Число электронов, вырываемых из вещества, пропорционально интенсивности света

1. Число электронов, вырываемых из вещества, пропорционально интенсивности света.

2. Наибольшая кинетическая энергия вылетаю щах электронов пропорциональна частоте света и не зависит ом его интенсивности.

З. Для каждого вещества существует красная граница фотоэф­фекта, т.е.. наименьшая частота  света, при которой ещё возмо­жен фотоэффект.

Волновая теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта. Трудности в объяснении этих законов привели Эйнштейна к созданию квантовой теории света. Он пришёл к выводу, что свет представляет собой поток особых частиц, называемых фотонами или квантами. Энергия фотонов e равна e=hn , где n — частота cвeтa, h - постоянная Планка.

Известно, что для вырывания 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,

или

где m и Vm – масса и наибольшая скорость электрона. Это соотношение можно записать иначе:

 или

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 ³ 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, ), 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 (), дейтерий () и тритий (). 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 a-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 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 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 , Согласно специальной теории относительности, ей соответствует энергия , рассчитываемая по формуле , где с — скорость света в вакууме. После образования ядро об­ладает энергией . Здесь М— масса ядра. Измерения показывают, что масса покоя ядра всегда меньше, чем масса покоя частиц в свободном состоянии, составляющих данное ядро. Разность этих масс называют де­фектом массы. Поэтому при образовании ядра происходит выделение энергии . Из закона сохранения энергии можно заключить, что такая же энергия должна быть затрачена на расще­пление ядра на протоны и нейтроны. Поэтому энергия связи  равна . Если ядро с массой М образовано из Z протонов с массой  И из N = А - Z нейтронов с массой , то дефект массы равен

C учетом этого энергия связи находится по формуле:

Об устойчивости ядер судят по средней энергии  связи, приходя­щейся на один нуклон ядра, которая называется удельной энергией связи. Она равна

На рис.91.1 показана зависимость удельной энергии связи от массово­го числа А. Видно, что самое большое значение удельной энергии связи имеют нуклоны химических элементов, занимающих середину таблицы

Менделеева (30 <А <140). В них удельная энергия связи близка к 8,7 МэВ (1 МэВ 1,6*1О^-13Дж). В то же время ну­клоны самых лёгких и самых тяжёлых эле­ментов таблицы имеют меньшее значение удельной энергии связи. для ядер, распо­ложенных в конце таблицы Менделеева(например, для ypана), приблизительно составляет 7,6 МэВ.

Ход зависимости удельной энергии связи, приведённый на рис. 91.1, позволяет
понять механизм выделения ядерной энер­гии. Из общих соображений ясно, что энергия будет выделяться при таких ядерных реакциях, при которых удельная энергия связи продуктов реак­ции будет превышать удельную энергию исходных ядер. Это условие мо­жет быть выполнено двумя способами: или делением тяжёлых ядер на бо­лее лёгкие, лежащие в средней части таблицы Менделеева, или синтезом лёгких ядер, находящихся в начале таблицы, в более тяжёлое ядро. На­пример, если ядро изотопа урана-235 (у которого удельная энергия связи7,6 МэВ) разделить на два ядра, близких по массовому числу к железу и никелю (у которых удельная энергия связи около 8,75 МэВ), то выделится избыток ядерной энергии, равный 8,75 — 7,6 =1,15 МэВ на каждый нуклон или свыше 200 МэВ на каждое разделившееся ядро урана. При синтезе(соединении) же двух изотопов водорода — дейтерия , имеющих удельные энергии связи 1,11 МЭВ, в ядро гелия, у которого  = 7,05 МэВ, выделяется энергия 7,05-1,11=6,94 Мэв.

Цепная реакция. Установлено, что при бомбардировке ядер урана нейтронами происхо­дит распад ядра на две примерно равные части. Отметим три важные осо­бенности таких реакций:

1. Легко делятся ядра одного из изотопов урана

2. В результате реакции деления высвобождается огромное количество энергии. Это связано с тем, что масса ядра урана больше суммарной массы осколков деления. Образующийся дефект массы и приводит к выделению энергии в соответствии с формулой Эйнштейна .

Важной особенностью рассматриваемой ядерной реакции является то, что при делении ядра урана выделяется 2 или З нейтрона. Физики по­няли, что нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно исполь­зовать для осуществления цепной реакции: один нейтрон делит одно ядро урана, два или три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные де­ления и таким образом процесс лавинообразно нарастает, как показано на рис. 95.1. для трёх нейтронов.

При практическом осуществлении цепной ядерной реакции приходит­ся решать ряд сложных проблем, из которых рассмотрим три:

а) Легко делятся ядра изотопа урана-235, а его содержится в природ­ном уране лишь 0,7%, остальное — изотоп урана-238. Поэтому приходится решать проблему увеличения процентного содержания (“обогащения”) урана изотопом-235. Это и составляло основную проблему в процессе соз­дания атомной бомбы и реакторов.

