Номер 5, страница 169 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

5. Сформулируйте экспериментальные законы фотоэффекта. Какие из них невозможно объяснить с точки зрения волновой теории света?

Экспериментальные законы фотоэффекта

Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Экспериментальные исследования этого явления, в основном проведенные русским физиком А. Г. Столетовым, позволили сформулировать следующие законы:

1. Первый закон (закон интенсивности). Сила фототока насыщения (максимальное число фотоэлектронов, покидающих поверхность катода в единицу времени) прямо пропорциональна интенсивности (световому потоку) падающего света при его неизменном спектральном составе. Математически это можно выразить как: $I_{нас} \propto \Phi$, где $I_{нас}$ — сила тока насыщения, а $\Phi$ — интенсивность падающего света.
2. Второй закон (закон кинетической энергии). Максимальная начальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов (фотоэлектронов) не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой и линейно возрастает с ней.
3. Третий закон («красная граница»). Для каждого вещества существует минимальная частота света $\nu_{min}$ (или, соответственно, максимальная длина волны $\lambda_{max}$), называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой это явление не наблюдается, какой бы большой ни была интенсивность света.
4. Четвертый закон (безынерционность). Фотоэлектронная эмиссия начинается практически мгновенно после начала освещения катода. Задержка между началом освещения и появлением фотоэлектронов составляет менее $10^{-9}$ секунды, даже при очень малой интенсивности света.

Ответ: Экспериментальные законы фотоэффекта утверждают, что: 1) сила фототока насыщения пропорциональна интенсивности света; 2) максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности; 3) для каждого вещества существует «красная граница» — минимальная частота света, при которой возможен фотоэффект; 4) фотоэффект практически безынерционен.

Противоречия с волновой теорией света

Классическая волновая теория света, которая рассматривает свет как непрерывную электромагнитную волну, энергия которой равномерно распределена по всему фронту волны, не смогла объяснить три из четырех законов фотоэффекта.

Противоречия заключались в следующем:

• Зависимость энергии от частоты, а не от интенсивности (Второй закон). Согласно волновой теории, энергия, передаваемая электронам, должна быть пропорциональна интенсивности световой волны (то есть квадрату амплитуды ее электрического поля). Следовательно, с увеличением интенсивности (яркости) света максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов должна была бы расти. Эксперимент же показывает, что энергия зависит только от частоты света.
• Существование «красной границы» (Третий закон). С точки зрения волновой теории, фотоэффект должен был бы наблюдаться при любой, сколь угодно малой, частоте света, если его интенсивность достаточно велика. Электрон в веществе мог бы постепенно накопить необходимую для выхода энергию от волны любой частоты. Существование пороговой частоты, ниже которой фотоэффект невозможен, является необъяснимым в рамках этой теории.
• Безынерционность фотоэффекта (Четвертый закон). Волновая теория предсказывала бы значительную временную задержку между началом освещения и вылетом электронов, особенно при малой интенсивности света. Электрону потребовалось бы время (по расчетам, от секунд до часов), чтобы «накопить» энергию, достаточную для преодоления работы выхода. Экспериментально наблюдаемая практическая мгновенность фотоэффекта полностью опровергает эти предсказания.

Эти противоречия были разрешены Альбертом Эйнштейном в 1905 году, который, развивая идеи Макса Планка, предположил, что свет излучается и поглощается дискретными порциями энергии — квантами (фотонами). Энергия одного фотона равна $E = h\nu$. Это предположение легло в основу уравнения Эйнштейна для фотоэффекта: $h\nu = A_{вых} + E_{k,max}$, которое полностью объясняет все экспериментальные законы.

Ответ: С точки зрения волновой теории света невозможно объяснить второй, третий и четвертый законы фотоэффекта. Волновая теория неверно предсказывает зависимость энергии электронов от интенсивности света (а не частоты), отсутствие «красной границы» и значительную временную задержку (инерционность) фотоэффекта, что прямо противоречит экспериментальным данным.