AP Inter 2nd Year Physics Study Material Chapter 12 వికిరణం, ద్రవ్యాల ద్వంద్వ స్వభావం

Andhra Pradesh BIEAP AP Inter 2nd Year Physics Study Material 12th Lesson వికిరణం, ద్రవ్యాల ద్వంద్వ స్వభావం Textbook Questions and Answers.

AP Inter 2nd Year Physics Study Material 12th Lesson వికిరణం, ద్రవ్యాల ద్వంద్వ స్వభావం

అతిస్వల్ప సమాధాన ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 1.
కాథోడ్ కిరణాలు అంటే ఏమిటి? [AP. Mar.’17]
జవాబు:
రుణావేశ ఎలక్ట్రాన్ల (కణాల) ప్రవాహంను కాథోడ్ కిరణాలు అంటారు.

ప్రశ్న 2.
మిల్లికాన్ ప్రయోగం ఏ ముఖ్యమైన యదార్థాన్ని వెలువరించింది?
జవాబు:
విద్యుదావేశం క్వాంటీకృతం అవుతుందనే ముఖ్యమైన యదార్థాన్ని వెలువరించింది. విద్యుదావేశం ఎల్లప్పుడు ఎలక్ట్రాన్  ఆవేశంనకు పూర్ణాంక గుణకంగా ఉంటుంది. i.e. Q = ne.

ప్రశ్న 3.
పనిప్రమేయం అంటే ఏమిటి? [TS. Mar: ’17; TS. Mar.’15]
జవాబు:
లోహతలం నుంచి ఒక ఎలక్ట్రాన్ బయటకు రావటానికి కావల్సిన కనిష్ట శక్తిని, పని ప్రమేయం అంటారు.

ప్రశ్న 4.
ఫోటోవిద్యుత్ఫలితం అంటే ఏమిటి? [AP. Mar.’17; TS. Mar. ’16; Mar. ’14]
జవాబు:
ఒక లోహ ఉపరితలంపై తగినంత శక్తి ఉన్న కాంతి పతనమయితే, ఎలక్ట్రాన్లు ఉద్గారమగును. ఈ దృగ్విషయంను ఫోటోవిద్యుత్ఫలితం అంటారు.

ప్రశ్న 5.
ఫోటో సూక్ష్మగ్రాహ్యక పదార్థాలకు ఉదాహరణలివ్వండి. వాటిని ఆ విధంగా ఎందుకు పిలుస్తారు?
జవాబు:
ఫోటో సూక్ష్మగ్రాహ్యక పదార్థాలకు ఉదాహరణలు : Li, Na, K, Rb మరియు Cs మొదలైనవి.

క్షారలోహాల పనిప్రమేయం చాలా తక్కువ. సాధారణ దృశ్య కాంతి, క్షారలోహంపై పతనమయినప్పుడు ఫోటో విద్యుత్ ఉద్గారంను ఏర్పరుచును. కావున ఈ క్షార లోహాలను ఫోటో సూక్ష్మగ్రాహ్యక పదార్థాలంటారు.

ప్రశ్న 6.
ఐన్స్టీన్ ఫోటోవిద్యుత్ సమీకరణాన్ని రాయండి. [AP. Mar.’15]
జవాబు:
ఐన్స్టీన్ ఫోటో విద్యుత్ సమీకరణము, K_{గరిష్ట} = \(\frac{1}{2}\) mv²_{గరిష్ట} = hν – Φ₀.

ప్రశ్న 7.
డి బ్రాయ్ సంబంధాన్ని రాసి, అందులోని పదాలను వివరించండి. [AP & TS. Mar.’16]
జవాబు:
డి బ్రాయ్ సంబంధం, λ = \(\frac{h}{p}=\frac{h}{mυ}\) ఇందులో λ డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం, h ప్లాంక్స్ స్థిరాంకము, p ద్రవ్యవేగం, m కణద్రవ్యరాశి, υవేడి.

ప్రశ్న 8.
హైస్బర్గ్ అనిశ్చితత్వ సూత్రాన్ని పేర్కొనండి. [TS. Mar.’17; Mar. ’14]
జవాబు:
హైసన్బర్గ్ అనిశ్చితత్వ సూత్రము: “ఒక ఎలక్ట్రాను (లేదా మరేదైనా కణం) స్థానం, ద్రవ్యవేగం రెండింటినీ ఒకే కాలంలో యథాతథంగా కొలవడం సాధ్యం కాదు”.
i. e., ∆x. ∆p ≈ h
ఇచ్చట ∆x స్థానాన్ని నిర్దేశించడంలో అనిశ్చితత్వం, ∆p ద్రవ్యవేగాన్ని నిర్దేశించటంలో అనిశ్చితత్వం.

స్వల్ప సమాధాన ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 1.
ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహంపై (i) కాంతి తీవ్రత (ii) పొటెన్షియల్ లు కలిగించే ప్రభావం ఏమిటి?
జవాబు:

(i) కాంతి విద్యుత్ ప్రవాహంపై కాంతి కాంతి తీవ్రత ప్రభావము :
కాంతి తీవ్రత (I) ఉన్న కాంతి పౌనఃపున్యం, ఆరంభ పౌనఃపున్యం కన్నా ఎక్కువైతే (υ > v₀) ఫోటో ఎలక్ట్రాన్లు ఉద్గారమవుతాయి. కాంతి తీవ్రత పెరిగిన, ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహం కూడా పెరుగును.
ie, i α I

ii) ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహంపై పొటెన్షియల్ ప్రభావము :

1. ఫోటో ఎలక్ట్రాన్లను సేకరించు ఎలక్ట్రోడుల ధన పొటెన్షియల్ పెంచిన, ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహము పెరుగును. ఒక నిర్దిష్ట ధన పొటెన్షియల్ వద్ద, ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహం గరిష్టం అగును. దీనినే సంతృప్త విద్యుత్ ప్రవాహం (saturated cument) అంటారు.
2. సేకరణి ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క రుణ పొటెన్షియల్ పెంచిన, ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహం క్రమముగా తగ్గుతుంది. ఒక నిర్దిష్ట రుణ పొటెన్షియల్ వద్ద విద్యుత్ ప్రవాహం శూన్యం అగును. ఈ రుణ పొటెన్షియల్ను నిరోధక పొటెన్షియల్ అంటారు.
3. నిరోధక పొటెన్షియల్, పతనకాంతి తీవ్రతపై ఆధారపడదు. తీవ్రత పెంచిన, సంతృప్త విద్యుత్ ప్రవాహ విలువ కూడా పెరుగును. కాని నిరోధక పొటెన్షియల్ మారదు.

ప్రశ్న 2.
నిరోధక పొటెన్షియల్పైన పతన వికిరణ పౌనఃపున్యం ప్రభావాన్ని అధ్యయనం చేయడానికి ఒక ప్రయోగాన్ని వర్ణించండి.
జవాబు:
నిరోధక పొటెన్షియల్పై పతనకాంతి వికిరణ పౌనఃపున్యం ప్రభావం ప్రయోగం ద్వారా వివరణ :

1) ప్రయోగ అమరిక పటంలో చూపబడింది.

2) తగినంత శక్తి(E=hν) ఉన్న ఏకవర్ణ కాంతి, కాంతి ఉద్గార పలకం C పై పతనమయితే, ఎలక్ట్రాన్లు ఉద్గారమవుతాయి.

3) ఘటం, విద్యుత్ క్షేత్రంను C మరియు Aల మధ్య ఏర్పరుచుట వల్ల సేకరణి పలక A, ఎలక్ట్రాన్లను సేకరిస్తుంది.

4) కమ్యుటేటర్ (దిక్ పరివర్తకం) మరియు Aల ధ్రువణతను ఉత్రమం చేస్తుంది.

5) పతన వికిరణ ఒక ప్రత్యేక పౌనఃపున్యంనకు, పలక Aకు కనీస రుణ పొటెన్షియల్ V ప్రయోగించిన, కాంతి విద్యుత్ ప్రవాహం శూన్యం అగును. ఈ పొటెన్షియల్ను నిరోధక పొటెన్షియల్ అంటారు.

6) ప్రయోగంను వేర్వేరు పౌనఃపున్యాల వద్ద చేస్తే, వేర్వేరు పౌనఃపున్యాలకు, వేర్వేరు నిరోధక పొటెన్షియల్ ను వోల్ట్ మీటర్లో కొలుస్తారు.

7) గ్రాఫ్ నుండి
i) వేర్వేరు వికిరణ పౌనఃపున్యాలకు, వేర్వేరు నిరోధక పొటెన్షియల్ విలువలు ఉండును.
ii) హెచ్చు పతన వికిరణ పౌనఃపున్యంనకు, నిరోధక పొటెన్షియల్ రుణ విలువ చాలా ఎక్కువగా ఉండును.
iii) సంతృప్త విద్యుత్ ప్రవాహం విలువ వికిరణ తీవ్రతపై ఆధారపడును. సంతృప్త విద్యుత్ ప్రవాహం విలువ పతన వికిరణ పౌనఃపున్యంపై ఆధారపడదు.

