Школа ЕГЭ: физика — атомная модель

Фраза «Школа ЕГЭ: физика — атомная модель» сразу задаёт тон: нас ждёт разговор о том, как устроен атом и какие вопросы чаще всего задают на экзамене. Начнём с общего понимания роли темы. Атомная физика связала классическую механику, электродинамику и квантовые идеи. Поэтому она попадает почти во все варианты ЕГЭ. Если ученику понятна эволюция моделей, то он быстрее узнаёт формулы, а не заучивает их вслепую.

От гипотезы Демокрита до «пудинга» Томсона

Первое упоминание атома появилось в античной философии. Тогда никто не измерял заряды или массы, но концепция «неделимой частицы» родилась. В XIX веке Дальтон показал, что вещества реагируют в целых пропорциях, и идея обрела числовую опору. Томсон, изучая катодные лучи, открыл электрон. Учёный предложил модель «плюм-пудинга»: отрицательные заряды плавали внутри положительного облака. Формула для удельного заряда e/m появилась именно тогда, и сейчас её любят спрашивать в первой части ЕГЭ. Однако модель ломалась при объяснении спектров и результатов рассеяния альфа-частиц.

Опыт Резерфорда и планетарная модель

Гигантскую роль сыграл эксперимент Гейгер-Марсдена под руководством Резерфорда. Альфа-частицы бомбардировали тонкую золотую фольгу. Большинство лучей проходило почти без отклонения, но малая доля отражалась на большие углы. Возник вывод: почти вся масса сосредоточена в малом объёме — ядре. Отсюда родилась планетарная схема: ядро в центре, электроны вращаются по орбитам, как планеты. Энергия электрического взаимодействия оценивается формулой k·(Ze·e)/r. На экзамене часто просят найти радиус орбиты, приравнивая центростремительную силу кулоновской.

Бора: кванты и стационарные орбиты

Планетарная картина красива, но она противоречила классической электродинамике: ускоренный заряд должен излучать и падать на ядро. Нильс Бор ввёл два постулата. Первый: существуют стационарные орбиты, на которых электрон не теряет энергию. Второй: излучение или поглощение происходит при переходе между орбитами, причём энергия кванта равна разности уровней. Квантовое число n задаёт разрешённые радиусы r_n ∝ n². Спектр водорода, до этого необъяснимый, уложился в формулу Бальмера-Ритберга. На ЕГЭ любят задание: вычислить длину волны фотона, если известны n_1 и n_2. Главное — правильно перевести электронвольты в джоули и использовать E=hc/λ.

Современное квантовое видение атома

Уравнение Шрёдингера заменило классические орбиты орбиталями — областями вероятности. Вводятся квантовые числа n, l, m_l и m_s. Каждая пара (n,l) даёт энергетический уровень; спин удваивает количество состояний. Термин «картина плотности» часто пугает школьников, хотя задача обычно сводится к объяснению формы орбитали s или p. На уровне ЕГЭ достаточно знать, что волновая функция задаёт вероятность нахождения электрона в точке. Из этого вытекает правило запрета Паули, объясняющее периодический закон. Вопросы на тему встречаются во второй части: надо аргументировать, почему у магния два электрона на внешнем слое или почему медь имеет необычную конфигурацию 3d¹⁰4s¹.

Типовые задачи ЕГЭ по атомной физике

Ниже короткий перечень заданий, которые чаще всего появляются:

Определить энергию ионизации водорода для заданного n.
Найти скорость электрона на первой боровской орбите.
Рассчитать длину волны серии Лаймана.
Оценить радиус ядра по формуле R = r₀A^{1/3}.
Сравнить энергии связи у изотопов, используя дефект масс.

Каждый пункт тренирует одну конкретную формулу, поэтому решение занимает две-три строки. Тем не менее ошибки возникают из-за невнимательности к единицам измерения. Совет прост: сразу переводите электронвольты и ангстремы в СИ.

Подводные камни и частые ошибки

Самая популярная промашка — игнорирование кванта энергии при переходах. Учащийся подсчитывает суммарную энергию уровней, но забывает разность. Вторая ошибка связана с приставками: фемтометры путают с пикометрами, что даёт промах на три порядка. Третья проблема — неправильный знак дефекта массы. Он всегда положителен: c² умножаем именно на разницу масс нуклонов и ядра. Преподаватели также отмечают путаницу между энергией связи и работой выхода. Чёткое понимание терминов экономит баллы.

Как выстроить подготовку к экзамену

Первая неделя уходит на повторение исторических моделей — это база. Вторая посвящена формулам Бора и их выводу. Далее решайте минимум тридцать типовых задач, чередуя простые и повышенной сложности. Полезен сервис онлайн школа подготовки к ЕГЭ, где по теме «атомная модель» доступен отдельный интенсив. Там встроенный тренажёр автоматически проверяет единицы и быстро выявляет пробелы. За месяц до экзамена устраивайте пробные работы с полным бланком, чтобы привыкнуть к распределению времени. Последний совет очевиден, но работает: конспектируйте решения от руки, так формулы запоминаются надёжнее.