Номер 2, страница 180 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 50. Поглощение и излучение света атомом. Глава 6. Квантовая теория электромагнитного излучения и вещества - номер 2, страница 180.

2. Какую энергию называют энергией ионизации?

Энергией ионизации (также известной как ионизационный потенциал) называют минимальное количество энергии, которое необходимо сообщить атому, находящемуся в основном (невозбужденном) стационарном состоянии, чтобы оторвать от него один из наиболее слабо связанных с ядром электронов, превратив таким образом нейтральный атом в положительно заряженный ион.

Рассмотрим ключевые аспекты этого определения:

• Минимальная энергия: Это пороговое значение. Если атому сообщить энергию, меньшую энергии ионизации, то отрыв электрона не произойдет. Атом может перейти в возбужденное состояние (электрон перейдет на более высокий энергетический уровень), но электрон останется связанным с ядром.
• Основное состояние: Определение относится к атому в его самом низком, наиболее стабильном энергетическом состоянии. Если атом предварительно возбужден, то для отрыва электрона потребуется уже меньшее количество энергии.

• Отрыв электрона: Ионизация — это процесс полного удаления электрона из атома, то есть его перемещение на бесконечно большое расстояние от ядра, где кулоновское взаимодействие с ядром становится пренебрежимо малым. Процесс для атома $A$ можно схематически записать так:

  $ A + E_i \rightarrow A^+ + e^- $

  где $A$ – нейтральный атом, $E_i$ – энергия ионизации, $A^+$ – положительно заряженный ион, $e^-$ – оторванный электрон.

Энергию ионизации обычно выражают в электронвольтах на атом (эВ/атом) или в килоджоулях на моль (кДж/моль).

Классическим примером является вычисление энергии ионизации для атома водорода. Энергия электрона на $n$-ом энергетическом уровне в атоме водорода описывается формулой Бора: $ E_n = -\frac{13.6}{n^2} $ эВ, где $n$ – главное квантовое число. В основном состоянии ($n=1$) электрон имеет энергию $E_1 = -13.6$ эВ. Ионизация соответствует переходу электрона на уровень с $n=\infty$, энергия которого принимается равной нулю ($E_\infty = 0$). Следовательно, необходимая для этого энергия (энергия ионизации) равна:

$ E_i = E_\infty - E_1 = 0 - (-13.6 \text{ эВ}) = 13.6 \text{ эВ} $

Для многоэлектронных атомов можно говорить о первой, второй, третьей и т.д. энергиях ионизации, которые соответствуют последовательному отрыву электронов. Каждая последующая энергия ионизации значительно больше предыдущей ($E_{i1} < E_{i2} < E_{i3} < \dots$), так как после отрыва одного электрона оставшиеся электроны притягиваются к ядру сильнее из-за возросшего эффективного заряда иона.

Ответ: Энергия ионизации — это наименьшая энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома (или иона), находящегося в основном энергетическом состоянии.