Номер 3, страница 117 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

3. Почему возникло представление о двойственной корпускулярно-волновой природе света? Что означает выражение «корпускулярно-волновой дуализм»?

3. Почему возникло представление о двойственной корпускулярно-волновой природе света? Что означает выражение «корпускулярно-волновой дуализм»?

Представление о двойственной, или корпускулярно-волновой, природе света возникло из-за того, что в разных физических явлениях свет ведёт себя по-разному. Исторически сложились две, казалось бы, взаимоисключающие теории о природе света.

С одной стороны, такие явления, как интерференция (сложение волн с образованием устойчивой картины максимумов и минимумов), дифракция (огибание волнами препятствий) и поляризация (выделение определённого направления колебаний), однозначно доказывают, что свет является электромагнитной волной. Эти явления прекрасно описываются волновой теорией, разработанной Гюйгенсом и Френелем и получившей математическое обоснование в уравнениях Максвелла.

С другой стороны, на рубеже XIX-XX веков были открыты явления, которые волновая теория объяснить не могла. К ним относятся:
– Фотоэлектрический эффект: вырывание электронов из вещества под действием света. Объяснение, данное Альбертом Эйнштейном, требовало предположить, что свет состоит из отдельных порций энергии — квантов, или фотонов. Энергия каждого фотона зависит только от частоты света, а не от его интенсивности (яркости).
– Эффект Комптона: рассеяние рентгеновских лучей на электронах, при котором длина волны света изменяется. Это явление можно объяснить только как упругое столкновение частицы-фотона с частицей-электроном, при котором сохраняются энергия и импульс, как при столкновении бильярдных шаров.

Таким образом, свет в одних экспериментах (связанных с его распространением) проявляет волновые свойства, а в других (связанных с его взаимодействием с веществом) — корпускулярные (свойства частицы). Невозможность описать всю совокупность явлений в рамках одной из этих теорий и привела к идее об их объединении.

Выражение «корпускулярно-волновой дуализм» как раз и означает этот фундаментальный принцип квантовой механики, согласно которому любой микрообъект (фотон, электрон, протон и т.д.) обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Важно понимать, что объект не является волной и частицей одновременно. Проявление тех или иных свойств зависит от условий эксперимента. В одних условиях мы наблюдаем его как волну (например, видя интерференционную картину от электронов, прошедших через две щели), а в других — как частицу (например, регистрируя попадание электрона в конкретную точку на экране).

Ответ: Представление о корпускулярно-волновой природе света возникло потому, что свет проявляет волновые свойства (в явлениях интерференции, дифракции) и корпускулярные свойства (в явлениях фотоэффекта, эффекта Комптона). Корпускулярно-волновой дуализм — это принцип, утверждающий, что все элементарные частицы и фотоны обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами, которые проявляются в зависимости от условий эксперимента.

4. Какими формулами описываются волновая и квантовая природа света и других...

Волновая и квантовая (корпускулярная) природа света и других микрообъектов описывается набором формул, которые связывают их волновые и корпускулярные характеристики.

Волновые свойства света как электромагнитной волны описываются соотношением между длиной волны $ \lambda $, частотой $ \nu $ и скоростью света в вакууме $ c $: $ c = \lambda \cdot \nu $. Эта формула связывает чисто волновые характеристики.

Квантовые (корпускулярные) свойства проявляются в том, что свет излучается и поглощается дискретными порциями — квантами (фотонами). Ключевые формулы, связывающие корпускулярные и волновые свойства, следующие:
1. Формула Планка для энергии фотона. Она связывает корпускулярную характеристику (энергию $ E $) с волновой характеристикой (частотой $ \nu $): $ E = h \cdot \nu $, где $ h $ — постоянная Планка.
2. Формула для импульса фотона. Она связывает корпускулярную характеристику (импульс $ p $) с волновой (длиной волны $ \lambda $): $ p = \frac{h}{\lambda} $.

Для других частиц (например, электронов, протонов) французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что дуализм универсален. Любая движущаяся частица обладает волновыми свойствами. Длина волны, связанная с частицей (волна де Бройля), вычисляется по той же формуле, что и для фотона: $ \lambda = \frac{h}{p} $, где $ p $ — импульс частицы. Для нерелятивистской частицы массой $ m $, движущейся со скоростью $ v $, импульс $ p = m \cdot v $, и формула принимает вид: $ \lambda = \frac{h}{m \cdot v} $.

Ответ: Волновая природа описывается связью $ c = \lambda \nu $. Квантовая природа света описывается формулами для энергии фотона $ E = h\nu $ и его импульса $ p = h/\lambda $. Для других частиц волновая природа (волны де Бройля) описывается формулой $ \lambda = h/p $, где $ p $ — импульс частицы.