Определить максимальную энергию (в эВ), которой могут обладать свободные электроны в металле при абсолютном нуле. Принять, что на каждый атом металла приходится по одному электрону. Массовое число металла равно 57, а плотность металла равна 8843 кг/куб.м.
ДАНО:
A=57;
ρ=8843кгм3.
Найти:Emax−?
Массовое число металла показывает во сколько раз масса его атома больше атомной единицы массы, приблизительно равной массе протона:
m0=A⋅mρ;
Масса некоторой части металла, в которой находятся N электронов (а значит и атомов - по условию) равна:
m=N⋅m0;
а их концентрация:
n=NV=Nm⋅ρ=N⋅ρN⋅A⋅mρ=ρA⋅mρ;
Максимальной энергией электроны обладают на уровне Ферми, определяемом формулой:
EF=h22⋅me⋅(3⋅n8⋅π)23;
Тогда:
EF=h22⋅me⋅(3⋅ρ8⋅π⋅A⋅mρ)23;
подставив числовые значения, получим ответ:
Emax=7.475эВ.
Чем смог
Пусть m₁ и υ₁ - масса и скорость первого шарика соответственно. Тогда m₂ и υ₂ - масса и скорость второго шарика соответственно.
Дано: m₁ = 30 г = 0,03 кг; m₂ = 15 г = 0,015 кг; υ₁ = 2 м/с; υ₂ = 3 м/с.
Найти: υ - ? ΔWк - ?
Решение. Если два шарика сталкиваются друг с другом, после чего движутся вместе в одну сторону, то такое взаимодействие называют абсолютно неупругим ударом - столкновение, в результате которого тела движутся как одно целое.
а) Если два шарика едут навстречу друг другу, то после абсолютно неупругого удара они будут двигаться вместе в ту сторону, импульс шарика которого был большим, то есть у первого: -m₁υ₁ + m₂υ₂ = -(m₁ + m₂)υ ⇒ υ = (-m₁υ₁ + m₂υ₂)/-(m₁ + m₂) = (-0,03 × 2 + 0,015 × 3)/-(0,03 + 0,015) ≈ 0,3 м/с.
Так как в процессе соударения шаров между ними действуют силы, зависящие не от самих деформаций, а от их скоростей, то мы имеем дело с силами, подобными силам трения, поэтому закон сохранения механической энергии не должен соблюдаться: ΔWк = m₁υ₁²/2 + m₂υ₂²/2 - (m₁ + m₂)υ²/2 = (m₁υ₁² + m₂υ₂² - (m₁ + m₂)υ²)/2 = (0,03×2² + 0,015×3² - (0,03 + 0,015)0,3²)/2 ≈ 0,125 Дж.
б) Если два шарика движутся в одну сторону (второй догоняет первого), то после абсолютно неупругого удара они будут двигаться в одну сторону вместе: m₁υ₁ + m₂υ₂ = (m₁ + m₂)υ ⇒ υ = (m₁υ₁ + m₂υ₂)/(m₁ + m₂) = (0,03 × 2 + 0,015 × 3)/(0,03 + 0,015) ≈ 2,3 м/с.
ΔWк = (m₁υ₁² + m₂υ₂² - (m₁ + m₂)υ²)/2 = (0,03×2² + 0,015×3² - (0,03 + 0,015)2,3²)/2 ≈ 0,008 Дж.
ответ: а) υ ≈ 0,3 м/с; ΔWк ≈ 0,125 Дж; б) υ ≈ 2,3 м/с; ΔWк ≈ 0,008 Дж.
