Номер 5, страница 287 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Глава 11. Атомная физика. Параграф 75. Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору. Обсудить в классе - номер 5, страница 287.

Условие.

Обсудите, почему при определении энергии ионизации мы говорим о минимальной энергии.

Решение.

Решение 2.

При определении энергии ионизации мы говорим о минимальной энергии, поскольку ионизация — это пороговый процесс, а энергия ионизации является фундаментальной и однозначно определенной характеристикой атома. Рассмотрим это подробнее.

1. Пороговый характер процесса. Электрон удерживается в атоме силами электростатического притяжения к ядру. Чтобы оторвать его, необходимо совершить работу против этих сил, то есть сообщить атому энергию. Можно сообщить атому энергию, которая значительно превышает необходимую. В этом случае электрон не только покинет атом, но и получит избыточную кинетическую энергию. Однако существует наименьшее, пороговое значение энергии, которого будет ровно достаточно, чтобы "освободить" электрон, переместив его на бесконечно большое расстояние от ядра без сообщения ему кинетической энергии. Именно это пороговое значение и называется энергией ионизации.

2. Квантовая природа атома. Согласно квантовой механике, энергия электрона в атоме не может быть произвольной — она квантуется, то есть электрон может занимать только определенные энергетические уровни. Энергия ионизации — это разность энергий между двумя конкретными состояниями: начальным (основное или наименее связанное состояние электрона в атоме) и конечным (состояние свободного электрона с нулевой кинетической энергией, условно на "бесконечности"). Если сообщенная энергия $E_{сообщ}$ меньше энергии ионизации $I_p$, то ионизация не произойдет. Если $E_{сообщ} \ge I_p$, то ионизация возможна, а избыток энергии $E_{сообщ} - I_p$ перейдет в кинетическую энергию свободного электрона. Таким образом, $I_p$ — это именно минимальная энергия, необходимая для перехода в ионизированное состояние.

3. Однозначность определения. Использование термина "минимальная" позволяет дать энергии ионизации строгое и однозначное определение. Если бы этого уточнения не было, то любая энергия, превышающая порог ионизации, могла бы считаться энергией ионизации, что лишило бы эту величину смысла как физической константы, характеризующей атом. Указание на минимальность фиксирует конкретное значение, которое можно измерить и использовать в расчетах (например, для атома водорода энергия ионизации строго равна 13,6 эВ).

Таким образом, слово "минимальная" в определении энергии ионизации подчеркивает, что это точно определенная пороговая величина, необходимая для самого факта отрыва электрона, а не любая энергия, способная это сделать.

Ответ: В определении энергии ионизации говорят о "минимальной" энергии, потому что ионизация является пороговым процессом. Это наименьшее количество энергии, которое необходимо сообщить атому, чтобы оторвать от него электрон, преодолев силы притяжения ядра, и перевести его в свободное состояние без сообщения ему дополнительной кинетической энергии. Любая энергия, превышающая это минимальное значение, также вызовет ионизацию, но ее избыток превратится в кинетическую энергию вылетевшего электрона. Использование термина "минимальная" обеспечивает однозначность этой величины, делая ее фундаментальной константой, характеризующей прочность связи электрона в атоме.