Номер 4, страница 164 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 45. Фотоэффект. Глава 6. Квантовая теория электромагнитного излучения и вещества - номер 4, страница 164.

4. Сформулируйте три закона фотоэффекта и объясните вольт-амперную характеристику при фотоэффекте. Как она будет выглядеть при большей интенсивности света?

Сформулируйте три закона фотоэффекта

Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения, например, видимого света. Экспериментальные исследования этого явления привели к формулировке трех основных законов.

1. Первый закон (закон Столетова). При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения. Иными словами, число фотоэлектронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 секунду, прямо пропорционально интенсивности света. Математически это можно выразить как $I_{нас} \propto \Phi$, где $I_{нас}$ — сила тока насыщения, а $\Phi$ — интенсивность (световой поток).

2. Второй закон. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой падающего света и не зависит от его интенсивности. Этот закон описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта: $E_{k,max} = h\nu - A_{вых}$, где $E_{k,max}$ — максимальная кинетическая энергия электронов, $h$ — постоянная Планка, $\nu$ — частота света, а $A_{вых}$ — работа выхода (минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он покинул вещество).

3. Третий закон («красная граница»). Для каждого вещества существует минимальная частота света $\nu_{min}$ (или, соответственно, максимальная длина волны $\lambda_{max}$), называемая «красной границей» фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен, какой бы большой ни была интенсивность света. Это связано с тем, что энергия одного кванта света (фотона) $h\nu$ должна быть не меньше работы выхода $A_{вых}$. Таким образом, условие существования фотоэффекта: $h\nu \ge A_{вых}$. Отсюда определяется частота красной границы: $\nu_{min} = \frac{A_{вых}}{h}$.

Ответ: Законы фотоэффекта: 1. Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности света. 2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности. 3. Для каждого вещества существует минимальная частота света (красная граница), ниже которой фотоэффект не происходит.

Объясните вольт-амперную характеристику при фотоэффекте

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта — это график зависимости силы фототока $I$ от разности потенциалов (напряжения) $U$ между электродами (катодом, на который падает свет, и анодом, собирающим электроны) при постоянной интенсивности и частоте света.

• При $U < 0$ (задерживающее поле) на электроны действует тормозящая сила. До анода долетают только те электроны, чья начальная кинетическая энергия больше, чем работа электрического поля $|eU|$. С увеличением модуля задерживающего напряжения $|U|$ фототок $I$ уменьшается.

• Существует такое задерживающее напряжение $U_з$ (его называют запирающим), при котором фототок становится равным нулю. В этом случае даже самые быстрые электроны с максимальной кинетической энергией $E_{k,max}$ не могут достичь анода. Их энергия полностью расходуется на преодоление тормозящего поля: $E_{k,max} = e \cdot U_з$.

• При $U \ge 0$ (ускоряющее поле) электрическое поле помогает электронам достигать анода. С ростом напряжения $U$ фототок увеличивается, так как все большее число выбитых электронов вовлекается в направленное движение к аноду.

• При некотором положительном напряжении практически все электроны, испущенные катодом, достигают анода. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока. Ток достигает своего максимального значения, называемого фототоком насыщения $I_{нас}$. Его величина определяется количеством электронов, испускаемых в единицу времени, то есть интенсивностью света.

Ответ: Вольт-амперная характеристика фотоэффекта показывает, что при увеличении ускоряющего напряжения фототок растет до значения тока насыщения, а при увеличении задерживающего напряжения — падает до нуля. Нулевой ток достигается при запирающем напряжении, величина которого определяется максимальной кинетической энергией фотоэлектронов.

Как она будет выглядеть при большей интенсивности света?

Изменение интенсивности падающего света при неизменной его частоте влияет на вольт-амперную характеристику следующим образом:

• Согласно первому закону фотоэффекта, увеличение интенсивности света ведет к пропорциональному увеличению числа испускаемых фотоэлектронов в единицу времени. Это означает, что фототок насыщения $I_{нас}$ увеличится. На графике ВАХ горизонтальный участок (плато) поднимется выше по оси токов.

• Согласно второму закону, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов $E_{k,max}$ зависит только от частоты света, но не от его интенсивности. Поскольку запирающее напряжение $U_з$ напрямую связано с этой энергией ($U_з = E_{k,max}/e$), то величина запирающего напряжения не изменится. На графике ВАХ точка пересечения кривой с осью напряжений останется прежней.

Таким образом, если на одном графике построить две ВАХ для двух разных интенсивностей света ($\Phi_2 > \Phi_1$) при одинаковой частоте, кривая для большей интенсивности $\Phi_2$ будет иметь более высокий ток насыщения, но обе кривые будут начинаться из одной и той же точки на оси напряжений ($-U_з$).

Ответ: При большей интенсивности света вольт-амперная характеристика изменится так, что фототок насыщения станет больше, а запирающее напряжение останется прежним. Графически это означает, что кривая "поднимется" вверх по оси ординат (оси тока), но точка ее пересечения с осью абсцисс (осью напряжения) не изменится.