ప్రశ్న 3.
విద్యుదయస్కాంత వికిరణానికి ఉన్న ఫోటాన్ చిత్రణను సారాంశీకరించండి.
జవాబు:
విద్యుదయస్కాంత వికిరణం ఫోటాన్ క్రింది విషయాలు తెలుపును.
1) ద్రవ్యంతో వికిరణం అంతర చర్యలో, వికిరణం, కణాల సమూహంగా ప్రవర్తించును. ఈ కణాలను ఫోటాన్లు అంటారు.

3) ఒకే తరంగదైర్ఘ్యం ఉన్న కాంతి తీవ్రతను పెంచిన, మధ్యచ్ఛేద వైశాల్యం గుండా ఒక సెకనులో పోవు ఫోటాన్ల సంఖ్య పెరుగును. ప్రతి ఫోటాన్ శక్తి సమానము. ఫోటాన్ శక్తి, వికిరణ తీవ్రతపై ఆధారపడదు.
4) ఫోటాన్లు, విద్యుత్ మరియు అయస్కాంత క్షేత్రాలలో అపవర్తనం చెందవు. దీనిని బట్టి ఫోటాన్లు తటస్థ కణాలని తెలుస్తుంది.
5) ఫోటాన్-కణం అభిఘాతంలో, శక్తి మరియు ద్రవ్యవేగంలు నిత్యత్వం. అభిఘాతంలో ఫోటాన్ల సంఖ్య నిత్యత్వం కావు. ఒక ఫోటాన్ ను శోషణం చేయవచ్చు లేక క్రొత్త ఫోటాన్ ఉద్భవించవచ్చు.

V కణం వేగం మరియు C కాంతివేగం.

ప్రశ్న 4.
0.12 Kg ల ద్రవ్యరాశి కలిగి వడి 20 ms^-1 తో చలిస్తున్న బంతి డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం ఎంత? ఈ ఫలితం నుంచి మనం చేయగలిగే అనుమితి (inference) ఏమిటి?
జవాబు:

బంతి తరంగదైర్ఘ్యం చాలా స్వల్పం. కావున దాని చలనంను పరిశీలించవచ్చును.

దీర్ఘ సమాధాన ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 1.
ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహంపై తీవ్రత, పొటెన్షియల్లు కలిగించే ప్రభావాన్ని ఐన్స్టీన్ ఫోటో విద్యుత్ సమీకరణం ఏ విధంగా వివరించింది ? నిరోధక పొటెన్షియల్పై ఉండే పతన కాంతి పౌనఃపున్యం ప్రభావాన్ని ఈ సమీకరణం ఏవిధంగా వివరించండి?
జవాబు:
1) ఆల్బర్ట్ ఐన్స్టీన్, ఫోటో విద్యుత్ ప్రభావంనకు సరైన విశ్లేషణను అభివృద్ధి చేశాడు.

2) కాంతి పుంజం, చిన్న శక్తి ప్యాకెట్లను కలిగి ఉండునని ఐన్స్టీన్ ప్రతిపాదించాడు. వీటినే ఫోటాన్లు లేక క్వాంటం అంటారు.

3) ఫోటాన్ శక్తిE=hv. ఇక్కడh’ప్లాంక్ స్థిరాంకం, Vపతనకాంతి (లేక వికిరణం) పౌనఃపున్యం,

4) ఫోటాన్ శోషణం శక్తి, పని ప్రమేయం(Φ₀ = hν₀) కన్నా ఎక్కువగా ఉంటే, గరిష్ట గతిజ శక్తితో ఎలక్ట్రాన్ ఉద్గారమగును.
i.e., K_{గరిష్ట} = \(\frac{1}{2}\)mυ²_{గరిష్ట} = hν – Φ₀ ఈ సమీకరణంను ఐన్స్టీన్ ఫోటో విద్యుత్ సమీకరణం అంటారు.

కాంతి విద్యుత్ ప్రవాహంపై కాంతి తీవ్రత:

5) (i) కాంతి విద్యుత్ ప్రవాహంపై (1) ఉన్న కాంతి పౌనఃపున్యం, ఆరంభ పౌనఃపున్యం కన్నా ఎక్కువైతే ఫొటో ఎలక్ట్రాన్లు ఉద్గారమవుతాయి. కాంతి తీవ్రత పెరిగిన, ఫొటో విద్యుత్ ప్రవాహం కూడా పెరుగును. ie, i ∝ I.

ii) ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహంపై పొటెన్షియల్ ప్రభావము :

1. ఫోటో ఎలక్ట్రాన్లను సేకరించు ఎలక్ట్రోడుల ధన పొటెన్షియల్ పెంచిన, ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహము పెరుగును. ఒక నిర్దిష్ట ధన పొటెన్షియల్ వద్ద, ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహం గరిష్టం అగును. దీనినే సంతృప్త విద్యుత్ ప్రవాహం (saturated current) అంటారు.
2. సేకరణి ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క రుణ పొటెన్షియల్ పెంచిన, ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహం క్రమముగా తగ్గుతుంది. ఒక నిర్దిష్ట రుణ పొటెన్షియల్ వద్ద విద్యుత్ ప్రవాహం శూన్యం అగును. ఈ రుణ పొటెన్షియల్ను నిరోధక పొటెన్షియల్ అంటారు.
3. నిరోధక పొటెన్షియల్, పతనకాంతి తీవ్రతపై ఆధారపడదు. తీవ్రత పెంచిన, సంతృప్త విద్యుత్ ప్రవాహ విలువ కూడా పెరుగును. కాని నిరోధక పొటెన్షియల్ మారదు

iii) నిరోధక పొటెన్షియల్పై పతన కాంతివికిరణ పౌనఃపున్యం ప్రభావం – ప్రయోగం ద్వారా వివరణ :

1. ప్రయోగ అమరిక పటంలో చూపబడింది.
2. తగినంత శక్తి(E=hν) ఉన్న ఏకవర్ణ కాంతి, కాంతి ఉద్గార పలకC పై పతనమయితే, ఎలక్ట్రాన్లు ఉద్గారమవుతాయి.
3. ఘటం, విద్యుత్ క్షేత్రంనుC మరియు Aల మధ్య ఏర్పరుచుట వల్ల సేకరణి పలకA, ఎలక్ట్రాన్లను సేకరిస్తుంది.
4. కమ్యుటేటర్ (దిక్ పరివర్తకం) మరియు Aల ధ్రువణతను ఉత్రమం చేస్తుంది. –
5. పతన వికిరణ ఒక ప్రత్యేక పౌనఃపున్యంనకు, పలక Aకు కనీస రుణ పొటెన్షియల్ V ప్రయోగించిన, కాంతి విద్యుత్ ప్రవాహం శూన్యం అగును. ఈ పొటెన్షియల్ను నిరోధక పొటెన్షియల్ అంటారు.
6. ప్రయోగంను వేర్వేరు పౌనఃపున్యాల వద్ద చేస్తే, వేర్వేరు పౌనఃపున్యాలకు, వేర్వేరు నిరోధక పాటెన్షియల్లను వోల్ట్ మీటర్ తో కొలుస్తారు.
   
7. గ్రాఫ్ నుండి
   i) వేర్వేరు వికిరణ పౌనఃపున్యాలకు, వేర్వేరు నిరోధక పొటెన్షియల్ విలువలు ఉండును.
   ii) హెచ్చు పతన వికిరణ పౌనఃపున్యంనకు, నిరోధక పొటెన్షియల్ రుణ విలువ చాలా ఎక్కువగా ఉండును.
   iii) సంతృప్త విద్యుత్ ప్రవాహం విలువ వికిరణ తీవ్రతపై ఆధారపడును. సంతృప్త విద్యుత్ ప్రవాహం విలువ పతన వికిరణ పౌనఃపున్యంపై ఆధారపడదు.

ప్రశ్న 2.
డేవిస్సన్, జెర్మర్ల ప్రయోగాన్ని వర్ణించండి. ఈ ప్రయోగం నిష్కర్షగా నిరూపించిందేమిటి?
జవాబు:
డేవిస్సన్ మరియు జెర్మర్ ప్రయోగము :
1) ప్రయోగ అమరిక పటంలో చూపబడింది.
2) స్థూపంకు ధన పొటెన్షియల్ అనువర్తించిన సన్నని ఎలక్ట్రాన్ కాంతి పుంజం ఫిలమెంటు F నుండి వెలువడుతుంది.

3) ఈ సూక్ష్మ సమాంతరీకృత ఎలక్ట్రాన్ పుంజం నికెల్ స్ఫటికంపై పతనమవుతుంది. స్ఫటిక పరమాణువులు, ఎలక్ట్రాన్లను అన్ని దిశలలోనికి పరిక్షిప్తము చెందించును.

