Ответьте на вопросы, страница 205 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Сколько электронных оболочек образуется вокруг изображенных вами ядер атомов?

2. Почему элементы 1 группы химически активны? Почему элементы 8 группы названы «инертными» газами?

3. Почему положительный заряд атома Резерфорд разместил в центре атома?

4. Почему электрон при вращении вокруг ядра атома должен излучать энергию?

5. Почему, используя модель атома Резерфорда, невозможно объяснить линейчатый спектр излучения атомов?

6. Почему модель атома Резерфорда продолжают использовать в современной науке, несмотря на ее недостаток (она не объясняет устойчивость атома)?

1. Сколько электронных оболочек образуется вокруг изображенных вами ядер атомов?
Данный вопрос предполагает наличие изображения ядер атомов, которое не было предоставлено. Без этой информации дать точный ответ невозможно.
Однако, в общем случае, количество электронных оболочек (или, точнее, энергетических уровней, занятых электронами) у нейтрального атома равно номеру периода, в котором находится данный химический элемент в Периодической системе Менделеева. Например, у атомов элементов первого периода (водород, гелий) заполнена одна электронная оболочка, у элементов второго периода (от лития до неона) — две, и так далее.

Ответ: Для ответа на вопрос необходимо изображение упомянутых ядер атомов. В общем случае, число занятых электронных оболочек в атоме определяется его положением в Периодической системе.

2. Почему элементы 1 группы химически активны? Почему элементы 8 группы названы «инертными» газами?
Химическая активность элементов определяется их способностью вступать в химические реакции, что, в свою очередь, зависит от строения их электронных оболочек, а именно от количества электронов на внешней оболочке (валентных электронов).
Элементы 1 группы главной подгруппы (щелочные металлы) имеют всего один электрон на своей внешней электронной оболочке. Атомы стремятся к наиболее стабильному состоянию, которым является полностью завершенная внешняя электронная оболочка. Для атомов 1 группы энергетически гораздо выгоднее отдать этот единственный электрон, чем присоединять семь недостающих до завершения оболочки. Легкость, с которой они теряют свой валентный электрон, превращаясь в положительно заряженный ион, и обуславливает их чрезвычайно высокую химическую активность.
Элементы 8 группы главной подгруппы (или 18 группы по современной классификации), известные как благородные или инертные газы (гелий, неон, аргон и др.), имеют полностью завершенную внешнюю электронную оболочку. У гелия на ней 2 электрона, у остальных — по 8 электронов. Такая конфигурация является чрезвычайно устойчивой. У этих атомов практически нет стремления ни отдавать, ни принимать электроны, ни образовывать общие электронные пары. Из-за этой неспособности (или очень слабого стремления) вступать в химические реакции они и получили название «инертные» (т.е. неактивные) газы.

Ответ: Элементы 1 группы химически активны, так как им энергетически выгодно отдать один электрон с внешней оболочки для достижения стабильности. Элементы 8 группы названы инертными, потому что их внешняя электронная оболочка полностью заполнена, что делает их очень стабильными и химически неактивными.

3. Почему положительный заряд атома Резерфорд разместил в центре атома?
Это заключение Эрнест Резерфорд сделал на основе своего знаменитого опыта по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге (опыт Гейгера-Марсдена, 1909-1911 гг.).
В ходе эксперимента наблюдалось следующее:
1. Подавляющее большинство положительно заряженных альфа-частиц проходило сквозь фольгу, не изменяя траектории. Это указывало на то, что атом в основном состоит из пустого пространства.
2. Однако, небольшая часть альфа-частиц (примерно 1 из 8000) отклонялась на большие углы, а некоторые даже отбрасывались назад.
Такое сильное отклонение и отражение положительных альфа-частиц можно было объяснить только их взаимодействием с очень сильным электрическим полем. Такое поле могло быть создано только в том случае, если весь положительный заряд и практически вся масса атома сконцентрированы в очень малом объеме. Если бы положительный заряд был «размазан» по всему объему атома (как в модели Томсона), то его плотность была бы недостаточной для создания сил отталкивания, способных так сильно изменить траекторию тяжелых и быстрых альфа-частиц.
Таким образом, результаты эксперимента заставили Резерфорда предположить, что в центре атома находится крошечное, массивное, положительно заряженное ядро.

