Ответьте на вопросы, страница 217 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Для каких атомов применяют модель, созданную Н. Бором?

2. Почему теория Бора только частично удовлетворяет квантовую физику?

3. Каковы причины трудности теории Бора?

1. Для каких атомов применяют модель, созданную Н. Бором?

Модель атома, предложенная Нильсом Бором в 1913 году, была разработана и успешно применима для описания так называемых водородоподобных систем. Это атомы или ионы, которые состоят из атомного ядра и только одного электрона, движущегося вокруг него.

К таким системам относятся:

• Атом водорода ($\text{H}$), который состоит из протона и одного электрона.
• Ионы, которые потеряли все свои электроны, кроме одного. Например: однократно ионизированный гелий ($He^{+}$), двукратно ионизированный литий ($Li^{2+}$), трехкратно ионизированный бериллий ($Be^{3+}$) и т.д.

Теория Бора позволяет с высокой точностью рассчитать радиусы стационарных орбит и энергетические уровни для этих систем, что, в свою очередь, дает возможность правильно предсказать их линейчатые спектры излучения и поглощения. Однако для атомов с двумя и более электронами (например, нейтрального атома гелия) модель Бора оказывается неприменимой, так как она не учитывает сложные электростатические взаимодействия между электронами и не может корректно описать их движение.

Ответ: Модель Бора применяют для атома водорода и водородоподобных ионов — систем, состоящих из ядра и одного-единственного электрона.

2. Почему теория Бора только частично удовлетворяет квантовую физику?

Теория Бора считается "полуклассической" и удовлетворяет требованиям квантовой физики лишь частично, поскольку она была переходным этапом между классической физикой и современной квантовой механикой. Несмотря на свой революционный характер и успешное объяснение спектра водорода, она обладала рядом существенных недостатков и противоречий:

• Гибридный характер: Теория искусственно сочетала в себе элементы классической механики (электрон рассматривается как материальная точка, движущаяся по определенной круговой орбите) и введенные эвристически (ad hoc) квантовые постулаты. Например, постулат о существовании стационарных орбит, на которых электрон не излучает энергию, прямо противоречил законам классической электродинамики, но не имел строгого обоснования в рамках самой теории.
• Ограниченность: Модель была неспособна объяснить спектры атомов сложнее водорода и не могла предсказать интенсивность спектральных линий (т.е. почему одни переходы происходят чаще других).
• Неполнота описания явлений: Теория Бора не могла объяснить тонкую структуру спектральных линий (их расщепление на несколько близких компонент), а также не давала полного объяснения эффектов Зеемана (расщепление линий в магнитном поле) и Штарка (в электрическом поле).
• Противоречие фундаментальным принципам: Главным недостатком с точки зрения современной квантовой физики является то, что теория Бора нарушает принцип неопределенности Гейзенберга. В модели Бора электрон в любой момент времени имеет точно определенные координату (радиус орбиты) и импульс (скорость движения), что принципиально невозможно в квантовом мире.

Полноценная квантовая теория — квантовая механика, разработанная позже (Шрёдингером, Гейзенбергом, Дираком), — отказалась от понятия орбит и описала электрон с помощью волновой функции, которая определяет лишь вероятность его нахождения в той или иной точке пространства.

Ответ: Теория Бора лишь частично удовлетворяет квантовую физику, так как она является непоследовательной (смешивает классические и квантовые подходы), имеет ограниченную область применения (только для водородоподобных атомов), не может объяснить многие экспериментальные факты (интенсивность и тонкую структуру линий) и противоречит фундаментальному принципу неопределенности.

3. Каковы причины трудности теории Бора?

Трудности теории Бора коренятся в ее фундаментальных основах. Она была не строгой физической теорией, а скорее гениальной попыткой совместить классические представления с новыми квантовыми идеями для объяснения экспериментальных фактов. Основные причины ее трудностей следующие:

1. Внутренняя противоречивость: Теория была логически непоследовательной. Она использовала законы Ньютона для описания движения электрона по орбите, но при этом постулировала, что на этих "разрешенных" орбитах он не подчиняется законам электродинамики Максвелла (т.е. не излучает энергию, двигаясь с ускорением). Сами квантовые условия (постулаты Бора) были введены искусственно, без вывода из более общих принципов.
2. Невозможность обобщения на сложные системы: Модель не содержала математического аппарата для описания систем с несколькими взаимодействующими частицами. Задача описания даже атома гелия с двумя электронами оказалась для нее неразрешимой, поскольку невозможно было учесть отталкивание электронов друг от друга и их совместное движение.
3. Игнорирование волновой природы электрона: Трудности теории Бора были естественным следствием того, что электрон в ней рассматривался исключительно как частица. Позднее Луи де Бройль выдвинул гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме, согласно которой электрон обладает и волновыми свойствами. Именно волновая природа электрона и лежит в основе квантования его состояний в атоме. Стационарные орбиты Бора можно интерпретировать как такие орбиты, на которых укладывается целое число длин волн де Бройля. Однако сама теория Бора этого не учитывала.
4. Механистичность: Понятие четкой траектории (орбиты) для микрочастицы, такое как электрон, оказалось в корне неверным, что было доказано с открытием принципа неопределенности.

Все эти трудности были преодолены созданием последовательной и строгой квантовой механики, которая дала совершенно новое, вероятностное описание микромира.

Ответ: Причины трудностей теории Бора заключаются в ее внутренней противоречивости (смешение классики и квантовых постулатов), неспособности описать сложные многоэлектронные атомы, а также в игнорировании волновых свойств электрона и фундаментального принципа неопределенности, что делало ее базовое представление об электронных орбитах неверным.