4) ఎలక్ట్రాన్ పరిక్షేపణ తీవ్రతను, ఎలక్ట్రాన్ శోధకం (సేకరణి)తో కొలవవచ్చును. శోధకంను వృత్తాకార స్కేలుపై జరిపి సున్నితమైన గాల్వనామాపకంతో, విద్యుత్ ప్రవాహంను నమోదు చేయవచ్చును.

5) గాల్వనా మాపకం అపవర్తనం, సేకరిణిలోనికి ప్రవేశించే ఎలక్ట్రాన్ పుంజం తీవ్రతకు అనులోమానుపాతంలో ఉండును.

6) ఈ పరికరము అంతా శూన్యీకృత పేటికలో ఆవృతమై ఉంటుంది.

7) త్వరణ వోల్టేజి44 నుండి 68Vవరకు మార్చుతూ ప్రయోగం నిర్వహించబడింది. 54Vకు 50°వద్ద తీవ్రత గరిష్టం అని కనుగొనబడింది.

8) θ = 50°ల వద్ద ఎలక్ట్రాన్ పుంజము స్పర్శకోణం Φ(ఎలక్ట్రాన్ పరిక్షేపణ పుంజము స్ఫటిక పరమాణువుల తలంతో చేయు కోణం) ను క్రింద విధంగా గణించవచ్చును.

Φ + θ + Φ = 180°
Φ = \(\frac{1}{2}\)[180° -50°] = 65°

9) బ్రాగ్స్ నియమము ప్రకారము మొదటి కోటి(n=1) గరిష్టంనకు 2dsinΦ = 1 × λ
⇒ λ = 2 × 0.91 × sin 65° = 1.65Å = 0.165 pm. (వు మారుగా).
[∵ నికెల్ స్ఫటికంలో అంతరపరమాణు దూరంd = 0.91Å]

10) డీ బ్రోగ్లీ భావన ప్రకారం, ఎలక్ట్రాన్లతో అనుబంధితమై ఉండే తరంగదైర్ఘ్యం

11) డీ బ్రోగ్లీ తరంగదైర్ఘానికి గల సైద్ధాంతిక విలువ, ప్రయోగాత్మకంగా పొందిన విలువల మధ్య అత్యుత్తమైన పరస్పర అంగీకారం ఉంది.

అభ్యాసాలు Textual Exercises

ప్రశ్న 1.
30kVఎలక్ట్రాన్ల వల్ల ఉత్పత్తయ్యే X కిరణాల
(a) గరిష్ట పౌనఃపున్యాన్ని
(b) కనిష్ట తరంగదైర్ఘ్యాన్ని కనుక్కోండి.
సాధన:

ప్రశ్న 2.
సీజియం లోహం పనిప్రమేయం2.14eV. ఈ లోహ ఉపరితలంపైన 6 × 10¹⁴ Hz పౌనఃపున్యం గల కాంతి పతనం చెందినప్పుడు ఎలక్ట్రానుల ఫోటో ఉద్గారం సంభవిస్తుంది. అయితే,
(a) ఉద్గారిత ఎలక్ట్రానుల గరిష్ఠ గతిజశక్తి ఎంత?
(b)నిరోధక పొటెన్షియల్ ఎంత?
(c) ఉద్గారిత ఫోటో ఎలక్ట్రానుల గరిష్ట వడి ఎంత?
సాధన:

ప్రశ్న 3.
ఒకానొక ప్రయోగంలో ఫోటోవిద్యుత్ కటాఫ్ వోల్టేజి 1.5 V. ఉద్గారిత ఫోటో ఎలక్ట్రానుల గరిష్ట గతిజశక్తి ఎంత?
జవాబు:
గరిష్ట గతిజశక్తి, eV₀ = e × 1.5V = 1.5 eV.

ప్రశ్న 4.
ఒక హీలియం-నియాన్ లేజరు తరంగదైర్ఘ్యం 632.8 pm గల ఏకవర్ణ కాంతిని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. ఉద్గారమైన సామర్థ్యం 9.42 mW.
(a) ఆ కాంతి పుంజంలోని ఒక్కొక్క ఫోటాను శక్తి, ద్రవ్యవేగాలను కనుక్కోండి.
(b) ఈ పుంజం ఉద్యోతనం చేసే లక్ష్యం వద్దకు సెకనుకు సగటున ఎన్ని ఫోటానులు చేరుకొంటాయి? (ఈ పుంజానికి, లక్ష్యం వైశాల్యం కంటే తక్కువైన ఏకరీతి మధ్యచ్ఛేద వైశాల్యం ఉంటుందని అనుకోండి.)
(c) ఇందులోని ఫోటానుకు ఉన్న ద్రవ్యవేగానికి సమాన ద్రవ్యవేగం ఉండాలంటే ఒక హైడ్రోజన్ పరమాణువు ఎంత వడితో ప్రయాణించవలసి ఉంటుంది?
సాధన:

ప్రశ్న 5.
భూఉపరితలాన్ని చేరుకొనే సూర్యుని శక్తి అభివాహం 1.388 × 10³W/m². అప్పుడు భూమిపైన ఒక సెకనుకు, ఒక చదరపు మీటరుకు (దాదాపు) ఎన్ని ఫోటాన్లు పతనమవుతాయి? సూర్యకాంతిలోని ఫోటాన్లకు 550 nm ల సగటు తరంగదైర్ఘ్యం ఉంటుందని అనుకోండి.
సాధన:

= 3.84 × 1021 ఫోటాన్లు/మీ² – సె.

ప్రశ్న 6.
ఫోటో విద్యుత్ ఫలితంపైన జరిపిన ఒక ప్రయోగంలో కటాఫ్ వోల్టేజి పతన కాంతి పౌనఃపున్యాలకు చెందిన గ్రాఫు వాలు 4.12 × 10^-15 V s ఉందని కనుక్కొన్నారు. ప్లాంక్ స్థిరాంకం విలువను గణించండి.
సాధన:
గ్రాఫ్ వాలు \(\frac{h}{e}\) = 4.12 × 10^-15 Vs
h = 4.12 × 10^-15 × e = 4.12 × 10^-15 × 1.6 × 10^-19
∴ h = 6.592 × 10^-34 J s.

ప్రశ్న 7.
ఒక 100 సోడియం దీపం ఏకరీతిగా అన్ని దిశల్లోనూ శక్తిని వికిరణ చేస్తుంది. ఈ దీపం ఒక పెద్ద గోళ కేంద్రం వద్ద ఉండగా, తనపైన పతనం చెందే సోడియం కాంతిని అంతా ఈ గోళం శోషించుకొంటుంది. సోడియం కాంతి తరంగదైర్ఘ్యం 589 nm. (a) సోడియం కాంతితో అనుబంధితమై (associate) ఉండే ఒక్కో ఫోటాను శక్తి ఎంత?
(b) ఆ గోళానికి ఏ రేటుతో ఫోటాన్లు అందించబడతాయి?
సాధన:

ప్రశ్న 8.
ఒకానొక లోహానికి ఆరంభ పౌనఃపున్యం 3.3 × 10¹⁴ Hz. ఆ లోహంపైన 8.2 × 10¹⁴ Hz పౌనఃపున్యం గల కాంతి పతనం చెందిందనుకొంటే, ఏర్పడే ఫోటో విద్యుత్ ఉద్గారానికి కటాఫ్ వోల్టేజిని ప్రాగుక్తం (predict) చేయండి.
సాధన:

ప్రశ్న 9.
ఒక లోహానికి పనిప్రమేయం 4.2 ev. తరంగదైర్ఘ్యం 330 pm గల పతన వికిరణానికి ఈ లోహం ఫోటో విద్యుత్ ఉద్గారాన్ని ఇస్తుందా ?
సాధన:

ఫోటాన్ పతన, శక్తి E < Φ₀. కావున ఎలక్ట్రిక్ కాంతి ఉద్గారము సంభవించదు.

