Проверочный тест №7.2

Тема: «Строение атома. Квантовые постулаты Бора»

Задание №7.2.1

Вопрос:

Чему противоречила планетарная модель атома?

Выберите несколько из 5 вариантов ответа:

1) Классической механике Ньютона

2) Электродинамике Максвелла

3) Квантовой механике

4) Квантовой хромодинамике

5) Здравому смыслу

Ответ: 1) Классической механике Ньютона

2) Электродинамике Максвелла

Первое из этих противоречий состояло в том, что электроны для того, чтобы не потерять свою устойчивость, должны вращаться вокруг ядра. Как известно, круговое движение характеризуется центробежным ускорением. Согласно законам классической электродинамики ускоренно движущиеся электроны должны непременно излучать электромагнитную энергию. Однако в этом случае электроны за очень короткий промежуток (10–8 секунды), расходуя свою энергию на излучение, должны упасть на ядро. Это нам хорошо известно из повседневного опыта. Если бы электроны упали на ядро, тело, состоящее из них, например стоящий перед нами стол, изменил бы свои размеры в 10 тысяч раз.

Второе противоречие планетарной модели атома связано с тем, что постепенно приближающийся в результате излучения к ядру электрон для беспрерывного изменения своей частоты спектр излучения атома должен быть целым. Опыт же показывает, что спектр излучения атома линейный. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда не уживаются с электродинамикой Максвелла.

Задание №7.2.2

Вопрос:

Вычислите радиус первой боровской орбиты (в ангстремах).

Запишите число:_______________________

Ответ:

Задание №7.2.3

Вопрос:

Почему Эрнест Резерфорд считал, что исследовать распределение массы атома можно с помощью исследования распределения положительного заряда атома?

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1) Это было чисто гипотетическое умозаключение

2) Потому что было установлено, что суммарная масса электронов в атоме составляет ничтожную часть от массы самого атома

3) Потому что гравитационное взаимодействие значительно слабее электромагнитного

4) По другим причинам

Ответ:

Задание №7.2.4

Вопрос:

Каковы трудности теории Бора

Выберите несколько из 4 вариантов ответа:

1) Теория основана только на постулатах

2) Теория применима только к атому водорода

3) Теория не объясняет стабильность атомов

4) Теория наполовину основана на классической физике

Ответ: 2) Теория применима только к атому водорода

3) Теория не объясняет стабильность атомов

4) Теория наполовину основана на классической физике

Датский физик Нильс Бор (1885-1962) обосновал планетарную модель атома Резерфорда. Свои представления об особых свойствах атомов (устойчивости атома и спектральных закономерностей его излучения) Бор сформулировал в виде постулатов следующего содержания:

1. Электрон в атоме можеь находиться только в определенных устойчивых состояниях, называемых стационарными или квантовыми, каждому из которых соответствует определенная энергия E_n. В этих состояниях атом не излучает электромагнитных волн.

Момент импульса электрона, движущегося по стационарной орбите, имеет квантовые значения, удовлетворяющие условию: m_eυr = nħ (n = 1,2,3,…), где n – главное квантовое число, m_e – масса покоя электрона, υ – скорость электрона, r – радиус орбиты, ħ – постоянная Планка.

1. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант энергии Δ E = hν.
   Излучение фотона происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При обратном переходе происходит поглощение кванта энергии: hν = E_n - E_m, где n и m – номера состояний.

Все стационарные состояния, кроме одного, являются стационарными лишь условно. Бесконечно долго каждый атом может находиться лишь в стационарном состоянии с минимальным запасом энергии. Это состояние атома называется основным. Все остальные стационарные состояния атома называются возбужденными.

Задание №7.2.5

Вопрос:

Как называется состояние атома, соответствующее низшему энергетическому уровню

Выберите один из 3 вариантов ответа:

1) Основное 2) Возбужденное 3) Стационарное

Ответ: 1) Основное

Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному стационарному состоянию (рис. 2). Механическая энергия электрона, движущегося по замкнутой траектории вокруг положительно заряженного ядра, отрицательна. Поэтому всем стационарным состояниям соответствуют значения энергии E_n < 0. При E_n ≥ 0 электрон удаляется от ядра (ионизация). Величина |E₁| называется энергией ионизации. Состояние с энергией E₁ называется основным состоянием атома.

