.В опыте по изучению фотоэффекта одну из пластин плоского конденсатора облучают светом с энергией фотона 6 эВ. Напряжение между пластинами изменяют с реостата, силу фототока в цепи измеряют амперметром. На рисунке 1 приведен график зависимости фототока I от напряжения U между пластинами. Запирающее напряжение -4 В. Рисунок 1

(a) Запишите три доказательства, представленные фотоэлектрическим эффектом, для электромагнитного излучения в виде частиц.
[3]

(b)

(i) Определите частоту излучаемого света.

[2]

(ii) Вычислите скорость фотоэлектрона.
[3]

(iii) Какова работа выхода электрона с поверхности металла, из которого сделаны пластины конденсатора? (ответ дать в электронвольтах.)

(a) Фотоэффект представляет собой явление, при котором фотоны света взаимодействуют с поверхностью металла и вызывают выход электронов из металла. Три доказательства фотоэлектрического эффекта для электромагнитного излучения в виде частиц:

1. Запирающее напряжение: На графике зависимости фототока от напряжения можно видеть, что фототок начинает убывать при достижении определенного запирающего напряжения (-4 В в данном случае). Это означает, что при увеличении напряжения, фотоэлектроны уже не могут достичь анода и фототок прекращается. Запирающее напряжение связано с энергией фотонов, что является подтверждением того, что фотоэффект происходит именно отдельными частицами (фотонами).

2. Зависимость фототока от интенсивности света: При увеличении интенсивности света, фототок увеличивается. Это происходит потому, что больше фотонов достигает металла и вызывает больше выходящих фотоэлектронов. Это подтверждает частичное наличие корпускул света (фотонов), которые взаимодействуют с металлом.

3. Зависимость фототока от частоты света: При увеличении частоты света, фототок также увеличивается. Это объясняется тем, что энергия фотона связана с его частотой (E = hf), и энергия фотона должна быть достаточной, чтобы вырвать электрон из металла. Следовательно, увеличение частоты света увеличивает энергию фотонов и, таким образом, фототок.

(b)

(i) Частота излучаемого света может быть определена по формуле фотоэффекта:

E = hf

где E - энергия фотона (6 эВ в данном случае), h - постоянная Планка, f - частота излучаемого света (что нужно найти).

Мы можем переписать эту формулу следующим образом:

f = E / h

Подставляя значения, получаем:

f = 6 эВ / (4,136 * 10^-15 эВ·с) ≈ 1,451 * 10^15 Гц

Ответ: Частота излучаемого света составляет около 1,451 * 10^15 Гц.

(ii) Скорость фотоэлектрона можно вычислить, используя формулу энергии фотона:

E = 0,5mv^2

где E - энергия фотона (6 эВ), m - масса фотоэлектрона, v - скорость фотоэлектрона (что нужно найти).

Мы можем переписать эту формулу следующим образом:

v = √(2E / m)

Чтобы вычислить скорость, нам нужно знать массу фотоэлектрона. Масса электрона составляет 9,10938356 * 10^-31 кг. Подставляя значения, получаем:

v = √(2 * 6.23 * 10^-19 Дж / 9.10938356 * 10^-31 кг) ≈ 2,19 * 10^6 м/с

Ответ: Скорость фотоэлектрона составляет около 2,19 * 10^6 м/с.

(iii) Работа выхода электрона с поверхности металла может быть определена по формуле:

W = E - e*U

где W - работа выхода (что нужно найти), E - энергия фотона (6 эВ), e - заряд электрона (1,602 * 10^-19 Кл), U - запирающее напряжение (-4 В).

Мы можем подставить значения и вычислить работу:

W = 6 эВ - (1,602 * 10^-19 Кл * -4 В) ≈ 6,653 * 10^-19 Дж

Ответ: Работа выхода электрона с поверхности металла составляет около 6,653 * 10^-19 Дж, или примерно 4,140 эВ.