Номер 3, страница 169 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

3. Нарисуйте схему экспериментальной установки Столетова и объясните суть проделанных им экспериментов.

Схема экспериментальной установки Столетова

Экспериментальная установка, которую А. Г. Столетов использовал для исследования явления фотоэффекта, представляет собой электрическую цепь с вакуумным фотоэлементом.
Основные компоненты установки:

• Вакуумный фотоэлемент: Это стеклянная колба, из которой откачан воздух. Внутри колбы находятся два электрода. В колбе имеется специальное кварцевое окошко, которое пропускает ультрафиолетовое излучение (обычное стекло его поглощает).
• Катод (К): Пластина из металла (например, цинка), на которую направляется свет. Под действием света катод испускает электроны (это и есть фотоэффект). Катод подключается к отрицательному полюсу источника тока.
• Анод (А): Металлическая сетка или кольцо, расположенное напротив катода. Такая форма позволяет свету беспрепятственно попадать на катод. Анод собирает вылетевшие с катода электроны и подключается к положительному полюсу источника.
• Источник света: Например, дуговая лампа, которая является мощным источником света, в том числе и ультрафиолетового.
• Электрическая цепь: Внешняя цепь, к которой подключены электроды, включает в себя:
  • Гальванометр (G): Чувствительный прибор для измерения силы возникающего в цепи электрического тока (фототока).
  • Источник регулируемого напряжения: Состоит из батареи и потенциометра (реостата). Он позволяет плавно изменять напряжение $U$ между катодом и анодом. Специальный переключатель (коммутатор) дает возможность менять полярность напряжения, то есть делать анод не только положительным (ускоряющее поле), но и отрицательным (тормозящее поле) по отношению к катоду.
  • Вольтметр (V): Прибор для измерения напряжения $U$ между электродами.

Свет от источника проходит через кварцевое окно и попадает на катод (К). Выбитые светом электроны летят к аноду (А), создавая в цепи электрический ток, который регистрируется гальванометром (G). С помощью потенциометра можно изменять напряжение между электродами и исследовать, как это влияет на фототок.

Суть проделанных им экспериментов

Целью экспериментов Столетова было установление количественных закономерностей фотоэффекта. Он методично исследовал, как фототок зависит от различных параметров.

1. Исследование зависимости фототока от приложенного напряжения.
   При неизменной интенсивности и частоте падающего света Столетов снимал вольт-амперную характеристику фотоэлемента, то есть зависимость силы фототока $I$ от напряжения $U$ между анодом и катодом.

   • Когда на анод подается положительное (ускоряющее) напряжение, фототок растет. При некотором напряжении он достигает максимального значения — тока насыщения $I_{нас}$. Это означает, что все электроны, выбитые светом с катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение напряжения уже не приводит к росту тока.
   • Когда на анод подается отрицательное (задерживающее) напряжение, фототок уменьшается, так как электрическое поле препятствует движению электронов к аноду.
   • При определенном значении задерживающего напряжения, называемом запирающим напряжением $U_{зап}$, фототок прекращается полностью. Это напряжение останавливает даже самые быстрые фотоэлектроны. Зная $U_{зап}$, можно найти их максимальную кинетическую энергию: $K_{max} = e \cdot |U_{зап}|$, где $e$ — заряд электрона.

2. Исследование зависимости фототока от интенсивности света.
   Столетов установил, что при неизменной частоте света сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности (световому потоку) падающего света. То есть, чем ярче свет, тем больше электронов он выбивает из металла в секунду.

3. Исследование зависимости фотоэффекта от частоты света.
   Используя различные светофильтры для выделения света определенного цвета (частоты), Столетов обнаружил:

   • Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов (и, соответственно, запирающее напряжение) линейно возрастает с увеличением частоты света и совершенно не зависит от его интенсивности.
   • Для каждого вещества существует своя минимальная частота $\nu_{min}$ (или максимальная длина волны $\lambda_{max}$), называемая красной границей фотоэффекта. Если частота света меньше этого порогового значения, фотоэффект не происходит, независимо от интенсивности освещения.

4. Изучение инерционности фотоэффекта.
   Было установлено, что фотоэффект практически безынерционен. Фототок возникает практически мгновенно (за время порядка $10^{-9}$ с) после начала освещения катода, без какой-либо заметной задержки.

Результаты этих экспериментов, известные как законы Столетова для фотоэффекта, не укладывались в рамки классической волновой теории света и послужили экспериментальной основой для развития квантовых представлений о природе света, которые позже были развиты Максом Планком и Альбертом Эйнштейном.

Ответ:
Экспериментальная установка А. Г. Столетова для изучения фотоэффекта включала в себя вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами — катодом и анодом (в виде сетки). Через кварцевое окно на катод направлялся свет от внешнего источника. Электроды были включены в электрическую цепь с гальванометром для измерения фототока и источником регулируемого напряжения для создания ускоряющего или задерживающего электрического поля между электродами.
Суть экспериментов заключалась в систематическом исследовании зависимости силы фототока от напряжения между электродами, а также от интенсивности и частоты (цвета) падающего света. Проведенные опыты позволили Столетову сформулировать основные законы внешнего фотоэффекта: 1) Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего света. 2) Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с частотой света и не зависит от его интенсивности. 3) Для каждого вещества существует минимальная частота света (красная граница), ниже которой фотоэффект невозможен. 4) Фотоэлектрический эффект практически безынерционен.