ID: 00026308
В классе при электрическом освещении лампами накаливания показали опыт: цинковый шар электрометра зарядили эбонитовой палочкой, потёртой о сукно. При этом стрелка электрометра отклонилась, заняв положение, указанное на рисунке, и не меняла его. Через некоторое время к шару на расстояние нескольких сантиметров поднесли горящую свечу, при этом стрелка электрометра быстро опустилась вниз. Спектр излучения свечи (зависимость интенсивности излучения I от длины волны) показан на рисунке. Объясните разрядку электрометра, примите во внимание приведённые спектры и то, что для цинка «красная граница» фотоэффекта λ_{кр} = 290 нм.
Источник: ФИПИ
Разберёмся в сюжете. Цинковый шар электрометра зарядили эбонитовой палочкой, потёртой о сукно. Эбонит при таком трении приобретает отрицательный заряд, значит и шар получил отрицательный заряд — стрелка отклонилась и держалась в этом положении, хотя класс был освещён лампами накаливания. Затем к шару поднесли горящую свечу — не касаясь, на расстоянии нескольких сантиметров — и стрелка быстро упала. Значит, заряд с электрометра куда-то ушёл, причём быстро. Задача — назвать механизм.
Обоснуем, какие модели тут вообще возможны. Разрядка означает, что заряд получил возможность уйти с шара, а для этого нужны носители заряда. Есть два кандидата: либо электроны вырываются из самого металла светом (это фотоэффект), либо носители появляются в окружающем воздухе, и воздух из изолятора превращается в проводник. Проверять надо оба, и первый проверяется количественно — по спектрам, которые даны в условии.
Шаг 1 — проверяем фотоэффект. Фотоэффект возможен, только если энергия фотона не меньше работы выхода, а на языке длин волн — если длина волны не превосходит «красную границу»: \lambda\leqslant\lambda_\text{кр}. Для цинка \lambda_\text{кр}=290 нм. Смотрим на график: кривая свечи начинается примерно с 400 нм, максимум у неё около 700 нм, и дальше она тянется в инфракрасную область до 1000 нм. Кривая лампы накаливания начинается примерно с 350 нм с максимумом около 600 нм. Ни у той, ни у другой в спектре нет заметной доли излучения короче 290 нм.
Шаг 2 — делаем вывод по фотоэффекту. Энергия фотона E=\dfrac{hc}{\lambda} тем меньше, чем больше длина волны. Раз всё излучение свечи имеет \lambda больше 290 нм, то энергии каждого фотона не хватает, чтобы вырвать электрон из цинка. По законам фотоэффекта здесь не помогла бы и очень яркая свеча: интенсивность влияет на число вырванных электронов, но не на возможность самого вырывания. Значит, фотоэффект отпадает. Косвенно это подтверждает и сам опыт: лампы накаливания светили всё время, а стрелка не падала.
Шаг 3 — ищем настоящую причину. У свечи есть не только свет, но и пламя — сильно нагретый газ. При высокой температуре часть молекул газа при столкновениях распадается на положительные ионы и свободные электроны. Это термическая ионизация, и именно она создаёт в газе свободные носители заряда, то есть делает воздух проводящим.
Шаг 4 — как уходит заряд. Отрицательно заряженный шар создаёт вокруг себя электрическое поле. Это поле действует на появившиеся в воздухе ионы: положительные ионы притягиваются к шару, а свободные электроны отталкиваются от него. Приходящие на шар положительные ионы нейтрализуют его отрицательный заряд, и заряд электрометра быстро уменьшается. Дополнительно горячий восходящий поток ионизированного воздуха уносит от шара часть заряда механически.
Шаг 5 — итог. Стрелка опускается потому, что заряд шара и его стрелки уменьшается: одноимённые заряды перестают отталкиваться, и стрелка возвращается к стержню. Причина разрядки — проводимость ионизированного пламенем газа, а не фотоэффект.
Проверить логику можно так: если бы к шару поднесли ртутную лампу, дающую ультрафиолет с \lambda меньше 290 нм, разрядка отрицательно заряженного цинкового шара пошла бы уже за счёт фотоэффекта. Свеча же действует на воздух, а не на металл — и всё сходится.
Фотоэффектом разрядку объяснить нельзя, и свет свечи тут вообще не при чём: электрометр разряжается потому, что в пламени свечи воздух ионизируется и становится проводником.
По графику видно, что и лампа накаливания, и свеча излучают в диапазоне примерно от 350 нм до 1000 нм, то есть излучения с длиной волны меньше «красной границы» цинка \lambda_\text{кр}=290 нм в их спектрах практически нет. Значит, энергии фотона не хватает на вырывание электрона, и фотоэффект не идёт — именно поэтому при обычном освещении лампами стрелка стояла неподвижно.
Зато в пламени очень высокая температура, и там происходит термическая ионизация: молекулы газа распадаются на положительные ионы и свободные электроны. Воздух вокруг пламени перестаёт быть изолятором. Эбонитовая палочка, потёртая о сукно, заряжает шар отрицательно, поэтому к шару притягиваются положительные ионы из области пламени и нейтрализуют его заряд, а восходящий поток ионизированного воздуха уносит лишние электроны. Заряд быстро стекает, и стрелка опускается.