ID: 00026485
Электроны, вылетевшие в положительном направлении оси OX с катода фотоэлемента под действием света, попадают в электрическое и магнитное поля (см. рисунок). Какой должна быть напряжённость электрического поля Е , чтобы самые быстрые электроны отклонялись в положительном направлении оси OY ? Работа выхода для вещества катода 2,39 эВ, частота света 6,4·10¹⁴ }Гц, индукция магнитного поля 10^{–3}Тл.
Источник: ФИПИ
Сориентируемся по рисунку. Электрон вылетает вдоль оси OX, магнитная индукция направлена вдоль оси OZ (вертикально вверх), а электрическое поле — вдоль оси OY. На электрон действуют две силы, и обе они лежат вдоль оси OY, только тянут в разные стороны. Нам нужно, чтобы победила та, что толкает в положительном направлении OY.
Разберём каждую силу. Магнитная составляющая силы Лоренца: скорость перпендикулярна индукции, поэтому её модуль F_{\text{м}}=evB. Направление найдём по правилу для векторного произведения \vec v\times\vec B (от OX к OZ оно смотрит против оси OY), а поскольку заряд электрона отрицательный, сила разворачивается — и оказывается направленной вдоль +OY. Электрическая сила равна F_{\text{эл}}=eE и направлена против поля, то есть вдоль -OY, — снова из-за знака заряда. Итак, магнитная сила толкает электрон туда, куда нам надо, а электрическая — назад.
Значит, условие задачи выглядит так: evB\gt eE\quad\Rightarrow\quad E\lt vB. Заряд сократился. Причём речь о самых быстрых электронах — у них v максимальна, и именно для них надо выполнить неравенство.
Шаг 1 — энергия фотона: h\nu=6{,}63\cdot10^{-34}\cdot 6{,}4\cdot10^{14}\approx 4{,}24\cdot10^{-19}\ \text{Дж}.
Шаг 2 — максимальная кинетическая энергия электронов по уравнению Эйнштейна для фотоэффекта. Работу выхода переведём в джоули: A=2{,}39\cdot 1{,}6\cdot10^{-19}\approx 3{,}82\cdot10^{-19} Дж. Тогда E_{k}=h\nu-A=4{,}24\cdot10^{-19}-3{,}82\cdot10^{-19}\approx 4{,}2\cdot10^{-20}\ \text{Дж}.
Шаг 3 — максимальная скорость: v_{\max}=\sqrt{\frac{2E_{k}}{m_{e}}}=\sqrt{\frac{2\cdot 4{,}2\cdot10^{-20}}{9{,}1\cdot10^{-31}}}=\sqrt{9{,}2\cdot10^{10}}\approx 3{,}0\cdot10^{5}\ \text{м/с}.
Шаг 4 — граница для напряжённости: E\lt v_{\max}B=3{,}0\cdot10^{5}\cdot 10^{-3}\approx 3{,}0\cdot10^{2}\ \text{В/м}.
Смысл ответа: при E=v_{\max}B силы уравновесятся и самый быстрый электрон полетит прямо (это, кстати, принцип работы селектора скоростей), а при большей напряжённости он свернёт в другую сторону. Чтобы отклонение шло в положительном направлении OY, поле должно быть слабее трёхсот вольт на метр.
E\lt v_{\max}B=B\sqrt{\dfrac{2\left(h\nu-A\right)}{m_{e}}}\approx 3{,}0\cdot10^{2} В/м — напряжённость должна быть меньше примерно 300 В/м.