Фотоэлектрический эффект. Давление света. Эффект Комптона

 

Основные формулы

 

Энергия фотона равна

; или ,

где h – постоянная Планка; – постоянная Планка, деленная на ; – частота фотона; – циклическая частота.

Масса фотона определяется по формуле

,

где с – скорость света в вакууме; – длина волны фотона.

Импульс фотона равен

.

Формула Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид

,

где – энергия фотона, падающего на поверхность металла; – работа выхода электрона с поверхности металла; – максимальная кинетическая энергия фотоэлект­ронов.

Красная граница фотоэффекта определяется по формуле

; или

где – минимальная частота света, при которой еще возможен фотоэффект; – максимальная длина волны света, при которой еще возможен фотоэффект; h – постоянная Планка; с – скорость света в вакууме.

Формула Комптона имеет вид

; или

где λ – длина волны фотона, встретившегося со свободным или слабо связанным электроном; – длина волны фотона, рассеянного на угол θ после столкновения с электроном; m₀ – масса по­коящегося электрона.

Комптоновская длина волны определяется по формуле

.

При рассеянии фотона на электроне 2,436 пм.

Давление света при нормальном падении на поверхность определяется по формуле

 

,

где – облученность поверхности; – объемная плотность энергии излучения; ρ– коэффициент отражения света поверхностью.

 

Задачи

 

23.1. Определить работу выхода электронов из натрия, если красная граница фотоэффекта = 500 нм.

23.2. Будет ли наблюдаться фотоэффект, если на поверхность
серебра направить ультрафиолетовое излучение с длиной волны = 300 нм?

23.3. Какая доля энергии фотона израсходована на работу вы­рывания фотоэлектрона, если красная граница фотоэффекта = 307 нм и максимальная кинетическая энергия Т_max фотоэлектрона равна 1 эВ?

23.4. На поверхность лития падает монохроматический свет (λ= 310 нм). Чтобы прекратить эмиссию электронов, нужно приложить задерживающую разность потенциалов U не менее 1,7 В. Определить работу выхода .

23.5. Для прекращения фотоэффекта, вызванного облучением ультрафиолетовым светом платиновой пластинки, нужно прило­жить задерживающую разность потенциалов U ₁ = 3,7 В. Если пла­тиновую пластинку заменить другой пластинкой, то задерживающую разность потенциалов придется увеличить до б В. Определить ра­боту выхода электронов с поверхности этой пластинки.

23.6. На цинковую пластинку падает монохроматический свет с длиной волны = 220 нм. Определить максимальную скорость v _max фотоэлектронов.

23.7. Определить длину волны λ ультрафиолетового излучения, падающего на поверхность некоторого металла, при максимальной скорости фотоэлектронов, равной 10 Мм/с. Работой выхода элект­ронов из металла пренебречь.

23.8. Определить максимальную скорость v _max фотоэлектронов, вылетающих из металла под действием – излучения с длиной волны λ = 0,3 нм.

23.9. Определить максимальную скорость V_max фотоэлектронов, вылетающих из металла при облучении – фотонами с энергией ε = 1,53 МэВ.

23.10. Максимальная скорость V_max фотоэлектронов, вылетаю­щих из металла при облучении его – фотонами, равна 291 Мм/с. Определить энергию ε – фотонов.

23.11. До какого максимального потенциала зарядится удаленный от других тел медный шарик при облучении его электромагнитным излучением с λ = 140 нм?

23.12. Определить поверхностную плотность I потока энергии излучения, падающего на зеркальную поверхность, если световое давление р при перпендикулярном падении лучей равно 10 мкПа.

23.13. Поток энергии Ф_е, излучаемый электрической лампой, ра­вен 600 Вт. На расстоянии r = 1 м от лампы перпендикулярно падаю­щим лучам расположено круглое плоское зеркальце диаметром d = 2 cм. Принимая, что излучение лампы одинаково во всех направ­лениях и что зеркальце полностью отражает падающий на него свет, определить силу F светового давления на зеркальце.