ప్రశ్న 10.
పౌనఃపున్యం 721 × 10¹⁴ Hz గల కాంతి ఒక లోహ ఉపరితలంపైన పతనమైంది. ఆ తలంపై నుంచి 6.0 × 10⁵m/ Sల గరిష్ట వడితో ఎలక్ట్రానులు బయటకు వెలువడ్డాయి. ఎలక్ట్రానుల ఫోటో ఉద్గారానికి ఉండే ఆరంభ పౌనఃపున్యం ఎంత?
సాధన:

ప్రశ్న 11.
ఫోటో విద్యుత్ ఫలితంలో ఉపయోగించిన ఒక ఆర్గాన్ లేజరు ఉత్పత్తిచేసే కాంతి తరంగదైర్ఘ్యం 488nm. ఈ వర్ణపట రేఖ నుంచి కాంతి ఉద్గారకం పైన పతనమైనప్పుడు, ఫోటో ఎలక్ట్రానుల నిరోధక (కటాఫ్) పొటెన్షియల్ 0.381. అయితే ఆ ఉద్గారకపు పదార్థం పనిప్రమేయాన్ని కనుక్కోండి.
సాధన:

ప్రశ్న 12.
పొటెన్షియల్ తేడా 56Vల ద్వారా త్వరితమయ్యే ఎలక్ట్రానుల
(a) ద్రవ్యవేగాన్ని
(b)డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యాన్ని గణించండి.
సాధన:

ప్రశ్న 13.
గతిజశక్తి 120eVతో ఉన్న ఒక ఎలక్ట్రాన్కు ఉండే
(a) ద్రవ్యవేగం, (b)వడి, (c)డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం ఎంతెంత?
సాధన:

ప్రశ్న 14.
సోడియం వర్ణపట ఉద్గార రేఖ నుంచి వెలువడే కాంతి తరంగదైర్ఘ్యం 589nm. అయితే ఏ గతిజశక్తి వద్ద (a) ఒక ఎలక్ట్రాను, (h) ఒక న్యూట్రానులకు ఒకే బ్రాయ్ తరంగదైర్యం ఉంటుందో కనుక్కోండి.
సాధన:

ప్రశ్న 15.
(a) ద్రవ్యరాశి 0.040 kg గల ఒక తూటా 1.0 km/sవడితో ప్రయాణిస్తున్నప్పుడు,
(b)ద్రవ్యరాశి 0.060 kgగల ఒక బంతి 1.0m/sవడితో చలిస్తున్నప్పుడు,
(c) ద్రవ్యరాశి 1.0 × 10^-9 kgద్రవ్యరాశి గల ధూళి కణం 2.2 m/s వడితో అవసరం (drift) చెందుతున్నప్పుడు వా టికి ఉండే డి బ్రోయ్ తరంగదైర్ఘ్యం ఎంతెంత?
సాధన:

ప్రశ్న 16.
ఒక ఎలక్ట్రాను, ఒక ఫోటాను ఒక్కొక్కదానికి ఉన్న తరంగదైర్ఘ్యం 1.00nm అయితే,
(a)వా టి ద్రవ్యవేగాలు, (b) ఫోటాను శక్తి, (c) ఎలక్ట్రాను గతిజశక్తులను కనుక్కోండి.
సాధన:
a) ఎలక్ట్రాన్ లేక ఫోటాన్, ద్రవ్యవేగము,

ప్రశ్న 17.
(a) ఒక న్యూట్రానుకు ఎంత గతిజశక్తి ఉంటే దాని అనుబంధిత డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం 1.40 × 10^-10 mఉంటుంది?
(b) 300 Kవద్ద సగటు గతిజశక్తి (32) kTకలిగి ఉండి, ద్రవ్యంతో ఉష్ణ సమతాస్థితిలో ఉన్న ఒక న్యూట్రాన్ డి బ్రాయ్ తరంగదైర్యాన్ని కూడా కడుక్కోండి.
సాధన:

ప్రశ్న 18.
విద్యుదయస్కాంత వికిరణం తరంగదైర్ఘ్యం, దాని క్వాంటం (ఫోటాను)కు ఉండే డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యానికి సమానం అని చూపండి.
సాధన:

ప్రశ్న 19.
300Kవద్ద గాలిలోని ఒక నైట్రోజన్ అణువుకు డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం ఎంత? ఈ ఉష్ణోగ్రత వద్ద అణువులకు ఉండే వర్గమధ్యమ మూల(ms) వడితో ఈ అణువు చలిస్తున్నదని అనుకోండి (నైట్రోజన్ పరమాణు ద్రవ్యరాశి = 14.0076u)
సాధన:

అదనపు అభ్యాసాలు Additional Exercises

ప్రశ్న 20.
(a) ఒక శూన్యీకృత నాళంలోని వేడిచేసిన ఉద్గారకం నుంచి ఉద్గారమైన ఎలక్ట్రానులు, ఉద్గారకానికి సాపేక్షంగా 500Vల పొటెన్షియల్ తేడా వద్ద ఉన్న సేకరిణిపైకి ఏ వడితో పతనమౌతాయో అంచనా కట్టండి. ఆ ఎలక్ట్రానుల అల్పమైన తొలి వడులను ఉపేక్షించండి. ఎలక్ట్రాను విశిష్టావేశం, అంటేe/mవిలువ 1.76 × 10¹¹ Ckg^-1.
(b) మీరు (a) లో వాడిన ఫార్ములానే ఉపయోగించి, ఒక సేకరిణి పొటెన్షియల్ 10 MV ఉంటే ఎలక్ట్రాను వడి ఎంత కనుక్కోండి. దీంట్లోని తప్పును గమనించగలుగుతున్నారా? ఫార్ములాను ఏవిధంగా మార్చవలసి ఎంత?
సాధన:

ప్రశ్న 21.
(a) ఎలక్ట్రాను వడి 5.20 × 10⁶ m s^-1 తో ఉన్న ఒక ఏకశక్తి ఎలక్ట్రాన్ పుంజం, పుంజం వేగానికి లంబంగా ఉన్న 1.30 × 10^-4 T అయస్కాంత క్షేత్ర ప్రభావానికి లోనవుతుంది. ఎలక్ట్రానుకు e/m విలువ 1.76 × 10¹¹ C kg^-1 అనుకొంటే, పుంజం గీచే వృత్తం వ్యాసార్థం ఎంత?
(b) మీరు (a) లో వాడే ఫార్ములా ఒక 20 MeV ఎలక్ట్రాను పుంజం చేసే పథ వ్యాసార్థాన్ని గణించడానికి చెల్లుబాటు అవుతుందా ? కాకపోతే, దాన్ని ఏవిధంగా మార్చాలి?
[సూచన : అభ్యాసాలు 20(b), 21(b), ఈ పుస్తక పరిధిని మించిన సాపేక్షక యాంత్రిక శాస్త్రానికి మిమ్మల్ని తీసుకొనివెళతాయి. అయితే వీటిని ఇక్కడ పొందుపరచడానికి కారణం పై అభ్యాసాల్లోని (a) భాగంలో మీరు ఉపయోగించే ఫార్ములాలు చాలా అధిక వడులు లేదా శక్తుల వద్ద అవి చెల్లవనే అంశాన్ని కేవలం నొక్కి వక్కాణించి చెప్పడం కోసమే. చాలా అధిక వడి లేదా శక్తి అంటే అర్థం తెలుసుకోవడానికి చివరలో ఇచ్చిన జవాబులను చూడండి.]
సాధన:
a) ఇచ్చట, v = 5.20 × 10⁶ ms^-1;

ప్రశ్న 22.
అల్పపీడనం (~ 10^-2 mm of Hg) వద్ద ఉన్న హైడ్రోజన్ వాయువును కలిగి ఉన్న ఒక గోళాకార బల్బులో 100V ల పొటెన్షియల్ వద్ద సేకరిణి గల ఒక ఎలక్ట్రాన్ గన్ ఎలక్ట్రానులను పేల్చుతుంది. 2.83 × 10^-4 T ల ఒక అయస్కాంత క్షేత్రం ఈ ఎలక్ట్రానుల పథాన్ని వ్యాసార్థం 12.0 cm గల వృత్తీయ కక్ష్యలోకి మళ్ళిస్తుంది. (ఈ పథాన్ని మనం చూడగలం, ఎందుకంటే ఈ పథంలోని వాయు అయానులు, ఎలక్ట్రానులను ఆకర్షించడం ద్వారా, ఎలక్ట్రాను ప్రగ్రహణం (capture) ద్వారా కాంతిని ఉద్గారిస్తూ పుంజాన్ని కేంద్రీకరిస్తాయి. ఈ పద్ధతిని సూక్ష్మపుంజనాళం(‘fine beam tube’) పద్ధతి అంటారు.) ఈ దత్తాంశాల నుంచి e/m ని నిర్ణయించండి.
సాధన:
ఇచ్చట, V = 100 V; B = 2.83 × 10^-4 T; r = 12.0 cm = 12.0 × 10^-2M
ఎలక్ట్రానులు V వోల్ట్లతో త్వరణం చెందితే, ఎలక్ట్రాన్ గతిజ శక్తిలో పెరుగుదల,

ప్రశ్న 23.
(a) ఒక X-కిరణ నాళం, 0.45 Åల వద్ద అల్పతరంగదైర్ఘ్యపు కొన ఉన్న ఒక వికిరణ అవిచ్ఛిన్న వర్ణపటాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. ఈ వికిరణంలోని ఒక ఫోటానుకు ఉండే గరిష్ట శక్తి ఎంత?
(b) మీకు (a)లో వచ్చే జవాబు నుంచి, అలాంటి ఒక నాళంలో (ఎలక్ట్రానులకు) ఏ క్రమంలోని త్వరణ వోల్టేజి అవసరమవుతుందో కనిపెట్టండి?
సాధన:

b) X-కిరణ గోట్టంలో, త్వరణ వోల్టేజి టార్గెట్పై ఎలక్ట్రాన్లు తాకటానికి కావల్సిన శక్తినిచ్చి, X-కిరణాలను ఉత్పత్తి చేయును. 27.6 KeV, X-కిరణ ఫోటానులు పొందుటకు కనీసం 27.6 KeV గతిజ శక్తిని, పతన ఎలక్ట్రానులు కలిగి ఉండాలి. X-కిరణ గొట్టం వెంట 30 Ke V త్వరణ వోల్టేజి ప్రయోగించి, కావల్సిన X-కిరణ ఫోటాన్లను పొందవచ్చును.

