Номер 2, страница 203 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

2. Приведите примеры явлений, подтверждающих квантовую природу света.

Квантовая (корпускулярная) природа света проявляется в явлениях взаимодействия света с веществом. Вот несколько ключевых примеров:

1. Фотоэффект
Это явление вырывания электронов из вещества под действием света. Классическая волновая теория, рассматривающая свет как непрерывную волну, не могла объяснить три главных закономерности фотоэффекта:
1. Существование «красной границы» — минимальной частоты света $ \nu_{min} $, ниже которой фотоэффект не происходит, независимо от интенсивности света.
2. Кинетическая энергия вылетающих электронов зависит линейно от частоты света, но не зависит от его интенсивности.
3. Отсутствие инерционности — электроны начинают вылетать практически мгновенно после начала освещения, даже при очень малой интенсивности света.
Альберт Эйнштейн объяснил эти факты, предположив, что свет состоит из дискретных частиц — фотонов (или квантов), энергия каждой из которых равна $E = h\nu$, где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота света. Согласно этому, один фотон взаимодействует с одним электроном. Чтобы вырвать электрон из металла, фотон должен обладать энергией, не меньшей работы выхода $A_{вых}$. Избыток энергии идет на кинетическую энергию электрона. Это описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:
$h\nu = A_{вых} + \frac{m_e v^2}{2}$
Эта модель полностью объясняет все экспериментальные факты.

Ответ: Фотоэффект доказывает, что свет поглощается веществом не непрерывно, а дискретными порциями — квантами (фотонами), энергия которых зависит от частоты.

2. Эффект Комптона
Это явление упругого рассеяния коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского или гамма-излучения) на свободных электронах, при котором длина волны рассеянного излучения увеличивается. С точки зрения волновой теории, частота (а значит, и длина волны) света не должна изменяться при рассеянии. Однако эксперименты Артура Комптона показали, что изменение длины волны $\Delta\lambda$ зависит от угла рассеяния $\theta$ и не зависит от длины волны падающего излучения.
Эффект объясняется, если рассматривать взаимодействие как столкновение двух частиц: фотона и электрона. Фотон, обладающий энергией $E = h\nu$ и импульсом $p = h/\lambda$, передает часть своей энергии и импульса электрону, в результате чего изменяются его собственные характеристики. Это подтверждает, что фотон является частицей, обладающей не только энергией, но и импульсом. Изменение длины волны описывается формулой:
$\Delta\lambda = \lambda' - \lambda = \frac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta)$
где $m_e$ — масса электрона, $\text{c}$ — скорость света.

Ответ: Эффект Комптона подтверждает, что фотон обладает импульсом, как и любая материальная частица, и что взаимодействие света с электронами можно описать как упругое столкновение частиц.

3. Тепловое излучение абсолютно черного тела
Это исторически первое явление, для объяснения которого потребовалась квантовая гипотеза. Классическая физика не могла объяснить распределение энергии в спектре излучения нагретого тела (т.н. «ультрафиолетовая катастрофа»). Макс Планк в 1900 году предположил, что атомы вещества могут излучать и поглощать энергию не непрерывно, а только дискретными порциями — квантами. Энергия такого кванта пропорциональна частоте излучения: $E = h\nu$. На основе этой гипотезы он вывел формулу, которая полностью соответствовала экспериментальным данным для спектра излучения абсолютно черного тела при любой температуре.

Ответ: Успешное объяснение спектра теплового излучения стало возможным только после введения гипотезы о том, что свет излучается дискретными порциями (квантами), что и положило начало квантовой теории.

4. Линейчатые спектры атомов
Разреженные газы и пары металлов излучают и поглощают свет только на определенных, строго дискретных частотах (длинах волн), что наблюдается в виде набора отдельных линий в их спектрах. Классическая физика не могла объяснить эту дискретность. Согласно квантовой теории (модель атома Бора и дальнейшее развитие в квантовой механике), электроны в атоме могут находиться только на определенных, дискретных энергетических уровнях. Излучение фотона происходит, когда атом переходит из возбужденного состояния с энергией $E_m$ в состояние с меньшей энергией $E_n$. Энергия излучённого фотона при этом строго равна разности энергий этих уровней:
$h\nu = E_m - E_n$
Поскольку набор энергетических уровней для каждого атома уникален и дискретен, то и спектр излучаемых (или поглощаемых) фотонов также является уникальным и дискретным (линейчатым).

Ответ: Линейчатость атомных спектров является прямым доказательством того, что свет излучается и поглощается в виде отдельных квантов (фотонов) при переходах между дискретными энергетическими уровнями в атомах.