Взаимодействия в природе.

Вид взаимо- действия	Квант поля	Радиус дейст- вия	Относи- тельная интенсив- ность	Участвуют во взаимо- действии	Зависи-мость E (R)	Проявление
Ядерное (сильное)	Пионы и каоны	10 м	1	Тяжелые частицы (нуклоны)	Экспонен-та на R<10 , далее нуль	Устойчивость атомных ядер
Электро- магнитное	Фотоны	∞	1/137	Заряженные частицы и фотоны	~	Устойчивость атомов, моле- кул, макротел
Слабое	Бозоны	10 м	10	Все части- цы, кроме фотона (и гравитона)	Неизвестна	Нестабиль- ность элемен- тарных частиц
Гравитаци-онное	Гравитоны (гипотеза)	∞	10	Все тела и частицы	~	Устойчивость звезд, планет- ных систем

ТЕСТЫ.

Специальная теория относительности. Квантовая и ядерная физика.

1. Два автомобиля движутся в противоположных направлениях со скоростями ν и ν относительно поверхности Земли. Чему равна скорость света от фар первого автомобиля в системе отсчета, связанной с другим автомобилем?

1) с + (ν + ν ); 2) с + (ν - ν ); 3) с - (ν - ν ); 4) с.

2. Стержень длиной в 1 м и толщиной 1 см движется вдоль своей длинной стороны со скоростью 0,6 с. При этом его толщина для земного наблюдателя составляет:

1) 1 см; 2) 0,6 см; 3) 0,4 см; 4) 0,8 см.

3. Стержень длиной в 1 м и толщиной 1 см движется вдоль своей длинной стороны со скоростью 0,8 с. При этом его длина для земного наблюдателя составляет:

1) 1 м; 2) 0,8 м; 3) 0,6 м; 4) 0,2 м.

4. В космическом корабле, летящем к далекой звезде с постоянной скоростью, проводят экспериментальное исследование взаимодействия заряженных шаров. Будут ли отличаться результаты этого исследования от аналогичного, проводимого на Земле?

1) да, так как корабль движется с некоторой скоростью; 2) да, из-за релятивистских эффектов, если скорость корабля близка к скорости света; нет, при малых скоростях корабля; 3) нет, будут одинаковыми при любых скоростях корабля; 4) да, так как к электрическому взаимодействию добавится магнитное взаимодействие движущихся заряженных шаров.

5. В шкафу висят две куртки. Одна куртка синего цвета, а другая – желтого. Разные цвета курток говорят о том, что:

1) синяя куртка холоднее на ощупь, чем желтая; 2) синяя куртка лучше греет; 3) краски, которыми покрашены куртки, поглощают свет разных длин волн; 4) желтая куртка прочнее.

6. Атом испустил фотон энергией 6 · 10 Дж. Какой импульс приобрел атом?

1) 0 кг·м/с; 2) 2·10 кг·м/с ; 3) 1,8·10 кг·м/с ; 4) 5·10 кг·м/с .

7. Покоящийся атом поглотил фотон энергией 1,2 · 10 Дж. При этом импульс атома:

1) не изменился; 2) стал равным 1,2·10 кг·м/с ; 3) стал равным 4·10 кг·м/с ; 4) стал равным 3,6·10 кг·м/с

8. Излучение лазера – это:

1) тепловое излучение; 2) вынужденное излучение; 3) спонтанное (самопроизвольное) излучение; 4) люминесценция.

9. Интерференцию света с помощью лазерной указки показать легче, чем с обычным источником, так как пучок света, даваемый лазером, более:

1) мощный; 2) когерентный; 3) расходящийся; 4) яркий.

10. Скорость света в первой среде 225 000 км/с, а во второй 200 000 км/с. Луч света падает под углом 30º и переходит в другую среду. Определить угол преломления.

1) 26,7º; 2) 33,8º; 3) 73,5º; 4) 26,5º.

Фотоэффект.

1. При исследовании фотоэффекта Столетов выяснил, что:

1) атом состоит из ядра и окружающих его электронов; 2) атом может поглощать свет только определенных частот; 3) сила фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего света; 4) фототок возникает при частотах падающего света, меньших некоторого значения.

2. Определить энергию фотонов для света с частотой 5 · 10 Гц.

1) 3,3 · 10 Дж; 2) 3,3 · 10 Дж; 3) 1,5 · 10 Дж; 4) данных в задаче недостаточно.