ప్రశ్న 24.
పాజిట్రానులతో, అధిక శక్తి అభిఘాతాలు చేసే ఎలక్ట్రానులపై చేసిన ఒక త్వరణకం ప్రయోగంలో, ఒక నిర్దిష్ట సంఘటనను మొత్తం శక్తి 10.2 BeV గల ఒక ఎలక్ట్రాన్ – పాజిట్రాన్ జంట రెండు సమాన శక్తి గల కిరణాలుగా లయం (annihilation) చెందుతుందని వివరించారు. ఒక్కొక్క γ-కిరణానికి అనుబంధితమైన తరంగదైర్ఘ్యం ఎంత? (1 BeV = 10⁹ eV).
సాధన:
2 γ – కిరణాల మొత్తం శక్తి = 10.2 BeV = 10.2 × 10⁹ eV

ప్రశ్న 25.
క్రింది రెండు సంఖ్యలను అంచనా కట్టడం ఆసక్తిదాయకంగా ఉండాలి. మొదటి సంఖ్య ఏం చెబుతుందంటే – రేడియో ఇంజనీర్లు ఫోటాన్ల గురించి అంతగా కలత చెందనవసరం లేదని! ఇక రెండవ సంఖ్య, మన కన్ను, కేవలం గుర్తించగలిగే కాంతిలో సైతం ఉండే ఫోటాన్లను ఎన్నటికీ లెక్కించలేదు అని చెబుతుంది.
(a) తరంగదైర్ఘ్యం 500 m గల రేడియో తరంగాలను ఉద్గారించే 10 kW సామర్థ్యం గల మధ్యమ తరంగ (మీడియం వేవ్) ట్రాన్సిమిటర్ సెకనుకు ఉద్గారించే ఫోటాన్ల సంఖ్య.
(b) మానవులు పసిగట్టగలిగే కనిష్ట తీవ్రతగల (-10^-10 Wm^-2) తెలుపు కాంతికి చెంది మన కనుపాపలోకి సెకనుకు ప్రవేశించే ఫోటాన్ల సంఖ్య. ఈ కనుపాప వైశాల్యం సుమారుగా 0.4 cm² ఉంటుందని, తెలుపు కాంతి సగటు పౌనఃపున్యం దాదాపు 6 × 10¹⁴ Hz ఉంటుందని తీసుకోండి.
సాధన:
a) ట్రాన్సిమిటర్ సామర్థ్యం, P = 10 kW = 10⁴W
∴ సెకనుకు ఉద్గారమయ్యే మొత్తం శక్తి = P × t = 10⁴ × 1 = 10⁴J

b) విద్యార్థి వైశాల్యం, A = 0.4cm² = 0.4 × 10^-4 m², v = 6 × 10¹⁴ HZ
తీవ్రత = 10^-10 Wm^-2
ఫోటాన్ శక్తి, E = hv
= 6.63 × 10^-34 × 6 × 10¹⁴ = 4 × 10^-19 J.

N = ప్రమాణ వైశాల్యంపై పతనమయ్యే ఫోటాన్ల సంఖ్య అయితే, ఈ ఫోటానుల వల్ల ఒక సెకనులో ప్రమాణ వైశాల్యంపై శక్తి = n ఫోటానుల మొత్తం శక్తి = N × 4 × 10^-19 Jm^-2.
తీవ్రత = ఒక సెకనులో ప్రమాణ వైశాల్యంపై శక్తి
∴ 10^-10 = N × 4 × 10^-19 లేక N = \(\frac{10^{-10}}{4\times10^{-19}}\) = 2.5 × 10⁸ m^-2s^-1

ఒక సెకనులో విద్యార్థిలోనికి ప్రవేశించే ఫోటానుల సంఖ్య = N × విద్యార్థి వైశాల్యం
= 2.5 × 10⁸ × 0.4 × 10^-4 s^-1 = 10⁴ s^-1

ఈ ఫోటానుల సంఖ్య (a) లో వచ్చిన ఫోటాన్ల సంఖ్య కన్నా చాలా తక్కువ. కనుక మన కన్ను, కేవలం గుర్తించగలిగే కాంతిలో ఉండే ఫోటాన్లను ఎన్నటికీ లెక్కించలేము.

ప్రశ్న 26.
100 W ల పాదరస (దీప) జనకం నుంచి వెలువడే 2271 Åల తరంగదైర్ఘ్యం గల అతినీలలోహిత కాంతి, మాలిబ్దినం లోహంతో తయారైన ఒక ఫోటోసెల్ను ఉద్యోతనం (irradiate) చేస్తుంది. దీనికి నిరోధక పొటెన్షియల్ – 1.3 V అయితే లోహం పని ప్రమేయాన్ని అంచనా కట్టండి. ఈ ఫోటో సెల్, He-Ne లేజరు ఉత్పత్తి చేసే 6328 Å తరంగదైర్ఘ్యం గల, అధిక తీవ్రత (−10⁵ Wm^-2) ఉన్న అరుణ కాంతికి ఏవిధంగా స్పందించవచ్చు?
సాధన:
λ = 2271Å = 2271 × 10^-10 m, V₀ = 1.3 V; Φ₀ = ?
eV₀ = hν – Φ₀

ఎర్రని కాంతికి తీవ్రత ఎక్కువ అయినప్పటికి, ν_r < ν కావున ఫోటోసెల్ లేక కాంతి ఘటం స్పందించదు.

ప్రశ్న 27.
ఒక నియాన్ దీపం నుంచి వెలువడే 640.2 nm (Inm = 10^-9 m) తరంగదైర్ఘ్యాన్ని కలిగిన ఏకవర్ణ వికిరణం టంగ్స్టన్ పైన సీజియంతో చేయబడిన ఫోటో సూక్ష్మగ్రాహ్యక పదార్థాన్ని ఉద్యోతనం చేస్తుంది. దీనికి నిరోధక పొటెన్షియల్ 0.54V ఉంటుందని కొలిచారు. ఈ జనకానికి బదులు ఇనుము జనకాన్ని ఉపయోగించినప్పుడు దాని 427.2 nm రేఖ అదే ఫోటోసెలు ఉద్యోతనం చేస్తుంది. కొత్త నిరోధక పొటెన్షియల్ను ప్రాగుక్తం చేయండి.
సాధన:
నియాన్ దీపం λ = 6.10.20nm = 640.2 × 10^-9 m ; V₀ = 0.54 V

ప్రశ్న 28.
ఫోటో విద్యుత్ ఉద్గారం పౌనఃపున్యంపై ఆధారపడటాన్ని అధ్యయనం చేయడానికి ఒక పాదరస (మెర్క్యురీ) దీపం ఒక అనుకూలమైన జనకం, ఎందుకంటే ఇది దృశ్య వర్ణపటంలోని UV (అతినీలలోహిత) నుంచి ఎరుపు కొన వరకు వ్యాపించిన అనేక సంఖ్యలో గల వర్ణపటరేఖలను ఇస్తుంది. రుబీడియం ఫోటోసెల్తో చేసిన మన ప్రయోగంలో, ఒక పాదరస జనకం నుంచి వెలువడే క్రింది రేఖలను ఉపయోగించాం :
λ₁ = 3650 Å, λ₂₁ = 4047 Å, λ₃ = 4358 Å, λ₄ = 5461 Å, λ₅ = 6907 Å,
వీటికి కొలిచిన నిరోధక పొటెన్షియల్ లు వరసగా
V₀₁ = 1.28 V, V₀₂ = 0.95 V, V₀₃ = 0.74 V, V₀₄ = 0.16 V, V₀₅ = 0 V.
ప్లాంక్ స్థిరాంకం h విలువను, ఈ పదార్థానికి ఆరంభ పౌనఃపున్యాన్ని, పని ప్రమేయాన్ని నిర్ణయించండి.
[సూచన : ఈ దత్తాంశాల నుంచి h పొందాలంటే, మీకు ఆ విలువ తెలిసి (1.6 × 10^-19 C గా తీసుకోవచ్చు). ఉండాలని మీరు గుర్తిస్తారు. ఈ రకమైన ప్రయోగాలను మిల్లికాన్ Na, Li, K మొదలైన వాటిపైన చేశాడు. అతను (తన తైల బిందు ప్రయోగం నుంచి లభించిన) తన సొంత విలువను ఆ కి ఉపయోగించి ఐన్స్టీన్ ఫోటోవిద్యుత్ సమీకరణాన్ని | ధ్రువపరచడమేగాక h కు స్వతంత్రంగా అంచనా కట్టిన విలువను ఇచ్చాడు.
సాధన:


