4.5: Діяльність

Промені різної частоти електромагнітного випромінювання описані нижче.

Гамма-промінь
B зелене світло
C рентгенівський
D жовте світло
E AM радіохвиля
F FM радіохвиля

а. ранжувати ці пучки виходячи з їх частоти.

Найбільший 1. _____ 2. _____ 3. _____ 4. _____ 5. _____ 6. _____ Найменший

_____ Рейтинг не може бути визначено на основі наданої інформації.

Поясніть причину вашого рейтингу:

б. якщо кожен промінь має однакову сумарну енергію, ранжируйте ці пучки за кількістю фотонів в кожному промені.

Найбільший 1. _____ 2. _____ 3. _____ 4. _____ 5. _____ 6. _____ Найменший

_____ Рейтинг не може бути визначено на основі наданої інформації.

Поясніть причину вашого рейтингу:

c Якщо кожен промінь має однакову кількість фотонів, ранжируйте ці пучки за їх сумарною енергією.

Найбільший 1. _____ 2. _____ 3. _____ 4. _____ 5. _____ 6. _____ Найменший

_____ Рейтинг не може бути визначено на основі наданої інформації.

Поясніть причину вашого рейтингу:

Шість металів, перерахованих нижче, мають зазначені робочі функції.

Металева робоча функція (еВ)
Алюміній 4,1
B берилій 5,0
C цезій 2,1
D магній 3,7
E платина 6,4
F калій 2,3

а. ранжувати ці метали на основі їх порогової частоти.

Найбільший 1. _____ 2. _____ 3. _____ 4. _____ 5. _____ 6. _____ Найменший

_____ Рейтинг не може бути визначено на основі наданої інформації.

Поясніть причину вашого рейтингу:

б. ранжувати ці метали на основі максимальної довжини хвилі світла, необхідної для звільнення електронів від їх поверхні.

Найбільший 1. _____ 2. _____ 3. _____ 4. _____ 5. _____ 6. _____ Найменший

_____ Рейтинг не може бути визначено на основі наданої інформації.

Поясніть причину вашого рейтингу:

c Кожен метал висвітлюється 400 нм (3,10 еВ) світлом. Перерахуйте метали на основі максимальної кінетичної енергії випромінюваних електронів. (Якщо електрони не випромінюються з металу, максимальна кінетична енергія дорівнює нулю, тому зараховуйте цей метал як найменший.)

Найбільший 1. _____ 2. _____ 3. _____ 4. _____ 5. _____ 6. _____ Найменший

_____ Рейтинг не може бути визначено на основі наданої інформації.

Поясніть причину вашого рейтингу:

Шість різних джерел світла різної інтенсивності (I) і частоти (f) спрямовані на однакові поверхні натрію. Натрій має порогову частоту 0,55 х 1015 Гц.

I (Вт/м2) ф (х 1015 Гц)
А 1,0 1,0
Б 2,0 0
С 1,0 С 1,0 2,0
Д 0,5 2,0
Е 4,0
Ф 0,5 1,0

а. яка з натрієвих поверхонь випромінює електрони?

б З поверхонь, що випромінюють електрони, ранжують сценарії на основі максимальної кінетичної енергії випромінюваних електронів.

Найбільший 1. _____ 2. _____ 3. _____ 4. _____ 5. _____ 6. _____ Найменший

_____ Рейтинг не може бути визначено на основі наданої інформації.

Поясніть причину вашого рейтингу:

c З поверхонь, що випромінюють електрони, ранжують сценарії на основі зупиняючого потенціалу, необхідного для «зупинки» випромінюваних електронів.

Найбільший 1. _____ 2. _____ 3. _____ 4. _____ 5. _____ 6. _____ Найменший

_____ Рейтинг не може бути визначено на основі наданої інформації.

Поясніть причину вашого рейтингу:

Лінія нижче представляє максимальну кінетичну енергію фотоелектронів, що випромінюються з металу натрію в залежності від частоти падаючого світла.

а Якщо інтенсивність світла, що вражає метал натрію, була подвоєна, а експеримент повторно виконаний, намалюйте і позначте як (а) лінію, яка представляла б результати експерименту.

б Якщо в експерименті був використаний метал, що має половину робочої функції натрію, а експеримент повторно виконаний, ескіз і позначте як (б) лінію, яка представляла б результати експерименту.

c Яку особливість графіка (тобто нахил, y-перехоплення, x-перехоплення і т.д.) представляє робочу функцію?

d Яку особливість графа (тобто нахил, y-перехоплення, x-перехоплення тощо) представляє константу Планка?