3. Определить массу фотона для света с частотой 6 · 10 Гц.

1) 4,4 · 10 кг; 2) 4,4 · 10 кг; 3) 1,32 · 10 кг; 4) 1,32 · 10 кг.

4. Фотоны рентгеновских лучей по сравнению с фотонами видимого света:

1) тяжелее; 2) легче; 3) обладают меньшей энергией; 4) быстрее.

5. Давление света, производимое на идеально белую поверхность, по сравнению с давлением на идеально черную поверхность:

1) в два раза меньше; 2) одинаково; 3) результат зависит от длины волны света; 4) в два раза больше.

6. Источник света мощностью 60 Вт испускает за 1 с 3 · 10 фотонов. Найти среднюю длину волны излучения.

1) 1 мкм; 2) 0,5 мкм; 3) 5 мкм; 4) 0,6 мкм.

7. Источник света мощностью 100 Вт испускает за 1 с 5 · 10 фотонов. Найти среднюю частоту излучения.

1) 3 · 10 Гц; 2) 3 · 10 Гц; 3) 1 · 10 Гц; 4) 5 · 10 Гц.

8. Энергия фотона, соответствующая красной границе фотоэффекта, для калия равна 7,2 · 10 Дж. Определите максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, если на металл падает свет, энергия фотонов которого равна 10 Дж.

1) 2,8 · 10 Дж; 2) 0 Дж; 3) 1,72 · 10 Дж; 4) 7,2 · 10 Дж.

9. Фотоэлектроны, излучаемые цезием (работа выхода равна 1,9 эВ), обладают энергией 0,6 эВ. Какова длина волны света, облучающего цезий?

1) 0,6 мкм; 2) 1 мкм; 3) 0,15 мкм; 4) 0,5 мкм.

10. На пластину из никеля попадает электромагнитное излучение, энергия фотонов которого равна 8 эВ. При этом в результате фотоэффекта из пластины вылетают электроны с максимальной энергией 3 эВ. Какова работа выхода электронов из никеля?

1) 11 эВ; 2) 5 эВ; 3) 3 эВ; 4) 8 эВ.

Строение атома. Спектры.

1. Изотоп кислорода О имеет массу (в а.е.м.):

1) 25; 2) 17; 3) 9; 4) 8.

2. Число электронов в изотопе урана U составляет:

1) 235; 2) 92; 3) 143; 4) 327.

3. Если сравнить массу атомного ядра и суммарную массу составляющих его нуклонов, то:

1) масса ядра равна массе нуклонов; 2) задача не имеет смысла, т.к. масса покоя нуклона равна нулю; 3) масса ядра больше суммы масс нуклонов; 4) масса ядра меньше суммы масс нуклонов.

4. Один фотон движется вдвое быстрее другого. Это означает, что:

1) частота излучения ν , соответствующая первому фотону, вдвое больше ν ; 2) ν вчетверо больше ν ; 3) ν вдвое меньше ν ; 4) это невозможно.

5. Альфа-частица – это:

1) ядро атома водорода; 2) ядро одного из изотопов водорода; 3) ядро атома гелия; 4) одна двенадцатая часть ядра атома углерода.

6. Ядро состоит из:

1) нейтронов и электронов; 2) протонов и нейтронов; 3) протонов и электронов; 4) нейтронов.

7. Ядерная энергия выделяется при:

1) слиянии легких ядер и некоторых других процессах; 2) только при слиянии легких ядер; 3) расщеплении и легких, и тяжелых ядер; 4) только при расщеплении тяжелых ядер.

8. Практически вся масса атома сконцентрирована в:

1) его протонах; 2) его ядре; 3) его нейронах; 4) его электронах.

9. Альфа-излучение и бета-излучение под действием магнитного поля:

1) не отклоняются; 2) отклоняются в разные стороны; 3) отклоняются в одну и ту же сторону; 4) уменьшают интенсивность.

10. При альфа-распаде массовое число элемента:

1) уменьшается на 2; 2) увеличивается на 4; 3) не меняется; 4) уменьшается на 4.

Ядерные реакции.

1. Укажите второй продукт ядерной реакции

Pb → Bi + …

1) электрон; 2) γ-частица; 3) реакция невозможна; 4) позитрон.

2. Ядро азота поглотило альфа-частицу и испустило протон. В результате такой реакции образовалось ядро:

1) О; 2) О; 3) О; 4) N.