పౌనఃపున్యం υ మరియు అవరోధ పొటెన్షియల్ మధ్య గీసిన గ్రాఫ్ సరళరేఖ. నాల్గు బిందువులతో కలిపిన సరళరేఖ X-అక్షాన్ని 5.0 × 10¹⁴ Hz వద్ద ఖండిస్తుంది. ఐదవ బిందువు υ < υ₀ వ్యాప్తిలో ఉండి ఫోటో విద్యుత్ ఉద్గారం చూపదు. కావున విద్యుత్ను ఆపుటకు అవరోధ పొటెన్షియల్ అవసరం ఉండదు. గ్రాఫ్ నుండి సరళరేఖవాలు

ప్రశ్న 29.
క్రింది లోహాలకు పని ప్రమేయాలను ఇచ్చాం :
Na : 2.75 eV; K : 2.30 eV; Mo : 4.17 eV; Ni : 5.15 eV. ఫోటోసెల్ నుంచి 1m దూరంలో ఉంచిన He-Cd లేజర్ నుంచి వెలువడే 3300 Åల తరంగదైర్ఘ్యం గల వికిరణానికి, వీటిలో ఏ లోహం ఫోటోవిద్యుత్ ఉద్గారంను ఇవ్వదు? లేజరును దగ్గరకు తెచ్చి 50 cm దూరంలో ఉంచితే ఏం జరుగుతుంది?
సాధన:

ఈ శక్తి Na మరియు K ల పని ప్రమేయంల కన్నా ఎక్కువ మరియు Mo మరియు Ni కన్నా తక్కువ. ఫొటో విద్యుత్ ఉద్గారం Na మరియు K లోహాలలో మాత్రమే సంభవిస్తుంది.

లేజర్ను దగ్గరగా తీసుకొస్తే, పతన వికిరణ తీవ్రత పెరుగుతుంది. ఇది Mo మరియు Ni లోహాలపై ఫలిత ప్రభావం చూపదు. దీని తీవ్రత పెరిగిన Na మరియు K ల ఫోటోఎలక్ట్రిక్ ఉద్గారం అనుపాతంగా పెరుగును.

ప్రశ్న 30.
ఉపరితల వైశాల్యం 2cm² గల ఒక సోడియం ఫోటోసెల్పైన తీవ్రత 10^-5 Wm^-2 గల కాంతి పడుతుంది. ఈ పతన శక్తిని సోడియం యొక్క 5 స్తరాలు (పొరలు) శోషించుకొంటాయని అనుకొంటే, ఫోటో విద్యుదుద్గారానికి పట్టే కాలం వికిరణం తరంగ చిత్రణలో ఎంత ఉంటుందో అంచనా వేయండి. ఈ లోహానికి పని ప్రమేయం దాదాపు 2 eV గా ఉంది. మీ జవాబులో ఉన్న అంతస్సూచన (implication) ఏమిటి?
సాధన:
I = 10^-5W/m²; A = 2 cm² = 2 × 10^-4m²; n = 5, t = ? W₀ = 2eV= 2 × 1.6 × 10^-19J.
సోడియం పరమాణువు ఒక వాహక ఎలక్ట్రానన్ను కలిగి ఉండును.
ప్రభావ పరమాణు వైశాల్యం = 10^-20 m²

తరంగపటం, ఈ ప్రయోగంనకు ప్రయోగించకూడదు.

ప్రశ్న 31.
స్ఫటిక వివర్తన ప్రయోగాలను X-కిరణాలను ఉపయోగించి గానీ లేదా తగు వోల్టేజి ద్వారా త్వరితం అయ్యే ఎలక్ట్రానులను ఉపయోగించి గానీ చేయవచ్చు. ఈ రెండింటిలో ఏ శోధన పరికరం (probe) ఎక్కువ శక్తిని కలిగి ఉంటుంది? (పరిమాణాత్మకంగా పోల్చడం కోసం, శోధన తరంగదైర్ఘ్యం 1 కి సమానమని తీసుకోండి. ఈ తరంగదైర్ఘ్యం జాలకంలోని అంతర్ పరమాణుక మధ్య దూరం క్రమంలో ఉంది) (m = 9.11 × 10^-31 kg).
సాధన:
ఎలక్ట్రాను, λ = 1 Å = 10^-10 m; m = 9.11 × 10^-31 kg
గతిజశక్తి ఉన్న ఎలక్ట్రాన్లు X-కిరణాలను ఉత్పత్తి చేయును.

కావున ఒకే తరంగదైర్ఘ్యంనకు, ఫోటాన్ ఎలక్ట్రాన్ కన్నా ఎక్కువ గతిజశక్తి కలిగి ఉండును.

ప్రశ్న 32.
(a) గతిజశక్తి 150 eV కలిగిన ఒక న్యూట్రాన్కు డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యాన్ని పొందండి. అభ్యాసం 31లో మీరు చూసినట్లుగా, ఇదే శక్తి కలిగిన ఎలక్ట్రాన్ పుంజం స్ఫటిక వివర్తన ప్రయోగాలకు తగిన విధంగా ఉంటుంది. మరి, ఇదే శక్తి కలిగి ఉన్న ఒక న్యూట్రాన్ పుంజం సమానంగా తగినదై ఉంటుందా? వివరించండి. (m_n = 1.6752 × 10^-27 kg)
(b) గది ఉష్ణోగ్రత (27 °C) వద్ద ఉన్న ఉప్లీయ న్యూట్రాన్లతో అనుబంధితమైన డి బ్రాయ్ తరంగండి. తద్వారా ఒక వేగవంతమైన వడిగల న్యూట్రాను పంజాన్ని న్యూట్రాన్ వివర్తన ప్రయోగాలకు వినియోగించగలగాలంటే దాన్ని పరిసరాలతో (environment), ఉష్ఠీకృతం (thermalise) చేయవలసిన అవసరం ఎందుకు ఉంటుందో
వివరించండి.
సాధన:
a) న్యూట్రాన్ గతిజశక్తి, E = 150 eV = 150 × 1.6 × 10^-19 J
న్యూట్రాన్ ద్రవ్యరాశి, m = 1.675 × 10^-27 kg.

అంతర పరమాణువుల మధ్యదూరం 1Å(= 10^-10m), తరంగదైర్ఘ్యం కన్నా 100 రెట్లు ఎక్కువ.
∴ వివర్తన ప్రయోగంలో, న్యూట్రాన్ పుంజము శక్తి 150 ev సరిపోదు.

b) T = t + 273 = 27 + 273 = 300 K
బోల్ట్స్మన్ స్థిరాంకం,K = 1.38 × 10^-23 J/mol/K
పరమ ఉష్ణోగ్రత T వద్ద, న్యూట్రాన్ సరాసరి గతిజశక్తి

ఈ తరంగదైర్ఘ్యం జాలకంలోని అంతర పరమాణుక మధ్య దూరం క్రమంలో ఉంది. కావున ఒక వేగవంతమైన వడిగల న్యూట్రాను పుంజాన్ని న్యూట్రాన్ వివర్తన ప్రయోగాలకు వినియోగించగలగాలంటే దాన్ని పరిసరాలతో ఉష్ఠీకృతం చేయవలసిన అవసం ఉంటుంది.

ప్రశ్న 33.
ఒక ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని 50 kV వోల్టేజి ద్వారా త్వరితమైన ఎలక్ట్రానులను, ఉపయోగించుకొంటుంది. ఈ ఎలక్ట్రానులతో అనుబంధితమైన డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యాన్ని నిర్ణయించండి. ఒకవేళ ఇతర కారకాలు (సంఖ్యాత్మక అపర్చర్ (కంత/ దారి) మొదలైనటువంటివి) కొంచెం అటుఇటుగా (roughly) ఇవే విలువలను కలిగి ఉన్నాయని తీసుకొంటే, ఒక ఎలక్ట్రాన్ సూక్ష్మదర్శిని యొక్క పృథక్కరణ సామర్థ్యం, పసుపు కాంతిని వాడే దృశా సూక్ష్మదర్శిని పృథక్కరణ సామర్ధ్యంతో ఏ విధమైన పోలిక కలిగి ఉంటుంది?
సాధన:
V = 50 KV = 50 × 10³ Volt
∴ ఎలక్ట్రాన్ గతిజశక్తి, E = 50 × 10³ ev = 50 × 10³ × 1.6 × 10^-19J
= 50 × 1.6 × 10^-16 J

పసుపు కాంతి తరంగదైర్ఘ్యం (λ) = 5.9 × 10^-7 m

పృథక్కరణ సామర్థ్యం, తరంగదైర్ఘ్యంనకు విలోమానుపాతంలో ఉండుట వల్ల ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ పృథక్కరణ సామర్థ్యం, దృశ్య మైక్రోస్కోప్నకు 10⁵ రెట్లు. సాధారణంగా జ్యామితీయ కారకంలలో తేడా వాని పోల్చుటలో మార్పు తెచ్చును.

