Номер 4, страница 161 - гдз по физике 9 класс учебник Изергин

Глава V. Физика атома и атомного ядра. Параграф 33. Модель атома Резерфорда - номер 4, страница 161.

Условие.

4. Почему электрон, входящий в состав атома, не падает на ядро и не улетает от ядра?

Решение.

Этот вопрос затрагивает фундаментальные основы строения атома и объясняется с помощью как классической, так и квантовой физики.

Почему электрон не улетает от ядра?

Электрон — это отрицательно заряженная частица, в то время как атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, имеет положительный заряд. Между разноимёнными зарядами возникает сила электростатического притяжения, известная как сила Кулона. Эта сила действует подобно гравитационной силе, которая удерживает планеты на орбитах вокруг Солнца. Именно кулоновское притяжение к ядру удерживает электрон внутри атома и не позволяет ему улететь.

Почему электрон не падает на ядро?

Этот аспект невозможно объяснить с помощью классической физики. Согласно классической электродинамике, любой заряженный объект, движущийся с ускорением (а движение по круговой или эллиптической орбите всегда является движением с ускорением), должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Излучая энергию, электрон должен был бы быстро терять скорость, приближаться к ядру по спирали и в конечном итоге упасть на него за ничтожно малое время (порядка $10^{-11}$ секунды). Поскольку атомы в реальности стабильны, это означает, что классическое описание здесь неприменимо.

Ответ на этот вопрос даёт квантовая механика:

1. Квантование энергии. В отличие от классической механики, где энергия может изменяться непрерывно, в квантовом мире энергия электрона в атоме может принимать только определённые, дискретные значения. Электрон может находиться только на определённых стационарных энергетических уровнях (или орбиталях).

2. Стационарные состояния. Находясь на таком стационарном уровне, электрон, несмотря на своё движение, не излучает энергию. Он может поглотить или излучить энергию только при переходе с одного разрешённого уровня на другой. Энергия излучается в виде кванта света — фотона.

3. Основное состояние. Существует самый низкий возможный энергетический уровень, который называется основным состоянием. Находясь в этом состоянии, электрон имеет минимально возможную для него энергию в данном атоме. Поскольку нет уровней с ещё меньшей энергией, электрон не может больше терять энергию путём излучения и, следовательно, не может упасть на ядро. Его положение определяется вероятностным «облаком», а не точной траекторией.

Ответ: Электрон не улетает от ядра, так как его удерживает сила электростатического притяжения к положительно заряженному ядру. Электрон не падает на ядро, потому что законы квантовой механики разрешают ему находиться только на определённых (квантованных) энергетических уровнях, на которых он не излучает энергию. Существование минимального энергетического уровня (основного состояния) не позволяет электрону терять энергию бесконечно и приближаться к ядру.