Задание 2, страница 132 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 2

Сравните выводы Столетова с выводами классической физики (часть I параграфа). В чем различие выводов?

Сравнение выводов, полученных А.Г. Столетовым при исследовании фотоэффекта, с предсказаниями классической волновой теории света выявляет ряд фундаментальных противоречий.

Выводы классической физики (на основе волновой теории света)

Согласно классической электромагнитной теории, свет представляет собой электромагнитную волну. Энергия волны распределена непрерывно по всему ее фронту и пропорциональна ее интенсивности (яркости). Исходя из этого, для фотоэффекта предсказывались следующие закономерности:

1. Энергия, передаваемая электронам в веществе, должна быть пропорциональна интенсивности падающего света. Следовательно, максимальная кинетическая энергия вылетающих электронов должна увеличиваться с ростом интенсивности света.

2. Фотоэффект должен наблюдаться при любой частоте света. Если интенсивность света мала, электрону просто потребуется больше времени, чтобы накопить энергию, достаточную для выхода из металла.

3. Между началом освещения и вылетом первых электронов должна существовать заметная временная задержка, так как электрону требуется время для накопления энергии от волны. Эта задержка должна быть тем больше, чем меньше интенсивность света.

Выводы из опытов Столетова (экспериментальные законы фотоэффекта)

Опыты А.Г. Столетова и последующие исследования привели к выводам, которые в корне отличались от предсказаний классической физики:

1. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и совершенно не зависит от его интенсивности. Увеличение интенсивности света приводит лишь к росту числа выбиваемых электронов (увеличению фототока насыщения).

2. Для каждого вещества существует минимальная частота света $ \nu_{min} $ (или максимальная длина волны $ \lambda_{max} $), называемая "красной границей" фотоэффекта. Если частота падающего света меньше этого порогового значения ($ \nu < \nu_{min} $), то фотоэффект не происходит, какой бы высокой ни была интенсивность света.

3. Фотоэлектроны начинают испускаться практически мгновенно (безынерционно) после начала освещения металлической поверхности, даже при очень малых интенсивностях света. Задержка составляет менее $10^{-9}$ секунды.

В чем различие выводов?

Различия между экспериментальными выводами и предсказаниями классической теории носят принципиальный характер и демонстрируют неспособность волновой теории объяснить явление фотоэффекта. Основные противоречия заключаются в следующем:

• Зависимость энергии электронов. Классическая физика утверждает, что энергия фотоэлектронов определяется интенсивностью света. Опыты Столетова показали, что она определяется частотой света. Интенсивность же определяет лишь количество выбитых электронов.

• Существование "красной границы". Классическая физика отрицает существование "красной границы", предполагая, что фотоэффект возможен при любой частоте. Эксперимент же однозначно доказывает наличие пороговой частоты, ниже которой фотоэффект невозможен.

• Инерционность фотоэффекта. Классическая теория предсказывает временную задержку для накопления энергии электроном, которая может достигать минут и даже часов при слабом освещении. Эксперимент показывает, что фотоэффект происходит практически мгновенно.

Эти противоречия были успешно разрешены Альбертом Эйнштейном в 1905 году в рамках квантовой теории. Он предположил, что свет испускается и поглощается дискретными порциями энергии — квантами (фотонами), энергия каждого из которых равна $E = h\nu$, где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота света. Эта идея полностью объяснила все выводы, полученные Столетовым.

Ответ: Различие выводов заключается в трех ключевых пунктах. 1) Согласно классической физике, кинетическая энергия фотоэлектронов должна зависеть от интенсивности света, а по выводам Столетова — только от его частоты. 2) Классическая физика не предсказывает существования "красной границы" фотоэффекта, в то время как Столетов экспериментально установил ее наличие. 3) Классическая физика предполагает наличие временной задержки перед началом фотоэффекта, а опыты Столетова показали, что он происходит практически мгновенно.