ప్రశ్న 34.
ఒక శోధన పరికరం (probe) తరంగదైర్ఘ్యం, అది కొన్ని వివరాల పరిధి వరకు (in some detail) పరిశీలించగలిగే నిర్మాణం యొక్క పరిమాణానికి కొంచెం అటు ఇటుగా ఉన్న కొలమానమే. ప్రోటాన్లు, న్యూట్రాన్లకు ఉండే క్వార్క్ రచన 10^-15 m లేదా అంతకంటే తక్కువ సూక్ష్మమైన పొడవు మానం (length scale) లో ఉన్నట్లు కనిపిస్తుంది. USA లోని స్టాన్ఫోర్డ్ వద్దగల ఒక రేఖీయ త్వరణకం ఉత్పత్తి చేసే అధికశక్తి ఎలక్ట్రాన్ పుంజాలను ఉపయోగించి 1970 లోని తొలి రోజుల్లో మొట్టమొదటగా ఈ నిర్మాణాన్ని లోతుగా పరిశీలించడం జరిగింది. ఈ ఎలక్ట్రాన్ పుంజాల శక్తి ఏ క్రమంలోనిదై ఉండవచ్చో ఊహించి కనిపెట్టండి. (ఎలక్ట్రాన్ విరామ ద్రవ్యరాశి శక్తి = 0.511 MeV.)
సాధన:

కావున త్వరణకారి నుండి ఎలక్ట్రాన్ శక్తులు కొన్ని BeV లను కల్గి ఉండును.

ప్రశ్న 35.
గది ఉష్ణోగ్రత (27 °C), 1 atm పీడనం వద్ద ఉన్న హీలియం వాయువులోని ఒక He పరమాణువుతో అనుబంధితమైన విలక్షణ డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యాన్ని కనుక్కోండి. ఈ పరిస్థితుల్లో రెండు పరమాణువుల మధ్య ఉండే సగటు ఎడంతో దీన్ని (డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యాన్ని) పోల్చండి.
సాధన:

ప్రశ్న 36.
27 °C వద్ద ఉన్న ఒక లోహంలోని ఒక ఎలక్ట్రాన్ విలక్షణ డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యాన్ని లెక్కకట్టి, ఒక లోహంలోని రెండు ఎలక్ట్రాన్ల మధ్య ఉండే సగటు ఎడం (ఇది దాదాపు 2 × 10^-10 m ఉంటుందనుకోండి) తో పోల్చండి.
[సూచన : అభ్యాసాలు 35, 36 లు కింది విషయాన్ని బహిరంగ పరుస్తాయి. సాధారణ పరిస్థితుల్లో ఉండే వాయురూప అణువులతో ఉండే అనుబంధిత తరంగ పొట్లాలు అతిపాతం చెందకుండా ఉండగా, ఒక లోహంలోని ఎలక్ట్రాన్ తరంగ పొట్లాలు ఒకదానితో ఒకటి ప్రబలంగా అతిపాతం చెందుతాయి. సాధారణ వాయువులోని అణువులు విడివిడిగా గుర్తించగలిగేవిగా ఉంటే, ఒక లోహంలోని ఎలక్ట్రానులను ఒకదాని నుంచి మరొకదానిని విడదీసి గుర్తించగలలేనివిగా ఉంటాయని ఇది సూచిస్తుంది. ఈ అభేద్యత (indistinguishibility) అనేక ప్రాథమిక అంతస్సూచనలను కలిగి ఉంటుంది. వీటిని మీరు మరింత ఉన్నతమైన భౌతికశాస్త్ర కోర్సులలో అన్వేషిస్తారు (explore)].
సాధన:
లోహంలో ఎలక్ట్రాన్ ద్రవ్యవేగం, P = √3mKT

ప్రశ్న 37.
కింది ప్రశ్నలకు జవాబులు రాయండి.
(a) ప్రోటాన్లు, న్యూట్రాన్ల అంతర్భాగంలోని క్వార్క్లు, ఆంశిక (fractional) ఆవేశాలు [(+2/3)e; (-1/3)e] ను కలిగి ఉంటాయని అనుకుంటారు. అలాంటప్పుడు అవి మిల్లికాన్ తైలబిందు ప్రయోగంలో ఎందుకు కనిపించలేదు?
సాధన:
క్వార్క్స్ ఆంశిక ఆవేశాలను కలిగిఉండును. ఈ క్వార్క్స్లు బలాలతో బంధితమగును. క్వార్క్ లు దూరంగా లాగటానికి ప్రయత్నిస్తే, ఈ బలాలు దృఢంగా ఉంటాయి. అందువల్ల క్వార్క్లు దగ్గరగా ఉంటాయి. ఈ కారణం వల్ల ప్రకృతిలో ఆంశిక ఆవేశాలు ఇమడతాయి. కాని పరిశీలించిన ఆవేశాలు, ఎలక్ట్రాన్ ఆవేశంనకు పూర్ణాంక గుణిజాలుగా ఉండును.

(b) కలయిక e/m పట్ల గల ప్రత్యేకత ఏమిటి? e,m ల గురించి కేవలంగా, విడివిడిగా మనం ఎందుకు మాట్లాడం?
సాధన:
విద్యుత్ మరియు అయస్కాంత క్షేత్రాలలో ఎలక్ట్రాన్ చలనంను \(\frac{1}{2}\)mυ² = eV లేక Beυ = \(\frac{mυ^2}{r}\) అనే రెండు సమీకరణాలు తెలుపుతాయి. ఈ రెండు సమీకరణాలు e మరియు m రెండింటిని కలిగి ఉండును. ఏ ఒక్క సమీకరణంలో e లా m లను ఒక్కొక్కటిగా లేదు. అందువల్ల \(\frac{e}{m}\) మాత్రమే తీసుకుంటాము.

(c) సాధారణ పీడనాల వల్ల వాయువులు ఎందుకు బంధకాలు కావాలి, అత్యల్ప పీడనాల వద్ద అవి వహనాన్ని ఎందుకు ప్రారంభిస్తాయి?
సాధన:
సాధారణ పీడనం వద్ద వాయు అణువుల అయనీకరణం వల్ల స్వల్ప ధన అయాన్లు మరియు ఎలక్ట్రాన్లు ఏర్పడును. ఎలక్ట్రోడ్లు బంధకాలు అవటం వలన ధన అయాన్లు మరియు ఎలక్ట్రాన్లు చేరలేవు. అల్ప పీడనం వద్ద, సాంద్రత తగ్గుతుంటే, సరాసరి స్వేచ్ఛా పథము పెద్దదిగా ఉండును. అధిక పొటెన్షియల్ వద్ద, అవి సరిపోయినంత శక్తిని పొంది, అవి అణువులతో అభిఘాతం జరిపి, అయనీకరణను కలిగించును. దీని వల్ల, వాయువులో అయాన్ల సంఖ్య పెరుగును.
మరియు ఇది వాహకంగా మారును.

(d) ప్రతి లోహానికి ఒక నిర్దిష్ట పని ప్రమేయం ఉంటుంది. పతన వికిరణం ఏకవర్ణకం అయినప్పుడు అన్ని ఫోటో ఎలక్ట్రానులు ఒకే శక్తితో ఎందుకు బయటకు రావు? ఫోటో ఎలక్ట్రానులకు శక్తి వితరణ అంటూ ఎందుకు ఉంది?
సాధన:
లోహంలో ఎలక్ట్రాన్లన్నీ ఒకే శక్తి స్థాయిని కలిగి ఉండును. కాని అవి అవిచ్ఛిన్న స్థాయిలను ఆక్రమించును. లోహతలం పై వికిరణం పతనమయితే, వేర్వేరు శక్తులతో, వేర్వేరు స్థాయిల నుండి ఎలక్ట్రాన్లు బయటకు వచ్చును.

