Почему на ЕГЭ так важна атомная модель
Атомная модель дает школьнику ясную картину микромира, а на экзамене именно эта картина превращается в числа. Зная, как распределён заряд, учащийся быстро выводит формулы для энергии, импульса фотона, частоты линии спектра. Без этой базы задание 24 или 25 превращается в угадайку. Экзаменаторы любят проверять не только расчет, но и понимание переходов между уровнями, поэтому теория и практика работают в связке.
Сразу отмечу: в справочных данных нет прямых подсказок по этапам модели. Абитуриент обязан помнить ключевые постулаты и историческую логику. Ниже разберём эволюцию идеи, основные формулы и типовые ловушки. Короткие блоки помогут удержать внимание и не утонуть в деталях.
Исторические шаги к пониманию строения атома
Путь начался задолго до Резерфорда. Первые гипотезы Демокрита описывали неделимые частицы, но не касались заряда. В XIX веке Фарадей установил связь электричества и атомов, а потом Беккерель обнаружил природную радиоактивность. Каждое открытие уточняло внутреннее устройство вещества. Электрон Дж. Томсона стал переломным моментом: оказалось, что атом имеет составные части. Этот факт заставил физиков искать конфигурацию, которая объяснит опытные данные.
Линейка моделей росла, как слоёный пирог. Сначала предполагали равномерное распределение заряда, затем — центральное ядро. Экзаменаторы нередко предлагают перечислить имена и опыты, связывая их с формулами. Поэтому полезно держать в памяти последовательность: Томсон ⇒ Резерфорд ⇒ Бор ⇒ квантовая теория.
Модель Томсона и её проверка
«Пудинг с изюмом» выглядел убедительно: положительный «пирог» и отрицательные «изюминки-электроны». Модель объясняла электростатическую нейтральность, но молча уступала при столкновениях быстрых частиц с золотой фольгой. В школьных задачах проверяют простое соотношение плотностей, выводимое из элементарной геометрии шара. Если заряд размазан, альфа-частица почти не отклоняется. Опыт показал обратное, а значит предположение неверно.
Важно запомнить: Томсон открыл электрон, но не успел описать ядро. На ЕГЭ могут попросить назвать результат катодно-лучевых исследований: определение отношения e/m, а также вывод о малом весе электрона в сравнении с атомом. Эти факты дают основу для расчёта количества заряженных частиц в ускорителе или лампе.
Опыт Резерфорда и планетарный атом
Эрнест Резерфорд направил альфа-поток на золотую фольгу толщиной 4·10-5 см и заметил крупные углы рассеяния. Вывод прост: большая часть массы сосредоточена в крошечном ядре. Радиус ядра порядка 10-15 м, атома — 10-10 м, разница впечатляет. Ученик использует эти числа, когда вычисляет относительную пустоту вещества или просит найти энергию связи нуклона.
Планетарная схема красива, но неустойчива в классике: вращающийся заряд должен излучать. Факт излучения нарушил бы сохранение энергии, однако атомы устойчивы. Именно этот парадокс подвёл к квантованию орбит. Вопросы типа «почему классическая модель противоречит эксперименту?» встречаются регулярно, и тут важно указать потерю энергии в виде электромагнитных волн.
Атомная модель Бора: ключ к расчетам
Нильс Бор ввёл два постулата. Первое: электрон движется по стационарным орбитам, не излучая. Второе: квант энергии фотона равен разности уровней Ei − Ef. Формула радиуса rn = n²a0/Z и энергии En = −13,6 Z²/n² эВ решает половину задач раздела «Квантовая физика». Ученику остаётся подставить n и Z.
Запомните порядок действий: определить номера уровней, найти энергию, перевести её в частоту или длину волны через E = hν = hc/λ. Не стоит усложнять: если дано n = 3 → 2, сразу вычисляйте разность 13,6·Z²(1/2² − 1/3²). Ошибка обычно кроется в неверном знаке или забытом Z.
Квантовое уточнение: орбитали и числа
Шрёдингер заменил орбиты облаками вероятности. Однако школа ограничивается главным квантовым числом n, орбитальным l и магнитным ml. Спиновое s замыкает набор. Вопросы ЕГЭ просят указать максимальное число электронов на слое: 2n². Иногда требуют объяснить, почему 3d-субуровень заполняется после 4s. Помогает правило Клечковского: n + l минимально, при равенстве — меньше n.
Хотя экзамен не требует решения уравнения Шрёдингера, понимание формы s, p, d-облаков позволяет выбрать правильный рисунок в задании с множественным выбором. Запомните: s-облако сферично, p-орбиталей три, d — пять. Эти факты появляются в части B для проверки общей эрудиции.
Типовые задачи ЕГЭ на атом: алгоритмы решения
Рассмотрим частые формулировки и универсальный план:
- «Найдите длину волны линии серии Бальмера». Шаги: определяем номера уровней, считаем энергию, делим hc.
- «Определите связь массы дефицита и энергии» — используем ΔE = Δmc², переводим а.е.м. в мегаватты-секунды.
- «Сколько фотонов испустит лазер за секунду?» — делим мощность на hν.
- «Определите ускорение электрона в одикайте потенциала» — применяем eU = mv²/2 и учитываем relativistic? Если U < 100 кВ, релятивистику игнорируем.
Нередко добавляют несколько лишних цифр, чтобы запутать. Всегда выписывайте дано кратко, единицы приводите к СИ. Знакомый алгоритм сокращает время и снижает стресс.
Как не запутаться: быстрые шпаргалки и лайфхаки
Составьте таблицу: уровень n, радиус, энергия, скорость. Храните её в памяти, а на черновике восстанавливайте за 30 секунд. Освойте порядок приставок: нм, Å, эВ. Умение мгновенно переводить делает расчёт короче.
Тренируйте вычисление 1/λ по диаграмме Рэда и лезвию спектра: красный 700 нм, синий 450 нм, фиолет 400 нм. Стоит помнить соотношение 1240 эВ·нм = hc, оно заменяет две константы сразу. Для массы электрона держите число 9,11·10-31 кг, протона — 1,67·10-27 кг. Эти величины встречаются чаще других.
Наконец, решайте минимум десять заданий из банка ФИПИ в день. Регулярность автоматизирует навык сильнее любых конспектов. Через месяц формулы всплывают уже без шпаргалки, а время на блок «Квантовая физика» падает до семи минут.