Энергетические и электронные уровни атома: проверочный тест с ответами и пояснениями
Этот тест по теме «Энергетические и электронные уровни атома» содержит выверенные задания с ответами и пояснениями для подготовки к ЕГЭ по физике и химии в 2026 году.
Оглавление
Ключевые факты для решения задач
Для успешного выполнения заданий необходимо опираться на следующие фундаментальные положения:
- Квантовые переходы: При переходе электрона с уровня с большей энергией на уровень с меньшей излучается фотон, энергия которого равна разности энергий этих уровней ($h\nu = E_m - E_n$). Атом поглощает фотон только в том случае, если энергия фотона точно равна разности энергий двух его стационарных уровней.
- Модель Бора и ионизация: Радиус первой стационарной орбиты (боровский радиус) для атома водорода составляет примерно 0,053 нм, а энергия на этом уровне минимальна (основное состояние). Энергия ионизации атома водорода в этом состоянии (n=1) составляет 13,6 эВ.
- Связь величин: Чем больше разность энергий между уровнями, тем больше энергия излученного фотона, выше его частота и короче длина волны.
| Величина | Формула | Зависимость |
|---|---|---|
| Энергия фотона | $E = h\nu = hc / \lambda$ | Прямо пропорциональна частоте, обратно пропорциональна длине волны |
| Разность энергий | $\Delta E = Em - En$ | Чем больше $\Delta E$, тем короче длина волны $\lambda$ излученного фотона |
- Изоэлектронные частицы: Ионы Na⁺ и O²⁻ имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня (1s² 2s² 2p⁶), так как являются изоэлектронными частицами с 10 электронами.
- Электронный «проскок»: Атом хрома (Cr, порядковый номер 24) имеет электронную конфигурацию внешнего уровня 3d⁵ 4s¹ (а не ожидаемую 3d⁴ 4s²) из-за эффекта «проскока» электрона, что обеспечивает энергетически более выгодное состояние с наполовину заполненным d-подуровнем.
- Структура Периодической системы: Номер периода в Периодической системе Д.И. Менделеева соответствует главному квантовому числу (n), то есть числу заполненных электронных уровней атома.
- Правило Хунда: Электроны заполняют вырожденные орбитали (например, три p-орбитали) по одному с параллельными спинами, и только затем начинают спариваться (например, у атома азота 3 неспаренных электрона).
- Валентные электроны d-элементов: Валентными электронами у элементов побочных подгрупп считаются электроны внешнего s-подуровня и предвнешнего d-подуровня.
Проверочный тест с ответами и пояснениями
Вопрос 1 (Физика)
На диаграмме энергетических уровней атома изображен переход электрона с третьего уровня на первый. Что происходит при этом?
Ответ: Атом излучает фотон.
Пояснение: При переходе с уровня с большей энергией на уровень с меньшей энергией атом излучает фотон, энергия которого равна разности энергий этих уровней ($h\nu = E_3 - E_1$).
Вопрос 2 (Физика)
Атом водорода находится в основном состоянии (n=1). Какую минимальную энергию должен иметь фотон, чтобы ионизировать этот атом?
Ответ: 13,6 эВ.
Пояснение: Энергия ионизации атома водорода, находящегося в основном состоянии, составляет 13,6 эВ.
Вопрос 3 (Химия)
Укажите электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня иона Na⁺.
Ответ: 1s² 2s² 2p⁶.
Пояснение: Ион Na⁺ образуется при потере атомом натрия одного внешнего электрона. Он становится изоэлектронным с атомом неона и ионом O²⁻, имея 10 электронов с конфигурацией 1s² 2s² 2p⁶.
Вопрос 4 (Химия)
Какая электронная конфигурация внешнего уровня соответствует атому хрома (Cr) в основном состоянии?
Ответ: 3d⁵ 4s¹.
Пояснение: У атома хрома (порядковый номер 24) наблюдается явление «проскока» электрона: один электрон с 4s-подуровня переходит на 3d-подуровень, так как состояние с наполовину заполненным d-подуровнем энергетически более выгодно.
Вопрос 5 (Химия)
Сколько валентных электронов имеет атом железа (Fe) в основном состоянии?
Ответ: 8.
Пояснение: Железо — d-элемент (побочная подгруппа). Его валентными электронами считаются электроны внешнего s-подуровня и предвнешнего d-подуровня. Конфигурация внешнего уровня: 3d⁶ 4s². Сумма электронов: 6 + 2 = 8.
Вопрос 6 (Физика)
При переходе электрона между двумя уровнями излучился фотон с длиной волны $\lambda$. Если разность энергий между этими уровнями увеличить в 2 раза, как изменится длина волны излученного фотона?
Ответ: Уменьшится в 2 раза.
Пояснение: Согласно формуле $\lambda = hc / \Delta E$, длина волны обратно пропорциональна разности энергий. При увеличении $\Delta E$ в 2 раза длина волны $\lambda$ уменьшается в 2 раза.
Частые ошибки
Важно для ионов переходных металлов: при образовании катионов (например, Fe²⁺ или Fe³⁺) электроны сначала удаляются с внешнего s-подуровня (4s), и только затем с d-подуровня (3d).
- Путаница направления стрелок на диаграмме уровней (физика): Стрелка вверх всегда означает поглощение энергии атомом (переход на более высокий уровень), стрелка вниз — излучение фотона (переход на более низкий уровень).
- Неверный подсчет валентных электронов у d-элементов (химия): Необходимо суммировать электроны ns и (n-1)d подуровней, обязательно помня об исключениях «проскока» (Cr, Cu).
FAQ
В: Почему атом поглощает фотон не любой энергии?
О: Атом поглощает фотон только в том случае, если энергия фотона точно равна разности энергий двух его стационарных уровней. В противном случае квантовый переход невозможен.
В: Как определить номер периода по электронной конфигурации?
О: Номер периода в Периодической системе Д.И. Менделеева соответствует главному квантовому числу (n), то есть числу заполненных электронных уровней атома.
В: Сколько неспаренных электронов у атома азота и почему?
О: У атома азота 3 неспаренных электрона. Согласно правилу Хунда, электроны заполняют вырожденные орбитали (три p-орбитали) по одному с параллельными спинами, и только затем начинают спариваться.