Номер 5, страница 103 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

5. Что нового внесла в физику гипотеза о существовании фотонов?

Гипотеза о существовании фотонов, выдвинутая Альбертом Эйнштейном в 1905 году, стала одним из краеугольных камней квантовой физики и внесла фундаментальные изменения в научное мировоззрение. До этого свет рассматривался исключительно как электромагнитная волна, что хорошо описывало явления интерференции, дифракции и поляризации. Однако ряд экспериментов конца XIX – начала XX века, в частности, тепловое излучение абсолютно черного тела и фотоэффект, не поддавались объяснению в рамках волновой теории.

Новое, что принесла гипотеза фотонов, можно свести к нескольким ключевым пунктам:

1. Объяснение фотоэлектрического эффекта. Это было главным триумфом гипотезы. Эйнштейн предположил, что свет состоит из отдельных частиц-квантов (фотонов), энергия каждого из которых равна $E = h\nu$, где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота света.
Согласно этой идее:
• Один фотон взаимодействует с одним электроном. Чтобы вырвать электрон из вещества, энергия фотона должна быть не меньше работы выхода $A_{вых}$ (минимальной энергии, необходимой для удаления электрона). Это объясняет существование «красной границы» фотоэффекта — пороговой частоты $\nu_{min} = A_{вых}/h$.
• Избыток энергии фотона переходит в кинетическую энергию электрона. Это описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта: $h\nu = A_{вых} + E_к$. Уравнение показывает, что кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности (количества фотонов).
• Взаимодействие фотона и электрона происходит практически мгновенно, что объясняет отсутствие временной задержки в фотоэффекте.

2. Введение концепции корпускулярно-волнового дуализма. Гипотеза фотонов показала, что свет обладает двойственной природой. В одних явлениях он проявляет себя как волна (например, при прохождении через дифракционную решетку), а в других — как поток частиц (например, при фотоэффекте). Этот принцип стал фундаментальным для всей квантовой механики и был позже распространен Луи де Бройлем на все микрочастицы.

3. Подтверждение идеи квантования энергии. Идея Макса Планка о том, что энергия излучается и поглощается порциями (квантами), получила физическое воплощение. Эйнштейн показал, что квантован не только процесс взаимодействия света с веществом, но и сам свет (электромагнитное поле) по своей природе дискретен.

4. Объяснение других явлений и подтверждение существования импульса у фотона. Гипотеза фотонов позволила объяснить эффект Комптона — упругое рассеяние рентгеновского излучения на электронах. Это явление удалось описать как столкновение двух частиц, что доказало наличие у фотона не только энергии, но и импульса, равного $p = h/\lambda = E/c$. Также были объяснены фотохимические реакции и другие процессы взаимодействия света с веществом.

Ответ: Гипотеза о существовании фотонов внесла в физику революционные идеи: 1) объяснила законы фотоэффекта, которые не поддавались классическому описанию; 2) ввела фундаментальный принцип корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами; 3) утвердила представление о дискретной (квантовой) природе самого света, а не только его взаимодействия с веществом; 4) подтвердила наличие у световых квантов не только энергии, но и импульса. Эти идеи легли в основу квантовой теории и кардинально изменили представления о природе света и материи.