Страница 191 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

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.

2. Подготовьте доклад «Вклад российских учёных в развитие лазерной техники».

Вклад российских (советских) учёных в создание и развитие лазерной техники является фундаментальным и общепризнанным во всём мире. Именно работы советских физиков заложили теоретическую и практическую основу для создания первого в мире квантового генератора, что было отмечено Нобелевской премией. Последующие исследования позволили создать новые типы лазеров и открыли целые научные направления, такие как нелинейная оптика и лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения.

Фундаментальные основы: Фабрикант, Басов и Прохоров

История лазера была бы неполной без упоминания Валентина Александровича Фабриканта. Ещё в 1939 году в своей докторской диссертации он впервые указал на возможность усиления света при прохождении через среду с инверсной населённостью энергетических уровней. Он сформулировал необходимое условие для усиления света за счёт вынужденного (стимулированного) излучения, которое является ключевым принципом работы любого лазера. Хотя в то время его идеи не получили практической реализации, они заложили важнейший теоретический фундамент.

Решающий прорыв был совершён в Физическом институте АН СССР (ФИАН) Николаем Геннадиевичом Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым. Работая над созданием молекулярных генераторов в микроволновом диапазоне (мазеров), они разработали так называемый «метод накачки» для создания инверсной населённости уровней. В 1955 году они предложили трёхуровневую схему накачки, которая стала универсальным методом для получения активных сред не только для мазеров, но и для будущих оптических квантовых генераторов — лазеров. Этот метод позволял эффективно «накачивать» энергию в рабочее вещество, создавая условия для лазерной генерации. За «фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей, основанных на принципе мазера-лазера», Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, совместно с американским физиком Чарлзом Таунсом, были удостоены Нобелевской премии по физике в 1964 году.

Полупроводниковые лазеры и оптоэлектроника: Жорес Алфёров

Если работы Басова и Прохорова открыли саму возможность создания лазеров, то исследования Жореса Ивановича Алфёрова сделали лазеры массовым и повсеместно используемым устройством. Он работал над созданием полупроводниковых лазеров. Главной проблемой ранних устройств была необходимость в сильном охлаждении и огромных токах для непрерывной работы. Алфёров нашёл решение, предложив использовать полупроводниковые гетероструктуры — «сэндвичи» из слоёв различных полупроводниковых материалов. Гетероструктуры позволили эффективно удерживать электроны и свет в очень маленькой области (активном слое), что резко снизило пороговый ток и позволило создать полупроводниковые лазеры, работающие непрерывно при комнатной температуре. Это открытие произвело революцию в оптоэлектронике. Сегодня гетероструктурные лазеры — основа волоконно-оптической связи, систем чтения компакт-дисков, DVD и Blu-ray, лазерных принтеров и множества других устройств. За разработку полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники Ж. И. Алфёров в 2000 году получил Нобелевскую премию по физике.

Нелинейная оптика: Рем Хохлов

С появлением лазеров учёные получили в своё распоряжение источники света невиданной ранее интенсивности. Оказалось, что в таких мощных световых полях оптические свойства вещества кардинально меняются. Изучением этих явлений занимается нелинейная оптика, одним из основоположников которой в СССР был Рем Викторович Хохлов (совместно с Сергеем Ахмановым). Их научная школа в МГУ стала мировым центром исследований в этой области. Работы Хохлова и его коллег привели к открытию и объяснению таких эффектов, как генерация гармоник (например, преобразование невидимого инфракрасного излучения в видимое зелёное), параметрическая генерация света (создание лазеров с перестраиваемой длиной волны), самофокусировка световых пучков и многих других. Эти достижения имеют огромное практическое значение, позволяя создавать источники лазерного излучения в тех участках спектра, где прямая генерация затруднена, и управлять параметрами лазерного пучка.

Лазерная спектроскопия и управление веществом: Владилен Летохов

Уникальная монохроматичность (узкий спектр) лазерного излучения открыла возможность сверхточного воздействия на атомы и молекулы. Одним из пионеров в этой области был Владилен Степанович Летохов. Он внёс огромный вклад в развитие лазерной спектроскопии, фотохимии и методов управления веществом на атомном уровне. Летохов предложил и развил методы селективного воздействия лазерного излучения на вещество, что легло в основу лазерного разделения изотопов. Одной из самых известных его идей, реализованных на практике, является метод лазерного охлаждения атомов, где с помощью давления света можно замедлить движение атомов практически до полной остановки, охладив их до сверхнизких температур. Эта технология сегодня является стандартным инструментом в экспериментальной физике, квантовых технологиях и создании атомных часов.

Таким образом, вклад российских учёных охватывает все этапы развития лазерной техники: от первоначальной теоретической концепции и создания фундаментальных принципов работы до разработки ключевых технологий, сделавших лазеры доступными и многофункциональными, и открытия новых областей науки, основанных на уникальных свойствах лазерного излучения.

