Энергетические уровни в физике егэ

Всего: 58    1–20 | 21–40 | 41–58

Добавить в вариант

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

Всего: 58    1–20 | 21–40 | 41–58

Постулаты Бора

Основу квантовой теории атома Бора составляют два постулата.

Первый постулат Бора гласит: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия $Е_n$; в стационарном состоянии атом не излучает энергию.

Этот постулат противоречит классической механике, согласно которой энергия движущихся электронов может быть любой. Он противоречит также и электродинамике Максвелла, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн.

Второй постулат Бора: излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией $Е_k$ в стационарное состояние с меньшей энергией $Е_n$. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний:

$hν_{kn}=E_k-E_n$

Отсюда можно получить частоту излучения:

$ν_{kn}={E_k-E_n}/{h}={E_k}/{h}-{E_n}/{h}$

При поглощении света атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.

Модель атома водорода Бора

Для построения модели простейшей системы — атома водорода — Бор постулировал также правило определения стационарных значений энергии атома (уровней энергии) — так называемое правило квантования.

Правило квантования орбит Бора заключается в следующем.

Стационарным состояниям атома соответствуют разрешенные дискретные значения энергии электрона, такие, что при движении по стационарным круговым орбитам электрон должен иметь дискретные значения момента количества движения:

$m_{e}υr=n{h}/{2π}, n=1,2,3…,$

где $m_{e}$ — масса электрона, $υ$ — его скорость, $r$ — радиус орбиты, $h$ — постоянная Планка, $n$ называется главным квантовым числом (является номером орбиты в спектре атома водорода, в частности).

Используя законы механики Ньютона и правило квантования, Бор вычислил допустимые радиусы орбит и значения энергии стационарных состояний. Минимальный радиус орбиты определяет размер атома (он оказался равным $0.53·10^{-10}$м). Значения энергий стационарных состояний в электронвольтах отложены на вертикальной оси. (В атомной физике энергию выражают в электронвольтах, сокращенно — эВ. $1$ эВ — это энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов $1$ В. $1$ эВ$ = 1.6·10^{-19}$ Дж.)

Правило квантования орбит и постулаты Бора позволили ему самому и другим ученым объяснить наблюдавшиеся закономерности в оптическом спектре излучения атома водорода, а также в рентгеновских спектрах, и дать физическое истолкование Периодического закона элементов.

Поглощение света

Поглощение света — процесс, обратный излучению, при котором атом с нижних энергетических уровней переходит на верхние уровни. При этом он поглощает излучение тех же частот, которые излучает при переходе с верхних энергетических уровней на нижние.

Гипотеза Планка о квантах

Гипотеза Планка — предположение, что атомы испускают электромагнитную энергию (свет) не непрерывно, а отдельными порциями — квантами.

Энергия каждой порции пропорциональна частоте излучения:

$E=hν,$

где $h=6.63·10^{-34}$ $Дж·с$ — постоянная Планка, $ν$ — частота света.

Постоянная Планка (квант действия) — фундаментальная физическая константа. Введена М. Планком в 1900 г. Наиболее точное значение постоянной Планка $h = 6.626176(36) · 10^{-34}$ $Дж·с$. Чаще пользуются постоянной $h={h}/{2π}=1.0545887(57)·10^{-34}$ $Дж·с$, также называемой постоянной Планка. Формула $p↖{→}={mυ↖{→}}{√{1-{υ^2}/{c^2}}$ — это вторая из простых великих формул физики (первая — формула Эйнштейна, связывающая энергию покоя тела с его массой). После открытия Планка начала развиваться квантовая теория.

Атом Бора.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев.

Темы кодификатора ЕГЭ: постулаты Бора.

Планетарная модель атома, успешно истолковав результаты опытов по рассеянию -частиц, в свою очередь столкнулась с очень серьёзными трудностями.

Как мы знаем, любой заряд, движущийся с ускорением, излучает электромагнитные волны. Это — неоспоримый факт классической электродинамики Максвелла, подтверждаемый многочисленными наблюдениями.

Нам также хорошо известно, что электромагнитные волны несут энергию. Стало быть, ускоренно движущийся заряд, излучая, теряет энергию, которая этим излучением уносится.

А теперь давайте возьмём произвольный электрон в планетарной модели. Он двигается вокруг ядра по замкнутой орбите, так что направление его скорости постоянно меняется. Следовательно, электрон всё время имеет некоторое ускорение (например, при равномерном движении по окружности это будет центростремительное ускорение), и поэтому должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Расходуя свою энергию на излучение, электрон будет постепенно приближаться к ядру; в конце концов, исчерпав запас своей энергии полностью, электрон упадёт на ядро.

Если исходить из того, что механика Ньютона и электродинамика Максвелла работают внутри атома, и провести соответствующие вычисления, то получается весьма озадачивающий результат: расход энергии электрона на излучение (с последующим падением электрона на ядро) потребует совсем малого времени — порядка секунды. За это время атом должен полностью «коллапсировать» и прекратить своё существование.

Таким образом, классическая физика предрекает неустойчивость атомов, устроенных согласно планетарной модели. Этот вывод находится в глубоком противоречии с опытом: ведь на самом деле ничего такого не наблюдается. Предметы нашего мира вполне устойчивы и не коллапсируют на глазах! Атом может сколь угодно долго пребывать в невозбуждённом состоянии, не излучая при этом электромагнитные волны.

Постулаты Бора.

Оставалось признать, что внутри атомов перестают действовать известные законы классической физики. Микромир подчиняется совсем другим законам.

Первый прорыв в познании законов микромира принадлежит великому датскому физику Нильсу Бору. Он предложил три постулата, резко расходящиеся с механикой и электродинамикой, но тем не менее позволяющих правильно описать простейший из атомов — атом водорода.

Классическая физика хорошо описывает непрерывные процессы — движение материальной точки, изменение состояния идеального газа, распространение электромагнитных волн… Энергия объекта, подчиняющегося механике или электродинамике, в принципе может принимать любые значения. Однако линейчатые спектры указывают на дискретность процессов, происходящих внутри атомов. Эта дискретность должна фигурировать в законах новой теории.

Первый постулат Бора. Всякий атом (и вообще, всякая атомная система) может находиться не во всех состояниях с любым, наперёд заданным значением энергии. Возможен лишь дискретный набор избранных состояний, называемых стационарными, в которых энергия атома принимает значения Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает электромагнитные волны.

Как видим, первый постулат Бора вопиющим образом противоречит классической физике: налагается запрет на любые значения энергии, кроме избранного прерывистого набора, и признаётся, что электроны, вроде бы движущиеся ускоренно, на самом деле не излучают.

Выглядит фантастически, не правда ли? Однако в том же 1913 году, когда Бор предложил свои постулаты, существование стационарных состояний было подтверждено экспериментально — в специально поставленном опыте немецких физиков Франка и Герца. Таким образом, стационарные состояния — это не выдумка, а объективная реальность.

Значения разрешённого набора называются уровнями энергии атома. Что происходит при переходе с одного уровня энергии на другой?

Второй постулат Бора. Если атом переходит из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией , то разность этих энергий может высвободиться в виде излучения. В таком случае излучается фотон с энергией

. (1)

Эта же формула работает и при поглощении света: в результате столкновения с фотоном атом переходит из состояния в состояние с большей энергией , а фотон при этом исчезает.

Для примера на рис. 1 показано излучение фотона при переходе атома с энергетического уровня на уровень . Переход заключается в том, что электрон «соскакивает» с одной орбиты на другую, расположенную ближе к ядру.

Рис. 1. Излучение фотона атомом

Формула (1) даёт качественное представление о том, почему атомные спектры испускания и поглощения являются линейчатыми.

В самом деле, атом может излучать волны лишь тех частот, которые соответствуют разностям значений энергии разрешённого дискретного набора ; соответственно, набор этих частот также получается дискретным. Вот почему спектр излучения атомов состоит из отдельно расположенных резких ярких линий.

Вместе с тем, атом может поглотить не любой фотон, а только тот, энергия которого в точности равна разности каких-то двух разрешённых значений энергии и . Переходя в состояние с более высокой энергией , атомы поглощают ровно те самые фотоны, которые способны излучить при обратном переходе в исходное состояние . Попросту говоря, атомы забирают из непрерывного спектра те линии, которые сами же и излучают; вот почему тёмные линии спектра поглощения холодного атомарного газа находятся как раз в тех местах, где расположены яркие линии спектра испускания этого же газа в нагретом состоянии.

Качественного объяснения характера атомных спектров, однако, недостаточно. Хотелось бы иметь теорию, позволяющую вычислить частоты наблюдаемых спектров. Бору удалось это сделать в самом простом случае — для атома водорода.

Атом водорода.

Атом водорода состоит из ядра с зарядом , которое называется протоном, и одного электрона с зарядом (через обозначена абсолютная величина заряда электрона). При построении своей теории атома водорода Бор сделал три дополнительных предположения.

1. Прежде всего, мы ограничиваемся рассмотрением только круговых орбит электрона. Таким образом, электрон движется вокруг протона по окружности радиуса с постоянной по модулю скоростью (рис. 2).

Рис. 2. Модель атома водорода

2. Величина , равная произведению импульса электрона на радиус орбиты , называется моментом импульса электрона. В каких единицах измеряется момент импульса?

Смотрим:

=кг*м/с*м=(кг*м/)*м*с=Н*м*с=Дж*с.

Это в точности размерность постоянной Планка! Именно здесь Бор увидел появление дискретности, необходимой для квантового описания атома водорода.

Правило квантования (третий постулат Бора). Момент импульса электрона может принимать лишь дискретный набор значений, кратных «перечёркнутой» постоянной Планка:

, (2)

3. Выше мы говорили, что классическая физика перестаёт работать внутри атома. Так оно в действительности и есть, но вопреки этому мы предполагаем, что электрон притягивается к протону с силой, вычисляемой по закону Кулона, а движение электрона подчиняется второму закону Ньютона:

. (3)

Эти три предположения позволяют довольно просто получить формулы для уровней энергии атома водорода. Переписываем соотношение (3) в виде:

. (4)

Из правила квантования (2) выражаем :

,

и подставляем это в (4):

.

Отсюда получаем формулу для допустимых радиусов орбит электрона:

. (5)

Теперь перейдём к нахождению энергии электрона. Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия электрона с ядром равна:

(Она отрицательна, так как отсчитывается от бесконечно удалённой точки, в которой достигает максимального значения.)

Полная энергия электрона равна сумме его кинетической и потенциальной энергий:

.

Вместо подставим правую часть выражения (4):

. (6)

Полная энергия, как видим, отрицательна. Если на радиус орбиты никаких ограничений не накладывается, как это имеет место в классической физике, то энергия может принимать любые по модулю значения. Но согласно (5) существует лишь дискретный набор возможных значений радиуса; подставляя их в (6), получаем соответствующий набор допустимых значений энергии атома водорода:

. (7)

Основное состояние атома водорода — это состояние с наименьшей энергией . В основном состоянии атом может находиться неограниченно долго. Вычисление даёт:

Дж эВ:

Мы видим, что если атом находится в основном состоянии, то для выбивания электрона нужно сообщить атому энергию, равную как минимум 13,6 эВ. Эта величина носит название энергии ионизации атома водорода.

По формуле (5) легко вычислить радиус орбиты основного состояния:

см.

То есть, диаметр атома оказывается равным как раз см — величине, известной из опыта. Таким образом, теория Бора впервые смогла объяснить размер атома!

Кроме того, в рамках теории Бора удаётся получить формулы для вычисления частот (или длин волн) спектра атома водорода. Так, согласно второму постулату Бора и формуле (7) имеем:

. (8)

На практике чаще имеют дело с длинами волн. Учитывая, что , формулу (8) можно переписать так:

. (9)

Константа м называется постоянной Ридберга. Теория Бора даёт значение этой постоянной, очень хорошо согласующееся с экспериментом.

Длины волн спектра атома водорода образуют серии, характеризующиеся фиксированным значением в формуле (9). Все длины волн данной серии излучаются при переходах на уровень с вышележащих энергетических уровней .

Переходы в основное состояние:

образуют серию Лаймана. Длины волн этой серии описываются формулой (9) при :

.

Линии серии Лаймана лежат в ультрафиолетовом диапазоне.

Переходы на второй уровень:

образуют серию Бальмера. Длины волн этой серии подчиняются формуле (9) при :

.

Первые четыре линии серии Бальмера лежат в видимом диапазоне (рис. 3), остальные — в ультрафиолетовом.

Рис. 3. Видимый спектр атома водорода (серия Бальмера)

Переходы на третий уровень:

образуют серию Пашена. Длины волн этой серии описываются формулой (9) при :

.

Все линии серии Пашена лежат в инфракрасном диапазоне.

Имеются ещё три «именованных» серии: это серия Брэккета (переходы на уровень), серия Пфунда (переходы на уровень ) и серия Хэмпфри (переходы на уровень ). Все линии этих серий лежат в далёкой инфракрасной области.

Достоинства и недостатки теории Бора.

О достоинствах модели атома водорода, предложенной Бором, мы так или иначе уже сказали. Резюмируем их.

— Теория Бора продемонстрировала, что для описания атомных объектов принципиально недостаточно представлений классической физики. В микромире работают другие, совершенно новые законы.
Для микромира характерно квантование — дискретность изменения величин, описывающих состояние объекта. В качестве меры квантования, как показала теория Бора, может выступать постоянная Планка , которая является универсальной константой и играет фундаментальную роль во всей физике микромира (а не только в явлениях излучения и поглощения света).

— Теория Бора впервые и совершенно точно указала на факт наличия стационарных энергетических состояний атома, образующих дискретный набор. Этот факт оказался общим свойством объектов микромира.

— В рамках модели Бора удалось получить формулы для вычисления частот спектра атома водорода и объяснить размер атома. Классическая физика была не в состоянии решить эти проблемы.

Однако теория Бора, разумеется, не могла претендовать на роль общей теории, описывающей микромир. Модель Бора обладала рядом существенных недостатков.

— Теория Бора непоследовательна. С одной стороны, она отвергает описание атома на основе классической физики, так как постулирует наличие стационарных состояний и правила квантования, непонятных с точки зрения механики и электродинамики. С другой стороны, классические законы — второй закон Ньютона и закон Кулона — используются для записи уравнения движения электрона по круговой орбите.

— Теория Бора не смогла дать адекватное описание самого простого после водорода атома гелия. Подавно не могло быть и речи о распространении теории Бора на более сложные атомы.

— Даже в самом атоме водорода теория Бора смогла описать не всё. Например, дав выражения для частот спектральных линий, модель Бора не объясняла различие в их интенсивностях. Кроме того, неясен оставался механизм образования молекулы водорода из двух атомов.

Несмотря на свои недостатки, теория Бора стала важнейшим этапом развития физики микромира. Полуклассическая-полуквантовая модель Бора послужила промежуточным звеном между классической физикой и последовательной квантовой механикой , построенной десятилетием позже — в 1920-х годах.

Разберем задачи ЕГЭ на темы: «Строение атома», «Модель Резерфорда-Бора», «Энергетические уровни», «Излучение фотона».

Задача 1. 

На рисунке изображена схема низших энергетических уровней атома. В начальный момент времени атом находится в состоянии с энергией Е⁽²⁾. Согласно постулатам Бора, с какой энергией данный атом может излучать фотоны? (Ответ дать в 10⁻¹⁹ Дж.)

Решение:

Согласно постулатам Бора, атом, находящийся в стационарных состояниях, не излучает энергии. Излучение энергии возможно при переходе атома с уровня с большим значением энергии на уровень с меньшим значением энергии. Поглощение энергии, наоборот, возможно при переходе атома с меньшим уровнем энергии на больший.

С учетом представленной диаграммы, излучение атома возможно при переходе с уровня Е⁽²⁾ на уровень Е⁽¹⁾, так как   Е⁽²⁾> Е⁽¹⁾. Поэтому, энергия излучаемых фотонов (hv) может быть определена, как разность энергий

Подставив численные значения, рассчитаем энергию излучаемых фотонов.

(Дж).

Ответ: 3.

Задача 2. 

Электрон в атоме водорода находится в основном (самом низком, с номером n = 1) энергетическом состоянии. Атом поглощает фотон с импульсом 6,8 · 10^–27 кг·м/с. Найдите номер энергетического уровня, на который в результате этого перейдёт электрон.

Дано:
n₁=1;
p = 6,8·10^–27 кг·м/с.

Найти:
n-?

Решение:

Уровни энергии в атоме водорода определяются формулой:

(эВ), где n=1, 2, 3…  и т. д. (1)

Следовательно, атом на уровне n₁=1 обладает энергией, которую можно рассчитать по формуле (1).

(эВ).

Найдем связь между импульсом фотона и его энергией:

 (2)

Таким образом, энергия фотона может быть определена по формуле (2).

(Дж).

С учетом, что 1 эВ, получим  (эВ).

Атом, получив энергию от фотона, переходит в стационарное состояние с большим уровнем энергии.

(эВ).

Из формулы (1) необходимо вывести номер энергетического уровня.

Ответ: 4.

Задача 3. 

На рисунке изображена упрощенная диаграмма нижних энергетических уровней атома. Нумерованными стрелками отмечены некоторые возможные переходы атома между этими уровнями. Какой из этих четырех переходов связан с поглощением света наибольшей энергии, а какой — с излучением света с наибольшей длиной волны?

Установите соответствие между процессами поглощения и испускания света и стрелками, указывающими энергетические переходы атома.

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ПРОЦЕССЫ
А) поглощение света наибольшей энергии;
Б) излучение света с наибольшей длиной волны.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
1) 1
2) 2
3) 3
4) 4

Ответ:

Решение:

По указанной диаграмме необходимо определить переходы, соответствующие поглощению и излучению света.

Переходы, указанные стрелками 1 и 2, соответствуют излучению энергии, так как атом переходит с большего уровня энергии на меньший.

Здесь надо учесть, что

и

Так как , то, согласно формуле Планка , меньшая длина волны соответствует большему значению энергии излучения. Поэтому при переходе  будет излучаться большее количество энергии. Вторая стрелка будет соответствовать излучению света с наименьшей длиной волны.

Стрелки 3 и 4 соответствуют поглощению энергии, так как в этих случаях атом переходит на уровни, соответствующие большему значению энергии. Рассуждения, аналогичные первому случаю, приводят к следующему выводу:

и

Так как , то четвертая стрелка будет соответствовать поглощению света наибольшей энергии.

Ответ:

Задача 4. 

Значения энергии электрона в атоме водорода задаются формулой:  (эВ), где n=1, 2, 3…  и т. д.

При переходах с верхних уровней энергии на нижние атом излучает фотон. Переходы с верхних уровней на уровень c n = 1 образуют серию Лаймана, на уровень c n = 2 – серию Бальмера и т. д. Найдите отношение γ максимальной длины волны фотона в серии Бальмера к максимальной длине волны фотона в серии Лаймана.

Решение:

Согласно формуле Планка , максимальная длина волны соответствует излучению света с наименьшим значением энергии. Поэтому для серии Лаймана это переход с уровня 2 на уровень 1 (см. рис. 1). Рассчитаем значение энергии, которая излучается в этом случае.

(эВ).

(эВ).

Длина волны, соответствующая этому переходу, может быть определена из формулы:

 (1)

Аналогично для серии Бальмера, излучение с наибольшей длиной волны (наименьшей энергии излучения), соответствует переходу с уровня 3 на уровень 2 (см. рис. 2).

(эВ).

(эВ).

Длина волны, соответствующая этому переходу, может быть определена из формулы:

 (2)

Тогда, для нахождения соотношения для длин волн 

Разделим уравнение (2) на уравнение (1):

В расчетах значения энергий можно оставить в эВ, так как перевод в систему «СИ» ответа не изменит.

С учетом системы «СИ»:

(1 эВ Дж).

Ответ: 5,4.

Современные представления о строении атома

Элемент ЕГЭ: 1.1 Современные представления о строении атома. 1.1.1 Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов: s-, р- и d-элементы. Электронная конфигурация атома. Основное и возбуждённое состояние атомов.

---

---

Современные представления о строении атома

Атом – химически неделимая электронейтральная частица, которая состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Атомы не имеют заряда (нейтральны). Если атом присоединяет один или несколько электронов, он приобретает отрицательный заряд и превращается в анион. Если атом теряет один или несколько электронов, он приобретает положительный заряд и превращается в катион. Заряд иона указывают арабской цифрой и знаком после символа атома.

Состав ядра: А = Z + N, где А — массовое число; Z — протонное число (число протонов); N — число нейтронов.

Элементарные частицы

Название	Обозначение	Масса	Заряд
Электрон	ē	≈ 0	-1
Протон	р	1	+1
Нейтрон	n	1	0

Порядковый номер элемента в периодической системе:

• Заряд ядра атома
• Число протонов в ядре атома
• Число электронов в атоме

Нуклиды – разновидности атомов с фиксированным массовым числом А, числом протонов Z и нейтронов N в ядре.

Основные положения квантовой теории строения атома:

• Дискретность энергии электрона
• Двойственная (корпускулярно-волновая) природа электрона
• Невозможность определения траектории электрона (принцип неопределенности)

Относительная атомная масса элемента (A_r)

Физическая величина, показывающая, во сколько раз средняя масса атомов данного элемента больше 1/12 части массы изотопа углерода ¹²С.

Атомные орбитали

Орбиталь — пространство вокруг ядра, в котором нахождение электрона наиболее вероятно (вероятность более 90%)

Порядок заполнения орбиталей в основном состоянии

1) Принцип наименьшей энергии. Электроны занимают в первую очередь орбитали, имеющие наименьшую энергию.

2) Принцип Паули. На каждой орбитали могут находиться не более двух электронов, причём спины их противоположны.

3) Правило Хунда. Орбитали заполняются электронами так, чтобы их суммарный спин был максимальным.

Спин электрона — свойство электрона, характеризующее его способность взаимодействовать с магнитным полем. Может принимать два значения (положительное и отрицательное).

Последовательность заполнения орбиталей электронами в основном состоянии:

Энергетические уровни и подуровни

Элементы, у которых идет заполнение s-подуровня, называют s-элементами.
Элементы, у которых заполняется р-подуровень, называют р-элементами.
Элементы, у которых заполняется d-подуровень, называют d-элементами.
Элементы, у которых заполняется f-подуровень, называют f-элементами.

Распределение электронов в атоме по энергетическим уровням (электронным слоям) и подуровням

Электроны, относящиеся к последнему энергетическому уровню, называют внешними (валентными) электронами.

Строение электронных оболочек атомов первых четырёх периодов

Распределение электронов по орбиталям атома называют электронной конфигурацией атома, или электронной формулой.

Строение элементов первого периода

Строение элементов второго периода

Строение элементов третьего периода

Строение элементов четвёртого периода

Электронные конфигурации d⁵ и d¹⁰ обладают повышенной устойчивостью, поэтому в атомах хрома и меди наблюдается «перескок» электрона с 4s-подуровня на 3d-подуровень («провал электрона»).

Основное и возбуждённое состояние атомов

Наиболее устойчивое состояние атома, в котором энергия его электронной оболочки минимальна, называется основным состоянием атома. Любые другие состояния атома называют возбужденными состояниями.

Для возможности перехода атома в возбуждённое состояние необходимо выполнение одновременно двух условий:

• наличие спаренных электронов;
• наличие вакантных орбиталей.

Таблица «Современные представления о строении атома. Кратко»

---

(с) В учебных целях использованы цитаты из пособий: «Химия / Н. Э. Варавва, О. В. Мешкова. — Москва, Эксмо (ЕГЭ. Экспресс-подготовка)» и «Химия : Новый полный справочник для подготовки к ЕГЭ / Е.В. Савинкина. — Москва, Издательство АСТ».

Вы смотрели Справочник по химии «Современные представления о строении атома». Выберите дальнейшее действие:

• Перейти к Списку конспектов по химии (по классам)
• Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
• Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по химии
• Конспект урока в 11 классе «Основные сведения о строении атома»

Энергетические уровни в атоме. Практика (часть 2)

Физика атома

Для изучения атома и атомного ядра используются специальные методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц

В основе методов обнаружения и изучения характеристик частиц – ионизирующее и фотохимическое действия частиц, отклонение частиц в магнитном поле. Регистрирующий прибор — это сложная макроскопическая система, которая находится в неустойчивом состоянии. При движении частицы в ней начинается процесс перехода в устойчивое состояние. Этот процесс позволяет регистрировать частицу.

Выбор регистрирующего устройства определяется целью эксперимента и условиями его проведения.

Метод сцинтилляций (сцинтилляционные счетчики частиц). В основе метода – способность частиц вызывать вспышки на экране, покрытом слоем специального вещества. Этот метод дает возможность счета частиц и позволяет фиксировать их распределение по энергиям.

Газоразрядный счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера применяется для регистрации электронов и ​( gamma )​-квантов.

Счетчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом, аргоном. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица, влетая в счетчик, ионизирует молекулы газа, создавая положительные ионы и электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Скорость электронов, движущихся к аноду, возрастает, и они, взаимодействуя с молекулами газа, создают лавину ионов. Ток через счетчик резко возрастает. На нагрузочном резисторе ​( R )​ образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Для того чтобы счетчик мог регистрировать частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически: в момент появления импульса тока падение напряжения на нагрузочном резисторе ​( R )​ велико, напряжение между анодом и катодом резко уменьшается, и разряд прекращается.

Камера Вильсона

Принцип действия камеры Вильсона основан на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек жидкости. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица. Видимый след из капелек жидкости, который оставляет заряженная частица, называется трек.

Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению. При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под ним, пар в камере адиабатно расширяется, охлаждается и становится перенасыщенным. Это — неустойчивое состояние пара: он легко конденсируется, если в сосуде появляются центры конденсации. Центрами конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица.

Затем камера возвращается в исходное состояние, и ионы удаляются электрическим полем. Если поместить камеру Вильсона в однородное магнитное поле, то в результате действия силы Лоренца треки частиц искривляются. Это позволяет определить удельный заряд частицы (по радиусу кривизны трека и скорости частицы). Если удельный заряд частицы известен, то по радиусу кривизны трека можно определить энергию и скорость частицы.

Пузырьковая камера

В 1952 г. американский ученый Д. Глейзер предложил использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах (центрах парообразования), образующихся при движении быстрой заряженной частицы, появляются пузырьки пара, дающие видимый трек. Это устройство получило название «пузырьковая камера».

В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением при температуре выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженные частицы, пролетающие в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара. В качестве жидкости используются жидкий водород и пропан.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона – большая плотность рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими. Это позволяет регистрировать частицы с большой энергией и наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

Метод толстослойных фотоэмульсий основан на фотохимическом действии быстрых заряженных частиц, проходящих через фотоэмульсию. Толщина слоя фотоэмульсии составляет от 0,5 до 1 мм. Быстрая заряженная частица ионизирует атомы фотоэмульсии и оставляет скрытое изображение. После обработки это изображение становится видимым и может изучаться.

Планетарная модель атома

Английский ученый Томсон в 1903 году предложил первую модель атома.

Положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом атоме с постоянной плотностью, а внутри него находятся электроны.

Модель атома Томсона сравнивают с «булочкой с изюмом», в которой роль изюминок играют электроны.

Атом водорода, согласно этой модели, представляет собой положительно заряженный шар радиусом 10^-8 м, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов внутри положительно заряженного шара находятся несколько электронов.

Модель атома Томсона не получила экспериментального подтверждения.

Опыт Резерфорда по рассеянию ​( alpha )​-частиц

В начале ХХ века английский ученый Э. Резерфорд исследовал прохождение узкого пучка ​( alpha )​-частиц через золотую фольгу толщиной около 4 · 10^-7 м.

Для изучения строения атома Резерфорд предложил зондирование атома с помощью ( alpha )-частиц, которые испускались радиоактивным элементом 1, помещенным внутри свинцового цилиндра, поглощающего все ( alpha )-частицы, кроме тех, которые проходили через узкий канал 2. Узкий пучок ( alpha )-частиц попадал на фольгу из золота 3. Рассеянные после взаимодействия с золотом ( alpha )-частицы регистрировались визуально с помощью светочувствительного экрана и микроскопа 4.

В результате опыта было обнаружено, что, хотя большая часть ( alpha )-частиц проходила сквозь тонкий слой вещества, почти не отклоняясь от первоначального направления, очень небольшая доля этих частиц отклонялась на большие углы. Это возможно только под действием большой кулоновской силы, которая является результатом лобового столкновения положительно заряженной ( alpha )-частицы с положительным зарядом в атоме. Размеры этого заряда очень малы. Резерфорд назвал его «ядро атома» и в 1911 году предложил планетарную модель атома.

Планетарная модель атома

Резерфорд предположил, что атом представляет собой миниатюрную планетарную систему, в которой действуют электрические силы притяжения. В центре каждого атома находится положительно заряженное ядро. Вокруг ядра по эллиптическим орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны.

В ядре сосредоточена практически вся масса атома, но оно занимает ничтожно малую часть его объема. Электронная оболочка занимает большую часть объема атома, но ее масса мала.

В целом атом нейтрален, т. к. суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду атомного ядра.

Планетарная модель атома Резерфорда не смогла объяснить ряд важнейших свойств атомов. В частности, атом, согласно классической механике, должен излучать электромагнитные волны, т. к. электроны движутся с ускорением (центростремительным). Это должно приводить к уменьшению энергии атома, а следовательно, к падению электрона на ядро. Однако атомы обычно не излучают электромагнитные волны и устойчивы.

Постулаты Бора

Датский ученый Н. Бор, развивая идеи Резерфорда, в 1913 году утверждал, что законы движения микрочастиц сильно отличаются от законов движения в макромире. По его мнению, законы микромира – квантовые законы, которые в то время еще не были установлены наукой. Н. Бор положил в основу своей теории следующие постулаты.

Постулаты Бора

Постулат стационарных состояний:
атом может находиться лишь в определенных стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарных состояниях атом не излучает энергию.

Условие квантования круговых орбит:
каждому стационарному состоянию соответствует строго определенная энергия. Двигаясь по круговым орбитам, электроны обладают квантованными значениями момента импульса:

где ​( n )​ = 1; 2; 3… – номер стационарной орбиты, ​( r )​ – радиус стационарной орбиты, ​( h )​ – постоянная Планка.

Правило частот:
излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Энергия излученного или поглощенного кванта электромагнитного излучения при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией ​( E_m )​ в другое стационарное состояние с энергией ( E_n ) равна разности энергий атома в этих состояниях:

где ​( m )​ и ​( n )​ – номера стационарных состояний.

Говорят, что энергия атома квантуется, а при переходе с одной стационарной орбиты на другую атом теряет или поглощает квант энергии. Поэтому теория атома Бора была названа квантовой теорией.

Стационарное состояние с минимальным запасом энергии называется основным состоянием, а все остальные стационарные состояния называются возбужденными состояниями.

Стационарные состояния представляют с помощью энергетической диаграммы. На ней состояния атома обозначаются горизонтальными линиями – энергетическими уровнями.

Переход атома из стационарного состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией сопровождается поглощением энергии и обозначается стрелкой, направленной вверх. Переход атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией сопровождается выделением энергии и обозначается стрелкой, направленной вниз.

Используя постулаты и планетарную модель атома, Бор разработал количественную теорию атома водорода.

Применяя классические представления о движении электрона по круговой орбите под действием кулоновской силы притяжения между ядром и электроном, он получил выражение для радиусов орбит, соответствующих стационарным состояниям атома водорода, и для энергетических уровней.

При движении по круговой орбите кулоновская сила обеспечивает электрону центростремительное ускорение:

Для водорода ​( Z )​ = 1; ​( frac{e^2}{4piepsilon_0r}=mv^2 )​ или ( frac{e^2}{4piepsilon_0v}=mvr,,mvr=frac{nh}{2pi}. )​

Скорость электрона на стационарных круговых орбитах:

где ​( n )​ = 1; 2; 3 … – номер стационарной круговой орбиты,

Радиус стационарных круговых орбит:

Радиус первой боровской орбиты: ​( r_1 )​ = 0,528·10^-10 м.

Двигаясь по каждой из разрешенных стационарных круговых орбит, электрон обладает определенным запасом кинетической и потенциальной энергий:

Полная энергия электрона на стационарной орбите равна сумме кинетической и потенциальной энергий:

Согласно постулату Бора энергия излучения: ​( hnu=E_m-E_n )​,

​( R=frac{me^4}{8varepsilon_0^2h^3}= )3,29 · 10¹⁵ с^-1 – постоянная Ридберга,

Серии спектральных линий излучения, возникающих при переходе атома водорода из возбужденных состояний, принято объединять в группы.

Спектральные серии атома водорода

• Серия Лаймана
  Если атом водорода перейдет с возбужденных стационарных уровней в основное состояние, то он излучит невидимые ультрафиолетовые лучи с набором соответствующих частот:

• Серия Бальмера
  Если атом водорода перейдет с возбужденных стационарных уровней на второй уровень, то он излучит видимый свет с набором соответствующих частот:

• Серия Пашена
  Если атом водорода перейдет с возбужденных стационарных уровней на третий уровень, то он излучит невидимые инфракрасные лучи c набором соответствующих частот:

Линейчатые спектры

Спектр – это набор частот, излучаемых нагретым телом.

Виды спектров

• Непрерывные (сплошные) спектры дают нагретые тела в твердом и жидком состоянии, а также в сжатом газообразном.
• Линейчатые спектры дают раскаленные газы в атомарном состоянии под сравнительно небольшим давлением.
• Полосатые спектры дают газы в молекулярном состоянии.

Различают линейчатые спектры испускания и поглощения.

Спектры испускания дают нагретые до высокой температуры тела. Эти спектры состоят из узких линий разного цвета.

Для получения линейчатого спектра излучения вещества, находящегося в обычных условиях в твердом состоянии, его надо нагреть до высокой температуры, при которой оно перейдет в атомарное газообразное состояние.

Спектры поглощения возникают при пропускании лучей сплошного спектра через менее нагретый газ. На фоне сплошного спектра обнаруживаются узкие темные полосы.

Линейчатый спектр у каждого химического элемента свой, не совпадающий со спектром другого химического элемента.

Зная линейчатые спектры различных химических элементов, можно определить химический состав неизвестного газа. Для этого необходимо сравнить линейчатый спектр данного газа со спектрами известных элементов.

По рисунку видно, что газ состоит из магния и азота, т. к. в его спектре присутствуют только линии, принадлежащие этим газам.

Линии спектра поглощения расположены в тех местах спектра, в которых находятся линии спектра излучения того же газа.

Спектральный анализ – метод определения химического состава тел по их спектру испускания или поглощения.

Спектральный анализ основывается на двух положениях:

• каждый химический элемент или химическое соединение характеризуется определенным спектром;
• интенсивность линий и полос в спектре зависит от концентрации того или иного элемента в веществе.

Спектроскоп – прибор для разложения сложного света и наблюдения спектров.

Спектроскоп состоит из двух труб – коллиматорной (1) и зрительной (4), укрепленных на подставке (2), и стеклянной призмы под крышкой (3).

Параллельный пучок света, выходящий из коллиматора, попадает на грань стеклянной призмы. Так как показатель преломления зависит от длины волны, то пучок света, состоящий из волн с разной длиной волны, разлагается на параллельные пучки света разного цвета. Линза зрительной трубы фиксирует каждый пучок и дает разноцветные изображения щели, образуя разноцветную полоску – спектр.

Лазер

Лазер – это оптический квантовый генератор, создающий мощные, узконаправленные, когерентные пучки монохроматического излучения.

Излучение может быть спонтанным (самопроизвольным) или индуцированным (вынужденным).

Спонтанное излучение – испускание атомом фотона в результате самопроизвольного перехода электрона из возбужденного состояния в основное.

Индуцированное излучение – переход электрона из возбужденного состояния в основное под действием электромагнитного излучения.

Фотон-«катализатор» попадает в возбужденный электрон и, стимулируя его переход в основное состояние, не теряет своей энергии. В результате из атома испускаются два фотона.

Основные компоненты лазера:

• активная среда – среда, в которой создаются состояния с инверсной заселенностью, т. е. заселенностью, при которой число атомов в возбужденных состояниях больше, чем их число в основном состоянии;
• система накачки – устройство для создания инверсной заселенности уровней в активной среде;
• оптический резонатор – устройство, выделяющее в пространство избирательно направленный поток фотонов и формирующее выходящий световой пучок.

Классификация лазеров

• По типу активной среды – твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные.
• По методу накачки – оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др.
• По режиму генерации – непрерывного действия, импульсного действия.

Устройство рубинового лазера

1 – система зеркал; состоит из двух строго параллельных друг другу плоских зеркал, расположенных возле торцов рубинового стержня. Используется для того, чтобы заставить световой пучок многократно проходить через рубиновый стержень. Одно из зеркал полностью отражает свет, а другое полупрозрачно, т. е. частично отражает, а частично пропускает свет;

2 – рубиновый стержень; представляет собой цилиндр, длина которого в 8–10 раз превышает его диаметр;

3 – газоразрядная лампа; имеет вид спирали и охватывает рубиновый стержень. Ее используют для возбуждения ионов хрома в рубине;

4 – система охлаждения; охлаждает рубиновый стержень при работе лазера;

5 – батарея конденсаторов.

Принцип работы рубинового лазера

При облучении рубина сине-зеленым светом ионы хрома возбуждаются и из основного состояния (уровень 1) переходят в возбужденное состояние (уровень 3). Через короткий промежуток времени (≈10^-8 с) большинство ионов хрома спонтанно переходят с уровня 3 на метастабильный энергетический уровень 2, в котором они могут находиться ≈10^-3 с, т. е. в 100 тысяч раз дольше, чем на обычном возбужденном уровне. Таким образом, создается «перенаселение» уровня 2, т. е. число возбужденных электронов больше числа невозбужденных электронов. Переход ионов с энергетического уровня 3 на метастабильный уровень 2 происходит без излучения света. Высвобождающаяся при таком переходе энергия передается кристаллической решетке рубина.

Под действием электромагнитных волн, облучающих рубин, или под действием фотонов, появляющихся в самом веществе при спонтанных переходах атомов на уровень 2, происходит переход ионов хрома с метастабильного уровня 2 на уровень 1, и возникает вынужденное излучение света.

Свойства лазерного излучения:

• временная и пространственная когерентность;
• строгая монохроматичность;
• большая плотность потока энергии;
• очень малое угловое расхождение в пучке.

Применение лазеров:

• передача информации; связь (особенно в космосе);
• точное определение расстояний;
• трассировка туннелей; геологические измерения;
• определение курса и скорости кораблей, самолетов, ракет;
• в голографии для получения объемных изображений предметов;
• точечная сварка при изготовлении микросхем;
• осуществление управления термоядерными реакциями;
• в хирургии для разрезания, сшивания, стерилизации живых тканей, для приваривания отслоившейся сетчатки глаза.

Основные формулы по теме «Физика атома»