Номер 5, страница 145 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

*5. Опишите опыт Вавилова.

*5. Опишите опыт Вавилова.

Опыты, проведенные советским физиком С. И. Вавиловым и его сотрудниками в 1930-х годах, были направлены на прямое экспериментальное доказательство квантовой (дискретной) природы света и наблюдение квантовых флуктуаций.

Цель опыта: Показать, что свет при очень низких интенсивностях ведет себя не как непрерывная волна, а как поток отдельных частиц — квантов (фотонов), и что их регистрация носит вероятностный, флуктуационный характер.

Установка и методика: В качестве сверхчувствительного детектора света использовался человеческий глаз, который предварительно адаптировали к полной темноте в течение длительного времени (около часа). Глаз человека в таких условиях способен зарегистрировать вспышку, вызванную всего несколькими фотонами (порядка 5–10), попавшими на сетчатку.

На глаз наблюдателя подавались очень слабые и короткие вспышки света от источника, интенсивность которого была тщательно откалибрована. Интенсивность подбиралась таким образом, чтобы среднее число фотонов в каждой вспышке было очень малым.

Наблюдения: Ключевым результатом стало то, что наблюдатель видел не каждую вспышку, даже если все физические параметры (интенсивность, длительность, местоположение на сетчатке) оставались строго одинаковыми. Регистрация вспышки была случайным, вероятностным событием. Например, при определенной интенсивности наблюдатель мог видеть примерно 60% вспышек, а 40% — нет.

Выводы: Если бы свет был непрерывной волной, то при интенсивности ниже определенного порога чувствительности глаза ни одна вспышка не должна была бы наблюдаться. А при интенсивности выше порога — должны были бы наблюдаться все. Наблюдаемый же вероятностный характер регистрации противоречил волновой теории и находил объяснение только в рамках квантовой теории. Случайный характер видения вспышек объяснялся статистическими флуктуациями числа фотонов, достигающих сетчатки в каждой конкретной вспышке. Иногда их число было достаточным для возбуждения зрительного нерва, а иногда — нет. Таким образом, опыт Вавилова наглядно продемонстрировал, что свет состоит из дискретных порций энергии — фотонов, и подтвердил наличие фундаментальных квантовых флуктуаций.

Ответ: Опыт Вавилова с наблюдением слабых световых вспышек адаптированным к темноте глазом продемонстрировал, что регистрация света носит вероятностный характер. Это объясняется дискретной (квантовой) природой света: вспышка регистрируется только тогда, когда на сетчатку попадает случайное, но достаточное для зрительного ощущения, число отдельных частиц света — фотонов. Опыт стал прямым доказательством существования фотонов и квантовых флуктуаций.

*6. Обоснуйте единство корпускулярно-волновых свойств света.

Единство корпускулярно-волновых свойств света, или корпускулярно-волновой дуализм, заключается в том, что свет проявляет себя и как волна, и как поток частиц (фотонов) в зависимости от условий эксперимента. Эти два свойства не являются взаимоисключающими, а представляют собой две стороны единой природы света.

Волновые свойства: Проявляются в явлениях интерференции, дифракции и поляризации. Например, в опыте Юнга свет, проходя через две близко расположенные щели, создает на экране систему чередующихся светлых и темных полос — интерференционную картину. Такое явление можно объяснить только сложением волн, усиливающих или гасящих друг друга. Дифракция — огибание светом препятствий — также является чисто волновым свойством.

Корпускулярные (частичные) свойства: Проявляются в явлениях фотоэффекта и эффекта Комптона. При фотоэффекте свет выбивает электроны из металла. Альберт Эйнштейн объяснил это тем, что свет состоит из дискретных частиц — фотонов, каждый с энергией $E=h\nu$, где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота света. Электрон выбивается только тогда, когда поглощает целый фотон с достаточной энергией. В эффекте Комптона рентгеновские фотоны при рассеянии на электронах ведут себя как частицы, сталкивающиеся по законам сохранения энергии и импульса, где импульс фотона равен $p=h/\lambda$.

Обоснование единства: Наиболее убедительным доказательством единства этих свойств является эксперимент с интерференцией на двух щелях, проводимый с очень слабым источником света, который испускает фотоны поодиночке. В этом случае каждый фотон регистрируется на экране как отдельная частица в определенной точке. Однако если дождаться, пока через установку пройдет большое количество фотонов, то совокупность точек их попаданий на экран образует ту же самую интерференционную картину, что и при ярком свете.

Это означает, что:

1. Каждый отдельный фотон ведет себя как частица в момент регистрации.

2. Движение фотона и вероятность его попадания в ту или иную точку экрана описывается волновыми законами (он как бы "интерферирует сам с собой").

Таким образом, волновые свойства определяют вероятностное поведение частиц. Это единство описывается принципом дополнительности, сформулированным Нильсом Бором: корпускулярное и волновое описания являются не взаимоисключающими, а взаимодополняющими. В каждом конкретном эксперименте мы можем наблюдать проявление либо одного, либо другого свойства, но для полного описания объекта необходимы оба.

Ответ: Единство корпускулярно-волновых свойств света обосновывается тем, что свет проявляет волновые свойства (интерференция, дифракция) и корпускулярные свойства (фотоэффект) в разных экспериментальных условиях. Ключевым доказательством является опыт с одиночными фотонами, где каждый фотон регистрируется как частица, но их совокупность образует волновую интерференционную картину. Это показывает, что волна описывает вероятность нахождения частицы, объединяя оба свойства в едином квантовом явлении.