Ответ:

В докладе представлен развёрнутый обзор вклада российских учёных в развитие лазерной техники. Освещены фундаментальные теоретические и экспериментальные работы В. А. Фабриканта, Н. Г. Басова и А. М. Прохорова, которые заложили основу для создания квантовых генераторов и были отмечены Нобелевской премией. Рассмотрены ключевые достижения Ж. И. Алфёрова в области полупроводниковых гетероструктур, которые привели к революции в оптоэлектронике и созданию массовых лазерных устройств, что также было отмечено Нобелевской премией. Описан вклад Р. В. Хохлова в становление нелинейной оптики — науки об взаимодействии мощного света с веществом. Также отмечены пионерские работы В. С. Летохова в области лазерной спектроскопии и методов управления атомами с помощью света, включая лазерное охлаждение.

3. Корпускулярно-волновой дуализм — проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств. Приведите примеры из обыденной жизни, когда в зависимости от ситуации один и тот же объект проявляет различные свойства в поведении.

Решение

Корпускулярно-волновой дуализм — это фундаментальный принцип квантовой механики, согласно которому любой микрообъект материи может проявлять как свойства классической частицы (корпускулы), так и свойства волны. Выбор того, какие свойства проявятся — волновые или корпускулярные — зависит от условий эксперимента или наблюдения.

Классическим примером объекта, демонстрирующего дуализм, является свет.

• С одной стороны, свет проявляет волновые свойства в таких явлениях, как дифракция (огибание волнами препятствий) и интерференция (сложение волн с образованием устойчивой картины максимумов и минимумов). Эти свойства наблюдаются, например, при прохождении света через узкую щель или дифракционную решетку.
• С другой стороны, в явлениях фотоэффекта и эффекта Комптона свет ведет себя как поток частиц — фотонов или квантов света. Энергия каждого фотона связана с частотой света формулой $E = h\nu$, где $h$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота. Фотоэффект, заключающийся в выбивании электронов из вещества под действием света, можно объяснить только с корпускулярной точки зрения, как результат столкновения фотонов с электронами.

Другой яркий пример — электрон.

• Изначально электрон рассматривался исключительно как частица, обладающая массой и электрическим зарядом (корпускулярные свойства). Он оставляет четкий след в камере Вильсона и попадает в определенную точку на экране осциллографа.
• Однако эксперименты по дифракции электронов на кристаллах (опыты Дэвиссона и Джермера) показали, что пучок электронов может вести себя как волна, создавая интерференционную картину, аналогичную той, что создают рентгеновские лучи. Каждому электрону, как и любой другой частице, можно сопоставить волну де Бройля с длиной волны $\lambda = h/p$, где $p$ — импульс частицы.

Таким образом, в зависимости от постановки эксперимента, один и тот же объект (фотон, электрон) может вести себя либо как локализованная в пространстве частица, либо как распределенная в пространстве волна, но никогда не проявляет оба этих свойства одновременно.

По аналогии с этим физическим принципом, можно привести примеры из обыденной жизни, когда один и тот же объект или субъект проявляет совершенно разные свойства в зависимости от ситуации или контекста:

1. Вода (H₂O). В зависимости от температуры и давления, одно и то же химическое вещество может находиться в трех разных агрегатных состояниях, проявляя кардинально различные свойства:

• Как лед (твердое состояние), вода имеет фиксированную форму, она хрупкая и может служить опорой.
• Как жидкость (жидкое состояние), вода текуча, принимает форму сосуда и способна растворять другие вещества.
• Как пар (газообразное состояние), вода не имеет ни формы, ни объема, заполняя все доступное пространство и обладая большим запасом внутренней энергии.

2. Человек. Один и тот же человек проявляет себя по-разному в различных социальных ролях и ситуациях:

• На работе он может быть строгим, требовательным руководителем, действующим в рамках должностной инструкции.
• Дома в кругу семьи — заботливым, мягким и любящим родителем или партнером.
• В компании друзей — веселым, остроумным и раскованным.

Хотя это один и тот же индивид, его поведение и проявляемые качества ("свойства") меняются в зависимости от окружения и контекста.

3. Смартфон. Современный смартфон является многофункциональным устройством, которое в зависимости от запущенного приложения или выполняемой задачи проявляет разные "свойства":

• В режиме телефона он используется для голосовых вызовов.
• В режиме камеры — для создания фото и видео.
• В режиме навигатора — для определения местоположения и прокладки маршрутов.
• В режиме компьютера — для работы с документами, просмотра веб-страниц и игр.

Физический объект остается неизменным, но его функциональность и способ взаимодействия с ним полностью зависят от ситуации использования.

Ответ: Корпускулярно-волновой дуализм — это свойство микрообъектов (например, электронов, фотонов) проявлять в зависимости от условий эксперимента либо волновые свойства (такие как интерференция и дифракция), либо корпускулярные (взаимодействие как локализованной частицы, обладающей массой и энергией). Примером проявления волновых свойств электрона является его дифракция на кристалле, а корпускулярных — его поведение в явлении фотоэффекта. Аналогиями из обыденной жизни, где один и тот же объект проявляет различные свойства в зависимости от ситуации, могут служить: вода, которая в зависимости от температуры бывает твердой (лед), жидкой или газообразной (пар); человек, который ведет себя по-разному в разных социальных ролях (на работе, дома, с друзьями); смартфон, который в зависимости от запущенного приложения функционирует как телефон, камера, навигатор или компьютер.