Номер 1, страница 219 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Элементы квантовой физики. Параграф 51. Фотоэффект. Задание 43 - номер 1, страница 219.

Условие.

Как изменится время разрядки электрометра в опыте по обнаружению фотоэффекта, если:

а) электрометр приблизить к источнику света;

б) закрыть непрозрачным экраном часть цинковой пластины;

в) поставить светофильтр, задерживающий инфракрасную часть спектра;

г) поставить светофильтр, задерживающий ультрафиолетовую часть спектра?

Решение.

В основе явления, описанного в задаче, лежит фотоэффект — испускание электронов веществом под действием света. Скорость разрядки электрометра, заряженного отрицательно, пропорциональна силе фототока, то есть числу электронов, покидающих цинковую пластину в единицу времени.

Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта, энергия фотона $E = h\nu$ расходуется на работу выхода электрона из металла $A_{вых}$ и на сообщение ему кинетической энергии $E_k$: $h\nu = A_{вых} + E_k$. Фотоэффект возможен только при условии, что энергия фотона не меньше работы выхода: $h\nu \ge A_{вых}$. Для цинка работа выхода $A_{вых} \approx 4.3$ эВ, что соответствует "красной границе" фотоэффекта в ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Это означает, что фотоэффект на цинке вызывают в основном УФ-лучи.

Сила фототока насыщения $\text{I}$ прямо пропорциональна интенсивности светового потока (числу фотонов, падающих на поверхность в единицу времени). Время разрядки электрометра $\text{t}$ обратно пропорционально силе фототока: $t \propto 1/I$.

а) электрометер приблизить к источнику света

При приближении электрометра (с цинковой пластиной) к источнику света, освещенность пластины увеличивается. Интенсивность света, падающего на пластину, обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника. Увеличение интенсивности света приводит к увеличению числа фотонов, падающих на пластину в секунду. Это, в свою очередь, увеличивает число выбиваемых фотоэлектронов в секунду, то есть увеличивает силу фототока $\text{I}$. Так как время разрядки $\text{t}$ обратно пропорционально силе тока, оно уменьшится.
Ответ: время разрядки уменьшится.

б) закрыть непрозрачным экраном часть цинковой пластины

Если закрыть часть пластины экраном, уменьшится её освещаемая площадь. Это приведет к уменьшению общего числа фотонов, падающих на поверхность пластины в единицу времени. Следовательно, уменьшится и число испускаемых фотоэлектронов, что вызовет уменьшение силы фототока $\text{I}$. Уменьшение фототока приведет к увеличению времени разрядки $\text{t}$ электрометра.
Ответ: время разрядки увеличится.

в) поставить светофильтр, задерживающий инфракрасную часть спектра

Фотоэффект на цинке вызывается ультрафиолетовым излучением, так как энергия фотонов видимого света и тем более инфракрасного излучения недостаточна для преодоления работы выхода электронов из цинка. Поэтому инфракрасная часть спектра не участвует в создании фототока. Светофильтр, задерживающий эту часть спектра, не повлияет на интенсивность действующего (ультрафиолетового) излучения. Сила фототока $\text{I}$ не изменится, и время разрядки $\text{t}$ останется прежним.
Ответ: время разрядки не изменится.

г) поставить светофильтр, задерживающий ультрафиолетовую часть спектра

Именно ультрафиолетовое излучение вызывает фотоэффект на цинковой пластине. Если поставить светофильтр, который задерживает УФ-лучи, то фотоны с достаточной энергией перестанут попадать на пластину. В результате фотоэмиссия электронов прекратится, фототок $\text{I}$ станет равным нулю. Электрометр перестанет разряжаться из-за фотоэффекта. Таким образом, время разрядки резко увеличится (теоретически до бесконечности).
Ответ: время разрядки многократно увеличится (электрометр практически перестанет разряжаться).