πЕГЭ · ИИ-репетитор12 предметов · задания ФИПИ
Главная → Физика → Курс теории → №17

№17. Соответствия: фотоэффект и энергетические уровни

Задание №17 — на установление соответствия: каждую позицию левого столбца (переход, величину, график) нужно связать с формулировкой из правого, ответ — две цифры. В позиции две темы: энергетические уровни атома (какой переход чему отвечает) и фотоэффект (как связаны частота света, работа выхода и кинетическая энергия электронов).

Атом может находиться только в состояниях с определёнными значениями энергии — их называют стационарными уровнями. На диаграмме уровни рисуют горизонтальными линиями: чем выше линия, тем больше энергия атома. Переход между уровнями сопровождается поглощением или излучением одного фотона, и никаких промежуточных значений энергии у атома не бывает.

Направление перехода сразу отвечает на половину задания: если атом переходит на уровень с большей энергией, фотон поглощается; если на уровень с меньшей энергией — фотон излучается. Энергия фотона всегда равна разности энергий двух уровней — это второй постулат Бора.

hν = E₂ − E₁ · E = hν = hc/λ · λ = c/ν

Отсюда главная связка задания: большая разность энергий — это большая частота и маленькая длина волны. Формулировки «наибольшая длина волны» и «наименьшая частота» описывают один и тот же самый маленький энергетический зазор, а «наибольшая частота» и «наименьшая длина волны» — самый большой зазор. Путать эти две группы — основная причина потери баллов.

ПереходЧто происходитФормула и вывод
Стрелка вверх, маленький зазорпоглощение фотона малой энергииhν = E₂ − E₁, значит большая λ и малая ν
Стрелка вверх, большой зазорпоглощение самого энергичного фотонаhν = E₂ − E₁, значит малая λ и большая ν
Стрелка вниз, маленький зазоризлучение фотона малой частотыhν = E_верх − E_низ, наибольшая λ
Стрелка вниз, самый большой зазоризлучение фотона наибольшей энергииhν = E_верх − E_низ, наибольшая ν
Переходы в основное состояние (n → 1)излучение в ультрафиолетовой области (серия Лаймана)E_n = −E₀/n², уровни сгущаются кверху
Переходы на уровень n = 2излучение в видимой области (серия Бальмера)E_n = −E₀/n², зазоры между уровнями малы

Если в задании спрашивают не о конкретном переходе, а об изменении величин (увеличится или уменьшится), действуй в два действия. Сначала запиши энергию фотона как разность энергий уровней и сравни два зазора, а потом переходи к частоте и длине волны по связи λ = c/ν. Помни, что частота и длина волны всегда меняются в противоположные стороны.

E_n = −E₀/n² — уровни водорода: чем меньше n, тем больше зазор между соседними уровнями

Вторая тема позиции — фотоэффект. Свет выбивает электроны с поверхности металла, если энергии каждого фотона достаточно, чтобы преодолеть притяжение к металлу. Энергию фотона считают по частоте или по длине волны (E = hν = hc/λ), а баланс энергии описывает уравнение Эйнштейна: фотон расходуется на работу выхода и на сообщение электрону максимальной кинетической энергии.

hν = A_вых + E_к max · ν_min = A_вых/h · λ_max = hc/A_вых · p = h/λ

Работа выхода A_вых — это энергия, которую нужно затратить, чтобы вырвать электрон из металла. Она определяется только родом вещества и не зависит ни от частоты, ни от интенсивности падающего света. Если энергии фотона не хватает (hν меньше A_вых), фотоэффекта не будет: отсюда и красная граница — минимальная частота ν_min = A_вых/h, то есть максимальная длина волны λ_max = hc/A_вых, при которой фотоэффект ещё возможен.

Задерживающее (запирающее) напряжение U_з — это наименьшее обратное напряжение, при котором фототок прекращается: электрическое поле тормозит даже самые быстрые электроны, поэтому eU_з = E_к max. Подставив уравнение Эйнштейна, получаем U_з = (hν − A_вых)/e: задерживающее напряжение линейно растёт с частотой и совсем не зависит от интенсивности света.

eU_з = E_к max · U_з = (hν − A_вых)/e · E_к max = hν − A_вых, но только при ν больше ν_min

Как при этом меняется фототок. Сила фототока насыщения определяется числом электронов, вылетающих с катода за секунду, а оно пропорционально интенсивности света, то есть числу падающих фотонов. Поэтому рост интенсивности поднимает фототок, но не меняет ни энергию фотонов, ни максимальную кинетическую энергию электронов. Рост частоты, наоборот, повышает энергию и скорость электронов, но сам по себе их числа не увеличивает. А если частота ниже красной границы, фотоэффекта нет вообще: сколько бы света ни падало на пластину, электроны не вылетают.

