Три закона внешнего фотоэффекта.

I. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего светачислофотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетическойосвещенностиЕе катода).

II.Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов независит от интенсивности падающего

света, а определяется только его частотой V.

III.Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта,

т.е. минимальная частота v0 света (зависящая от химической природы веще-

ства и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

18.

Согласно Эйнштейнусвет частотой v не только испускается,

как это предполагал Планк но и распространяется в пространстве

и поглощается веществом отдельнымипорциями (квантами), энергия которыхе = hv.

уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

Если свет представляет собой потокфотонов, то каждый фотон, попадая в

регистрирующий прибор (глаз, фотоэлемент), должен вызывать то или иное

действие независимо от других фотонов. Это же означает, что при регистрации слабых световых потоков должнынаблюдаться флуктуации их интенсивности. Эти флуктуации слабых потоковвидимого света действительно наблюдались С. И. Вавиловым.

Наблюдения проводились визуально. Глаз, адаптированный к темноте,

обладает довольно резким порогомзрительного ощущения, т. е. восприни-

мает свет, интенсивность которого неменьше некоторого порога. Для света с

\ = 525 нм порог зрительного ощущения соответствует у разных людей при-

мерно 100 — 400 фотонам, падающим насетчатку за 1 с. С.И.Вавилов наблюдалпериодически повторяющиеся вспышки света одинаковой длительности.С уменьшением светового потока некоторые вспышки уже не воспринималисьглазом, причем чем слабее был световой поток, тем больше было пропусковвспышек. Это объясняется флуктуациями интенсивности света, т.е. числофотонов оказывалось по случайнымпричинам меньше порогового значения. Таким образом, опыт Вавиловаявился наглядным подтверждениемквантовых свойств света.

19.

Фото́н — элементарная частица, квант электромагнитного излучения . Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю.

Фотоэффе́кт или фотоэлектрический эффект — испускание электронов металлами под действием света или любого другого электромагнитного излучения. В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Эффектом Комптона называетсяупругое рассеяние коротковолнового

электромагнитного излучения (рентгеновского и ɣ-излучений) на свободных

(или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличени-

ем длины волны.

20.

Согласно гипотезе световых квантовЭйнштейна, свет испускается, поглоща-

ется и распространяется дискретнымипорциями (квантами), названными фо-

тонами. Энергия фотона:

Эти выражения и связывают корпускулярные характеристикифотона — импульс и энергию — с волновой характеристикой света — его частотой v.

Масса фотона — это масса элементарной частицы (фотона), квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это частица, способная существовать и иметь массу только двигаясь со скоростью света.

давление света — давление, которое оказывает световое (и вообще электромагнитное) излучение, падающее на поверхность тела.

Согласно модели Дж. Дж. Томсона (1903), атом представляет собой непре-

рывно заряженный положительным зарядом шар радиусом порядка 10^-10 м,

внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны;

суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду

шара, поэтому атом в целом нейтрален.

Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную (планетарную) модель атома.

Согласно этой модели, вокруг положительного ядра, имеющего заряд Ze (Z —порядковый номер элемента в системе Менделеева, е — элементарный заряд),размер 10^-15—10^-14 м и массу, практически равную массе атома, в области с линейными размерами порядка 10^-10 м по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т.е. вокруг ядра должно вращаться Z электронов.

Исследования спектров излучении разреженных газов (спектров излу-

чения отдельных атомов) показали, что каждому газу присущ определен-

ный линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или

групп близко расположенных линий. Самым изученным является спектр

наиболее простого атома — атома водорода.

Швейцарский ученый И. Бальмерподобрал эмпирическуюформулу,описывающую все известныеспектральные линии атомаводорода в видимой области спектра:

где R' =1,10*10^7м ^1 — постояннаяРидберга..

серии в спектре атома водорода могут быть описаны одной формулой, называемой обобщенной формулой Балъмера:

где т имеет в каждой данной серии постоянное значение, т — 1,2,3,4,5,6 (оп-

ределяет серию), п принимает целочисленные значения, начиная c m+1 (оп-

ределяет отдельные линии этой серии).

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в ато-

ме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в

которых он не излучает энергии; эти состояния характеризуются определенными дискретными значениями энергии.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с од-

ной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с

энергией равной разности энергий соответствующих стационарных состояний.

hv =

22.

Французский ученый Луи де Бройльв 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль утверждал, что не толь-

ко фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с кор-

пускулярными обладают также волновыми свойствами.

Формула де Бройля устанавливает зависимость длины волны , связанной с движущейся частицей вещества, от импульса частицы:

с каждым микрообъектом связываются, с однойстороны, корпускулярные характеристики — энергия Е и импульс р, а с другой — волновые характеристики — частота v и длина волны.Количественные соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как для фотонов:

Фазовая скорость:

Групповая скорость

Волны де Бройля испытывают дисперсию.

Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, микрочастица (микрообъект) неможет иметь одновременно и определенную координату (x,y,z), и определенную соответствующую проекциюимпульса (px,py,pz), причем неопределенности этих величин удовлетворяютусловиям

т. е. произведение неопределенностейкоординаты и соответствующей ей проекции импульса не может быть меньшевеличины порядка h.

Для микрочастицы не существует состояний, вкоторых ее координаты и импульс имели бы одновременно точные значения.

соотношение неопределенностей являетсяквантовымограничениемприменимостиклассической механики кмикрообъектам.

Чтобы устранить эти трудности, немецкий физик М.Борн в 1926 г. предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а величина, названная амплитудой вероятности и обозначаемаяΨ(х,y,z,t). Эту величину называют также волновой функцией (или Ф-функцией). Амплитуда вероятности может быть комплексной, и вероятностьW пропорциональна квадрату ее модуля:

описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в момент времени t в области с координатами хи х+ dx, у и у + dy, z и z+ dz.

В квантовой механике состояние микрочастиц описывается принци-

пиально по-новому — с помощью волновой функции, которая является основ-

ным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах.

Волновая функция удовлетворяетпринципу суперпозиции: если система

может находиться в различных состояниях, описываемых волновыми функ-

циями Ψ1, Ψ 2, ..., Ψn, ..., то она такжеможет находиться в состоянии Ф, описываемом линейной комбинацией этихфункций:

Основное уравнение нерелятивистской квантовой механики сформулиро-

вано в 1926 г. Э.Шредингером.

Нестационарное уравнение Шредингера имеет вид:

уравнение Шредингера для стационарных состояний:

Стационарные состояния — состояния с фиксированными значениями энергии.

Для уравнения Шредингера такимиусловиями являются условия регуляр-

ности волновых функций: волновыефункции должны быть конечными, од-

нозначными и непрерывными вместе сосвоими первыми производными.

когда расстояния между атомами станут равными межатомным рас-

стояниям в твердых телах, взаимодействие между атомами приводит к тому,

что энергетические уровни атомов смещаются, расщепляются и расширяются в зоны, образуется зонный энергетический спектр.

Энергия внешних электронов можетпринимать значения в пределах зашт-

рихованных областей, называемых разрешенными энергетическими зонами.

Разрешенные энергетические зоныразделены зонами запрещенных значе-

ний энергии, называемыми запрещенными энергетическими зонами. Вних

электроны находиться не могут. Ширина зон (разрешенных и запрещенных)

не зависит от размера кристалла. Разрешенные зоны тем шире, чем слабее

связь валентных электронов с ядрами.

В общем случае можно говорить о валентной зоне, которая полностью за-

полнена электронами и образована изэнергетических уровней внутренних

электронов свободных атомов, и о зонепроводимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена электронами, либо свободна и образована изэнергетических уровней внешних “коллективизированных” электронов изолированных атомов.

Полупроводниками являются твердые тела, которые при Т — 0 К характе-

ризуются полностью занятой электронами валентной зоной, отделенной от

зоны проводимости сравнительно узкой запрещенной зоной

Различают собственные и примесные полупроводники. Собственны-

ми полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их

проводимость называется собственнойпроводимостью.

в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости: электронный и дырочный.

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная электрона-

ми, называется электронной проводимостью или проводимостью п-типа

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квази-

частицами —дырками, называется дырочной проводимостью или проводи-

Мостью р-типа.

Проводимость полупроводников,обусловленная примесями, называется

примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полу-

Проводниками.

в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основныхатомов, носителями тока являются

электроны; возникает электронная примесная проводимость (проводи-

мость п-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются элек-

тронными (или полупроводниками п-типа). Примеси, являющиеся источ-

ником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих

примесей — донорными уровнями.

в полупроводниках с примесью, валентность которой на еди-

ницу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость(проводимость р-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками р-типа).

28

Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних воздействий, в результате которых концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться.

В полупроводниковых приборах неравновесное состояние в большинстве случаев возникает при введении (или выведении) в полупроводник неосновных носителей заряда через электронно-дырочный переход

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из который име-

ет электронную, а другой — дырочную проводимость, называется электрон-

но-дырочным переходом (или р-п-переходом)

p-n-переход (подобно на контакте металл — полупроводник) обладает односторонней(вентильной) проводимостью.

Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называ-

ется запирающим(обратным). В этом направлении электрический ток через

p-n-переход практически не проходит.

Электрическийток проходящий сквозь p-n-переход в направлении от p-полупроводника к n-полупроводнику называется пропускным (прямым).

Атомное ядро состоит из элементарных частиц — протонов и нейтронов.(протонно-нейтронная модель ядра была предложена российским физиком

Д.Д.Иваненко (1904-1994), а впоследствии развита В.Гейзенбергом).

Протоны и нейтроны называются нуклонами . Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z — зарядовое число

ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

заряд ядра определяет специфику данного химического элемента

В первом приближении ядро можносчитать шаром, причем радиус ядра за-

дается эмпирической формулой

31

масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов.

