МКТ (нет в 2026) — Задание 21 ЕГЭ по физике №00016563

Внутри стеклянной колбы — тонкая вольфрамовая нить, раскалённая током примерно до $2500$–$3000$ К. Со временем на стекле появляется чёрный налёт, нить худеет и перегорает. Нужно объяснить, откуда налёт и почему помогает газ в колбе.

Шаг 1 — откуда налёт. Атомы в нити всё время колеблются, и чем выше температура, тем больше их энергия. При таком сильном накале часть атомов на поверхности получает достаточно энергии, чтобы оторваться от нити: вольфрам испаряется прямо из твёрдого состояния, это называется сублимацией. В вакуумной лампе на пути атомов ничего нет, они долетают до холодного стекла, оседают на нём и постепенно образуют тёмный металлический налёт.

Шаг 2 — почему нить перегорает. Нить теряет атомы и становится тоньше, причём неравномерно. У тонкого участка сопротивление больше, при том же токе там выделяется больше теплоты (закон Джоуля–Ленца), он нагревается сильнее и испаряется ещё быстрее. В конце концов нить в этом месте рвётся.

Шаг 3 — зачем газ. Если колба заполнена газом, оторвавшийся атом вольфрама почти сразу сталкивается с молекулами газа. Он уже не летит к стеклу по прямой, а блуждает, меняя направление после каждого столкновения, — это диффузия, и она идёт гораздо медленнее свободного полёта. Многие атомы, поблуждав возле нити, возвращаются и оседают на ней обратно. Нить теряет вещество медленнее, налёт растёт медленнее, лампа служит дольше.

Шаг 4 — почему газ тяжёлый и инертный. Инертный газ (аргон, криптон) не вступает в химические реакции с раскалённым вольфрамом, иначе нить разрушалась бы ещё быстрее. А чем тяжелее молекулы газа, тем медленнее в нём диффундируют атомы вольфрама и тем больше их возвращается на нить.

Какие закономерности здесь работают: тепловое движение атомов и сублимация при высокой температуре, конденсация на холодной поверхности, диффузия атомов в газе, закон Джоуля–Ленца.