Ответ: Резерфорд разместил положительный заряд в центре атома (в ядре), потому что только такая модель могла объяснить результаты его эксперимента, в котором некоторые альфа-частицы отбрасывались назад от золотой фольги, что указывало на столкновение с массивным и плотным положительно заряженным центром.

4. Почему электрон при вращении вокруг ядра атома должен излучать энергию?
Это утверждение является следствием применения законов классической электродинамики к планетарной модели атома Резерфорда.
Согласно теории электромагнетизма Максвелла, любой заряженный объект, движущийся с ускорением, должен непрерывно излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию. Электрон, вращающийся по орбите вокруг ядра, постоянно меняет направление своего вектора скорости, даже если его скорость по модулю постоянна. Такое движение по криволинейной траектории является движением с ускорением (центростремительным ускорением).
Поскольку электрон является заряженной частицей и движется с ускорением, он, согласно классической физике, обязан непрерывно излучать энергию в виде электромагнитных волн. Потеря энергии привела бы к тому, что электрон стал бы двигаться по сужающейся спирали и в конечном итоге упал бы на ядро за очень короткое время (порядка $10^{-11}$ с). Это противоречит наблюдаемой стабильности атомов.

Ответ: Согласно законам классической электродинамики, электрон, как заряженная частица, движущаяся по круговой орбите, испытывает ускорение. Движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию.

5. Почему, используя модель атома Резерфорда, невозможно объяснить линейчатый спектр излучения атомов?
Невозможность объяснить линейчатый спектр является одним из главных недостатков модели Резерфорда и прямым следствием проблемы, описанной в предыдущем пункте.
В модели Резерфорда, основанной на классической физике, электрон, теряя энергию, должен был бы двигаться по спирали, приближаясь к ядру. При этом радиус его орбиты и частота вращения менялись бы непрерывно. Так как частота излучаемого света должна соответствовать частоте вращения электрона, то излучаемый спектр был бы сплошным (непрерывным), то есть содержал бы все возможные частоты в некотором диапазоне, подобно радуге.
Однако экспериментальные данные показывают иное. При нагревании или ином возбуждении атомы излучают свет только на строго определённых, дискретных длинах волн (частотах). Этот спектр называется линейчатым, так как на спектрометре он выглядит как набор отдельных цветных линий.
Модель Резерфорда не содержит никаких механизмов, которые бы запрещали электрону излучать на промежуточных частотах или заставляли его находиться только на определённых орбитах с фиксированной энергией. Таким образом, она предсказывает непрерывный спектр, что прямо противоречит экспериментальным наблюдениям линейчатых спектров.

Ответ: Модель Резерфорда предполагает, что электрон, вращаясь и теряя энергию, должен излучать электромагнитные волны всех частот непрерывно, что привело бы к сплошному спектру. Эксперименты же показывают, что атомы имеют линейчатый спектр, то есть излучают свет только на строго определённых частотах.

6. Почему модель атома Резерфорда продолжают использовать в современной науке, несмотря на ее недостаток (она не объясняет устойчивость атома)?
Несмотря на свои фундаментальные недостатки (противоречие с классической электродинамикой и неспособность объяснить линейчатые спектры), планетарная модель Резерфорда по-прежнему широко используется по нескольким причинам:
1. Историческая и концептуальная значимость: Это была первая ядерная модель атома, которая кардинально изменила представления о его строении. Она правильно определила, что атом состоит из крошечного, плотного, положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов, и что большая часть атома — пустое пространство. Эта концепция легла в основу всех последующих, более совершенных моделей (модели Бора, квантово-механической модели).
2. Простота и наглядность: Модель Резерфорда очень проста для понимания и визуализации. Она представляет собой удобную аналогию с планетарной системой, что делает её отличным инструментом для первоначального знакомства со строением атома в школьных и вводных университетских курсах физики и химии.
3. Достаточность для некоторых задач: Во многих случаях, когда не требуется учитывать квантовые эффекты, связанные с поведением электронов, модель Резерфорда является хорошим приближением. Например, для объяснения самого опыта Резерфорда по рассеянию частиц, для оценки размеров ядра и атома, а также в задачах ядерной физики, где основное внимание уделяется ядру, а электронная оболочка рассматривается упрощенно.

Ответ: Модель Резерфорда используют как простую и наглядную иллюстрацию базового строения атома (наличие ядра и электронов), которая является основой для более сложных моделей и достаточна для решения ряда задач, не требующих учёта квантовых эффектов.