23.14. На зеркальце с идеально отражающей поверхностью пло­щадью S = 1,5 см² падает нормально свет от электрической дуги. Определить импульс p, полученный зеркальцем, если поверхност­ная плотность потока излучения Ф, падающего на зеркальце, равна 0,1 МВт/м². Продолжительность облучения t = 1 с.

23.15. Определить энергию ε, массу m и импульс р фотона, кото­рому соответствует длина волны = 380 нм (фиолетовая граница видимого спектра).

23.16. Определить длину волны λ, массу m и импульс р фотона с энергией ε = 1 МэВ. Сравнить массу этого фотона с массой покояще­гося электрона.

23.17. Определить длину волны λ фотона, импульс которого ра­вен импульсу электрона, обладающего скоростью V = 10 Мм/с.

23.18. Определить длину волны λ фотона, масса которого равна массе покоя: 1) электрона; 2) протона.

23.19. Давление р монохроматического света ( = 600 нм) на чер­ную поверхность, расположенную перпендикулярно падающим лу­чам, равно 0,1 мкПа. Определить число N фотонов, падающих за время t = l с на поверхность площадью S = 1 см².

23.20. Монохроматическое излучение с длиной волны λ= 500 нм падает нормально на плоскую зеркальную поверхность и давит на нее с силой F = 10 нН. Определить число N фотонов, ежесекундно падающих на эту поверхность.

23.21. Параллельный пучок монохроматического света ( = 662 нм) падает на зачерненную поверхность и производит на нее давление р = 0,3 мкПа. Определить концентрацию n фотонов в све­товом пучке.

23.22. Лазер излучил в импульсе длительности τ = 0,13 мс
пучок света с энергией Е = 10 Дж. Найти среднее давление
такого светового импульса, если его сфокусировать в пятнышко
диаметра d = 10 мкм на поверхность с коэффициентом отраже­ния ρ =0,50.

23.23. Короткий импульс света с энергией Е = 7,5 Дж в виде
узкого почти параллельного пучка падает на зеркальную
пластинку с коэффициентом отражения ρ =0,60. Угол падения
α = 30⁰. Определить с помощью корпускулярных представлений
импульс, переданный пластинке.

23.24. Рентгеновское излучение длиной волны λ = 55,8 пм рассеи­вается плиткой графита (комптон – эффект). Определить длину волны излучения, рассеянного под углом θ = 60⁰ к направлению падающего пучка.

23.25. Определить максимальное изменение длины волны при комптоновском рассеянии: 1) на свободных электронах; 2) на сво­бодных протонах.

23.26. Определить угол рассеяния фотона, испытавшего соуда­рение со свободным электроном, если изменение длины волны при рассеянии равно 3,62 пм.

23.27. Фотон с энергией ε = 0,4 МэВ рассеялся под углом θ=90⁰ на свободном электроне. Определить энергию рассеянного фотона и кинетическую энергию Т электрона отдачи.

23.28. Определить импульс р электрона отдачи при эффекте Комптона, если фотон с энергией, равной энергии покоя электрона, был рассеян на угол θ = 180⁰.

23.29. Какая доля энергии фотона при эффекте Комптона прихо­дится на электрон отдачи, если фотон претерпел рассеяние на угол θ = 180⁰? Энергия фотона до рассеяния равна 0,255 МэВ.

23.30. Фотон с энергией ε = 0,25 МэВ рассеялся на свободном электроне. Энергия рассеянного фотона равна 0,2 МэВ. Опреде­лить угол рассеяния θ.

23.31. Угол рассеяния θ фотона равен 90⁰. Угол отдачи φ элек­трона равен 30⁰. Определить энергию ε падающего фотона.

23.32. Фотон (λ = 1 пм) рассеялся на свободном электроне под уг­лом θ = 90⁰. Какую долю своей энергии фотон передал электрону?

23.33. Длина волны λ фотона равна комптоновской длине электрона. Определить энергию ε и импульс р фотона.

23.34. Энергия ε падающего фотона равна энергии покоя элек­трона. Определить долю энергии падающего фотона, которую сохранит рассеянный фотон, и долю этой энергии, полученную электроном отдачи, если угол рассеяния θ равен: 1) 60⁰; 2) 90⁰; 3) 180⁰.