При освещении поверхности металла светом, излученным атомами водорода при переходе с четвертого энергетического уровня на первый, с поверхности вылетает фотоэлектрон с максимально возможной скоростью. Фотоэлектрон попадает в область пространства, где созданы взаимно перпендикулярные однородные электростатическое и магнитное поля, и движется в них прямолинейно. Определите работу выхода (в электронвольтах) электрона из металла, если модуль напряженности электростатического поля E =12 кВм , а модуль индукции магнитного поля В = 10 мТл
от

1 Ответ

Дано:

1. Напряженность электростатического поля E = 12 кВ/м = 12 × 10^3 В/м.
2. Индукция магнитного поля B = 10 мТл = 10 × 10^-3 Т.

Найти: работа выхода электрона из металла (Aвых) в электронвольтах.

Решение:

1. Сначала найдем силу, действующую на фотоэлектрон в электрическом поле. Сила F e = q * E, где q - заряд электрона (q ≈ 1,6 × 10^-19 Кл).

2. Подставим значения:

F e = (1,6 × 10^-19) * (12 × 10^3) = 1,92 × 10^-15 Н.

3. Теперь найдем силу, действующую на фотоэлектрон в магнитном поле. Сила F m = q * v * B, где v - скорость фотоэлектрона.

4. Для нахождения скорости фотоэлектрона используем закон сохранения энергии: Eфотон = Aвых + Eкин, где Eфотон - энергия фотона, равная разности энергий уровней.

5. Энергия фотона при переходе с 4-го уровня на 1-й можно определить по формуле для атома водорода:

E = 13,6 * Z^2 * (1/n1^2 - 1/n2^2), где Z – заряд ядра (для водорода Z=1), n1 = 1, n2 = 4.

6. Подставим значения:

Eфотон = 13,6 * (1^2) * (1/1^2 - 1/4^2)
= 13,6 * (1 - 1/16) = 13,6 * (16/16 - 1/16) = 13,6 * (15/16)
≈ 12,75 эВ.

7. Теперь подставим в уравнение энергии:

Eфотон = Aвых + Eкин.

8. Максимальная скорость фотоэлектрона будет достигнута при минимальной работе выхода:

Eкин = Eфотон - Aвых.

9. Так как мы ищем работу выхода, возьмем случай, когда Aвых минимально, то есть Aвых = 0:

Eкин = Eфотон = 12,75 эВ.

10. Однако, учитывая, что фотоэлектрон движется в электрическом и магнитном полях, его движение не изменит условия работы выхода, но может изменить траекторию.

11. Поскольку работа выхода будет зависеть от энергии фотона, а максимальная скорость достигается при минимальном значении работы выхода, принимаем Aвых равным нулю:

Aвых = Eфотон - Eкин, где Eкин = (F e / m) * t, но время t не задано.

12. Делаем вывод, что работа выхода электрона из металла равна:

Aвых = Eфотон - Eкин = 12,75 - 0 = 12,75 эВ.

Ответ: Работа выхода электрона из металла составляет приблизительно 12,75 эВ.
от