Квантовая физика: ОГЭ

Строение атома и планетарная модель Резерфорда

Многим девятиклассникам кажется, что квантовая физика — это сложнейший университетский раздел, где легко потерять баллы из-за путаницы в формулах и терминах. На самом деле на ОГЭ по физике задания по квантовым явлениям — одни из самых предсказуемых и простых, если освоить базовые принципы и законы сохранения. Разобрав эту тему по полочкам, ты гарантированно сможешь забирать от 2 до 4 первичных баллов на экзамене, не тратя на вычисления много времени.

Фундамент темы — классический опыт Эрнеста Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге (1911 год). Физик бомбардировал тончайший лист золота положительно заряженными α-частицами. Большинство из них проходило сквозь фольгу свободно, испытывая лишь незначительные отклонения. Однако отдельные частицы резко отскакивали назад под углами более 90°. Этот эксперимент доказал несостоятельность прежней модели атома Томсона («пудинга с изюмом»).

На основе эксперимента Резерфорд предложил планетарную модель строения атома:

В центре атома находится компактное положительно заряженное ядро.
В ядре сосредоточена практически вся масса атома (более 99,9%).
Вокруг ядра по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны.
Атом в целом электрически нейтрален: заряд ядра равен суммарному заряду электронов.

Состав атомного ядра: протоны, нейтроны и нуклоны

Атомное ядро состоит из элементарных частиц — нуклонов. Нуклоны делятся на два типа: положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. В таблице Менделеева и условиях задач ОГЭ любой химический элемент обозначается символом с двумя индексами: ^A_ZX.

Нижний индекс Z — это зарядовое число (порядковый номер элемента). Оно показывает количество протонов в ядре и равно заряду ядра в элементарных зарядах e. Верхний индекс A — это массовое число, которое указывает общее количество нуклонов (протонов и нейтронов вместе взятых): A = Z + N, где N — число нейтронов в ядре.

Частица	Обозначение	Заряд (в единицах e)	Масса (в а.е.м.)
Протон	11p	+1	1
Нейтрон	10n	0	1
Электрон	0-1e	-1	≈ 0
Альфа-частица (ядро гелия)	42He (или α)	+2	4

Радиоактивность: альфа-, бета- и гамма-излучения

Радиоактивностью называют способность ядер определенных химических элементов самопроизвольно распадаться с испусканием элементарных частиц или электромагнитного излучения. При радиоактивных превращениях выполняются правила смещения (законы Содди).

При альфа-распаде исходное ядро испускает альфа-частицу (ядро гелия ⁴₂He). В результате элемент смещается в таблице Менделеева на две клетки к началу: ^A_ZX → ^A-4_Z-2Y + ⁴₂He. Массовое число снижается на 4, а зарядовое — на 2.

При бета-минус-распаде один из внутриядерных нейтронов превращается в протон, испуская электрон и антинейтрино: ¹₀n → ¹₁p + ⁰_-1e. Реакция распада ядра выглядит так: ^A_ZX → ^A_Z+1Y + ⁰_-1e. Массовое число ядра не меняется, а зарядовое увеличивается на 1.

Гамма-излучение (γ) — это электромагнитные волны сверхвысокой частоты. Оно сопровождает ядерные превращения, снимая возбуждение ядра, и не меняет ни зарядовое, ни массовое число атома.

Ядерные реакции и период полураспада

Ядерной реакцией называют процесс взаимодействия атомного ядра с другой частицей или другим ядром, приводящий к изменению их структуры. При записи любой ядерной реакции всегда строго соблюдаются два фундаментальных правила:

Закон сохранения зарядового числа: сумма нижних индексов слева = сумма нижних индексов справа.
Закон сохранения массового числа: сумма верхних индексов слева = сумма верхних индексов справа.

Еще один важный процесс — радиоактивный распад образца во времени. Периодом полураспада T называют промежуток времени, за который распадается ровно половина первоначального количества радиоактивных ядер. Формула закона радиоактивного распада связывает исходное число ядер N₀ и число оставшихся ядер N через время t:

\( N(t) = N_0 \cdot 2^(-\dfrac{t}{T}) \)
где N — количество нераспавшихся ядер, N₀ — начальное количество ядер, t — время наблюдения, T — период полураспада.

Если прошло время t = 2T, то от исходного образца останется лишь 1/4 часть ядер (25%), а 3/4 ядер (75%) распадутся. Эту закономерность часто проверяют на экзамене, и закрепить ее можно через интерактивные задания личного кабинета.

Разбор типовых расчетных задач ОГЭ

Рассмотрим две характерные задачи по квантовой физике, которые регулярно встречаются в первой части экзаменационных вариантов ОГЭ.

Задача 1 (Определение неизвестной частицы в реакции). В результате бомбардировки изотопа алюминия ²⁷₁₃Al альфа-частицами образуется изотоп фосфора ³⁰₁₅P и неизвестная частица X. Определи, какая частица выделилась в ходе реакции.

Дано:
Реакция: ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ^A_ZX

Решение:
1) Составим уравнение баланса массовых чисел (верхние индексы):
\( 27 + 4 = 30 + A \to 31 = 30 + A \to A = 1. \)
2) Составим уравнение баланса зарядовых чисел (нижние индексы):
\( 13 + 2 = 15 + Z \to 15 = 15 + Z \to Z = 0. \)
3) Частица с массовым числом A = 1 и зарядом Z = 0 — это нейтрон (¹₀n).

Ответ: нейтрон (¹₀n).

Задача 2 (Период полураспада). В начальный момент времени в закрытом контейнере находилось 8 · 10⁸ ядер радиоактивного изотопа с периодом полураспада 3 часа. Сколько ядер изотопа распадется за 9 часов?

Дано:
\( N_0 = 8 \cdot 10^8 \)
\( T = 3 \text{ч} \)
\( t = 9 \text{ч} \)

Решение:
1) Количество периодов полураспада: n = t / T = 9 / 3 = 3.
2) Число нераспавшихся ядер: N = N₀ / 2ⁿ = (8 · 10⁸) / 2³ = (8 · 10⁸) / 8 = 1 · 10⁸ ядер.
3) Число распавшихся ядер: ΔN = N₀ - N = 8 · 10⁸ - 1 · 10⁸ = 7 · 10⁸ ядер.

Ответ: 7 · 10⁸ ядер.

Что запомнить: главное о квантовых явлениях

Чтобы чувствовать себя уверенно на ОГЭ и заложить надежную базу для перехода к заданиям уровня ЕГЭ по физике, держи в голове ключевые выводы:

1. Опыт Резерфорда доказал наличие положительного плотного ядра в центре атома.
2. Обозначение ^A_ZX: Z — протоны (заряд), A — нуклоны (протоны + нейтроны). Число нейтронов N = A - Z.
3. Альфа-распад: вылетает ⁴₂He (A уменьшается на 4, Z уменьшается на 2).
4. Бета-распад: вылетает электрон ⁰_-1e (A не меняется, Z увеличивается на 1).
5. При решении реакций верхние и нижние индексы слева и справа обязательно равны.

Готов проверить свои силы на реальных вопросах из банка ФИПИ? Переходи в личный кабинет, чтобы зарегистрироваться и бесплатно решить 5 заданий по квантовой физике с моментальной проверкой ответов.