Három esszétéma közül kell választania egyet (az alábbi az egyik). Fejtse ki másfél‑két oldal terjedelemben, összefüggő ismertetés formájában! Ügyeljen a szabatos, világos fogalmazásra, a logikus gondolatmenetre, a helyesírásra, mivel az értékelésbe ez is beleszámít! Mondanivalóját nem kell feltétlenül a megadott szempontok sorrendjében kifejtenie.
2. A fotoelektron‑sokszorozó
A „fotoelektron‑sokszorozó cső” egy olyan kísérleti eszköz, amelynek segítségével nagyon érzékenyen lehet fényt detektálni. Akár egyetlen foton, azaz fénykvantum is észlelhető vele. A cső elején a fotokatód található, melyből a beeső fény fotonjai elektronokat váltanak ki. A katód mögött elhelyezkedő vákuumcsőben ezeket az elektronokat egy elektróda által keltett elektromos tér tereli az ún. dinódák sorozatára. A dinódák mindegyike körülbelül 100 volttal magasabb potenciálra van kapcsolva, mint az előző. Az első dinódára eső, a fotokatódról származó ún. primer elektron a $100\ \mathrm{ V}$‑tal magasabb feszültségen lévő dinódába csapódva körülbelül 10 ún. szekunder elektront vált ki. Ezek a második dinóda felé gyorsulva ugyancsak darabonként körülbelül 10 elektront keltenek. Így egyetlen fotoelektrontól is tekintélyes töltésmennyiség érkezik a műszer végén elhelyezkedő anódra. Az így keletkező áramlökést már könnyűszerrel meg lehet mérni.
a) Mit nevezünk fotoeffektusnak? Mitől függ, hogy egy adott esetben kilép-e elektron a fémből? Ha igen, mitől függ, és mekkora lehet a kilépő elektron maximális energiája?
b) Hogyan tesz szert akkora energiára egy elektron, hogy körülbelül 10 másikat indít útnak a következő dinódából?
c) Mekkora energiával éri el a fotokatódból kilépő, $1\ \mathrm{eV}$ mozgási energiájú elektron az első dinódát?
d) Hány dinódából álló sorozatot kell építenünk (az utolsót, az anódot is beleértve), ha azt szeretnénk, hogy egyetlen foton körülbelül $1,6\ \mathrm{pC}$ töltést hozzon létre az anódon? (Az elemi töltés $e=1,6\cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}$.)
a) A fotoeffektus rövid ismertetése:
6 pont
Fotoeffektus során fény hatására (1 pont) elektronok lépnek ki (1 pont) a fémből. Elektron lép ki, ha a fém kilépési munkája kisebb, mint a foton energiája (2 pont).
$$E_{\mathrm{max}}=E_{\mathrm{f}}-W_{\mathrm{ki}}$$
(2 pont)
b) Az elektronsokszorozás mechanizmusának értelmezése:
4 pont
Az elektródák különböző potenciálon (2 pont) vannak (vagy: feszültség van köztük), ezért közöttük elektromos tér (1 pont) jön létre, ami gyorsítja az elektronokat (1 pont).
c) Az $\mathit{1}\ eV$ energiájú elektron energiájának meghatározása az első dinóda elérésekor:
2 pont
Az $1\ \mathrm{eV}$‑os elektron kb. $101\ \mathrm{eV}$‑ra gyorsul (2 pont) az első dinódáig.
d) A szükséges elektródaszám meghatározása:
6 pont
Minden dinóda kb. megtízszerezi az elektronszámot (2 pont).
$1,6\ \mathrm{pC}=1,6\cdot 10^{-12}\ \mathrm{C}$, ami kb. $10^7\ \mathrm{db}$ elektron töltése (2 pont).
Így kb. $10^7$ szeresére kell sokszorozni a beeső primer elektront, amihez $7\ \mathrm{db}$ elektróda (2 pont) szükséges.
Összesen: 18 pont