Изменение условияЧто происходитЧто остаётся неизменным
Увеличивают частоту света выше красной границыэнергия фотона hν растёт, максимальная кинетическая энергия E_к max и задерживающее напряжение растутработа выхода A_вых и красная граница этого металла
Уменьшают частоту света ниже красной границыфотоэффект прекращается, максимальная кинетическая энергия равна нулюработа выхода A_вых металла
Увеличивают интенсивность света при той же частотефотонов становится больше, сила фототока насыщения растётэнергия фотона, E_к max, задерживающее напряжение
Уменьшают интенсивность света при той же частотесила фототока насыщения уменьшаетсяэнергия фотона и E_к max
Заменяют металл пластины на другойменяются работа выхода A_вых, красная граница и E_к maxчастота, длина волны и энергия падающего фотона
Заменяют жёлтый светофильтр на синийчастота света растёт, длина волны уменьшается, E_к max растётработа выхода A_вых и материал катода
Увеличивают задерживающее напряжениефототок уменьшается и при U = U_з прекращаетсяэнергия фотона и работа выхода
Что на графикеКакая это величинаПочему
Убывающая кривая (гипербола) по оси xэнергия фотона от длины волныE = hc/λ — обратная пропорциональность
Прямая из начала координатэнергия фотона от частотыE = hν — прямая пропорциональность
Прямая с отсечкой на оси частотмаксимальная кинетическая энергия от частотыhν = A_вых + E_к max, нуль при красной границе
Горизонтальная линияработа выходазависит только от материала металла
Кривая вида корня из xмаксимальный импульс фотоэлектронаp = √(2mE_к max)

Типичные ошибки. Путают излучение и поглощение. Излучение — переход вниз, поглощение — переход вверх; проверяй направление стрелки раньше, чем сравниваешь энергии. Сравнивают длину стрелок на глаз вместо разности энергий уровней. Уровни на диаграмме нарисованы с разными промежутками, поэтому ориентироваться нужно на подписанные значения энергии. Приписывают частоте и длине волны одинаковый характер изменения. Они связаны как λ = c/ν, поэтому если частота выросла, длина волны обязательно уменьшилась. Считают, что работа выхода зависит от частоты или интенсивности света. Она определяется только родом вещества; от частоты зависят запирающее напряжение и кинетическая энергия электронов. Забывают про красную границу фотоэффекта. При ν меньше ν_min кинетическая энергия равна нулю, а не отрицательна. Ошибаются со знаком энергии уровня. Для водорода E_n = −E₀/n², значения отрицательные, а энергия фотона равна разности: из большего (менее отрицательного) вычитаем меньшее.

Проверь себя

  1. В каком случае атом поглощает фотон, а в каком — излучает?
  2. Как связаны длины волн двух переходов, если разность энергий одного вдвое больше, чем у другого?
  3. Почему работа выхода не зависит от частоты света, а задерживающее напряжение зависит?
  4. Что произойдёт с фототоком, если увеличить интенсивность света при той же частоте, а что — если увеличить частоту?
  5. Как по внешнему виду графика понять, отложена по оси x длина волны или частота?

Показательные решения

Разбор из банка: наибольшая длина волны при поглощении и излучении
На рисунке изображена упрощенная диаграмма энергетических уровней атома. Нумерованными стрелками отмечены некоторые возможные переходы атома между этими уровнями. Установите соответствие между процессами поглощения света наибольшей длины волны и испускания света наибольшей длины волны и стрелками, указывающими энергетические переходы атома. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. ПРОЦЕСС А) поглощение света наибольшей длины волны Б) излучение света наибольшей длины волны ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД 1) 1 2) 2 3) 3 4) 4 Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам: A | Б
Решение по шагам
  1. Дана диаграмма энергетических уровней атома со стрелками переходов. Нужно указать, какой переход отвечает поглощению света наибольшей длины волны (А) и какой — излучению света наибольшей длины волны (Б).
  2. Разделяем переходы по направлению: стрелки вверх — атом переходит на более высокий уровень и поглощает квант, стрелки вниз — излучает.
  3. Длина волны связана с энергией фотона обратной зависимостью: ΔE = hc/λ. Значит, наибольшей длине волны отвечает самая маленькая разность энергий уровней.
  4. Среди переходов вверх ищем минимальный зазор между уровнями — это переход 1, поэтому А — 1.
  5. Среди переходов вниз ищем минимальный зазор — это переход 4, поэтому Б — 4.
  6. Проверка: оба выбранных перехода оказались самыми короткими в своей группе, и все номера использованы по одному разу. Ответ: 14.

Ответ: 14

Официальное решение из банка ФИПИ

Квант энергии поглощается при переходе на более высокий уровень, излучается при переходе на более низкий. При этом расстояние между уровнями обратно пропорционально длине волны: Δ E = hc/λ. Таким образом, поглощению света наибольшей длины волны соответствует энергетический переход 1, а излучению света наибольшей длины волны отвечает переход 4. Ответ: 14.

