Физика · тема 9 из 19 · ОГЭ № 1–4, 10, 14 · ЕГЭ № 16–18

Квантовая и ядерная физика

Фотоны и фотоэффект, постулаты Бора и спектры, состав ядра, радиоактивность, ядерные реакции и энергия связи — короткие, но очень «формульные» задания обоих экзаменов.

35 мин чтенияОГЭЕГЭ22 задания

Коротко

главное за 30 секунд
  1. Энергия фотона $E = h\nu = \dfrac{hc}{\lambda}$, $h = 6{,}6\cdot 10^{-34}$ Дж·с
  2. Фотоэффект: $h\nu = A_{\text{вых}} + E_{к\,max}$, $E_{к\,max} = eU_{з}$, красная граница $h\nu_{кр} = A_{\text{вых}}$
  3. Бор: при переходе между уровнями $h\nu = E_m - E_n$
  4. Ядро $^{A}_{Z}\mathrm{X}$: протонов $Z$, нейтронов $N = A - Z$
  5. Закон распада: $N = N_0\cdot 2^{-t/T}$
  6. В реакциях сохраняются $A$ и $Z$: $\alpha$-распад — $A - 4$, $Z - 2$; $\beta^-$-распад — $Z + 1$

Фотоны и фотоэффект

Свет излучается и поглощается порциями — квантами (фотонами). Энергия и импульс одного фотона:

$$E = h\nu = \dfrac{hc}{\lambda}, \qquad p = \dfrac{h}{\lambda}, \qquad h = 6{,}6\cdot 10^{-34}\ \text{Дж}\cdot\text{с}$$ Удобная единица энергии: $1\ \text{эВ} = 1{,}6\cdot 10^{-19}$ Дж.

Фотоэффект — вырывание электронов из вещества светом. Энергия фотона тратится на работу выхода и на кинетическую энергию электрона — это уравнение Эйнштейна:

$$h\nu = A_{\text{вых}} + \dfrac{mv_{max}^2}{2}, \qquad \dfrac{mv_{max}^2}{2} = eU_{з}, \qquad \nu_{кр} = \dfrac{A_{\text{вых}}}{h},\ \ \lambda_{кр} = \dfrac{hc}{A_{\text{вых}}}$$

Законы фотоэффекта (Столетов, Эйнштейн):

  • сила тока насыщения (число вырванных электронов в секунду) пропорциональна интенсивности света;
  • максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов растёт линейно с частотой света и не зависит от интенсивности;
  • при $\nu \lt \nu_{кр}$ (или $\lambda \gt \lambda_{кр}$) фотоэффекта нет при любой интенсивности.
Самая частая ошибка в задании 17 ЕГЭ: «увеличили интенсивность — энергия электронов выросла». Нет! От интенсивности зависит только число фотоэлектронов, а их максимальная энергия и запирающее напряжение определяются частотой света и работой выхода. Работа выхода — характеристика металла, от света она вообще не зависит.

Пример. Свет с длиной волны 330 нм падает на металл с работой выхода $4\cdot 10^{-19}$ Дж. Энергия фотона $E = \dfrac{6{,}6\cdot 10^{-34}\cdot 3\cdot 10^8}{3{,}3\cdot 10^{-7}} = 6\cdot 10^{-19}$ Дж. Кинетическая энергия электронов $6\cdot 10^{-19} - 4\cdot 10^{-19} = 2\cdot 10^{-19}$ Дж, запирающее напряжение $U_з = \dfrac{2\cdot 10^{-19}}{1{,}6\cdot 10^{-19}} = 1{,}25$ В.

Проверь себя. Энергия фотона 5 эВ, работа выхода электронов из металла 2 эВ. Чему равна максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов (в эВ)?

Ответ: 3

Строение атома: модель Резерфорда и постулаты Бора

Опыт Резерфорда: при обстреле тонкой золотой фольги $\alpha$-частицами почти все частицы проходят насквозь, но единицы отклоняются на большие углы. Вывод — планетарная модель: почти вся масса и весь положительный заряд атома сосредоточены в крошечном ядре, вокруг которого движутся электроны. Нейтральный атом содержит столько электронов, сколько протонов в ядре.

Устойчивость атома и линейчатые спектры объяснил Бор:

  1. Атом может находиться только в особых стационарных состояниях с энергиями $E_1, E_2, E_3, \dots$ — в них он не излучает.
  2. При переходе из состояния с энергией $E_m$ в состояние с меньшей энергией $E_n$ излучается фотон: $$h\nu = E_m - E_n.$$ Поглощение фотона — обратный переход снизу вверх.

Спектры. Разреженные газы дают линейчатые спектры излучения, у каждого элемента свой набор линий — на этом основан спектральный анализ. Холодный газ поглощает те же частоты, которые сам излучает в нагретом состоянии (тёмные линии в спектре поглощения). Нагретые твёрдые тела и жидкости дают сплошной спектр.

Самая большая энергия фотона — у самого «длинного» перехода на диаграмме уровней, самая большая длина волны — у самого короткого перехода ($\lambda = hc/\Delta E$). Число разных линий при переходах вниз с уровня $n$ равно $\dfrac{n(n - 1)}{2}$: с третьего уровня — 3 линии.
n = 1E₁n = 2E₂n = 3E₃n = 4E₄hν — излучениепоглощениеhν = Eₘ − Eₙ
Рис. 1. Постулаты Бора: при переходе на более низкий уровень атом излучает фотон hν = E₃ − E₂

Состав ядра и энергия связи

Ядро состоит из протонов и нейтронов — нуклонов. Запись $^{A}_{Z}\mathrm{X}$: $Z$ — зарядовое число (число протонов, порядковый номер в таблице Менделеева), $A$ — массовое число (число нуклонов).

$$N = A - Z \qquad \text{(число нейтронов)}$$ Изотопы — ядра с одинаковым $Z$ и разным $A$ (то есть с разным числом нейтронов).
Проверь себя. Сколько нейтронов содержит ядро $^{238}_{92}\mathrm{U}$?