б) Оказалось, что ядра урана де­лятся медленными нейтронами, а при делении выделяются быстрые ней­троны. Появляется задача уменьшить кинетическую энергию нейтронов(замедлить нейтроны), т.е. создать замедлитель. Такими замедлителями являются тяжёлая вода 1)20 и графит.

в) Третья проблема состоит в том, что часть нейтронов вылетает из мас­сы урана, не успев вызвать дальней­шее деление. Поэтому для того, что­бы цепная реакция проходила, масса Рис. 95.1 урана должна превышать некоторое значение называемое критической массой, которая составляет несколько килограмм.

Ядерная цепная реакция осуществляется в атомной бомбе и в атомных реакторах. для осуществления взрыва атомной бомбы необходимо сбли­зить две массы с суммарной массой равной критической. При взрыве атомной бомбы выделяется огромное количество энергии и возникает ин­тенсивная радиация вследствие того, что образовавшиеся осколки ядер являются радиоактивными. После взрыва образуется радиоактивное обла­ко, которое после выпадения на землю загрязняет окружающую среду. Ядерную реакцию, происходящую в атомной бомбе, называют неуправ­ляемой. Управляемая реакция осуществляется в ядерных реакторах, ис­пользуемых на атомных электростанциях (АЭС).

Атомные электростанции. Если в атомной бомбе происходит не­управляемая цепная реакция, то в созданных ядерных реакторах она носит управляемый характер. Суть управляемой реакции заключается в том, что создаются условия, когда на каж­дый процесс деления ядра урана-235 или плутония приходится в среднем о—,. только один нейтрон, вызывающий новый акт деления, другие же обра­зовавшиеся нейтроны вылетают из системы или поглощаются атомными ядрами других веществ (рис. 95.2). Таким образом, скорость выделения энергии будет поддерживаться одинаковой. Сердцем атомной электро­станции является ядерный реактор 1 (рис. 95.3). В качестве горючего ис­пользуются ураи-235 и плутоюiй-239. Для управления потоком нейтронов в атомных реакторах применяются управляющие стержни 3, содержащие кадмий или бор, которые хорошо поглощают нейтроны. Эти стержни вво­дят в активную зону реактора 2 (топливо — замедлитель). Когда стержни полностью погружены в реактор, они поглощают столько нейтронов, что цепная реакция в реакторе не идёт. При выведении стержней увеличивает­ся число нейтронов в реакторе и начинается реакция. В качестве замедлителя нейтронов (а именно такие нейтроны вызывают деление ядер урана-235) используют графит или тяжелую воду. для обеспечения безопасности работающего персонала от радиоактивных излучений реактор помещают в защитную оболочку 4. Необходимо отметить, что для получения самопод­держивающейся цепной реакции, как и в атомной бомбе, масса топлива должна быть не меньше критической. Критическая масса зависит от вида горючего и составляет несколько килограмм. Энергия, выделяемая реакто­ром (1) в виде тепла, снимается теплоносителем (вода, жидкий натрий), циркулирующим в замкнутом контуре (5). Циркуляция обеспечивается на­сосом (б). В теплообменнике (7) теплоноситель отдаёт тепло воде, пре­вращая её в пар, который вращает паровую турбину (8). Турбина соедине­на с электрогенератором (9), вырабатывающим электроэнергию. Из паро­вой турбины пар поступает в конденсатор 10. Происходит его конденсация в воду, которая поступает в теплообменник. Охлаждение пара в конденса­торе осуществляется водой из искусственно созданного водоёма (11)..

5. Условия термоядерной реакции. Ядерные реакции, в которых из лёгких ядер образуются более тяжёлые ядра, называются реакциями термоядерного синтеза (термоядерными реакциями). При синтезе суммарная масса исходных ядер, превышает массу образовавшегося ядра, в результате выделяется энергия. Например, ядра дейтерия D () при слиянии образуют ядро гелия . Расчёты по­казывают, что два грамма дейтерия выделяют 1013 Дж энергии. Особенно благоприятными по ряду причин оказались условия синтеза ядер тяжёлых изотопов водорода — дейтерия и трития: Для того чтобы произошла термоядерная реакция надо положительно- заряженные ядра сблизить настоль малые расстояния, чтобы между ними возникли ядерные силы, для преодоления кулоновского отталкивания ядер, нужно сообщить им огромную энергию, нагреть вещество до температуры 10⁷ К. В водородной бомбе, в которой осуществляется написанная выше реакция, высокая температура достигается за счёт взрыва атомной бомбы, при ко тором получается температура 10 млн, град. Взрыв водородной бомбы представляет собой не управляемую термоядерную реакцию: энергия вы­деляется в огромном количестве в одно мгновение и е~ можно использо­вать только для разрушения. Однако человечеству необходима управляе­мая термоядерная реакция, т.е. реакция, в ходе которой энергию можно было бы отбирать в нужном количестве в нужное время. Такая реакция очень выгодна, поскольку запасов дейтерия и трития хватит практически на неограниченное время, тогда как запасы источников энергии, которыми пользуемся в настоящее время (нефть, газ, уголь) ограничены.