Разбор из банка: фотоэффект — какой график какой величине отвечает
При освещении металлической пластины светом наблюдается фотоэффект. Частоту света ν плавно изменяют. Установите соответствие между графиками и физическими величинами, зависимости которых от частоты падающего света эти графики могут представлять. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. ГРАФИКИ А) Б) ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ 1) работа выхода фотоэлектрона из металла 2) максимальный импульс фотоэлектронов 3) энергия падающего на металл фотона 4) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов A | Б
Решение по шагам
  1. В задании даны графики зависимостей нескольких физических величин от частоты падающего света. Нужно указать, какой график отвечает энергии фотона, а какой — максимальной кинетической энергии фотоэлектронов.
  2. Энергия падающего фотона прямо пропорциональна частоте: E = hν. Значит, её график — прямая линия, выходящая из начала координат. Такая прямая на рисунке одна (график Б), поэтому для энергии фотона выбираем вариант 3.
  3. По уравнению Эйнштейна hν = A_вых + E_к max энергия фотона расходуется на работу выхода и на сообщение электрону кинетической энергии, откуда E_к max = hν − A_вых.
  4. Это линейная функция, но она имеет смысл только там, где E_к max не отрицательна, то есть при ν не меньше A_вых/h (выше красной границы). Прямая с отсечкой на оси частот — это график А, значит для максимальной кинетической энергии выбираем вариант 4.
  5. Проверяем остальные варианты: работа выхода от частоты не зависит и дала бы горизонтальную линию, а максимальный импульс фотоэлектрона связан с кинетической энергией корневой зависимостью p = √(2mE_к max) и дал бы кривую, а не прямую.
  6. Записываем ответ по порядку: А — 4, Б — 3, то есть 43.

Ответ: 43

Официальное решение из банка ФИПИ

Энергия фотона прямо пропорциональна частоте: E = hν. На графике Б изображена именно такая зависимость физической величины от частоты, поэтому этот график соответствует энергии падающего на металл фотона (Б — 3). Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта, энергия фотона идет на работу выхода и на сообщение электрону кинетической энергии: hν = A + E_кин. Поэтому максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты следующим образом: E_кин = hν − A. Если частота фотона меньше частоты A/h, соответствующей красной границе, фотоэффект не наблюдается. Поэтому от графика функции E_кин = A − hν нужно взять только часть, где E_кин ≥ 0. На графике А изображена именно такая ситуация, поэтому график А соответствует максимальной кинетической энергии фотоэлектронов (А — 4). Работа выхода фотоэлектрона характеризует свойства материала металлической пластины и не зависит от частоты падающего на нее света, поэтому график этой величины должен представлять собой горизонтальную линию. Максимальный импульс фотоэлектронов связан с с максимальной кинетической энергией соотношением p = √(2mE), а потому его зависимость от частоты будет нелинейной. Ответ: 43.

Разбор из банка: замена светофильтра и работа выхода
На установке, представленной на фотографиях (рис. а — общий вид; рис. б — фотоэлемент), исследовали зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света. Для этого в прорезь осветителя помещали различные светофильтры и измеряли запирающее напряжение. В первой серии опытов использовался светофильтр, пропускающий только желтый свет, а во второй — пропускающий только синий свет. Рис. а Рис. б Как изменяются частота световой волны и работа выхода при переходе от первой серии опытов ко второй? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения. 1. Увеличивается. 2. Уменьшается. 3. Не изменяется. Запишите в таблицу выбранные цифры для каждого ответа. Цифры в ответе могут повторяться. Частота световой волны, падающей на фотоэлемент | Работа выхода материала катода фотоэлемента
Решение по шагам
  1. На металлическую пластину поочерёдно направляют свет через жёлтый и через синий светофильтр. Нужно выяснить, как при замене фильтра изменяются частота падающего света и работа выхода электронов.
  2. Светофильтр пропускает волны только своего диапазона. Синий свет расположен в спектре ближе к фиолетовому краю, чем жёлтый, поэтому его частота больше, а длина волны меньше.
  3. Значит, при замене жёлтого светофильтра на синий частота падающего света увеличивается — это вариант 1.
  4. Работа выхода определяется только родом вещества катода: она не зависит ни от частоты, ни от длины волны, ни от интенсивности света. Металл при замене фильтров остался тем же, поэтому работа выхода не изменилась — это вариант 3.
  5. Проверяем по формуле: по уравнению Эйнштейна hν = A_вых + E_к max при неизменной работе выхода рост частоты даёт рост максимальной кинетической энергии и задерживающего напряжения. Это согласуется с нашими выводами.
  6. Ответ: частота увеличилась, работа выхода не изменилась, то есть 13.

Ответ: 13

Официальное решение из банка ФИПИ

Частота желтого света меньше частоты синего света. Светофильтр пропускает световые волны только соответствующей частоты. Поэтому при замене желтого светофильтра на синий частота света увеличивалась (1). Работа выхода электронов с поверхности металла зависит только от рода вещества. Поэтому при замене светофильтров она не менялась (3). Ответ: 13.

Открыть раздел в тренажёре

← Все разделы курса по физике · Решать задания №17