Номер 791, страница 118 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер. Модели атомов. Поглощение и испускание света атомами. Радиоактивные превращения атомных ядер. Закон радиоактивного распада - номер 791, страница 118.

Условие.

791. Ядро атома и электроны имеют разные знаки зарядов и, следовательно, притягиваются друг к другу. Почему же электроны не падают на ядра атомов?

Решение.

Вопрос о том, почему электроны не падают на ядро атома, является одним из фундаментальных в физике и указывает на несостоятельность классических представлений при описании микромира. Противоречие разрешается в рамках квантовой механики.

С точки зрения классической электродинамики, электрон, движущийся по орбите вокруг ядра, испытывает центростремительное ускорение. Ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать электромагнитные волны, теряя при этом энергию. Потеря энергии привела бы к тому, что электрон двигался бы по сужающейся спирали и очень быстро (за время порядка $10^{-11}$ с) упал бы на ядро. Однако атомы, как мы знаем, стабильны.

Квантовая механика объясняет это явление несколькими ключевыми принципами. Во-первых, электрон обладает волновыми свойствами. В атоме он ведёт себя не как точечная частица на орбите, а как волна, «размазанная» в пространстве вокруг ядра, образуя так называемое электронное облако, которое описывает вероятность его нахождения.

Во-вторых, энергия электрона в атоме квантуется. Это означает, что электрон может находиться только на определённых, дискретных энергетических уровнях. Он не может иметь произвольную энергию и, соответственно, не может терять её непрерывно, как предсказывала классическая теория.

В-третьих, существует основное состояние — самый низкий из возможных энергетических уровней. Находясь в этом состоянии, электрон обладает минимально возможной для него энергией. Поскольку не существует состояний с ещё меньшей энергией, электрон не может больше её излучать и, следовательно, не может приблизиться к ядру ещё больше и упасть на него.

Дополнительное объяснение дает принцип неопределённости Гейзенберга ($ \Delta x \cdot \Delta p \ge \hbar/2 $). Он гласит, что невозможно одновременно точно знать и координату, и импульс частицы. Если бы электрон упал на ядро, его положение ($x$) стало бы очень точно известно. Это привело бы к огромной неопределённости в его импульсе ($p$), а следовательно, к очень большой кинетической энергии, которая не позволила бы ему удержаться в ядре. Таким образом, стабильное состояние атома является результатом баланса между силами притяжения и квантовыми эффектами.

Ответ: Электроны не падают на ядро атома, потому что их поведение подчиняется законам квантовой механики, а не классической. Согласно этим законам, электрон в атоме может находиться только на определённых дискретных энергетических уровнях и существует минимальный возможный уровень (основное состояние), ниже которого электрон опуститься не может, а значит, и не может упасть на ядро.