Номер 4, страница 219 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Элементы квантовой физики. Параграф 51. Фотоэффект. Вопросы для самопроверки - номер 4, страница 219.

Условие.

4. Какие факты, наблюдаемые при изучении фотоэффекта, не могут быть объяснены исходя из классической волновой теории?

Решение.

Классическая волновая теория света, рассматривающая свет как непрерывную электромагнитную волну, энергия которой пропорциональна ее интенсивности, не смогла объяснить ряд ключевых экспериментальных фактов, наблюдаемых при изучении фотоэффекта. Эти противоречия были разрешены только в рамках квантовой теории света.

1. Существование «красной границы» фотоэффекта

Экспериментально установлено, что для каждого вещества существует минимальная частота $ \nu_{min} $ (или максимальная длина волны $ \lambda_{max} $), называемая «красной границей», ниже которой фотоэффект не происходит, независимо от интенсивности падающего света. Если частота света $ \nu < \nu_{min} $, то электроны не вырываются с поверхности металла, какой бы яркой ни была освещенность.

С точки зрения классической волновой теории, энергия, передаваемая электронам в металле, пропорциональна интенсивности световой волны. Следовательно, при достаточно большой интенсивности свет любой, даже самой малой, частоты должен был бы рано или поздно передать электрону энергию, достаточную для его вылета из металла. Таким образом, волновая теория не предсказывает существование пороговой частоты.

Ответ: Классическая волновая теория не может объяснить существование красной границы фотоэффекта, так как согласно ей, фотоэффект должен наблюдаться при любой частоте света, если его интенсивность достаточно велика.

2. Зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты, а не от интенсивности света

Эксперименты показывают, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты падающего света и совершенно не зависит от его интенсивности. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта описывает эту зависимость: $E_{k,max} = h\nu - A_{вых}$, где $E_{k,max}$ — максимальная кинетическая энергия, $\text{h}$ — постоянная Планка, $\nu$ — частота света, а $A_{вых}$ — работа выхода. Увеличение же интенсивности света приводит лишь к пропорциональному росту числа выбитых электронов в единицу времени, то есть к увеличению силы фототока насыщения, но не их энергии.

Согласно классической волновой теории, энергия волны определяется ее амплитудой (интенсивностью). Поэтому более интенсивный свет должен был бы передавать электронам больше энергии, и их кинетическая энергия должна была бы расти с увеличением интенсивности. Зависимость энергии от частоты в рамках этой теории не является прямой и очевидной.

Ответ: Классическая волновая теория не может объяснить, почему максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности. Теория предсказывает обратное: энергия электронов должна зависеть от интенсивности, а не от частоты.

3. Безынерционность фотоэффекта

Фотоэмиссия (вылет электронов) начинается практически мгновенно (с задержкой не более $10^{-9}$ с) после начала освещения поверхности металла, даже если интенсивность света очень мала.

С точки зрения волновой теории, энергия света равномерно распределена по всему волновому фронту. При малой интенсивности света каждому электрону на поверхности металла достается ничтожная часть общей энергии. Чтобы один электрон накопил энергию, достаточную для преодоления работы выхода, потребовалось бы значительное время (по расчетам, от нескольких секунд до часов). Это полностью противоречит мгновенному возникновению фототока, наблюдаемому на опыте.

Ответ: Классическая волновая теория не может объяснить безынерционность фотоэффекта. Она предсказывает, что при малой интенсивности света электронам потребовалось бы значительное время для накопления энергии, необходимой для вылета, что противоречит мгновенному началу фотоэмиссии.