Номер 4, страница 182 - гдз по физике 10-11 класс сборник задач Громцева

14.2. Фотоэффект. Опыты А. Г. Столетова. 14. Квантовая физика - номер 4, страница 182.

Решение.

Решение 2.

Сила тока насыщения — это максимальный ток, который может протекать в цепи при определённых условиях (например, в фотоэлементе при фотоэффекте или в вакуумном диоде при термоэлектронной эмиссии). Этот ток достигается, когда все свободные носители заряда (электроны), образующиеся в единицу времени на катоде, достигают анода.

Рассмотрим это на примере фотоэффекта. Сила тока насыщения $I_{нас}$ определяется числом электронов $N_e$, покидающих катод за единицу времени, и элементарным зарядом $e$:

$I_{нас} = N_e \cdot e$

Число электронов, вырываемых светом с поверхности катода в единицу времени, прямо пропорционально числу падающих на эту поверхность фотонов. Число фотонов в единицу времени определяет интенсивность света или, точнее, световой поток $\Phi$. Таким образом, сила тока насыщения прямо пропорциональна световому потоку, падающему на катод.

$I_{нас} \propto \Phi$

Следовательно, сила тока насыщения зависит от следующих факторов:

• Интенсивности падающего излучения (светового потока). Чем больше интенсивность, тем больше фотонов падает на катод в секунду и тем больше выбивается электронов, что ведет к увеличению тока насыщения.
• Свойств катода. К ним относятся материал катода (который определяет работу выхода и квантовую эффективность — долю фотонов, вызвавших эмиссию электрона) и площадь его поверхности (большая площадь при той же освещенности может испускать больше электронов).

В случае термоэлектронной эмиссии сила тока насыщения также зависит от температуры катода: чем выше температура, тем больше электронов получают энергию, достаточную для преодоления работы выхода.

Ответ: Сила тока насыщения зависит от количества носителей заряда, генерируемых катодом в единицу времени. Это количество, в свою очередь, определяется: 1) интенсивностью (световым потоком) падающего на катод излучения; 2) свойствами материала и площадью поверхности катода. В случае термоэлектронной эмиссии — от температуры катода.

4. Сила тока насыщения, достигнув своего максимального значения, перестает изменяться при дальнейшем изменении некоторых параметров цепи, так как она ограничена исключительно скоростью генерации носителей заряда.

Основные факторы, от которых сила тока насыщения не зависит (при условии, что режим насыщения уже достигнут):

1. От ускоряющего напряжения между анодом и катодом. На вольт-амперной характеристике фотоэлемента есть участок (плато), где ток практически не меняется при увеличении напряжения. Это и есть режим насыщения. Увеличение напряжения не может увеличить ток, так как все уже испущенные катодом электроны и так достигают анода.
2. От частоты падающего света (в случае фотоэффекта). Частота света $\nu$ (или длина волны $\lambda$) определяет максимальную кинетическую энергию вылетающих фотоэлектронов по формуле Эйнштейна $E_{k_{max}} = h\nu - A_{вых}$, но не их количество. Количество выбитых электронов определяется интенсивностью света (числом фотонов). Таким образом, если изменить частоту света, не меняя его интенсивности, сила тока насыщения не изменится (при условии, что частота остается выше красной границы фотоэффекта, т.е. $h\nu > A_{вых}$).

Ответ: Сила тока насыщения не зависит от ускоряющего напряжения между электродами (если оно достаточно для достижения насыщения) и от частоты падающего света (если она выше красной границы фотоэффекта и интенсивность света не меняется).