Схема для исследования фотоэффекта.

   Свет проникает через кварцевое окошко Кв в откачанный баллон и освещает катод К, изготовленный из исследуемого материала. При фотоэффекте из катода вырываются электроны и попадают в электрическое поле созданное батареей ЭДС, движутся к аноду и созают фототок, который регистрируется гальванометром Г. Напряжение U между анодом и катодом можно регулировать с помощью потенциометра П.

   Фототок существует даже при U = 0. Чтобы фототок прекратился, надо приложить к аноду отрицательный задерживающий потенциалU _З. При этом

                                                            (3.7)

Тогда формула Эйнштейна (3.5) изменяется:

                                                       (3.8)

   В физике микрочастиц часто пользуются внесистемной единицей измерения энергии электрон-вольт:

1 эВ =  Дж

   При столкновении фотона с длиной волны l с покоящимся электроном фотон изменит направление своего движения на угол q, и его длина незначительно увеличится и станет равной l'. Это явление называется эффектом Комптона.

   При этом          ,               (3.9)

где м = 2,42 пм – называется комптоновской длиной волны электрона.

 

   3.1. Стеклянная призма с показателем преломления n _с = 1,8 находится в некоторой среде с показателем преломления n ₁. Пучок естественного света падает на призму с углом α = 30^о параллельно ее основанию. Определить показатель преломления n ₁ среды, если отраженный пучок максимально поляризован.            Ответ: 1,04

   3.2. Определите степень поляризации частично поляризованного света, если амплитуда светового вектора, соответствующая максимальной интенсивности света, в два раза больше амплитуды, соответствующей его минимальной интенсивности.  Ответ: 0,6

   3.3. Естественный свет с интенсивностью I ₀=1 Дж/м²×с проходит последодвательно через три поляризатора П1, П2 и П3. Угол между плоскостями поляризаторов П1 и П2 равен a = 45°, между плоскостями поляризаторов П1 и П3 равен 90°. На сколько интенсивность света после поляризатора П3 меньше, чем естественного?

Ответ: 0,875 ДЖ/м²×с

   3.4. Лазер с длиной волны l = 632 нм и с мощностью Р = 50 мВт испускает луч света. Найти число фотонов N в участке луча длины l = 1 м и импульс р этого участка.

Ответ: ; .

   3.5. Фотоны с некоторой частотой выбивают из металла электроны с кинетической энергией Е ₁ = 4 эВ. Если частоту падающих фотонов увеличить в n = 5 раз, то величина скорости вылетающих электронов возрастёт в k = 3 раза. Найти работу выхода электронов из этого металла (в эВ).

Ответ: A = E ₁ эВ.

   3.6. Красная граница фотоэффекта для некоторого металла l _кр = 500 нм. Найти длину волны фотонов, падающих на металл, если выбитые ими электроны полностью задерживаются отрицательной разностью потенциалов U = 10 B. Ответ:  нм.

   3.7. Фотон с импульсом  рассеивается на угол q = 60 ⁰ на покоящейся частице. Найти комптоновскую длину волны этой частицы, если после рассеяния частота фотона становится равной Гц.

Ответ:  м.

Качественные задачи.

   3.8к. Естественный свет с интенсивностью  падает на вход устройства, состоящего из двух скрещенных поляроидов. Между поляроидами поместили третий поляроид, ось которого составляет с осью первого угол a. Отношение интенсивности света, прошедшего через систему, к интенсивности падающего на систему равно...          а)    б)    в) 0 г)

   3.9к. На пути естественного света помещены две пластинки турмалина. После прохождения пластинки 1 свет полностью поляризован. Если  и  – интенсивности света, прошедшего пластинки 1 и 2 соответственно, и угол между направлениями оптических осей ОО и O'O' j=60°, то  и  связаны соотношением...

а)    б)    в)    г)

   3.10к.  На рисунке представлены графики зависимости интенсивности  света, прошедшего через поляризатор, от угла поворота j поляризатора для трех разных световых пучков.

 

  

          a)                                         b)                               c)

Для данных графиков верным соотношением степеней поляризации падающих на поляризатор световых волн всех трех пучков будет

1)       2)     3)    4)

   3.11к.  При освещении металла излучением с длиной волны l₀ фототок прекращается при задерживающем напряжении . Если изменить длину волны излучения в 1,5 раза, то задерживающее напряжение увеличится в 2 раза. Работа выхода электронов из металла А = 4 эВ. Задерживающее напряжение  в вольтах для излучения с длиной волны   равно...

   3.12к. Эффект Комптона наблюдается на почти свободных электронах. На рисунке показаны направления падающего фотона , рассеянного фотона  и электрона отдачи . Угол рассеяния 90°, направление движения электрона отдачи составляет с направлением падающего фотона угол j= 30°. При рассеянии импульс фотона...

а) уменьшится в  раз б) увеличится в  раз

в) уменьшится в 2 раза г) не изменится

   3.13к. В явлении Комптона энергия падающего фотона распределяется поровну между рассеянным фотоном и электроном отдачи. Угол рассеяния равен . Комптоновская длина волны электрона: м. Длина волны рассеянного фотона в фемтометрах  равна...

 

Задачи для самостоятельной работы.

   3.1с. Стеклянный шар с показателем преломления n _с = 1,5 находится в жидкости с показателем преломления n _ж = 1,33. В точку А шара падает луч естественного света и отражается полностью поляризованный. Найти угол j между падающим и преломленным лучами.

 

   3.2с. Степень поляризации частично поляризованного света составляет Р = 0,75. Определите отношение максимальной интенсивности света, пропускаемого анализатором, к минимальной.

   3.3с. Естественный свет интенсивностьтю I ₀ = 1 Дж/м²×спроходит последодвательно через два поляризатора П1 и П2. Угол между плоскостями поляризаторов был равен 90°, а затем он стал равен a = 45°. На сколько изменилась интенсивность света, вышедшего из поляризатора П2?  

   3.4с. Определить скорость электрона, кинетическая энергия которого равна энергии фотона с длиной волны λ = 100 мкм.

   3.5с. Определите частоту фотонов n, падающих на металл и вырывающих электроны, которые полностью задерживаются при приложении обратного напряжения U = 1 В. Фотоэффект для этого металла начинается при частоте падающего монохроматического света n_о = 10¹⁴ Гц.

   3.6с. Фотон с энергией Е = 1 МэВ рассеялся на первоначально покоившемся свободном электроне. Определите угол рассеяния фотона, если длина волны рассеянного фотона оказалась равной комптоновской длине волны.

Занятие 4.