_fizika_Elementy_kvant.doc
Скачиваний:
96
Добавлен:
19.05.2015
Размер:
435 Кб
Скачать
☆

Примеры решения задач

1. Вывести формулы для радиуса стационарной орбиты и скорости электрона в атоме водорода и вычислить эти величины для n = 1.

Решение

По теории Бора электрон движется в атоме водорода вокруг протона по круговой орбите под действием силы кулоновского притяжения. По второму закону Ньютона для электрона:

, (1)

где ε0 — электрическая постоянная; m — масса электрона; e — заряд электрона; vn — линейная скорость; rn — радиус орбиты электрона в стационарном состоянии; n — номер стационарного состояния (n = 1,2,…).

Радиус n-й боровской орбиты rn и скорость vn электрона на ней связаны между собой уравнением

, (2)

где h — постоянная Планка.

Решая совместно уравнения (1) и (2), получаем искомые формулы:

Положив в этих формулах n = 1 и подставив численные данные из справочной таблицы, получим:

r1 = 0,53·1010м, V1 = 2,2·106м/c.

Ответ: , , r1 = 0,53·10-10м; 1 = 2,2·106м/c.

2.Найти минимальную энергию фотона, излучаемого в серии Лаймана.

Решение:

Частота излучения атома водорода определяется по формуле Бальмера - Ритца:

,

где R — постоянная Ридберга; n, m — номера стационарных орбит электрона. Спектральная серия Лаймана образуется при n = 1. Минимальная частота излучаемого фотона в этом случае соответствует m = 2. Тогда минимальная энергия излучаемого фотона по формуле Планка:

Емин.= hν1,2,

где h — постоянная Планка.

Численный расчет:

Емин.= hν1,2= =6,63·10-34·3,28985∙1015 = 1,64·1018 Дж.

Ответ: Емин.= 1,64·1018 Дж.

3.. Найти длину волны де Бройля для электрона, прошедшего из состояния покоя разность потенциалов 1 В.

Решение:

Электрон, прошедший из состояния покоя разность потенциалов U, в соответствии с теоремой об изменении кинетической энергии приобретает кинетическую энергию:

Екин.= ,

где m — масса; e — заряд; v — скорость электрона. Отсюда получаем скорость:

и импульс электрона:

p = mv = .

Длина волны де Бройля:

= ,

где h — постоянная Планка.

Вычисления:

= = = 1,23·10-9В.

Ответ: λ = 1,23·109 В.

4. Параллельный пучок электронов, летящих со скоростью 106 м/с, падает на щель шириной 1 мкм. В результате на удаленном экране наблюдается дифракция Фраунгофера. Под каким углом будет виден дифракционный минимум второго порядка?

Решение:

Дифракция электронов является следствием волновой природы частиц. Длина волны де Бройля равна:

,

где h — постоянная Планка; р— импульс частицы.

Импульс электрона равен:

p = mv,

где m масса; v скорость электрона.

Условие образования дифракционного минимума в дифракции Фраунгофера имеет вид:

Dsinφm = mλ,

где D — ширина щели; φm — угол, под которым наблюдается минимум m-го порядка.

Отсюда получаем:

φ2 = arcsin = arcsin = arcsin = 0,83˚.

Ответ: φ2 =0,83˚.

5. Электрон движется в атоме, имеющем радиус R = 5∙1011м. Оценить скорость электрона.

Решение:

В соответствии с принципом неопределенностей Гейзенберга невозможно одновременно точно измерить координату и импульс частицы. Соотношение неопределенностей Гейзенберга для координаты x и проекции px импульса частицы на ось X имеет вид:

Δx Δpx ≥ h/2π,

где h — постоянная Планка.

Неопределенность координаты электрона равна радиусу атома R, а неопределенность проекции импульса на ось Х равна модулю импульса. Поэтому соотношение неопределенностей Гейзенберга можно переписать в виде:

R p ≥ h/2π.

Так как импульс электрона

p = mv,

то скорость v электрона массой m

v = p/m ≥ .

