Номер 4, страница 103 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

4. Какие экспериментальные факты подтверждают гипотезу о существовании квантов?

Гипотеза о существовании квантов, то есть о том, что некоторые физические величины могут принимать только дискретные (прерывистые) значения, была подтверждена целым рядом фундаментальных экспериментов, которые не могли быть объяснены в рамках классической физики. Основными из них являются:

1. Излучение абсолютно черного тела
Классическая физика предсказывала так называемую «ультрафиолетовую катастрофу»: интенсивность излучения абсолютно черного тела должна была бесконечно расти с увеличением частоты. Однако эксперименты показывали, что спектр излучения имеет максимум при определенной частоте, а затем спадает до нуля. В 1900 году Макс Планк смог объяснить экспериментальные данные, предположив, что атомы излучают и поглощают электромагнитную энергию не непрерывно, а дискретными порциями — квантами. Энергия такого кванта пропорциональна частоте излучения: $E = h\nu$, где $\text{h}$ — постоянная Планка. Формула Планка, основанная на этой гипотезе, идеально совпала с экспериментальными кривыми.

Ответ: Закономерности теплового излучения абсолютно черного тела объясняются только при допущении, что энергия испускается и поглощается дискретными порциями — квантами.

2. Фотоэлектрический эффект
Фотоэффект — это испускание электронов веществом под действием света. Эксперименты показали, что: 1) для каждого вещества существует «красная граница» — минимальная частота света, ниже которой фотоэффект не происходит, независимо от интенсивности света; 2) кинетическая энергия вылетающих электронов зависит только от частоты света, а не от его интенсивности. Классическая волновая теория света не могла объяснить эти факты. В 1905 году Альберт Эйнштейн, развивая идею Планка, предположил, что сам свет состоит из дискретных частиц — фотонов, энергия которых равна $E = h\nu$. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта $h\nu = A_{вых} + E_к$ (где $A_{вых}$ — работа выхода, $E_к$ — кинетическая энергия электрона) полностью объяснило все экспериментальные закономерности.

Ответ: Характеристики фотоэффекта, в частности существование красной границы и зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света, доказывают, что свет обладает корпускулярными свойствами и состоит из квантов (фотонов).

3. Эффект Комптона
В 1923 году Артур Комптон обнаружил, что при рассеянии рентгеновских лучей на свободных (или слабо связанных) электронах длина волны рассеянного излучения увеличивается, причем это изменение зависит от угла рассеяния. С точки зрения классической волновой теории, частота рассеянной волны не должна меняться. Эффект Комптона находит исчерпывающее объяснение, если рассматривать его как упругое столкновение двух частиц: кванта рентгеновского излучения (фотона) и электрона. Применение законов сохранения энергии и импульса к этому процессу дает формулу, которая точно описывает экспериментальные результаты.

Ответ: Эффект Комптона является прямым доказательством корпускулярной природы света и подтверждает, что фотоны обладают не только энергией, но и импульсом, как и положено частицам.

4. Атомные спектры
Было известно, что атомы газов излучают и поглощают свет только на определенных, строго дискретных частотах, что проявляется в виде линейчатых спектров. Классическая физика не могла этого объяснить: согласно ей, вращающийся вокруг ядра электрон должен был бы непрерывно излучать энергию, что привело бы к падению его на ядро и созданию сплошного спектра. Модель атома Нильса Бора (1913 г.), а затем и квантовая механика, объяснили это явление. В их основе лежит постулат о том, что электроны в атоме могут находиться только на определенных стационарных орбитах с дискретными уровнями энергии. Излучение или поглощение кванта света (фотона) происходит только при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.

Ответ: Дискретный (линейчатый) характер атомных спектров свидетельствует о том, что энергия электронов в атомах квантована, то есть может принимать только определенные дискретные значения.

5. Опыт Франка и Герца
В 1914 году Джеймс Франк и Густав Герц провели эксперимент, в котором электроны, ускоренные электрическим полем, пропускались через пары ртути. Они обнаружили, что до тех пор, пока энергия электронов не достигала определенного значения (4.9 эВ для ртути), их столкновения с атомами были упругими. Однако при достижении этой энергии и выше электроны начинали терять ее в неупругих столкновениях, причем теряли ровно эту дискретную порцию — 4.9 эВ. Это значение точно соответствовало энергии, необходимой для перевода атома ртути из основного в первое возбужденное состояние. Этот опыт стал прямым экспериментальным подтверждением существования дискретных энергетических уровней в атомах.

Ответ: Опыт Франка и Герца напрямую продемонстрировал, что атомы поглощают энергию не непрерывно, а дискретными порциями (квантами), что подтвердило квантование энергетических состояний атома.