Номер 1, страница 191 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Творческие задания. § 52. Электрический разряд в газах. Глава 6. Квантовая теория электромагнитного излучения и вещества - номер 1, страница 191.

ТВОРЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

1. Подготовьте презентацию «Модели атома — от Томсона до Бора».

Данный материал представляет собой основу для презентации на тему «Модели атома — от Томсона до Бора», освещая ключевые этапы развития представлений о строении вещества.

Модель атома Дж. Дж. Томсона (1904 г.)

После открытия электрона в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном стало ясно, что атом не является неделимым, как считалось ранее, а имеет сложную внутреннюю структуру. Чтобы объяснить, как отрицательно заряженные электроны могут сосуществовать внутри электрически нейтрального атома, Томсон в 1904 году предложил свою модель, получившую неофициальное название «пудинг с изюмом» (англ. plum pudding model) или «кекс с изюмом».

Согласно этой модели, атом представляет собой сплошной шар, заполненный положительно заряженным веществом, внутри которого, подобно изюминкам в кексе, «вкраплены» отрицательно заряженные электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд шара, поэтому в целом атом является нейтральным. Эта модель была первой научной попыткой описать внутреннее устройство атома, но она не имела под собой серьезной экспериментальной базы, кроме самого факта существования электронов, и вскоре была опровергнута.

Планетарная модель атома Э. Резерфорда (1911 г.)

Представления об устройстве атома кардинально изменились после знаменитых опытов по рассеянию альфа-частиц, проведенных в 1909–1911 годах под руководством Эрнеста Резерфорда его учениками Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом.

Суть эксперимента: Пучок альфа-частиц (положительно заряженных ядер гелия) направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался экран, который светился при попадании на него альфа-частицы, что позволяло регистрировать их траекторию.

Результаты и выводы:

1) Подавляющее большинство альфа-частиц проходило сквозь фольгу, практически не отклоняясь. Это означало, что атом в основном состоит из пустого пространства.

2) Небольшая часть частиц отклонялась на значительные углы, а примерно 1 из 8000 частиц отскакивала назад. Такой результат можно было объяснить только столкновением с очень маленьким, плотным и положительно заряженным объектом.

На основе этих данных Резерфорд предложил планетарную (или ядерную) модель атома:

- В центре атома находится крошечное, массивное, положительно заряженное ядро, в котором сконцентрирована почти вся масса атома.

- Вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, по орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны.

Проблемы модели Резерфорда: Несмотря на свой прорывной характер, планетарная модель столкнулась с двумя неразрешимыми противоречиями с точки зрения классической физики.

Во-первых, это проблема устойчивости. Согласно классической электродинамике, любой ускоренно движущийся заряд (а вращающийся электрон движется с центростремительным ускорением) должен непрерывно излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию. В результате электрон должен был бы за ничтожно малую долю секунды упасть на ядро по спирали. Атомы не могли бы существовать.

Во-вторых, это проблема спектров. Если бы электрон мог вращаться по любой орбите, он излучал бы свет на всех частотах, образуя сплошной (непрерывный) спектр. Однако на практике атомы излучают и поглощают свет только на определенных частотах, создавая характерные линейчатые спектры.

Квантовая модель атома Н. Бора (1913 г.)

Чтобы разрешить противоречия модели Резерфорда, датский физик Нильс Бор в 1913 году предложил свою модель атома, объединив планетарную структуру с квантовыми идеями Макса Планка. Он сформулировал два революционных постулата, которые легли в основу его теории (на примере атома водорода).

Постулаты Бора:

1. Постулат стационарных состояний. Атомная система может находиться только в особых стационарных (или квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия $E_n$. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает энергию. Электроны в этих состояниях движутся по стационарным орбитам, для которых момент импульса квантуется (может принимать только дискретные значения): $L = m_e v r = n \frac{h}{2\pi}$, где $n = 1, 2, 3, ...$ — целое число (главное квантовое число), а $h$ — постоянная Планка.

2. Правило частот. Излучение или поглощение энергии в виде кванта света (фотона) происходит только при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Энергия излучённого (или поглощённого) фотона равна разности энергий тех состояний, между которыми совершается переход: $\Delta E = h\nu = E_{n_2} - E_{n_1}$, где $\nu$ — частота излучения.

Успехи и недостатки: Модель Бора была огромным шагом вперед. Она смогла объяснить стабильность атомов и с высокой точностью рассчитать спектр излучения атома водорода и водородоподобных ионов. Однако эта модель была внутренне противоречивой (она механически соединяла классическую и квантовую физику) и не могла объяснить спектры более сложных атомов, а также интенсивность спектральных линий. Модель Бора стала важнейшим переходным этапом к созданию последовательной и полной теории — квантовой механики.

Ответ: Эволюция моделей атома в начале XX века демонстрирует смену научных парадигм: от первой структурной модели Томсона («пудинг с изюмом»), опровергнутой экспериментально, к планетарной модели Резерфорда, которая, в свою очередь, столкнулась с противоречиями классической физики. Решением стала модель Бора, которая ввела квантовые постулаты для объяснения стабильности атомов и их линейчатых спектров. Каждая модель являлась шагом вперед, исправляя ошибки предыдущей и закладывая фундамент для современной квантово-механической картины мира.