Гістограма для енергії кожного падаючого фотона, кінетичної енергії кожного випромінюваного електрона та робочої функції поверхні металу показана для конкретного запуску експерименту з фотоелектричним ефектом.

Для кожної зміни в експерименті, перерахованому нижче, побудувати гістограму, яка ілюструє зміни в кожній зі змінних.

1. Використовуйте більш яскраве джерело світла

2. Використовуйте джерело світла більш високої частоти

3. Використовуйте метал з меншою пороговою частотою

4. Використовуйте метал з робочою функцією, більшою за енергію фотонів

Для кожного з наступних експериментальних спостережень виберіть правильний вибір знизу:

A Може найкраще пояснюватися мисленням про світло як хвилю
B Найкраще можна пояснити мисленням про світло як про потік частинок
C Може пояснюватися будь-якою концепцією світла
D Не можна пояснити будь-якою концепцією світла

________ 1. В експерименті з фотоелектричним ефектом струм прямо пропорційний інтенсивності падаючого світла.

________ 2. У експерименті з фотоелектричним ефектом існує порогова частота, нижче якої електрони не випромінюються.

________ 3. У експерименті з подвійною щілиною світло поширюється, коли він виходить з кожного отвору апарату.

________ 4. У експерименті з розсіювання Комптона довжина хвилі розсіяного світла довша, ніж довжина хвилі падаючого світла на величину, залежну від кута розсіювання.

________ 5. У експерименті з фотоелектричним ефектом напруга зупинки не залежить від інтенсивності падаючого світла.

________ 6. В експерименті з подвійною щілиною на екрані навпроти щілин з'являється візерунок з безлічі чергуються яскравих і темних плям.

________ 7. В експерименті з розсіювання Комптона світло розсіюється від електронів на всі кути.

________ 8. В експерименті з фотоелектричним ефектом електрони випромінюються відразу після включення світла, навіть при дуже низькій інтенсивності.

________ 9. У експерименті з фотоелектричним ефектом з постійною інтенсивністю світла електрони, що випромінюються з різних металів, вимагають різних стоп-напруг.

________ 10. Світло може проходити через певні предмети (наприклад, скло), але не через інші предмети (наприклад, бетон).

На зображенні нижче показана типова настройка для експерименту з розсіянням Комптона та кількість фотонів, виявлених на різних довжині хвиль за допомогою детектора фотонів на 900 від початкового напрямку пучка. Довжина хвилі падаючого фотона дорівнює.

а Пік присутній на 'відповідає результату, очікуваному від формули розсіяння Комптона. Чому на початковій довжині хвилі фотонів присутній пік? (Підказка: Ці фотони також розкидані від цілі.)

б. піки, присутні в реальних даних, мають ширину, тобто не всі фотони, розсіяні від електронів, точно '. Чому відбувається розкид по довжині хвилі розсіяних фотонів?

c Який з двох наведених нижче графіків відповідає даним, зібраним детектором при 450? Поясніть свої міркування.


На зображенні нижче показані перетину фотонів для свинцю.

а Використовуючи пару вертикальних ліній, розділіть графік на три області, де фотоелектричний ефект, розсіювання Комптона та парне виробництво є домінуючими процесами. Позначте ці регіони.

б Використовуючи пунктирну вертикальну лінію, вкажіть енергію, при якій фотони проникали б глибше в свинцеву ціль.

c При енергії, при якій парне виробництво стає домінуючим процесом, приблизно наскільки ймовірніше парне виробництво, ніж фотоелектричний ефект?

д. чітко пояснити, чому перетин для фотоефекту має різкі скачки «краю ножа». Які електрони свинцю починають поглинати фотони в крайньому правому з цих стрибків?

е. чітко пояснити, чому когерентне розсіювання набагато більш імовірно, ніж некогерентне розсіювання при низьких енергіях. (Підказка: Розглянемо довжину хвилі фотонів і розмір атома свинцю.)

f Чітко пояснити, чому перерізи виробництва пари різко зникають на позначці 1 МеВ.

а Скільки фотонів в секунду випромінюються передавачем 10 кВт FM мовлення на 89.7 МГц?
б Скільки фотонів в секунду випромінюється 5,0 мВт, 634 нм лазером?
c Приблизно, наскільки далеко один від одного знаходяться окремі фотони в лазерному промені, описані в (b), припускаючи, що промінь має незначну площу поперечного перерізу?

