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.