Номер 4, страница 145 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

*4. Расскажите об опыте Боте.

*4. Расскажите об опыте Боте.

Опыт, проведенный немецким физиком Вальтером Боте и его ассистентом Гербертом Беккером в 1930 году, стал ключевым шагом на пути к открытию нейтрона. Целью эксперимента было изучение излучения, возникающего при бомбардировке легких элементов альфа-частицами.

Суть эксперимента:

В качестве источника альфа-частиц ($α$-частиц, ядер гелия ${_2^4}\text{He}$) использовался радиоактивный полоний. Этими частицами облучалась мишень из легкого элемента, в частности, бериллия ($ \text{Be}$). Боте и Беккер обнаружили, что в результате такого взаимодействия возникает новое, неизвестное ранее излучение. Оно обладало следующими свойствами:

1. Высокая проникающая способность: излучение могло проходить через свинцовые пластины толщиной в несколько сантиметров.

2. Электрическая нейтральность: оно не отклонялось в электрических и магнитных полях, что указывало на отсутствие у его частиц электрического заряда.

Первоначальная гипотеза:

Основываясь на этих свойствах, Боте и Беккер предположили, что они наблюдают жесткое гамма-излучение ($γ$-кванты). Предполагаемая ядерная реакция выглядела так:

${_4^9}\text{Be} + {_2^4}\text{He} \rightarrow {_6^{13}}\text{C}^* \rightarrow {_6^{13}}\text{C} + \gamma$

Однако расчеты показывали, что энергия наблюдаемого излучения была значительно выше, чем та, которая могла бы выделиться в такой реакции. Это создавало парадокс.

Дальнейшие исследования и открытие нейтрона:

Позже Ирен и Фредерик Жолио-Кюри показали, что это загадочное излучение, проходя через парафин (вещество, богатое водородом), выбивает из него протоны высокой энергии. Объяснить этот факт с помощью гипотезы о $γ$-квантах было практически невозможно, так как это требовало бы нарушения законов сохранения энергии и импульса.

В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик проанализировал результаты опытов Боте и Жолио-Кюри и предложил революционную идею. Он предположил, что "бериллиевое излучение" на самом деле является потоком новых, ранее неизвестных нейтральных частиц с массой, близкой к массе протона. Он назвал эти частицы нейтронами.

Гипотеза Чедвика полностью объясняла все наблюдаемые факты. Реакция, происходящая в опыте Боте, на самом деле была следующей:

${_4^9}\text{Be} + {_2^4}\text{He} \rightarrow {_6^{12}}\text{C} + {_0^1}\text{n}$

где ${_0^1}\text{n}$ — это нейтрон. Упругое столкновение нейтрона (имеющего массу, близкую к массе протона) с протоном в парафине эффективно передает последнему кинетическую энергию, что и объясняло их выбивание.

Таким образом, опыт Боте и Беккера, хоть и не привел их самих к открытию, послужил отправной точкой для обнаружения нейтрона — фундаментальной частицы, изменившей представления о строении атомного ядра.

Ответ: В опыте Боте производилась бомбардировка бериллия альфа-частицами, в результате чего было обнаружено новое сильно проникающее нейтральное излучение. Изначально его приняли за гамма-лучи, но последующий анализ экспериментов привел Джеймса Чедвика к выводу, что это излучение представляет собой поток новых частиц — нейтронов.

*5. Опишите опыт Вавилова.

Опыты, проведенные советским физиком Сергеем Ивановичем Вавиловым и его сотрудниками в 1930-40-х годах, были направлены на изучение природы света и порогов зрительного восприятия. Эти эксперименты предоставили одно из первых прямых физиологических доказательств квантовой природы света.

Цель эксперимента:

Определить минимальное количество световой энергии (и соответствующее ему число квантов света — фотонов), которое способен зафиксировать человеческий глаз.

Постановка опыта:

1. Условия: Эксперимент проводился в полной темноте. Наблюдатель в течение длительного времени (около часа) адаптировался к темноте, чтобы достичь максимальной чувствительности глаз.

2. Источник света: Использовался источник монохроматического света (света одной определенной длины волны), как правило, в зеленой части спектра (около $λ \approx 550$ нм), где чувствительность сетчатки глаза максимальна.

3. Измерение: Интенсивность света можно было очень точно регулировать и ослаблять с помощью набора калиброванных светофильтров. Свет подавался в виде коротких вспышек, направленных на периферическую область сетчатки, где концентрация светочувствительных клеток (палочек) наибольшая.

Ход эксперимента и результаты:

Интенсивность вспышек постепенно уменьшали до тех пор, пока наблюдатель не переставал их видеть стабильно. Порогом зрения считалась такая интенсивность, при которой вспышка регистрировалась примерно в 60% случаев. Нестабильность восприятия на пороге (то видно, то не видно) сама по себе указывала на флуктуации — явление, характерное для малого числа частиц.

Произведя замеры энергии световой вспышки на пороге чувствительности, ученые смогли рассчитать количество фотонов, попадающих в зрачок глаза. Энергия одного фотона вычислялась по формуле Планка: $E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$, где $\text{h}$ — постоянная Планка, $\text{c}$ — скорость света, $λ$ — длина волны.

Расчеты показали, что:

• На пороге зрительного восприятия в зрачок попадает всего от 50 до 150 фотонов.

• Учитывая отражение и поглощение света роговицей, хрусталиком и стекловидным телом, до самой сетчатки доходит лишь около 5–14 фотонов.

• Эти несколько фотонов распределяются по области, содержащей сотни светочувствительных клеток (палочек).

Выводы:

Из того факта, что несколько фотонов, рассеянных по большой площади, вызывают зрительное ощущение, следовал фундаментальный вывод: отдельная светочувствительная клетка (палочка) способна среагировать на поглощение всего одного фотона. Это означало, что энергия света поглощается глазом не непрерывно, а дискретными порциями — квантами.

Таким образом, опыты Вавилова наглядно продемонстрировали квантовый характер взаимодействия света с веществом (в данном случае, со светочувствительными молекулами в сетчатке глаза) и подтвердили реальность существования фотонов.

Ответ: В опытах Вавилова измерялась минимальная энергия света, необходимая для зрительного ощущения. Было установлено, что полностью адаптированный к темноте глаз может зафиксировать вспышку света, состоящую всего из нескольких фотонов. Это послужило прямым доказательством того, что свет имеет квантовую природу и поглощается дискретными порциями — фотонами.