Условие, необходимое для протекании термоядерной реакции, было сформулировано физиком Лоусоном (критерий Лоусона). Оно записывает­ся какдля реакции  для реакции , где n — концентрация частиц, т.е. число частиц в од­ном см³,i— время их удержания вместе в секундах. Эти соотношения от­ражают необходимость сохранения высокой плотности частиц при упомя­нутой высокой температуре (порядка нескольких десятков миллионов гра­дусов) в течение определённого времени. Из этого соотношения, кстати, видно, что реакция синтеза ядра гелия из дейтерия и трития более выгод­на, чем из двух ядер дейтерия, поскольку накладываемые требования в первом случае менее жесткие.

Реакция термоядерного синтеза не взрывного характера осуществлена природой на Солнце и звёздах, где достигается температура в миллионы градусов. При таких высоких температурах возникает особое состояние вещества — плазма. Высокотемпературная плазма представ­ляет собой сильно ионизированный газ, в котором ядра и электроны суще­ствуют независимо друг от друга. Степень ионизации плазмы очень вели­ка, благодаря чему плазма является хорошим проводником.

Таким образом, для осуществлены управляемой термоядерной реак­ции нужно создать высокотемпературную плазму, которую надо ещё удержать? Частицы, обладая колоссальной кинетической энергией, стре­мятся сразу же разлететься, а в природе нет такого материала, который бы выдерживал миллионы градусов. Для удержания плазмы физики предпо­ложили два пути решения этой задачи. Первый путь заключается в удер­жании плазмы с помощью магнитного поля. Если на газо-разрядную трубку наложить магнитное поле, совпадающее по направлению с электрическим полем, то в такой трубке возникает плазменный шнур. Заряженные части­цы плазмы под действием силы Лоренца будут описывать спиральные тра­ектории вокруг магнитных силовых линий. Чем сильнее магнитное поле, тем меньше радиус плазменного шара. Сила, которая действует на ток заряженных частиц, со стороны магнитного поля и есть причина образо­вания шнура, не соприкасающегося со стенами газоразрядной трубки; плазма, как бы висит в вакууме. Наибольший успех достигнут на установ­ках, получивших название токамак, разработанных в СССР. В этих уста­новках удалось разогреть плазму до 60 миллионов градусов и добиться слияния ядер дейтерия и трития. Пока не удаётся удержать плазму дли­тельное время, но исследования в этом направлении продолжаются. Вто­рое направление — это создание управляемого термоядерного синтеза с помощью лазерного излучения. Самые мощные лазеры могут разогреть вещество с помощью короткого импульса до температуры 50 млн, град. Поэтому появилась возможность осуществить термоядерную реакцию в виде микровзрыва, даже без использования удерживающего плазму маг­нитного поля, так как реакция протекает быстро и дейтерий с тритием не успевают разлететься. В этом случае технически реакция осуществляется воздействием мощного лазерного импульса на твёрдую замороженную таблетку из дейтерия и трития. Такие эксперименты уже осуществлены и термоядерная реакция проходила. Однако число прореагировавших ядер мало и технически воплотить эту идею пока не удаётся.

Похожие работы

Классическая физика: самоорганизующиеся системы и микромир

Скачать

127339

0

4

... полюсов. Самоорганизация эти поля сохраняет. Из таких колебательных систем сами, как мозаика из магнитов, складываются “классические” самоорганизующиеся модели микромира. Не будем утверждать, что здесь изложены единственно правильные варианты решений "принципиально неразрешимых" задач классической физики. Важно было показать, что такие решения есть - вопреки самым авторитетным уверениям всей ...

Нобелевские лауреаты в области физики

Скачать

131224

0

4

... П. Только одну награду принял он с радостью и волнением. Это была Нобелевская премия по физике. К. Рентген стал в 1901 г. первым Нобелевским лауреатом. Сейчас эти премии хорошо из­вестны: они вручаются крупнейшим ученым за фундаментальные открытия в области физики, химии, биологии, медицины. К нас­тоящему времени восемь советских физиков удостоены этого вы­сокого звания: И. Е. Тамм, И. М. Франк, ...

Домашние наблюдения и опыты учащихся по физике. Их организация

Скачать

71700

0

0

... приборы (рычажные весы, электроскоп и др.); -работы, выполняемые на приборах, выпускаемых промышленностью. Классификация взята из [1]. В своей книге [2] С.Ф. Покровский показал, что домашние опыты и наблюдения по физике, проводимые самими учащимися: 1)дают возможность нашей школе расширить область связи теории с практикой; 2)развивают у учащихся интерес к физике и технике; 3)будят ...

Методика использования электронного учебника на уроках физики

Скачать

71323

3

0

... пользователя: VI—XI классы. Платформа: Windows. Носитель: компакт-диск. Варианты построения уроков с использованием электронного учебника   1.         Электронный учебник используется при изучении нового материала и его закреплении (20 мин. работы за компьютером). Учащихся сначала опрашивают по традиционной методике или с помощью печатных текстов. При переходе к изучению нового материала ...