Номер 11.32, страница 215 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Квантовая физика. Глава 11. Атомная и ядерная физика. Модель атома Резерфорда — Бора - номер 11.32, страница 215.

Условие.

11.32. Почему спектры испускания разных веществ (рис. 11.7) отличаются друг от друга?

Рис. 11.7

Решение.

Спектры испускания разных веществ отличаются друг от друга, потому что каждый химический элемент имеет уникальное строение атома, которое определяет уникальный набор энергетических уровней для его электронов.

Процесс излучения света атомами можно объяснить на основе квантовой теории:

1. Квантование энергии. Согласно модели атома Бора и принципам квантовой механики, электроны в атоме не могут иметь произвольную энергию. Они могут находиться только на строго определённых энергетических уровнях, называемых стационарными состояниями. У каждого химического элемента свой, уникальный набор таких уровней, обусловленный зарядом ядра и количеством электронов.

2. Возбуждение атома. Когда веществу сообщают энергию (например, при сильном нагревании или в электрическом разряде), электроны в его атомах поглощают эту энергию и переходят с более низких энергетических уровней на более высокие. Такое состояние атома называется возбуждённым.

3. Излучение фотона. Возбуждённое состояние нестабильно. Электрон стремится вернуться на более низкий, свободный уровень, ближе к ядру. При таком переходе с более высокого уровня с энергией $E_n$ на более низкий уровень с энергией $E_m$ атом излучает квант электромагнитной энергии — фотон. Энергия этого фотона в точности равна разности энергий уровней, между которыми совершается переход:

$\Delta E = E_n - E_m$

4. Связь энергии и длины волны. Энергия излучённого фотона связана с частотой $\nu$ и длиной волны $\lambda$ света через постоянную Планка $\text{h}$ и скорость света $\text{c}$:

$\Delta E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$

Отсюда следует, что длина волны излучённого света определяется разностью энергий между уровнями:

$\lambda = \frac{hc}{E_n - E_m}$

Поскольку набор энергетических уровней ($E_1, E_2, E_3, ...$) уникален для каждого элемента, то и набор возможных разностей энергий ($\Delta E$) также уникален. Это, в свою очередь, приводит к тому, что каждый элемент излучает свет только на определённых, характерных именно для него длинах волн. Совокупность этих длин волн (которые на спектрограмме выглядят как отдельные яркие линии) и образует уникальный линейчатый спектр испускания, служащий «отпечатком пальца» данного химического элемента.

На рисунке 11.7 наглядно показано, что спектры водорода (H), гелия (He) и аргона (Ar) состоят из разных наборов спектральных линий, что подтверждает уникальность их атомной структуры.

Ответ: Спектры испускания разных веществ отличаются, так как атомы каждого химического элемента имеют уникальное строение и, как следствие, свой собственный, неповторимый набор дискретных энергетических уровней. Излучение света происходит при переходах электронов между этими уровнями, и поскольку набор уровней уникален, то и набор длин волн излучаемого света (спектр) также является уникальным для каждого вещества.