Zaznacz poprawne dokończenie zdania...- Zadanie 3: NOWA Teraz matura. Fizyka. Do matury 2024

Rozwiązanie

Uzasadnienie:

Zauważmy, że zgodnie ze zjawiskiem fotoelektrycznym potrzebna jest odpowiednia długość fali, aby elektron został wybity przez nadlatujący foton. Dokładniej: foton musi mieć energię równą bądź większą pracy wyjścia dla danego materiału. Wybite elektrony lecą w dowolnym kierunku chociaż część dociera do anody (w wyniku czego odczytujemy pewną wartość natężenia). Jednakże, gdy przyłożymy napięcie elektryczne to zaczniemy działać na elektrony pewną siłą. Dzięki tej sile możemy nakierunkować wybite elektrony oraz nadać im dodatkowej energii kinetycznej. Zatem część elektronów zacznie lecieć w fotokomórce z fotokatody na anodę. Zauważać to będziemy jako zwiększenie odczytywanego natężenia.

Zwiększanie napięcia skutkuje zwiększeniem wartości siły działającej na wybite elektrony w wyniku czego coraz większa ilość elektronów zostanie nakierowanych na anodę. Spowoduje to zwiększeniem odczytywanego natężenia aż do pewnej maksymalnej wartości.

Możemy też, zmieniając przyłożone napięcie, zwolnić elektrony (co jest przedstawione na wykresie dla ujemnych wartości napięcia) w wyniku czego odczytywane natężenie będzie maleć aż do osiągnięcia zerowej wartości, czyli wtedy wszystkie elektrony zostaną zatrzymane.

Z wykresu wynika, że do zatrzymania wszystkich elektronów większe napięcie potrzebne jest w przypadku fotokomórki 1 (potrzeba bardziej ujemnego napięcia). Z tego wynika, że większa jest wówczas również energia kinetyczna wybijanych elektronów:

$E_{k_{1}} > E_{k_{2}} | - E_{k_{2}}$

gdzie:

$E_{k_{1}}$ - energia kinetyczna elektronów wybijanych z fotokatody fotokomórki 1,

$E_{k_{2}}$ - energia kinetyczna elektronów wybijanych z fotokatody fotokomórki 2.

Stąd:

$E_{k_{1}} - E_{k_{2}} > 0$

Skoro większa jest energia kinetyczna to oznacza, że w przypadku fotokomórki 1 większa jest wartość prędkości wybijanych elektronów, czyli:

$v_{1} > v_{2}$

gdzie:

$v_{1}$ - wartość prędkości wybijanych elektronów z fotokatody fotokomórki 1,

$v_{2}$ - wartość prędkości wybijanych elektronów z fotokatody fotokomórki 2.

Zgodnie z wzorem Einsteina wiemy, że energia fotonu jest sumą energii kinetycznej i pracy wyjścia:

$E_{f} = W + E_{k}$

gdzie:

$E_{f}$ - energia fotonu,

$W$ - praca wyjścia,

$E_{k}$ - energia kinetyczna wybijanych elektronów.

Energia fotonu jest taka sama w obu przypadkach, ponieważ fotokomórki oświetlane są tym samym źródłem światła. Zatem im większa energia kinetyczna tym mniejsza jest praca wyjścia:

$E_{f_{2}} = E_{f_{1}}$