(e) ఒక ఎలక్ట్రాన్ యొక్క శక్తి, ద్రవ్యవేగం, దాని అనుబంధిత ద్రవ్యతరంగ పౌనఃపున్యం, తరంగదైర్ఘ్యాలతో కింది విధంగా సంబంధం కలిగి ఉన్నాయి.
E = h ν, p = \(\frac{h}{\lambda}\)
కాని λ విలువ భౌతికంగా సార్థకం (significant) కాగా, ν విలువ (అందువల్ల, ప్రావస్థ వడి ν λ) కు మాత్రం భౌతిక సార్ధకత ఏమీలేదు. ఎందుకు?
సాధన:

సాధించిన సమస్యలు Textual Examples

ప్రశ్న 1.
ఒక లేజర్ 6.0 × 10¹⁴ Hz పౌనఃపున్యం ఉన్న ఏకవర్ణ కాంతిని ఉత్పత్తిచేసింది. తద్వారా ఉద్గారమైన సామర్థ్యం 2.0 × 10^-3W. (a) ఈ కాంతి పుంజంలో ఒక ఫోటాను శక్తి ఎంత? (b) సగటున ఒక సెకనుకు ఎన్ని ఫోటాన్లను జనకం ఉద్గారిస్తుంది?
సాధన:
a) ఒక్కొక్క ఫోటాన్ కు ఉండే శక్తి
E = hν = (6.63 × 10^-34 J s) (6.0 × 10¹⁴ Hz)
= 3.98 × 10^-19 J

b) ప్రతి సెకనుకు జనకం నుంచి ఉద్గారమయ్యే ఫోటాన్ల సంఖ్య N అనుకొంటే, పుంజంలో ప్రసారితమయ్యే సామర్థ్యం P, ఒక్కొక్క ఫోటానుకు ఉండే శక్తి Eకి N రెట్లకు సమానమవుతుంది. అందువల్ల P = N E. అప్పుడు,

ప్రశ్న 2.
సీజియంకు పని ప్రమేయం 2.14 eV అయితే (a) సీజియంకు ఆరంభ పౌనఃపున్యాన్ని (b)0.60 V ల నిరోధక పొటెన్షియల్ వల్ల ఫోటోవిద్యుత్ ప్రవాహం సున్నాకు తీసుకొనిరావడమైంది అనుకొంటే పతన కాంతి తరంగదైర్ఘ్యాన్ని కనుక్కోండి. [AP. Mar.’16]
సాధన:
a) కటాఫ్ లేదా ఆరంభ పౌనఃపున్యానికి, పతన వికిరణ శక్తి hν₀ పని ప్రయేయం Φ₀ కి సమానం కావాలి. కాబట్టి,

అంటే, ఈ ఆరంభ పౌనఃపున్యం కంటే తక్కువ విలువ ఉన్న పౌనఃపున్యాలకు, ఫోటో ఎలక్ట్రానులు బయటకు రావు.

b) మందక శక్మం V₀ వల్ల కలిగే స్థితిజశక్తి e V₀ కు ఉద్గారిత ఫోటో ఎలక్ట్రానుల గరిష్ట గతిజశక్తి సమానమైనప్పుడే ఫోటో విద్యుత్ ప్రవాహం సున్నాకు తగ్గిపోతుంది. ఐన్స్టీన్ ఫోటో విద్యుత్ సమీకరణం ప్రకారం,

ప్రశ్న 3.
దృశ్య ప్రాంతంలో కాంతి తరంగదైర్ఘ్యం, నీలలోహిత (ఊదా) వర్ణానికి సుమారుగా 390 nm, పసుపు-ఆకుపచ్చ వర్ణానికి దాదాపు 550 nm (సగటు తరంగదైర్ఘ్యం), ఎరుపు వర్ణానికి దాదాపు 760nm.
(a) ఈ దృశ్య వర్ణపటంలోని (i) నీలలోహిత కొనవద్ద, (ii) పసుపు-ఆకుపచ్చ వర్ణపు సగటు తరంగదైర్ఘ్యం వద్ద, (iii) ఎరుపు కొనవద్ద ఫోటాన్లకు ఉండే శక్తి విలువలు (eV) లలో ఏవిధంగా ఉంటాయి?
(h = 6.63 × 10^-34 J s 1 eV = 1.6 × 10^-19 J అని తీసుకోండి)
(b) (a) లోని (i), (ii); (iii) ల ఫలితాలను ఉపయోగిస్తూ, పట్టికలోని జాబితాలో ఉన్న ఫోటో సూక్ష్మగ్రాహ్మక పదార్థాలు, వాటి పని ప్రమేయాల నుంచి, దృశ్యకాంతితో పనిచేసే ఒక ఫోటోవిద్యుత్ పరికరాన్ని మీరు నిర్మించగలరా?
సాధన:
a) పతన ఫోటాను శక్తి, E = hv = hc/λ
E = (6.63 × 10^-34 Js) (3 × 10⁸m/s) /λ

i) నీలలోహిత కాంతికి, λ₁ = 390 nm (అల్పతమ తరంగదైర్ఘ్యం కొన)

b) ఒక ఫోటోవిద్యుత్ పరికరం ప్రచలితం కావాలంటే పతన కాంతి శక్తి E విలువ పదార్థ పని ప్రమేయం 60 విలువకు సమానం లేదా అధికంకానీ కావలసి ఉంటుంది. కాబట్టి నీలలోహిత కాంతి (E = 3.19 eV) కి ఫోటోవిద్యుత్ పరికరం Na (Φ₀ = 2.75 eV), K (Φ₀ = 2.30 eV), Cs (Φ₀ = 2.14 eV) ఫోటో సూక్ష్మగ్రాహ్యక పదార్థాలతో ప్రచాలితం కాగలదు. పసుపు-ఆకుపచ్చ కాంతి (E = 2.26 eV తో)కి కూడా Cs (Φ₀ = 2.14 eV) తో మాత్రమే ప్రచలితం అవుతుంది. అయితే, ఈ సూక్ష్మగ్రాహ్యక పదార్థాల్లో దేనితో కూడా, ఎరుపు కాంతి (E = 1.64 eV) కి ప్రచలితం కాదు.

ప్రశ్న 4.
(a) 5.4 × 10⁶ m/s వడితో చలిస్తున్న ఒక ఎలక్ట్రాన్తో, (b) 150 g ద్రవ్యరాశి కలిగి 30.0 m/s తో ప్రయాణించే బంతితో అనుబంధితమై ఉండే డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం ఎంత?
సాధన:
a) ఎలక్ట్రానుకు :
ద్రవ్యరాశి m = 9.11 × 10^-31 kg, వడి, υ = 5.4 × 10⁶ m/s.
అప్పుడు ద్రవ్యవేగం p = m υ = 9.11 × 10^-31 (kg) × 5.4 × 10⁶ (m/s)
p = 4.92 × 10^-24 kg m/s

b) బంతికి
ద్రవ్యరాశి, m’ = 0.150 kg, వడి υ’ = 30.0 m/s.
అప్పుడు ద్రవ్యవేగం, p’ = m’ υ’ = 0.150 (kg) × 30.0 (m/s)
p’ = 4.50 kg m/s

ఎలక్ట్రాను డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం, X-కిరణ తరంగదైర్ఘ్యాలతో పోల్చదగినదిగా ఉంది. అయితే, బంతికి అది ప్రోటాన్ పరిమాణం (సైజు)కు 10^-19 రెట్లు ఉంది, అంటే, ప్రయోగపూర్వక కొలతకు చాలా ఆవల ఉంది.

ప్రశ్న 5.
ఒక ఎలక్ట్రాను, ఒక α-కణం, ఒక ప్రోటాను ఒకే గతిజశక్తిని కలిగి ఉన్నాయి. ఈ కణాలలో దేనికి అతిచిన్న డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం ఉంటుంది? [TS. Mar. ’15]
సాధన:
ఒక కణానికి, డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం, λ = h/p
గతిజశక్తి, K = p²/2m
అప్పుడు, λ = h/√2mk

ఒకే గతిజశక్తి ఉన్న సందర్భానికి, కణంతో అనుబంధితమై ఉండే డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం వాటి ద్రవ్యరాశుల వర్గమూలానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది. ఒక ప్రోటాను (¹₁H) ద్రవ్యరాశి ఎలక్ట్రాను ద్రవ్యరాశికి 1836 రెట్లు కాగా, α-కణం (⁴₂He) ప్రోటాను ద్రవ్యరాశికి నాలుగు రెట్ల ద్రవ్యరాశిని కలిగి ఉంటుంది.

కాబట్టి, α-కణానికి అతిచిన్న డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం ఉంటుంది.

ప్రశ్న 6.
ఒక ఎలక్ట్రాన్ కంటే మూడు రెట్లు వడితో ఒక కణం చలిస్తోంది. ఆ కణానికి చెందిన డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యానికీ, ఎలక్ట్రాను తరంగదైర్ఘ్యానికి ఉన్న నిష్పత్తి 1.813 × 10^-4 అయితే, ఆ కణం ద్రవ్యరాశిని గణించి, కణాన్ని గుర్తించండి.
సాధన:

కాబట్టి, ఈ ద్రవ్యరాశి గల ఆ కణం ఒక ప్రోటాను లేదా ఒక న్యూట్రాను అయి ఉండవచ్చు.

ప్రశ్న 7.
100 వోల్టుల పొటెన్షియల్ తేడా ద్వారా త్వరితమయ్యే ఎలక్ట్రానుతో అనుబంధితమై ఉండే డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం ఎంత? [AP. Mar. ’15]
సాధన:
త్వరితం చేసే పొటెన్షియల్ V = 100. డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం λ

ఈ సందర్భానికి, ఒక ఎలక్ట్రానుతో అనుబంధితమై ఉండే డి బ్రాయ్ తరంగదైర్ఘ్యం X-కిరణ తరంగదైర్ఘ్యాల క్రమంలో ఉంది.