Отсюда

v ≈ = м/с.

Ответ: v = 2,32·106м/c.

6. Среднее время жизни некоторых элементарных частиц составляет примерно 1018 с. Оценить кинетическую энергию этих частиц.

Решение:

Соотношение неопределенностей Гейзенберга для энергии E и времени t жизни частицы:

ΔE Δt ≥ h/2π.

Полагая, что

Е ≈ ΔE, t ≈ Δt,

получаем оценку кинетической энергии частицы:

E ≈ = Дж.

Ответ: E ≈ 1,06·1016 Дж.

7. Электрон находится в одномерном, бесконечно глубоком потенциальном ящике шириной L = 1010м. Найти минимальную разность уровней энергии электрона в этом ящике.

Решение:

Собственное значение энергии частицы, находящейся в бесконечно глубоком одномерном потенциальном ящике шириной L:

En = ,

где ћ = h/2π, h — постоянная Планка; m — масса частицы; n = 1,2,3,… — номер энергетического уровня.

Разность между соседними энергетическими уровнями:

ΔE = Еn+1 – En=

Отсюда следует, что минимальная разность уровней энергии наблюдается при n = 1:

ΔEмин.=

Подставляя численные данные ћ= 1,05·1034Дж·с; m = 9,1·1031кг; L= 1010м, получаем:

ΔEмин = 1,8·1017Дж.

Ответ: ΔEмин = 1,8·1017Дж.

8. Частица находится в основном состоянии в одномерном, бесконечно глубоком потенциальном ящике шириной L. Найдите вероятность пребывания частицы в левой трети ящика.

Решение:

Вероятность обнаружения частицы, находящейся в стационарном состоянии на интервале a≤ x≤ b:

P(a,b)= .

Собственная волновая функция частицы, находящейся в бесконечно глубоком одномерном потенциальном ящике шириной L:

ψn(x) = · , n= 1,2,3,…

В основном состоянии n = 1. Следовательно:

P(0,L/3)= =0,195.

Ответ: P(0,L/3)=0,195.

9. Какой изотоп образуется из в результате его распада?

Решение:

Ядерную реакцию β  распада можно записать в виде:

,

где — неизвестный изотоп.

По законам сохранения массового и зарядового чисел:

8 = M + 0,

3 = Z + (1),

Отсюда получаем:

массовое число изотопа M = 8,

зарядовое число Z = 4.

Изотоп с зарядовым числом Z = 4  бериллий

Ответ: этот изотоп

10. Активность радиоактивного элемента уменьшилась в 4 раза за 16 суток. Найти период полураспада этого элемента.

Решение:

Активность радиоактивного вещества равна числу ядер, распадающихся за единицу времени:

A = lN.

По закону радиоактивного распада число радиоактивных N ядер убывает с течением времени t по закону:

,

где N0 — число ядер в момент времени t = 0; e @ 2,72 — основание натуральных логарифмов; l — постоянная радиоактивного распада.

Если активность элемента уменьшилась в 4 раза, то

N0/N = 4.

Отсюда

λ= ln(N0/N)/t.

Связь между периодом полураспада T и радиоактивной постоянной:

= =

Ответ: T = 8 суток.

Варианты типовых заданий

Номер

варианта

Номера задач

1

1

26

51

76

101

2

2

27

52

77

102

3

3

28

53

78

103

4

4

29

54

79

104

5

5

30

55

80

105

6

6

31

56

81

106

7

7

32

57

82

107

8

8

33

58

83

108

9

9

34

59

84

109

10

10

35

60

85

110

11

11

36

61

86

111

12

12

37

62

87

112

13

13

38

63

88

113

14

14

39

64

89

114

15

15

40

65

90

115

16

16

41

66

91

116

17

17

42

67

92

117

18

18

43

68

93

118

19

19

44

69

94

119

20

20

45

70

95

120

21

21

46

71

96

121

22

22

47

72

97

122

23

23

48

73

98

123

24

24

49

74

99

124

25

25

50

75

100

125

Соседние файлы в папке физика