Номер 2, страница 222 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 8. Элементы квантовой физики. Параграф 44. Модель атома водорода. Вопросы - номер 2, страница 222.

Условие.

2. В каком случае энергия системы из атома и электрона равна нулю?

Решение.

Решение

Полная энергия системы, состоящей из атома (точнее, его положительно заряженного иона) и электрона, является суммой кинетической энергии электрона ($E_k$) и потенциальной энергии ($E_p$) их электростатического взаимодействия.

$$E_{полная} = E_k + E_p$$

В физике принято выбирать нулевой уровень потенциальной энергии для состояния, когда частицы находятся на бесконечно большом расстоянии друг от друга. Поскольку электрон (заряд $–e$) и атомное ядро (заряд $+Ze$) притягиваются, их потенциальная энергия взаимодействия отрицательна, когда они находятся на конечном расстоянии $\text{r}$: $E_p = -k \frac{Ze^2}{r}$.

Рассмотрим возможные состояния системы:

1. Связанное состояние: электрон вращается вокруг ядра, являясь частью атома. В этом случае его полная энергия отрицательна ($E_{полная} < 0$). Это стабильное состояние, и для того чтобы "оторвать" электрон от атома (ионизировать его), системе необходимо сообщить энергию извне.

2. Свободное состояние: электрон не связан с атомом. Если он движется, его кинетическая энергия положительна ($E_k > 0$). Если он находится далеко от атома, их потенциальная энергия взаимодействия близка к нулю. Таким образом, полная энергия свободного движущегося электрона положительна ($E_{полная} > 0$).

Состояние, при котором полная энергия системы равна нулю ($E_{полная} = 0$), является пограничным между связанным и свободным состояниями. Это происходит, когда электрону сообщают энергию, в точности равную энергии ионизации. В этом случае электрон удаляется на бесконечно большое расстояние от атома (поэтому $E_p = 0$) и при этом теряет всю свою кинетическую энергию (поэтому $E_k = 0$), то есть останавливается.

Ответ: Энергия системы из атома и электрона равна нулю в том случае, когда электрон является свободным (не связан с атомом), находится на бесконечно большом расстоянии от него и покоится (его кинетическая энергия равна нулю).