Математичний аналіз

Коли людське око повністю адаптоване до темного кольору, йому потрібно приблизно 1000 фотонів в секунду, що вражає сітківку, щоб об'єкт був видимим. Ці фотони потрапляють в око через зіницю діаметром приблизно 3 мм.
а Приблизно наскільки далеко один від одного окремі фотони вражають наше око в ситуації вище?
б Сонце випромінює приблизно 3,9 х 1026 Вт, з піковим випромінюванням близько 500 нм. Приблизно скільки фотонів в секунду випромінюється сонцем?
c Припускаючи, що ці фотони випромінюються однаково у всіх напрямках, і дуже мало поглинаються втручаються матеріалами, приблизно наскільки далеко може бути зірка, як сонце, бути і все ще бути видимою для людей?

Математичний аналіз

Свинець освітлюється ультрафіолетовим світлом довжиною хвилі 250 нм. Це призводить до зупинки потенціалу 0,82 В.
а Яка робоча функція для свинцю?
б Який зупиняючий потенціал при висвітленні свинцю 200 нм світла?
c Яка порогова частота для свинцю?

Математичний аналіз

Коли цезій освітлюється світлом 500 нм, потенціал зупинки становить 0,57 В
. а Яка робоча функція для цезію?
б. для якої довжини хвилі світло є зупиняючим потенціалом 1,0 В?
c Яка порогова довжина хвилі для цезію?

Математичний аналіз

Лазер потужністю 190 мВт, що працює на 650 нм, спрямований на світлочутливий метал з робочою функцією 0,7 еВ.
а Скільки фотонів в секунду випромінюється лазером?
б Яка максимальна кінетична енергія викинутих електронів?
c Якщо 15% лазерного світла поглинається (при 85% відбитих), який електронний струм в цьому експерименті?

Математичний аналіз

Світло довжиною хвилі 500 нм падає на світлочутливий метал. Встановлено, що зупиняючий потенціал дорівнює 0,45 В
. а. знайти максимальну кінетичну енергію викинутих електронів.
б. знайти робочу функцію металу.
с. знайти довжину хвилі зрізу металу.

Математичний аналіз

Фотоелектричний ефект передбачає поглинання фотона електроном, пов'язаним в металі. Покажіть, що вільний електрон в спокої не може поглинати фотон. (Підказка: Показати, що поєднання збереження\ енергії та збереження імпульсу для вільного електрона, що поглинає фотон, призводить до протиріччя.)

Математичний аналіз

Фотон 0,03 нм стикається з електроном в спокої. Після зіткнення фотон виявляється на позначці 400 щодо його початкового напрямку руху.
а. знайти енергію розсіяного фотона.
b. знайти кінетичну енергію розсіяного електрона.
с. знайти кут розсіяного електрона.

Математичний аналіз

Фотон 800 кеВ стикається з електроном в спокої. Після зіткнення фотон виявляється з 650 кеВ енергії.
a. знайти кут розсіяного фотона.
b. знайти кінетичну енергію розсіяного електрона.
с. знайти кут розсіяного електрона.

Математичний аналіз

Фотон 0,01 нм стикається з електроном в спокої. Після зіткнення фотон виявляється з 0,1 МеВ енергії.
a. знайти кут розсіяного електрона.
b. знайти швидкість розсіяного електрона.

Математичний аналіз

В експерименті з розсіянням Комптона відзначено, що максимальна енергія, передана електрону, становить 45 кеВ. Яка початкова енергія фотонів використовувалася в експерименті?

Математичний аналіз

При симетричному зіткненні кут розсіювання фотона і електрона рівні. Якщо вхідний фотон має 1,0 МеВ енергії, а розсіювання симетричне, знайдіть кут розсіювання.

Математичний аналіз

Фотон 2,0 МеВ взаємодіє з вуглецевим ядром і створює електрон-позитронну пару. Електрон і позитрон рухаються перпендикулярно початковому напрямку руху фотона.
a. знайти кінетичну енергію електрона і позитрона, припускаючи, що ядро знаходиться в стані спокою після взаємодії.
b. знайти кінетичну енергію вуглецевого ядра, необхідну для забезпечення збереження імпульсу. Чи сильно вплине ця кількість кінетичної енергії на результат у частині a?

Математичний аналіз

Фотон 1,5 МеВ взаємодіє з вуглецевим ядром і створює електрон-позитронну пару. Електрон рухається паралельно, а позитрон антипаралельно, з рівними швидкостями, до початкового напрямку руху фотона.
a. знайти кінетичну енергію електрона і позитрона, припускаючи, що ядро знаходиться в стані спокою після взаємодії.
b. знайти кінетичну енергію вуглецевого ядра, необхідну для забезпечення збереження імпульсу. Чи сильно вплине ця кількість кінетичної енергії на результат у частині a?

