Номер 1, страница 219 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 8. Элементы квантовой физики. Параграф 43. Поглощение и испускание света атомами. Вопросы - номер 1, страница 219.

Условие.

1. В чём заключались противоречия планетарной модели атома и законов классической физики?

Решение.

1. Решение

Планетарная модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в 1911 году, предполагает, что атом состоит из массивного положительно заряженного ядра, вокруг которого по орбитам, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Несмотря на то что эта модель хорошо объясняла результаты опытов по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге, она вступала в фундаментальные противоречия с законами классической физики, в частности с классической электродинамикой Максвелла.

Эти противоречия заключались в двух основных моментах:

Первое противоречие — нестабильность атома.

Согласно уравнениям классической электродинамики, любой электрический заряд, движущийся с ускорением, должен непрерывно излучать электромагнитные волны, теряя при этом свою энергию. Электрон, вращающийся по круговой или эллиптической орбите вокруг ядра, постоянно испытывает центростремительное ускорение, так как вектор его скорости непрерывно меняет направление. Следовательно, электрон в планетарной модели должен был бы постоянно излучать энергию. Потеря энергии привела бы к тому, что электрон стал бы двигаться по сужающейся спирали и в конечном итоге упал бы на ядро. Расчёты, проведённые в рамках классической теории, показывали, что время жизни такого атома было бы ничтожно малым — порядка $10^{-11}$ секунды. Однако в реальности атомы большинства элементов являются чрезвычайно устойчивыми и могут существовать неограниченно долго, не разрушаясь.

Второе противоречие — характер атомных спектров.

Поскольку, согласно классической модели, электрон должен был бы непрерывно терять энергию, частота его вращения вокруг ядра и, соответственно, частота испускаемого им излучения должны были бы непрерывно изменяться. Это означает, что спектр излучения атома должен был бы быть сплошным (непрерывным), то есть содержать все возможные частоты в некотором диапазоне. Однако многочисленные эксперименты по изучению спектров газов показывали, что атомы излучают и поглощают электромагнитные волны только на строго определённых, дискретных частотах. В результате спектры атомов являются не сплошными, а линейчатыми, состоящими из отдельных узких линий. Каждому химическому элементу соответствует свой уникальный набор таких линий, что является его «отпечатком пальца».

Таким образом, планетарная модель атома, будучи революционной для своего времени, оказалась неспособной объяснить стабильность атомов и дискретный характер их спектров в рамках классической физики. Эти противоречия послужили толчком к развитию квантовой механики, которая предложила принципиально новое описание мира на микроуровне.

Ответ: Противоречия планетарной модели атома с законами классической физики заключались в том, что: 1) согласно классической электродинамике, электрон, вращаясь вокруг ядра, должен непрерывно излучать энергию, быстро терять её и падать на ядро, что противоречит наблюдаемой стабильности атомов; 2) модель предсказывала непрерывный спектр излучения атомов, в то время как экспериментально наблюдались дискретные (линейчатые) спектры.