Номер 3, страница 283 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

3. Какие положения планетарной модели атома не согласуются с законами классической физики?

Решение

Планетарная модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в 1911 году, несмотря на свою наглядность и успешное объяснение результатов опытов по рассеянию альфа-частиц, вступала в резкое противоречие с фундаментальными законами классической физики, в частности, с классической электродинамикой Максвелла. Существуют два основных положения этой модели, которые не согласуются с классическими представлениями.

1. Устойчивость атома

Согласно планетарной модели, в центре атома находится положительно заряженное ядро, а вокруг него по круговым орбитам, подобно планетам вокруг Солнца, движутся отрицательно заряженные электроны. Однако, с точки зрения классической электродинамики, любое движение заряженного тела с ускорением должно сопровождаться непрерывным излучением электромагнитных волн и, следовательно, потерей энергии. Движение электрона по орбите является движением с центростремительным ускорением. Это означает, что электрон должен непрерывно излучать энергию.

Теряя энергию, электрон не смог бы оставаться на стабильной орбите. Его траектория представляла бы собой спираль, и он за очень короткое время (расчеты показывают, что время "падения" составляет порядка $10^{-11}$ с) должен был бы упасть на ядро. Таким образом, атом, согласно классической физике, должен быть неустойчивым, что полностью противоречит нашему опыту, ведь атомы и состоящее из них вещество стабильны.

2. Характер атомных спектров

Второе противоречие связано с характером спектров излучения и поглощения атомов. Если бы электрон действительно двигался по спирали, теряя энергию, то частота его вращения вокруг ядра менялась бы непрерывно. Соответственно, частота испускаемых им электромагнитных волн также менялась бы непрерывно. Это означает, что спектр излучения такого атома должен был бы быть сплошным (непрерывным), охватывающим весь диапазон частот от начальной до бесконечности.

Однако экспериментальные данные показывают, что атомы испускают и поглощают электромагнитные волны только на строго определённых, дискретных частотах. Их спектры являются не сплошными, а линейчатыми, то есть состоят из отдельных узких линий. Планетарная модель в сочетании с законами классической физики не могла объяснить происхождение этих линейчатых спектров.

Эти фундаментальные противоречия послужили толчком к созданию новой, квантовой теории строения атома, первым шагом в которой стала модель атома Нильса Бора, а затем и полноценная квантовая механика.

Ответ:

Положения планетарной модели атома, не согласующиеся с законами классической физики, следующие:

1. Невозможность объяснить устойчивость атома: согласно классической электродинамике, вращающийся вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать энергию, терять её и за кратчайшее время упасть на ядро, чего в действительности не происходит.
2. Невозможность объяснить линейчатый характер атомных спектров: модель предсказывает непрерывный (сплошной) спектр излучения, так как частота вращения падающего на ядро электрона изменялась бы непрерывно, в то время как в экспериментах наблюдаются дискретные (линейчатые) спектры.