Ответьте на вопросы, страница 130 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему сила фототока насыщения имеет постоянное значение?

2. Почему при нулевом значении напряжения сила фототока отлична от нуля?

3. Почему сила фототока уменьшается при изменении направления электрического поля?

4. При каком условии фототок прекращается? Почему?

1. Почему сила фототока насыщения имеет постоянное значение?
Сила фототока насыщения — это максимальный ток, который определяется количеством фотоэлектронов, испущенных катодом за единицу времени. Согласно первому закону фотоэффекта, число электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени, прямо пропорционально интенсивности падающего света. Когда между катодом и анодом прикладывается достаточно большое ускоряющее напряжение, все без исключения электроны, испущенные катодом, достигают анода. Дальнейшее увеличение напряжения уже не может увеличить число электронов, достигающих анода в секунду, так как это число ограничено количеством испускаемых электронов. Поскольку количество переносимого заряда в единицу времени достигает своего максимума и перестает меняться, сила тока также становится постоянной. Эта постоянная сила тока и называется силой фототока насыщения, $I_{нас}$.

Ответ: Сила фототока насыщения имеет постоянное значение, потому что она соответствует режиму, когда все электроны, выбитые светом из катода, достигают анода, а их число в единицу времени определяется только постоянной интенсивностью света.

2. Почему при нулевом значении напряжения сила фототока отлична от нуля?
В соответствии с явлением фотоэффекта, поглощая фотон, электрон получает энергию, достаточную для преодоления работы выхода и для приобретения некоторой начальной кинетической энергии. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид $h\nu = A_{вых} + E_{к,max}$, где $E_{к,max}$ — максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона. Это означает, что электроны покидают катод с определенным запасом скорости. Даже если внешнее электрическое поле отсутствует (напряжение равно нулю), часть электронов, вылетевших в направлении анода, будет обладать достаточной кинетической энергией, чтобы достичь его. Это направленное движение зарядов и представляет собой электрический ток, поэтому амперметр покажет значение, отличное от нуля.

Ответ: При нулевом напряжении сила фототока отлична от нуля, так как выбитые светом электроны обладают начальной кинетической энергией, и часть из них достигает анода даже без действия ускоряющего электрического поля.

3. Почему сила фототока уменьшается при изменении направления электрического поля?
Изменение направления электрического поля означает, что на анод подается отрицательный потенциал, а на катод — положительный. Такое поле называется тормозящим или задерживающим. Оно создает электрическую силу, которая направлена против движения электронов (от анода к катоду) и тормозит их. Чтобы достичь анода, электрон должен совершить работу против сил этого поля, то есть его начальная кинетическая энергия должна быть больше, чем работа тормозящего поля ($E_к > eU$, где $\text{U}$ — задерживающее напряжение). Чем больше величина задерживающего напряжения, тем большей начальной кинетической энергией должен обладать электрон, чтобы долететь до анода. Следовательно, все меньше и меньше электронов достигают цели, и сила фототока уменьшается.

Ответ: Сила фототока уменьшается, так как при смене направления поля оно становится тормозящим для электронов. Это поле препятствует их движению к аноду, и до него долетают только те электроны, начальная кинетическая энергия которых достаточна для преодоления тормозящего действия поля.

4. При каком условии фототок прекращается? Почему?
Фототок прекращается, когда задерживающее напряжение достигает определенного значения, называемого запирающим напряжением $U_з$. Это происходит, когда работа тормозящего электрического поля становится равной максимальной начальной кинетической энергии самых быстрых фотоэлектронов. Это условие выражается формулой: $eU_з = E_{к,max}$ или $eU_з = \frac{m v_{max}^2}{2}$.
Почему это происходит: при таком значении напряжения даже электроны, вылетевшие из катода с максимально возможной скоростью, полностью теряют свою кинетическую энергию под действием тормозящего поля, не долетев до анода. Электрическое поле останавливает их и заставляет двигаться в обратном направлении. Поскольку ни один электрон не может достичь анода, цепь размыкается, и перенос заряда прекращается, что означает, что сила фототока становится равной нулю.

Ответ: Фототок прекращается при достижении запирающего напряжения $U_з$, при котором работа тормозящего поля $eU_з$ становится равной максимальной кинетической энергии фотоэлектронов $E_{к,max}$. При этом условии ни один из выбитых электронов не может достичь анода.