Номер 2, страница 145 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

2. В каких явлениях подтверждается волновая природа света? Расскажите о них.

2. В каких явлениях подтверждается волновая природа света? Расскажите о них.
Волновая природа света проявляется в явлениях, которые можно объяснить, только если рассматривать свет как волну. Ключевыми из них являются интерференция, дифракция и поляризация.

Интерференция света — это явление перераспределения интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных световых волн. Когерентными называют волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную разность фаз. При сложении таких волн в одних точках пространства происходит усиление света (максимумы), а в других — ослабление (минимумы). В результате образуется устойчивая картина из чередующихся светлых и тёмных полос. Классический пример — опыт Юнга, где свет от одного источника проходит через две близко расположенные щели и создаёт на экране интерференционную картину. Условие максимума (светлая полоса): разность хода двух волн равна целому числу длин волн, $ \Delta d = k \lambda $. Условие минимума (тёмная полоса): $ \Delta d = (k + \frac{1}{2})\lambda $, где $ k $ — целое число.

Дифракция света — это явление огибания световыми волнами препятствий и их проникновения в область геометрической тени. Дифракция наблюдается, когда размеры препятствий или отверстий сопоставимы с длиной волны света. Из-за дифракции край тени от предмета не является абсолютно резким, а представляет собой сложную картину из чередующихся тёмных и светлых полос. Ярким примером применения дифракции является дифракционная решётка — прибор, состоящий из большого числа параллельных щелей, который раскладывает белый свет в спектр. Угол отклонения света решёткой зависит от длины волны, что и позволяет разделять цвета. Условие главных максимумов для дифракционной решётки: $d \sin \varphi = k \lambda$, где $\text{d}$ — период решётки.

Поляризация света — это процесс упорядочивания колебаний вектора напряженности электрического поля световой волны в плоскости, перпендикулярной направлению её распространения. Световая волна является поперечной, то есть колебания в ней происходят перпендикулярно лучу. В естественном свете (например, от Солнца или лампы накаливания) эти колебания происходят хаотично во всех направлениях. Специальные устройства — поляризаторы — пропускают колебания только в одной определённой плоскости. Явление поляризации может наблюдаться только у поперечных волн, и его существование у света является прямым доказательством его поперечной волновой природы. Продольные волны (например, звук в воздухе) поляризовать невозможно.

Ответ: Волновая природа света подтверждается в явлениях интерференции (сложение когерентных волн), дифракции (огибание волнами препятствий) и поляризации (свидетельство поперечности световых волн).

3. В каких явлениях проявляются квантовые свойства излучения?
Квантовые (корпускулярные) свойства излучения проявляются при его взаимодействии с веществом, когда свет ведёт себя как поток дискретных частиц — фотонов или квантов. Основные явления, демонстрирующие это, — фотоэффект, эффект Комптона, тепловое излучение и линейчатые спектры.

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) — это явление испускания электронов веществом под действием света. Объяснение этому явлению дал Альберт Эйнштейн, предположив, что свет поглощается и излучается порциями (квантами) — фотонами. Энергия каждого фотона равна $E = h\nu$, где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота света. Фотон, попадая в металл, передаёт всю свою энергию одному электрону. Если этой энергии достаточно для совершения работы выхода $A_{вых}$ (энергии, которую нужно затратить, чтобы вырвать электрон из металла), то электрон покидает поверхность. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: $h\nu = A_{вых} + \frac{m v^2}{2}$. Это объясняет, почему фотоэффект начинается только с определённой "красной границы" (минимальной частоты света) и почему кинетическая энергия вылетевших электронов зависит от частоты света, а не от его интенсивности (количества фотонов).

Эффект Комптона — это явление упругого рассеяния фотонов высоких энергий (рентгеновских или гамма-квантов) на свободных электронах. При этом рассеянный фотон имеет большую длину волны (меньшую энергию), чем до рассеяния. Это явление можно объяснить только рассматривая столкновение двух частиц: фотона, обладающего не только энергией, но и импульсом $p = \frac{h}{\lambda}$, и электрона. В ходе столкновения фотон передаёт часть своей энергии и импульса электрону, изменяя направление своего движения и частоту. Классическая волновая теория не могла объяснить изменение длины волны при рассеянии.

Тепловое излучение абсолютно чёрного тела — это излучение электромагнитных волн нагретыми телами. Классическая физика не могла правильно описать спектр этого излучения, предсказывая бесконечный рост энергии при высоких частотах ("ультрафиолетовая катастрофа"). Макс Планк в 1900 году решил эту проблему, выдвинув гипотезу, что энергия излучается и поглощается не непрерывно, а дискретными порциями — квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте: $E = n h\nu$, где $\text{n}$ — целое число. Эта гипотеза положила начало квантовой механике.

Линейчатые спектры излучения и поглощения атомов — атомы излучают и поглощают свет не во всём диапазоне частот, а только на определённых, дискретных частотах, что выглядит как набор отдельных линий в спектре. Это объясняется тем, что электроны в атоме могут находиться только на определённых (квантованных) энергетических уровнях. Излучение фотона происходит при переходе электрона с более высокого уровня энергии на более низкий, а поглощение — при обратном процессе. Энергия фотона при этом строго равна разности энергий этих уровней: $h\nu = E_m - E_n$.

Ответ: Квантовые свойства излучения проявляются в фотоэффекте, эффекте Комптона, тепловом излучении абсолютно чёрного тела и в существовании линейчатых спектров атомов.