Номер 3, страница 145 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

3. В каких явлениях проявляются квантовые свойства излучения?

3. В каких явлениях проявляются квантовые свойства излучения?

Квантовые (корпускулярные) свойства излучения, то есть представление об электромагнитном излучении как о потоке дискретных частиц — фотонов, проявляются в явлениях, где происходит взаимодействие излучения с веществом. В этих процессах энергия и импульс передаются не непрерывно, а дискретными порциями (квантами). Основные явления, демонстрирующие квантовую природу света:

1. Тепловое излучение абсолютно черного тела. Классическая физика не могла объяснить экспериментально наблюдаемый спектр излучения нагретых тел, предсказывая так называемую «ультрафиолетовую катастрофу». В 1900 году Макс Планк выдвинул гипотезу, согласно которой энергия излучается и поглощается не непрерывно, а дискретными порциями — квантами. Энергия такого кванта пропорциональна частоте излучения: $E = h\nu$, где $\text{h}$ — постоянная Планка. Это была первая идея, положившая начало квантовой теории.

2. Фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Это явление испускания электронов веществом под действием света. Законы фотоэффекта (например, существование «красной границы» — минимальной частоты света, способной вызвать фотоэффект, и линейная зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света) не могли быть объяснены с точки зрения волновой теории. Альберт Эйнштейн в 1905 году объяснил это явление, предположив, что свет состоит из фотонов. Энергия фотона $E = h\nu$ расходуется на совершение работы выхода $A_{вых}$ (энергии, необходимой для отрыва электрона от вещества) и на сообщение электрону кинетической энергии $E_k$. Это описывается уравнением Эйнштейна: $h\nu = A_{вых} + E_k$.

3. Эффект Комптона. Это явление упругого рассеяния высокочастотного электромагнитного излучения (рентгеновского или гамма-излучения) на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны излучения. Эффект объясняется как столкновение двух частиц: фотона и электрона. В ходе столкновения фотон передает часть своей энергии и импульса электрону, из-за чего его частота уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. Изменение длины волны $\Delta \lambda$ зависит от угла рассеяния фотона $\theta$ и определяется формулой: $\Delta \lambda = \frac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$, где $m_e$ — масса электрона, $\text{c}$ — скорость света.

4. Линейчатые спектры атомов. Атомы способны излучать и поглощать свет только на строго определенных, дискретных частотах. Это приводит к появлению в их спектрах отдельных линий. Согласно постулатам Бора, это связано с тем, что электроны в атоме могут находиться только на дискретных энергетических уровнях. Переход электрона с одного уровня на другой сопровождается излучением или поглощением фотона, энергия которого в точности равна разности энергий этих уровней: $h\nu = |E_n - E_m|$.

5. Фотохимические реакции. Многие химические реакции, такие как фотосинтез или процессы в фотографии, инициируются светом. Запуск реакции происходит, когда молекула поглощает фотон с энергией, достаточной для ее возбуждения или для разрыва химических связей.

Ответ: Квантовые свойства излучения проявляются в явлениях теплового излучения, фотоэффекта, эффекта Комптона, в существовании линейчатых атомных спектров, а также в фотохимических реакциях.

*4. Расскажите об опыте Боте.

Опыт, проведенный немецкими физиками Вальтером Боте и Гансом Гейгером в 1925 году, стал одним из ключевых экспериментов, подтвердивших корпускулярную природу света и справедливость законов сохранения в микромире.

Цель эксперимента:

Основной целью было проверить, действительно ли в процессе комптоновского рассеяния рассеянный фотон и электрон отдачи появляются одновременно в результате одного и того же элементарного акта взаимодействия. В то время существовала теория Бора-Крамерса-Слейтера, которая предполагала, что законы сохранения энергии и импульса в отдельных квантовых событиях не выполняются, а имеют лишь статистический характер (выполняются в среднем для большого числа событий). Опыт Боте был направлен на опровержение этой гипотезы.

Схема и методика опыта:

Пучок рентгеновских лучей направлялся на мишень из водорода. При рассеянии на электронах атомов водорода возникали рассеянные фотоны и электроны отдачи (комптоновские электроны). Для их регистрации использовались два остронаправленных счетчика Гейгера. Один счетчик был настроен на регистрацию электронов отдачи, а другой — рассеянных фотонов. Счетчик фотонов содержал платиновую фольгу, в которой фотон выбивал электрон, регистрируемый счетчиком. Оба счетчика были расположены под такими углами к первичному пучку, которые соответствовали кинематике одного акта упругого столкновения фотона и электрона.

Ключевым элементом установки была «схема совпадений» — электронное устройство, которое регистрировало только те события, когда оба счетчика срабатывали практически одновременно (в пределах малого временного интервала $\Delta t \approx 10^{-3}$ с).

Результаты и выводы:

Эксперимент показал, что число зарегистрированных совпадений значительно превышает число случайных совпадений, которые могли бы произойти, если бы вылет фотона и электрона были независимыми событиями. Это означало, что рассеянный фотон и электрон отдачи действительно рождаются одновременно в результате одного и того же акта рассеяния.

Таким образом, опыт Боте убедительно доказал, что законы сохранения энергии и импульса строго выполняются в каждом индивидуальном акте взаимодействия микрочастиц. Это стало решающим ударом по теории Бора-Крамерса-Слейтера и мощным подтверждением фотонной теории света Эйнштейна и квантовой теории рассеяния Комптона.

Ответ: Опыт Боте (1925 г.) с помощью схемы совпадений экспериментально доказал, что при комптоновском рассеянии рассеянный фотон и электрон отдачи возникают одновременно в результате единого элементарного акта взаимодействия. Этот результат подтвердил, что законы сохранения энергии и импульса выполняются в каждом отдельном микрособытии, а не только статистически, и явился важным доказательством корпускулярной (фотонной) природы света.