3. Ядро магния поглотило (захватило) электрон и испустило протон. В результате такой реакции образовалось ядро:

1) Ne; 2) Mg; 3) Ne; 4) Si.

4. Ядро бериллия Be поглотило альфа-частицу. Образовалось ядро углерода С и:

1) протон; 2) нейтрон; 3) альфа-частица; 4) такая реакция невозможна.

5. Указать второй продукт реакции Со + n → Со + …

1) гамма-частица; 2) нейтрон; 3) протон; 4) альфа-частица.

6. Укажите второй продукт ядерной реакции Be + He → C + …

1) n; 2) He; 3) е ; 4) γ-частица.

7. Укажите второй продукт ядерной реакции Ra → Re + …

1) нейтрон; 2) γ-частица; 3) реакция невозможна; 4) ά-частица.

8. Деление урана-235 может проходить различными путями. Сколько нейтронов выделяется, если реакция выглядит таким образом:

U + n → Cs + Br + нейтроны

1) 2; 2) 3; 3) 4; 4) реакция невозможна.

9. При самопроизвольном распаде ядра энергия:

1) не выделяется и не поглощается; 2) поглощается; 3) сначала поглощается, а потом выделяется; 4) выделяется.

10. Реакция деления урана идет с большим выделением энергии. Эта энергия выделяется в основном в виде:

1) энергии β-электронов; 2) энергии γ-квантов; 3) энергии α-частиц; 4) кинетической энергии осколков ядер.

ВОПРОСЫ.

1. Фотоэлектронные приборы могут быть разделены на три группы. Укажите принцип действия приборов каждой группы. Заполните таблицу.

Название прибора	Для чего используется	Где применяется
Фоторезистор	Изменяет электропроводи- мость под действием света	1.Фотореле: а) для автоматизации производственных процессов; б)для контроля продукции 2. Фототелеграф 3. Звуковое кино
Фотоэлемент
Фотоумножитель

2. Заполните таблицу, вписав известные характеристики и свойства фотона и электрона.

Свойство частицы	Фотон,частица электромаг- нитного поля	Электрон, частица вещества
Обладают энергией
Обладают массой
Имеют скорость
Обладают импульсом
Электрический заряд
Поведение в магнитном поле
Поведение в электрическом поле
Волновые характеристики

3. Заполните таблицу.

Виды спектров	Непрерывный	Линейчатый	Полосатый
Источник излучения
Распределение энергии излучения (графики)
К какому виду спектров относится спектр поглощения
Какой вид спектра положен в основу метода спектрального анализа

4. Заполните таблицу.

Виды излучения	α	β	γ
Природа излучения
Параметры излучения (масса, скорость)
Наличие заряда
Ионизирующая способность (велика, мала)
Проникающая способность
Кинетическая энергия излучения

5. Заполните таблицу.

Регистрирующий прибор	Принцип действия	Виды частиц, подлежащих регистрации	Преимущества прибора	Недостатки прибора
Счетчик Гейгера
Камера Вильсона
Пузырьковая камера
Фотоэмульсии

6. Заполните таблицу, в которой для каждого класса частиц укажите тип взаимодействия.

Класс частиц	Тип взаимодействия
	гравитационное	электромагнитное	слабое	сильное
Фотоны
Лептоны
Адроны

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ.

ЗАДАЧИ.

Пример №1.

У металла красная граница фотоэффекта равна Гц. Какова частота света (в Гц), вырывающегося с поверхности металла электроны, полностью задерживающиеся напряжением 2,2 В?

Дано: Решение:

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

U = 2,2 В. .

Работа выхода А = , максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона .

Тогда

Выражаем частоту :

Ответ:

Пример №2.

Два автомобиля двигаются на встречу друг другу со скоростью . Чему равна скорость света фар первого автомобиля в системе отсчёта, связанной со вторым автомобилем?

Ответ: с.

Пример №3.

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов с поверхности металла равна Дж. Красная граница фотоэффекта 234 нм. Во сколько раз длина волны излучения, вызвавшего фотоэффект, меньше красной границы?

Дано: Решение:

Дж. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

.

Учтём, что и

-?

Отношение красной границы фотоэффекта к длине волны излучения, вызвавшего фотоэффект равно или . Подставляем полученное значение в уравнении:

Выражаем .

Ответ: 2.

Пример №4.

Если на пути потока света, падающего на поверхность металла, поставить фильтр, задерживающий инфракрасные лучи, то количество электронов, выражаемых светом с поверхности металла за одну секунду:

Ответ: не изменится.

