Номер 2, страница 223 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 8. Элементы квантовой физики. Параграф 44. Модель атома водорода. Задания и упражнения - номер 2, страница 223.

Условие.

2. В одной комнате температура равна 18 °С, а в другой 25 °С. В какой из комнат почти все атомы водорода находятся в основном состоянии?

Решение.

2. Для того чтобы определить, в какой из комнат большая часть атомов водорода находится в основном состоянии, необходимо рассмотреть связь между температурой и энергией атомов.

Основное состояние атома — это его состояние с наименьшей возможной энергией. Чтобы атом перешел в возбужденное состояние (состояние с более высокой энергией), он должен получить дополнительную энергию. В газе, находящемся в тепловом равновесии, атомы получают энергию за счет столкновений друг с другом.

Температура является мерой средней кинетической энергии теплового движения частиц. Чем выше температура, тем больше средняя энергия атомов и тем более вероятны столкновения, в результате которых атом может получить достаточно энергии для перехода в возбужденное состояние.

Доля атомов, находящихся в возбужденном состоянии, растет с увеличением температуры. Это описывается распределением Больцмана, согласно которому вероятность нахождения системы в состоянии с энергией $\text{E}$ пропорциональна фактору $e^{-\frac{E}{kT}}$, где $\text{k}$ — постоянная Больцмана, а $\text{T}$ — абсолютная температура. Следовательно, чем ниже температура $\text{T}$, тем меньше доля атомов в возбужденных состояниях и, соответственно, тем больше атомов остается в основном состоянии.

Сравнивая две заданные температуры, $18 \text{ °C}$ и $25 \text{ °C}$, мы видим, что температура $18 \text{ °C}$ ниже. Таким образом, в комнате с температурой $18 \text{ °C}$ доля атомов водорода, находящихся в основном состоянии, будет выше.

Важно отметить, что энергия, необходимая для возбуждения атома водорода, очень велика по сравнению со средней тепловой энергией при комнатных температурах. Поэтому и при $18 \text{ °C}$, и при $25 \text{ °C}$ подавляющее большинство атомов (практически все) и так находятся в основном состоянии. Однако, отвечая на вопрос о сравнении, в более холодной комнате эта доля будет еще больше.

Ответ: В комнате с температурой $18 \text{ °C}$.