Номер 1, страница 118 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

1. Приведите примеры явлений, подтверждающих квантовую природу света.

1. Квантовая природа света, то есть представление о свете как о потоке дискретных частиц-квантов (фотонов), подтверждается рядом явлений, которые не могут быть объяснены в рамках классической волновой теории электромагнетизма. Основными из них являются:

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект)

Это явление испускания электронов веществом под действием света. Экспериментальные закономерности фотоэффекта противоречили волновой теории:

а) Существование «красной границы»: для каждого вещества существует минимальная частота света $ \nu_{min} $, ниже которой фотоэффект не наблюдается, какой бы ни была интенсивность света.

б) Кинетическая энергия вылетающих фотоэлектронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от его интенсивности. Увеличение интенсивности света приводит лишь к увеличению числа вылетающих электронов.

в) Безынерционность: фотоэлектроны начинают испускаться практически мгновенно после начала освещения, даже при очень малой интенсивности света.

Альберт Эйнштейн в 1905 году объяснил эти закономерности, предположив, что свет состоит из квантов (фотонов) с энергией $ E = h\nu $, где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $ \nu $ — частота света. Согласно этой идее, один фотон взаимодействует с одним электроном. Энергия фотона расходуется на совершение работы выхода $ A_{вых} $ (энергии, необходимой для вырывания электрона из металла) и на сообщение электрону кинетической энергии $ E_k $. Это описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:

$ h\nu = A_{вых} + E_k $

Это уравнение полностью объясняет все наблюдаемые закономерности: если энергия фотона $ h\nu $ меньше работы выхода $ A_{вых} $, электрон не может покинуть вещество (красная граница). Кинетическая энергия $ E_k = h\nu - A_{вых} $ линейно зависит от частоты, а не от интенсивности, которая определяет лишь число фотонов в световом потоке.

Эффект Комптона (комптоновское рассеяние)

Это эффект упругого рассеяния рентгеновского или гамма-излучения на свободных (или слабо связанных) электронах вещества, сопровождающийся увеличением длины волны (уменьшением частоты и энергии) рассеянного излучения. Волновая теория предсказывала, что длина волны рассеянного света не должна изменяться. Артур Комптон в 1923 году показал, что это явление можно объяснить, рассматривая его как столкновение двух частиц: фотона и электрона. В этом процессе сохраняются как энергия, так и импульс системы. Фотон передает часть своей энергии и импульса электрону, в результате чего его собственная энергия уменьшается, а следовательно, длина волны увеличивается. Изменение длины волны $ \Delta\lambda $ зависит от угла рассеяния $ \theta $ и описывается формулой:

$ \Delta\lambda = \lambda' - \lambda = \frac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta) $

где $ m_e $ — масса покоя электрона, $\text{c}$ — скорость света в вакууме. Экспериментальные данные полностью совпали с предсказаниями этой формулы, что стало весомым доказательством корпускулярной природы света.

Излучение абсолютно черного тела

Это явление было первым, при объяснении которого возникла идея о квантовании энергии. Абсолютно черное тело — это идеализированный объект, поглощающий все падающее на него излучение. Спектр его теплового излучения зависит только от его температуры. Классическая физика (закон Рэлея — Джинса) не могла правильно описать экспериментально наблюдаемый спектр, предсказывая бесконечное возрастание мощности излучения в области коротких волн («ультрафиолетовая катастрофа»). В 1900 году Макс Планк предположил, что атомы вещества излучают и поглощают энергию не непрерывно, а дискретными порциями — квантами, энергия которых пропорциональна частоте излучения: $ E = h\nu $. Эта гипотеза позволила ему вывести формулу, которая идеально описывала экспериментальный спектр излучения абсолютно черного тела при любой температуре. Это предположение стало фундаментальным шагом к созданию квантовой механики и подтвердило идею о том, что энергия света квантуется.

Ответ: Явления, подтверждающие квантовую (корпускулярную) природу света: фотоэлектрический эффект, эффект Комптона и спектр излучения абсолютно черного тела.