Математичний аналіз

Фотон взаємодіє з свинцевим ядром і створює протонно-антипротонну пару. Протон рухається паралельно, а антипротон антипаралельно, обидва при 0.4c, до початкового напрямку руху фотона.
a. знайти кінетичну енергію протона і антипротона, припускаючи, що ядро знаходиться в стані спокою після взаємодії.
b. знайти кінетичну енергію свинцевого ядра, необхідну для забезпечення збереження імпульсу. Чи сильно вплине ця кількість кінетичної енергії на результат у частині a?

Математичний аналіз

Фотон 1,8 МеВ взаємодіє з свинцевим ядром і створює електрон-позитронну пару. Електрон і позитрон рухаються на 350 від початкового напрямку руху фотона.
a. знайти кінетичну енергію електрона і позитрона, припускаючи, що ядро знаходиться в стані спокою після взаємодії.
b. знайти кінетичну енергію свинцевого ядра, необхідну для забезпечення збереження імпульсу. Чи сильно вплине ця кількість кінетичної енергії на результат у частині a?

Математичний аналіз

Фотон 1,8 МеВ взаємодіє з водневим ядром і створює електрон-позитронну пару. Електрон і позитрон рухаються на 350 від початкового напрямку руху фотона.
a. знайти кінетичну енергію електрона і позитрона, припускаючи, що ядро знаходиться в стані спокою після взаємодії.
b. знайти кінетичну енергію ядра водню, необхідну для забезпечення збереження імпульсу. Чи сильно вплине ця кількість кінетичної енергії на результат у частині a?

Математичний аналіз

Фотони падають на алюмінієву ціль товщиною 1,0 см.
а Якщо енергія падаючої становить 1,0 кеВ, який відсоток фотонів зазнає фотоелектричного ефекту?
б Якщо енергія падаючої становить 1,0 МеВ, який відсоток фотонів зазнає фотоелектричного ефекту?
c Якщо енергія падаючої дорівнює 1,0 МеВ, який відсоток фотонів буде зупинений або розсіяний?

Математичний аналіз

Фотони падають на дуже товсту алюмінієву мішень.
а. при якій енергії промінь буде проникати найглибше в алюміній?
б. при зазначеній вище енергії, яка товщина потрібна для зменшення інтенсивності променя на 50%?
c При вищевказаній енергії, що таке домінантний фотонний процес? Який відсоток фотонів піддається цьому процесу?

Математичний аналіз

Фотони падають на дуже товсту «збіднену» уранову мішень.
а. при якій енергії промінь буде проникати найглибше в уран?
б. при зазначеній вище енергії, яка товщина потрібна для зменшення інтенсивності променя на 50%?
c При вищевказаній енергії, що таке домінантний фотонний процес? Який відсоток фотонів піддається цьому процесу?

Математичний аналіз

Рівної інтенсивності фотонні пучки падають на плити з заліза і свинцю.
а. при 1,0 МеВ знайти товщину свинцю, необхідну для забезпечення такого ж загасання, як 10 см заліза.
б. при 100 МеВ знайти товщину свинцю, необхідну для забезпечення такого ж загасання, як 10 см заліза.

Математичний аналіз

а Для фотонного пучка 1,0 кеВ знайдіть товщину повітря, необхідну для зменшення інтенсивності променя на 99%?
б Для фотонного пучка 100 МеВ знайти товщину повітря, необхідну для зменшення інтенсивності променя на 99%?

Математичний аналіз

а Для фотонного пучка 1,0 кеВ знайдіть товщину води, необхідну для зменшення інтенсивності променя на 99%?
б Для фотонного пучка 100 МеВ знайти товщину води, необхідну для зменшення інтенсивності променя на 99%?

Математичний аналіз

Діагностичні рентгенівські промені мають енергію близько 100 кеВ. Уявіть собі, щоб отримати рентген для зламаної руки. Моделюйте некісткову частину руки як мішок з водою товщиною 5 см.
а. який відсоток рентгенівських променів поглинається некісткової частиною руки?
б. який відсоток рентгенівських променів розсіюється некісткової частиною руки?
c З усіма цими розсіяними рентгенівськими променями, що літають навколо, ви можете носити фартух товщиною 1,0 см, щоб захистити себе. Який відсоток рентгенівських променів (падаючих або розсіяних) поглинається свинцевим фартухом?

Математичний аналіз

Фотони 1.0 МеВ потрапляють на свинцеву ціль. Яка ймовірність на атом, що фотон буде поглинутий? (Підказка: Розгляньте ціль товщиною 1,0 см і використовуйте щільність і молярну масу свинцю.)

Математичний аналіз