Ответ: 146

Нуклоны удерживают ядерные силы — очень сильные и короткодействующие (действуют на расстояниях порядка $10^{-15}$ м), не зависящие от заряда.

Дефект масс: масса ядра меньше суммы масс свободных нуклонов. Энергия связи — энергия, нужная, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны:

$$\Delta m = Zm_p + Nm_n - M_{я}, \qquad E_{св} = \Delta m\, c^2, \qquad 1\ \text{а.е.м.} \leftrightarrow 931{,}5\ \text{МэВ}$$

Пример. Дейтрон $^{2}_{1}\mathrm{H}$: $m_p = 1{,}00728$ а.е.м., $m_n = 1{,}00866$ а.е.м., $M_я = 2{,}01355$ а.е.м. Дефект масс $\Delta m = 2{,}01594 - 2{,}01355 = 0{,}00239$ а.е.м., энергия связи $0{,}00239\cdot 931{,}5 \approx 2{,}2$ МэВ.

Удельная энергия связи (на один нуклон) максимальна у ядер в районе железа — около 8,8 МэВ. Поэтому энергия выделяется и при делении тяжёлых ядер, и при синтезе лёгких.

Радиоактивность и закон распада

ИзлучениеЧто этоКак меняется ядроЧто задерживает
$\alpha$ядра гелия $^{4}_{2}\mathrm{He}$$A - 4$, $Z - 2$лист бумаги
$\beta^-$электроны $^{\ 0}_{-1}e$$A$ то же, $Z + 1$несколько мм алюминия
$\gamma$фотоны (ЭМ-волны)$A$ и $Z$ не меняютсятолстый слой свинца, бетона

В магнитном поле $\alpha$- и $\beta$-частицы отклоняются в противоположные стороны (заряды разных знаков), $\gamma$-лучи не отклоняются. При $\beta^-$-распаде нейтрон в ядре превращается в протон, электрон и антинейтрино.

Закон радиоактивного распада: $$N = N_0\cdot 2^{-\frac{t}{T}}$$ $T$ — период полураспада: время, за которое распадается половина имеющихся ядер.
За два периода полураспада распадаются не все ядра, а $\dfrac34$ из них: остаётся $\dfrac12\cdot\dfrac12 = \dfrac14$. И второй подвох: если сказано «распалось 75 %», то осталось 25 %, и закон записывают для оставшихся ядер.

Пример. Период полураспада изотопа 8 суток. Через 24 суток прошло $24 : 8 = 3$ периода, осталось $2^{-3} = \dfrac18$ исходного числа ядер, то есть 12,5 %.

Проверь себя. За 24 ч распалось 75 % радиоактивных ядер. Чему равен период полураспада (в часах)?

Ответ: 12

Ядерные реакции

В любой ядерной реакции сохраняются сумма массовых чисел $A$ (сверху) и сумма зарядовых чисел $Z$ (снизу). Этого хватает, чтобы найти неизвестную частицу.

Частицы, которые нужно узнавать «в лицо»: протон $^{1}_{1}p$, нейтрон $^{1}_{0}n$, электрон $^{\ 0}_{-1}e$, позитрон $^{0}_{1}e$, $\alpha$-частица $^{4}_{2}\mathrm{He}$, дейтрон $^{2}_{1}\mathrm{H}$, $\gamma$-квант $^{0}_{0}\gamma$.

  • Первая реакция (Резерфорд, 1919): $^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{17}_{8}\mathrm{O} + {}^{1}_{1}p$ — открытие протона.
  • Открытие нейтрона (Чедвик, 1932): $^{9}_{4}\mathrm{Be} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \to {}^{12}_{6}\mathrm{C} + {}^{1}_{0}n$.
  • Деление урана: $^{235}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}n \to {}^{141}_{56}\mathrm{Ba} + {}^{92}_{36}\mathrm{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}n$. Вылетающие нейтроны делят следующие ядра — цепная реакция (в реакторе её скорость регулируют стержни-поглотители).
  • Термоядерный синтез: $^{2}_{1}\mathrm{H} + {}^{3}_{1}\mathrm{H} \to {}^{4}_{2}\mathrm{He} + {}^{1}_{0}n$ — так «горят» звёзды.

Энергетический выход реакции: $Q = (\sum m_{до} - \sum m_{после})\,c^2$. Если масса продуктов меньше — энергия выделяется.

Цепочку распадов решают системой из двух уравнений: $\alpha$-распады меняют $A$ (каждый на 4), значит их число $= \Delta A/4$. Затем сравнивают, насколько должен был уменьшиться $Z$, с тем, что получилось, — разницу «компенсируют» $\beta^-$-распады, каждый из которых увеличивает $Z$ на 1.
Практика

Закрепите тему: 22 задания для ОГЭ и ЕГЭ

От простых к сложным: базовый уровень — 7, повышенный — 11, высокий — 4. Мгновенная проверка, подсказки, подробные решения и тренажёр ошибок.

Решать задания по теме Флеш-карточки