Задание ЕГЭ по физике: Учащимся в классе при электрическом освещении лампами…

Разберём опыт. Цинковый шар электрометра потёрли эбонитовой палочкой и передали ему заряд, стрелка отклонилась и держалась на месте — значит заряд с шара никуда не уходил. Потом на шар посветили аргоновой лампой, и стрелка быстро упала: заряд ушёл. Причём всё это время в классе горели лампы накаливания, и они шару никак не мешали. Нужно объяснить, почему один свет заряд «сдувает», а другой нет.

Сначала — какого знака заряд на шаре. Эбонит при трении о сукно приобретает отрицательный заряд (эбонит сильнее удерживает электроны, чем сукно). Прикоснувшись палочкой к шару, часть этих лишних электронов передали цинку. Значит на шаре и на стрелке электрометра избыток электронов, заряд отрицательный. Отклонение стрелки — это кулоновское отталкивание одноимённо заряженных стрелки и стержня.

Теперь обоснуем модель, которой объясняем разрядку, — это и есть главное. Свет здесь надо описывать не как волну, а как поток фотонов: каждый фотон несёт порцию энергии E=h\nu=\frac{hc}{\lambda} и целиком отдаёт её одному электрону металла. Если этой порции хватает на работу выхода A_\text{вых} — работу, которую нужно совершить, чтобы вырвать электрон с поверхности, — электрон покидает металл. Это явление и называется фотоэффектом. Условие «хватает» удобно записывать через красную границу: \frac{hc}{\lambda}\ge A_\text{вых}=\frac{hc}{\lambda_\text{кр}}\quad\Longleftrightarrow\quad \lambda\le\lambda_\text{кр}. Обрати внимание: важна именно длина волны (то есть «качество» кванта), а не яркость. Сколько бы ни было фотонов с \lambda\gt\lambda_\text{кр}, ни один электрон не вылетит — накопить энергию от нескольких фотонов электрон не может. Для цинка по условию \lambda_\text{кр}=290 нм.

Шаг 1 — читаем спектр лампы накаливания. На графике видно, что её интенсивность равна нулю примерно до 370–400 нм, дальше кривая быстро растёт, проходит через максимум около 550–600 нм и медленно спадает вплоть до 1000 нм. Коротковолнового излучения с \lambda\lt290 нм в этом спектре просто нет. Значит все фотоны лампы накаливания «слишком слабые»: \dfrac{hc}{\lambda}\lt A_\text{вых}, фотоэффекта нет, заряд с шара не уходит. Именно поэтому стрелка стояла неподвижно.

Шаг 2 — читаем спектр аргоновой лампы. Здесь картина другая: кривая начинается уже примерно с 200 нм, и главный, самый высокий максимум приходится на область 300–350 нм. То есть в спектре есть заметная доля излучения с длинами волн короче 290 нм. Для этих фотонов \lambda\lt\lambda_\text{кр}, их энергии больше работы выхода цинка, и фотоэффект возможен.

Шаг 3 — что происходит с зарядом. Коротковолновые фотоны аргоновой лампы выбивают с поверхности цинка электроны. Но ведь именно избыток электронов и создавал отрицательный заряд шара! Вылетающие электроны уносят этот избыток, заряд шара по модулю уменьшается. Уходить им ничто не мешает: шар заряжен отрицательно, поэтому поле шара само выталкивает вылетевшие электроны наружу, а не возвращает их. Заряд стрелки убывает, отталкивание слабеет — стрелка опускается. Это и есть быстрая разрядка электрометра.

И всё сходится: дело не в яркости света, а в длине волны. У лампы накаливания фотоны «слишком длинноволновые» и бессильны, у аргоновой лампы есть ультрафиолетовая часть за красной границей цинка — она и снимает заряд.