Номер 767, страница 222 - гдз по физике 11 класс сборник задач Дорофейчик, Силенков

767. Провели два опыта: предварительно незаряженный алюминиевый шарик, удаленный от других тел, в одном опыте облучали ультрафиолетовым излучением, в другом — излучением видимого диапазона. Оказалось, что в первом опыте шарик зарядился, а во втором нет. Объясните результаты опытов. Какой знак заряда оказался на шарике в первом опыте?

Объясните результаты опытов

Результаты опытов объясняются явлением внешнего фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта), которое заключается в испускании электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Согласно теории фотоэффекта, для того чтобы электрон покинул поверхность металла, энергия падающего на металл фотона $E$ должна быть не меньше работы выхода $A_{вых}$. Работа выхода — это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону для его удаления из металла. Энергия фотона $E$ связана с частотой излучения $\nu$ формулой Планка: $E = h\nu$, где $h$ — постоянная Планка.

Таким образом, условие возникновения фотоэффекта можно записать как $E \ge A_{вых}$ или $h\nu \ge A_{вых}$.

В спектре электромагнитного излучения ультрафиолетовое излучение имеет более высокую частоту, чем видимый свет. Следовательно, энергия фотонов ультрафиолетового излучения ($E_{УФ}$) больше энергии фотонов видимого света ($E_{вид}$).

В первом опыте при облучении алюминиевого шарика ультрафиолетовым излучением он зарядился. Это означает, что произошел фотоэффект: электроны были вырваны с поверхности металла. Это было возможно потому, что энергия фотонов ультрафиолетового излучения была больше или равна работе выхода для алюминия: $E_{УФ} \ge A_{вых}^{Al}$.

Во втором опыте при облучении видимым светом шарик не зарядился, фотоэффект не наблюдался. Это значит, что энергия фотонов видимого света была недостаточной для вырывания электронов, то есть она была меньше работы выхода для алюминия: $E_{вид} < A_{вых}^{Al}$.

Ответ: Различие в результатах опытов объясняется явлением фотоэффекта и тем, что энергия фотонов зависит от частоты излучения. Энергия фотонов ультрафиолетового излучения была достаточной для вырывания электронов с поверхности алюминия (превышала работу выхода), в то время как энергия фотонов видимого света была недостаточной.

Какой знак заряда оказался на шарике в первом опыте

До начала опыта алюминиевый шарик был электрически нейтрален, то есть количество положительных зарядов (протонов) в нем было равно количеству отрицательных зарядов (электронов). В процессе фотоэффекта шарик терял электроны — частицы, несущие отрицательный заряд. Уход отрицательных зарядов с нейтрального тела приводит к появлению на нем нескомпенсированного положительного заряда.

Ответ: В первом опыте шарик приобрёл положительный заряд, так как в результате фотоэффекта он потерял отрицательно заряженные электроны.