Пример №5.

При освещении фотоэлемента светом сначала с длиной волны 600 нм, а затем 400 нм, обнаружили, что запирающий потенциал изменился в два раза. Найти запирающий потенциал (в В) в первом случае.

Дано: Решение:

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

Учитываем, что и ,

Работа выхода А постоянна для данного фотоэффекта, поэтому при уменьшении длины волны падающего излучения ( ), задерживающее напряжение увеличится и . Следовательно уравнение для первого и второго случаев, соответственно, и .

Получаем .

Выражаем

Ответ: 1 В.

Пример №6.

Красная граница фотоэффекта для металла равна 620 нм. Работа выхода электронов при этом составляет:

Ответ: 2 эВ.

Пример №7.

Монохроматический источник света потребляет мощность 50 Вт и излучает фотонов в секунду. Определить КПД источника (в %), если длина волн излучения 530 нм.

Дано: Решение:

Р = 50 Вт. Коэффициент полезного действия равен

отношению энергии, излучённой

t = 1 c. Источником, к затраченной энергии:

.

, где - энергия одного

излучённого фотона.

.

Следовательно, .

Затраченная энергия .

Подставляем Е и в формулу для :

Ответ: 2%.

Пример №8.

Если задерживающее напряжение для фотоэлектронов составляет 2 В, то их максимальная кинетическая энергия равна.

Ответ: Дж.

Пример №9.

Найти световое давление (в мкПа) на поверхность площадью 0,01 , если за одну секунду на неё падает световая энергия 21 Дж. Считать, что поверхность полностью поглощает падающие световые лучи.

Дано: Решение:

Энергия и импульс для нового фотона: ,

T = 1c. .

Е = 21 Дж. Следовательно, .

Аналогично, импульс для всех падающих фотонов

Р - ? .

При поглощении изменение импульса равно самому импульсу .

Из второго закона Ньютона следует, что произведение силы на время её действия (импульс силы) равно изменению импульса тела, т.е. .

Выражаем силу светового давления: .

Т.к. давление равно отношению силы к площади поверхности, то получаем ,

.

Ответ: 7 мкПа.

Пример №10.

Определить импульс фотона света с длиной волны .

Ответ: .

Пример №11.

Солнце излучает ежеминутно энергию . Считая его излучение постоянным, найти, за какое время масса Солнца уменьшится в 2 раза? Масса солнца .

Дано: Решение:

Проведём энергию, излучаемую Солнцем, в Дж:

t = 1 мин = 60 с

Тогда мощность излучения Солнца:

t - ? .

Согласно формуле Эйнштейна . Поэтому, чтобы масса Солнца М Уменьшилась вдвое, должно пройти время , где . Следовательно,

.

Ответ: .

Пример №12.

Атом перешёл из возбуждённого состояния с энергией , в состоянии с энергией . Чему равна энергия излучённого фотона?

Ответ: .

Пример №13.

Катод вакуумного фотоэлемента изготовлен из серебра. Между катодом, и анодом приложено напряжение 1,5 В, ускоряющее вылетающие электроны. При какой длине волны падающего на катод света (в нм) начнётся фотоэффект, если между электродами приложить задерживающее напряжение 2,3 В?

Дано: Решение:

Работа выхода электронов из серебра

U = 2,3 В .

А = 4,3 эВ Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

.

- ? Задерживающее напряжение U компенсирует

кинетическую энергию и ускоряющее направление :

, .

Тогда и .

Соответствующая длина волны:

;

.

Ответ: м.

Пример №14.

Чем отличаются атомы водорода, дейтерия, трития?

Ответ: Числом нейтронов в ядре.

Пример №15.

Ядро при делении освобождает энергию 200 МэВ. При взрыве урановой бомбы успевает прореагировать 1,5 кг урана. Какова масса эквивалентной тротиловой бомбы, если теплопроводная способность тротила 4,1 МДж/кг?

Дано: Решение:

=200 МэВ Число прореагировавших ядер урана

M = 1,5 кг находим из формулы

, здесь - молярная масса.

= 235 кг/моль.

- ?

- число Авогадро

- число молей в данной массе урана.

Переведём энергию одного распада в Дж:

.

Энергия взрыва .

Тогда эквивалентна масса тротила .

.

Ответ: .