Рисунок 2. Энергетические уровни атома и условное изображение процессов поглощения и испускания фотонов.

Второй постулат Бора (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией E_n в другое стационарное состояние с энергией E_m излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:

где h – постоянная Планка. Отсюда можно выразить частоту излучения:

Задание №7.2.6

Вопрос:

На сколько порядков радиус атомного ядра меньше радиуса самого атома?

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1) 1-2 2) 2-3 3) 4-5 4) 7-8

Ответ: 3) 4-5

Размер атома определяется радиусом наиболее удаленной от ядра электронной орбиты, порядок величины этого радиуса в метрах выражается дробью с единицей в числителе и единицей с 10 нулями в знаменателе. Порядок величины радиуса атомного ядра в метрах выражается дробью с единицей в числителе и единицей с 14–15 нулями в знаменателе. Таким образом, радиус атомного ядра на 4–5 порядков (в 10 000–100 000 раз) меньше радиуса атома.

Задание №7.2.7

Вопрос:

Почему ядро атома водорода стало рассматриваться как элементарная частица?

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1) Потому что оно имеет массу примерно равную 1 а.е.м.

2) Потому что водород - это первый элемент в таблице Менделеева

3) Потому что ядро атома водорода является составной частью других атомных ядер

4) По всем выше перечисленным причинам

Ответ: 1) Потому что оно имеет массу примерно равную 1 а.е.м.

В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза бо́льшую массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома водорода — это радиус орбиты его электрона

Задание №7.2.8

Вопрос:

При переходе атома из возбужденного состояния в основное, происходит...

Выберите один из 4 вариантов ответа:

1) Поглощение фотона 3) Термоэлектронная эмиссия

2) Испускание фотона 4) Ничего не происходит

Ответ: 2) Испускание фотона

В 1916 г. А. Эйнштейн для объяснения наблюдавшегося на опыте термодинамичес­кого равновесия между веществом и испускаемым и поглощаемым им излучением постулировал, что помимо поглощения и спонтанного излучения должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия. Если на атом, находящийся в возбуж­денном состоянии 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей усло­вию hv=E ₂ –E ₁, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии hv=E ₂ –E ₁ (рис. 309, в). При подобном переходе происходит излучение атомом фотона, дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением. Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызыва­ющий испускание излучения возбужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. Существенно, что вторичные фотоны неотличимы от первичных, являясь точной их копией.

Задание №7.2.9

Вопрос:

Что напрямую следует из квантовых постулатов Нильса Бора?

Выберите несколько из 4 вариантов ответа:

1) Квантовая механика более точная, чем классическая механика

2) Существуют определенные состояния атома, в которых он не излучает энергию, несмотря на ускоренное движение электронов

3) Атомы могут излучать или поглощать энергию только дискретными порциями

4) Энергия электрона в атоме принимается за отрицательную

Ответ: 3) Атомы могут излучать или поглощать энергию только дискретными порциями;

4) Энергия электрона в атоме принимается за отрицательную.

В системе микрообъектов энергия поглощается и испускается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями – квантами, поэтому энергия системы микрообъектов может принимать только определенные значения, кратные числу квантов, и может изменяться скачкообразно.

Согласно модели Бора полная энергия электрона в атоме водорода может принимать только определенный набор значений... А это и означает, что исходная энергия взаимодействия электрона с ядром меньше нуля, т.е. отрицательна.

Задание №7.2.10

Вопрос:

Вычислите скорость электрона, движущегося по первой боровской орбите (в км/с)

Запишите число:_____________________________

Ответ:

V = корень из ((kZe^2) / (mr))

Боровское условие квантования L
L = mVr = nh / 2(Пи)

подставим mr в первое выражение

mr = nh / (2(Пи) V) здесь как и в предыдущем выражении n =1,2,3....-это номер орбиты, поэтому берем 1
V = корень из ((2kZ(Пи) Ve^2) / (h))
далее возведем в квадрат и разделим все на V получим
V = 2kZ(Пи) e^2 / h
итого
V = 2kZ(Пи) e^2 / h где
V-скорость
k-Кулоновская константа
Z-заряд ядра
e-заряд электрона
h-постоянная Планка