Ядерные силы-силы взаимодействия между нуклонами; обеспечивают большую величину энергии связи ядер посравнению с другими системами. Ядерные силы являются наиболее важным и распространённым примером сильноговзаимодействия (СВ).

Энергия, которую нужно затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные

нуклоны, называется энергией связиядра.

Энергия связи нуклонов в ядре

Дефект массы

Наэту величину уменьшается масса всехнуклонов при образовании из них атомного ядра.

удельную энергию связи δЕсв—энергию связи, отнесенную к одному

нуклону. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, т.е.

чем больше δЕсв, тем устойчивее ядро.

32.

Радиоактивные превращения ядер. Закономерности a- и b-распадов. Гамма-излучение и его свойства.

Альфа-распад — вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испусканиеядра гелия ⁴He — альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер — на 2.

Бета-распад (β-распад) — тип радиоактивного распада, обусловленный слабым взаимодействием и изменяющий заряд ядра на единицу без изменения массового числа. При этом распаде ядро излучает бета-частицу (электрон или позитрон), а также нейтральную частицу с полуцелым спином (электронное антинейтрино или электронное нейтрино)

Традиционно к бета-распаду относят распады двух видов:

- ядро (или нейтрон) испускает электрон и антинейтрино — «бета-минус-распад» (β⁻).

- ядро испускает позитрон и нейтрино — «бета-плюс-распад» (β⁺).

При электронном распаде возникает антинейтрино, при позитронном распаде — нейтрино. Это обусловлено фундаментальным законом сохранения лептонного заряда.

Кроме β⁻ и β⁺-распадов, к бета-распадам относят также электронный захват, (К-захват) в котором ядро захватывает электрон из своей электронной оболочки и испускает электронное нейтрино. Нейтрино (антинейтрино), в отличие от электронов и позитронов, крайне слабо взаимодействует с веществом и уносят с собой часть доступной энергии распада.

В β⁻-распаде слабое взаимодействие превращает нейтрон в протон, при этом испускаются электрон и электронное антинейтрино:

В β⁺-распаде протон в ядре превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:

( -распад),

( -распад),

Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) — вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны — менее 2·10⁻¹⁰ м — и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.

Гамма-лучи, в отличие от α-лучей и β-лучей, не содержат заряженных частиц и поэтому не отклоняются электрическими и магнитными полями и характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях. Гамма-кванты вызывают ионизацию атомов вещества.

Облучение гамма-квантами в зависимости от дозы и продолжительности может вызвать хроническую и острую лучевые болезни. Стохастические эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором.

Защитой от гамма-излучения может служить слой вещества. Эффективность защиты (то есть вероятность поглощения гамма-кванта при прохождении через неё) увеличивается при увеличении толщины слоя, плотности вещества и содержания в нём тяжёлых ядер (свинца, вольфрама, обеднённого урана и пр.).

33.

Ядерные реакции. Законы сохранения при ядерных реакциях.

Ядерная реакция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра, испускание элементарных частиц или фотонов. Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией.

Ядерная реакция деления — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном, альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзоэнергетический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Ядерная реакция синтеза — процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра.

Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.

Если , , , — полные энергии двух частиц до реакции и после реакции, то на основании закона сохранения энергии:

Разность суммарных кинетических энергий частиц на «выходе» и «входе» реакции Q = (E₃ + E₄) − (E₁ + E₂) называется энергией реакции (или энергетическим выходом реакции). Она удовлетворяет условию:

Множитель 1/c² обычно опускают, при подсчёте энергетического баланса выражая массы частиц в энергетических единицах (или иногда энергии в массовых единицах).

Если Q > 0, то реакция сопровождается выделением свободной энергии и называется экзоэнергетической, если Q < 0, то реакция сопровождается поглощением свободной энергии и называется эндоэнергетической.

Полный импульс частиц до реакции равен полному импульсу частиц-продуктов реакции. Если

, , , — векторы импульсов двух частиц до реакции и после реакции, то

Каждый из векторов может быть независимо измерен на опыте, например, магнитным спектрометром. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что закон сохранения импульса справедлив как при ядерных реакциях, так и в процессах рассеяния микрочастиц.

34.

Термоядерный синтез. Управляемый термоядерный синтез.

Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(²H) и тритий (³H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (³He) и бор-11 (¹¹B).

Самая легко осуществимая реакция — дейтерий + тритий:

²H + ³H = ⁴He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ

Реакция синтеза заключается в следующем: два или более относительно лёгких атомных ядра в результате теплового движения сближаются настолько, что короткодействующее сильное взаимодействие, проявляющееся на таких расстояниях, начинает преобладать над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего образуются ядра других, более тяжёлых элементов. Система нуклонов потеряет часть своей массы, равную энергии связи и по известной формуле E=mc², при создании нового ядра освободится значительная энергия сильного взаимодействия. Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, легче свести на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются лучшим видом топлива для управляемой реакции синтеза.