1. Сколько фотонов зеленого света с длинной волны 550 нм испускает в одну секунду одна электрическая лампа мощностью 100 Вт, имеющая световую отдачу 3.6%?

; .

2. Найдите длину волны излучения, у которого импульс фотона равен среднему импульсу молекулы водорода при температуре С.

; ;

; .

3. Какую длину волны должен иметь фотон, чтобы его масса была равна массе покоя электрона?

; .

4. Радиостанция работает на волне длинной 3 м. Вычислить энергию одного фотона этого излучения и число фотонов, испускаемых за одну секунду, если излучаемая мощность 10 Вт.

; .

5. Определить длину волны света, кванты которого имеют такую же энергию, что и электрон, прошедший ускоряющую разность потенциалов 4.1 В.

; .

6. Предел чувствительности сетчатки глаза к зеленому свету длинной волны 550 нм составляет Вт. Сколько фотонов должно падать ежесекундно на сетчатку, чтобы человек видел свет?

; .

7. Светом какой длины волны следует облучать поверхность металла, красная граница фотоэффекта для которого равна 290 нм, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была не меньше км/ч?

; .

8. Свет частотой Гц падает перпендикулярно плоскому зеркалу. Определить изменение импульса фотона при отражении.

; .

9. При каком запирающем напряжении прекратиться фотоэмиссия с цезиевого катода, освещаемого красным светом с длинной волны 600 нм? Работа выхода для цезия 1.8 эВ.

; .

10. Произойдет ли фотоэффект, если цинковую пластину облучать световыми лучами с длинной волны 0.45 мкм? Работа выхода электронов из цинка 3.7 эВ. Найдите энергию фотонов, вызывающих фотоэффект.

.

нет.

.

11. Определить скорость электрона на третьей боровской орбите в атоме водорода, имеющей радиус 0,45 нм.

.

12. С какой частотой вращается электрон в атоме водорода, находясь на круговой орбите радиусом 50 нм?

.

13. Энергия невозбужденного состояния атома водорода равна -13,6 эВ. При переходе из возбужденного состояния в основное атом излучил квант электромагнитной энергии с длиной волны 102,8 нм. Найти энергию возбужденного состояния (в Эв).

.

14. Для ионизации атома водорода необходима энергия 13,6 эВ. Найти длину волны излучения, которое вызовет ионизацию.

.

15. При переходе атома водорода из четвертого энергетического состояния во второе излучаются фотоны с энергией 2,55 эВ. Вычислить длину волны этой линии спектра и указать цвет линии.

.

16. Электрон, пройдя ускоряющую разность потенциалов 10,2 В, сталкивается с атомом водорода и переводит его в первое возбужденное состояние. Какую длину волны имеет фотон, излученный атомом при переходе в основное состояние?

.

17. Вычислить дефект массы и энергию связи ядра изотопа .

18. При термоядерной реакции слияния дейтерия и трития образуется нейтрон, неизвестная частица и выделяется энергия. Определить неизвестную частицу и выделившуюся энергию.

.

19. Сколько ядер распадается за одну секунду в куске урана массой 1г? Период полураспада урана 4,510⁹лет.

; ; ; .

20. Какая масса урана расходуется в сутки на атомной станции мощностью 1 ГВт, имеющей КПД 17 %? Считать, что при каждом акте распада ядра урана выделяется энергия 200 МэВ.

21. При какой частоте v электромагнитное излучение (поток фотонов) при взаимодействии с веществом способно вызвать рождение пары электрон — позитрон ? те = 9,1 Ю-³¹ кг.

Решение:

E=2Fe Ee=Ee=Eо=m (электрона)*с*с

…hc/=2m(электрона)*с*с

=2m*c*c / h=8.2*((10) ) Гц

Ответ: =8.2*((10) ) Гц

22. Определите длину волны фотона, энергия которого равна кинетической энергии протона, прошедшего ускоряющую раз­ность потенциалов U = 20 В.

Решение:

A=q*U

Работа эл поля

А=Еn

Энергия фотона Еф=h=hc/

Приравняем Еф=Еп qU=hc/

Отсюда =hc/qU=0.62*((10) ) м

Ответ : 0.62*((10) ) м

23. Капля воды массой m = 0,2 мг, попав в луч лазера, по­глощает ежесекундно п = 10¹⁵ с-' фотонов. На сколько градусов нагреется капля за t = 10 с ? Длина волны света А. = 0,75 мкм. Св = 4200 Дж/кг К.

Решение: