Квантовая физика, 11 класс: примеры с решением

Квантовая физика в школьном курсе: строение атома, постулаты Бора, спектры и переходы электрона между уровнями. Ниже правила, разбор задачи, частые ошибки и список решённых заданий.

5 заданий11 класс
Физика11 класс6 заданийПостулаты Бора и классическая физика

В чём заключаются противоречия между постулатами Бора и законами классической механики и классической электродинамики?

Физика9 класс3 заданияПланетарная модель атома: рассеяние α-частиц

Могут ли отрицательно заряженные частицы атома не оказывать заметного влияния на рассеяние α-частиц?

Физика11 классПостулаты Бора. Радиус орбиты электрона

Определите радиус орбиты электрона в атоме водорода. Ответ запишите в нанометрах и округлите до тысячных. Допустимая погрешность: 0,012 нм.. Атом водорода…

Физика11 классПостулаты Бора. Спектр атома водорода

Определите характеристики линии в спектре излучения водорода. Выберите правильные ответы из предложенных. Линия какого цвета получается в спектре излучения…

Физика9 классСпектральный анализ

По спектрам поглощения сделайте заключение о составе порции неизвестного газа. На рисунке представлены спектр поглощения неизвестного газа (в середине) и…

Квантовая физика простыми словами

Суть квантовой физики в том, что энергия атома и излучение света меняются не плавно, а порциями. Порция излучения называется квантом, или фотоном. Его энергия зависит от частоты: E = hν, где h ≈ 6,63 × 10⁻³⁴ Дж×с.

В 11 классе основы квантовой физики начинаются с вопроса, почему атом устойчив и почему светящийся газ даёт набор отдельных линий, а не сплошную полосу. Ответ на него даёт теория Бора. Именно по ней чаще всего и составляют задачи.

От обычной, классической физики квантовая отличается областью применения. Законы Ньютона и Максвелла хорошо работают для тел, токов и волн привычного размера. Внутри атома они дают неверный результат, и там нужны квантовые правила.

Постулаты Бора: что нужно знать для заданий

Постулатов два, и почти каждая задача на атом водорода сводится к ним.

  1. Атом может долго находиться только в особых стационарных состояниях. В них он не излучает и не поглощает энергию. Каждому состоянию соответствует своя орбита электрона и своя энергия: E₁, E₂, E₃ и так далее.
  2. Излучение или поглощение происходит при переходе между состояниями. Энергия фотона равна разности энергий: hν = E_k − E_n.

Из этого следует, что при переходе вниз атом излучает фотон, а при переходе вверх поглощает. Поэтому частота поглощаемого атомом фотона равна ν = (E₁ − E₀) / h, где E₁ больше E₀. Энергия излучённого фотона при переходе из E₁ в E₀ равна просто E₁ − E₀.

Для атома водорода есть готовые формулы:

  • энергия уровня: E_n = −13,6 эВ / n²;
  • радиус орбиты: r_n = n² × r₁, где r₁ ≈ 0,053 нм.

Знак минус у энергии означает, что электрон связан с ядром. Чем больше n, тем ближе энергия к нулю.

Спектр атома водорода и спектральный анализ

Раскалённый разреженный газ излучает линейчатый спектр: набор отдельных ярких линий. Каждая линия отвечает одному переходу между уровнями. У каждого элемента набор линий свой, поэтому по нему вещество можно опознать.

Переходы в атоме водорода делят на серии по конечному уровню:

  • на первый уровень (n = 1): серия Лаймана, ультрафиолет;
  • на второй (n = 2): серия Бальмера, видимый свет;
  • на третий (n = 3): серия Пашена, инфракрасная область.

Если в задаче спрашивают, какое излучение наблюдается при переходах на второй уровень, ответ такой: видимое, серия Бальмера.

Спектр поглощения устроен наоборот: на фоне сплошного спектра видны тёмные линии. Они стоят там же, где у этого газа были бы яркие линии излучения. Чтобы узнать состав неизвестного газа, сравни положение тёмных линий с эталонными спектрами водорода и гелия. Если все линии неизвестного газа совпали с линиями водорода и гелия, в нём есть оба элемента. Если остались линии, которых нет ни в одном эталоне, значит, есть и другие вещества.

Задачи на спектры связаны с оптикой: цвет линии определяется длиной волны, а красный свет имеет бо́льшую длину волны, чем фиолетовый.

Разбор задачи: на какой уровень перешёл электрон

Условие. Атом водорода в основном состоянии поглотил фотон с длиной волны 97,3 нм. Найди номер уровня, на который перешёл электрон, и радиус его орбиты.

Шаг 1. Энергия фотона. Удобно считать в электронвольтах, для этого пригодится hc ≈ 1240 эВ×нм:

E = hc / λ = 1240 / 97,3 ≈ 12,74 эВ.

Шаг 2. Энергия нового уровня. Основное состояние имеет E₁ = −13,6 эВ. После поглощения:

E_n = −13,6 + 12,74 = −0,86 эВ.

Шаг 3. Номер уровня. Из E_n = −13,6 / n² получаем n² = 13,6 / 0,86 ≈ 15,8. Значит, n = 4, потому что n должно быть целым.

Шаг 4. Радиус орбиты. r₄ = n² × r₁ = 16 × 0,053 нм ≈ 0,85 нм.

Ответ: электрон перешёл на четвёртый уровень, радиус орбиты около 0,85 нм.

Если длина волны дана в миллиметрах или метрах, сначала переведи её в нанометры: 1 мм = 10⁶ нм.

Где ошибаются чаще всего

Перепутаны знаки и порядок уровней. Энергия фотона всегда положительна, поэтому из большей энергии вычитают меньшую: E₁ − E₀, а не наоборот. Энергии уровней водорода отрицательны, и −0,85 эВ больше, чем −3,4 эВ.

Частоту путают с энергией. Энергия фотона равна E₁ − E₀, а частота равна (E₁ − E₀) / h. Выражение h / (E₁ − E₀) частотой быть не может: проверь размерность.

Радиус считают как n × r₁. Правильно r_n = n² × r₁. Для третьего уровня радиус в 9 раз больше первого, а не в 3.

Смешивают единицы. Формула E = hc / λ даёт эВ только вместе с hc ≈ 1240 эВ×нм и длиной волны в нанометрах. Если брать джоули, нужно использовать h = 6,63 × 10⁻³⁴ Дж×с, c = 3 × 10⁸ м/с и длину волны в метрах.

Почему планетарная модель не согласуется с классической физикой

Резерфорд предложил модель, где электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Вращение по окружности означает ускорение, и по законам электродинамики ускоренно движущийся заряд излучает волны.

Из этого вытекают два противоречия с опытом:

  • электрон теряет энергию на излучение, приближается к ядру и в конце концов падает на него, то есть атом был бы неустойчив;
  • излучение имело бы непрерывный спектр, а на опыте видны отдельные линии.

Бор не отменил эту модель, а дополнил её постулатами. По ним в стационарном состоянии электрон не излучает, хотя классическая физика требует обратного. Частота излучаемого фотона определяется разностью энергий уровней, а не частотой обращения электрона. Подробнее о том, что происходит с самими ядрами, рассказывает ядерная физика, а общее представление об атомах даёт тема строение вещества.

Какие задания присылают ученики и как пользоваться страницей

По квантовой физике ученики 11 класса присылают в основном задания на теорию Бора. Это определение стационарных орбит, переход атома между состояниями, частота поглощаемого и энергия излучаемого фотона, радиус орбиты, цвет и длина волны линии водорода, противоречия постулатов классической физике, спектральный анализ газа.

Посмотри список заданий выше: если условие совпадает или похоже на твоё, открой его и сверь ход решения. Если нужного задания нет, сфотографируй своё и получи решение с пошаговым объяснением.

Частые вопросы

Что такое квантовая физика?

Это раздел физики, который описывает атомы, излучение и частицы. Главная идея: энергия излучается и поглощается порциями, квантами, а энергия атома принимает только определённые значения.

Чем квантовая физика отличается от обычной?

Обычная (классическая) физика описывает тела привычного размера и скорости, там энергия меняется плавно. В атомах классические законы дают неверные выводы, например о падении электрона на ядро, поэтому нужны квантовые правила.

Как найти энергию и длину волны фотона при переходе в атоме водорода?

Энергия фотона равна разности энергий уровней: E = E_верхний − E_нижний, где E_n = −13,6 эВ / n². Длину волны находят по формуле λ = hc / E, при hc ≈ 1240 эВ×нм ответ получается в нанометрах.

Какие орбиты электрона называют стационарными?

Те, на которых электрон движется, не излучая энергию. Атом на такой орбите может находиться сколь угодно долго, а излучает или поглощает он только при переходе с одной стационарной орбиты на другую.

Квантовая физика, 11 класс: примеры с решением | ДЗмэн