题目
金属钾的临阈频率为 5.464 times 10^14 , (s)^-1, 用它作光电池的负极, 当用波长为 300 , (nm) 的紫外光照射该电池时, 发射的光电子的最大速度是多少? 其动量和 de Broglie 波长为多大?
金属钾的临阈频率为 $5.464 \times 10^{14} \, \text{s}^{-1}$, 用它作光电池的负极, 当用波长为 $300 \, \text{nm}$ 的紫外光照射该电池时, 发射的光电子的最大速度是多少? 其动量和 de Broglie 波长为多大?
题目解答
答案
1. 入射光子频率:
\[
\nu = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8}{3 \times 10^{-7}} = 1 \times 10^{15} \, \text{s}^{-1}
\]
2. 光子能量与逸出功:
\[
h\nu = 6.626 \times 10^{-19} \, \text{J}, \quad W_0 = 3.621 \times 10^{-19} \, \text{J}
\]
3. 最大动能:
\[
\frac{1}{2}mv^2 = h\nu - W_0 = 3.005 \times 10^{-19} \, \text{J}
\]
4. 最大速度:
\[
v = \sqrt{\frac{2 \times 3.005 \times 10^{-19}}{9.109 \times 10^{-31}}} \approx 8.12 \times 10^5 \, \text{m/s}
\]
5. 动量:
\[
p = mv = 9.109 \times 10^{-31} \times 8.12 \times 10^5 \approx 7.40 \times 10^{-25} \, \text{kg·m/s}
\]
6. de Broglie 波长:
\[
\lambda = \frac{h}{p} = \frac{6.626 \times 10^{-34}}{7.40 \times 10^{-25}} \approx 8.95 \times 10^{-10} \, \text{m} = 0.895 \, \text{nm}
\]
答案:
- 最大速度 $ v \approx 8.12 \times 10^5 \, \text{m/s} $。
- 动量 $ p \approx 7.40 \times 10^{-25} \, \text{kg·m/s} $。
- de Broglie 波长 $ \lambda \approx 0.895 \, \text{nm} $。
解析
本题主要考查了爱因斯坦光电效应方程、动能公式、动量公式以及德布罗意波长公式的应用。解题的关键思路是先根据光的波长求出入射光子的频率,进而得到光子能量,再结合金属钾的临阈频率求出逸出功,利用光电效应方程求出光电子的最大动能,最后根据动能公式求出最大速度,再由速度求出动量,最后根据德布罗意波长公式求出波长。
- 计算入射光子频率:
已知光的波长$\lambda = 300 \, \text{nm} = 3\times10^{-7} \, \text{m}$,光速$c = 3\times10^{8} \, \text{m/s}$,根据公式$\nu = \frac{c}{\lambda}$,可得:
$\nu = \frac{3\times10^{8}}{3\times10^{-7}} = 1\times10^{15} \, \text{s}^{-1}$ - 计算光子能量与逸出功:
普朗克常量$h = 6.626\times10^{-34} \, \text{J}\cdot\text{s}$,根据公式$E = h\nu$,可得光子能量为:
$h\nu = 6.626\times10^{-34} \times 1\times10^{15} = 6.626\times10^{-19} \, \text{J}$
已知金属钾的临阈频率$\nu_0 = 5.464\times10^{14} \, \text{s}^{-1}$,根据逸出功公式$W_0 = h\nu_0$,可得逸出功为:
$W_0 = 6.626\times10^{-34} \times 5.464\times10^{14} \approx 3.621\times10^{-19} \, \text{J}$ - 计算最大动能:
根据爱因斯坦光电效应方程$h\nu = \frac{1}{2}mv^2 + W_0$,可得光电子的最大动能为:
$\frac{1}{2}mv^2 = h\nu - W_0 = 6.626\times10^{-19} - 3.621\times10^{-19} = 3.005\times10^{-19} \, \text{J}$ - 计算最大速度:
电子质量$m = 9.109\times10^{-31} \, \text{kg}$,由$\frac{1}{2}mv^2 = 3.005\times10^{-19} \, \text{J}$,可得:
$v = \sqrt{\frac{2\times3.005\times10^{-19}}{9.109\times10^{-31}}} \approx 8.12\times10^{5} \, \text{m/s}$ - 计算动量:
根据动量公式$p = mv$,可得:
$p = 9.109\times10^{-31} \times 8.12\times10^{5} \approx 7.40\times10^{-25} \, \text{kg}\cdot\text{m/s}$ - 计算 de Broglie 波长:
根据德布罗意波长公式$\lambda = \frac{h}{p}$,可得:
$\lambda = \frac{6.626\times10^{-34}}{7.40\times10^{-25}} \approx 8.95\times10^{-10} \, \text{m} = 0.895 \, \text{nm}$