§ 7.2. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Определения и обозначения

Альфа-частица — положительно заряженная частица из двух протонов и двух нейтронов. Её заряд равен +2e, потому что положительный заряд дают два протона, а нейтроны заряда не имеют. Большая масса по сравнению с электроном делает её движение менее чувствительным к столкновениям с лёгкими электронами.

Рассеяние альфа-частиц — изменение направления их движения при прохождении через вещество под действием электрических сил. Положительная альфа-частица отталкивается от положительного ядра и может изменить траекторию. Это явление позволило исследовать внутреннее строение атома.

Угол рассеяния — угол между первоначальным и конечным направлениями движения частицы. Малый угол означает слабое изменение траектории, а большой — сильное взаимодействие с ядром. По этому углу судят о том, насколько близко частица пролетела от ядра.

Атомное ядро — очень малая область атома, содержащая почти всю его массу и положительный заряд. Его размеры во много раз меньше размеров самого атома. Именно существование такой области объясняет редкие отклонения альфа-частиц на большие углы.

Как это устроено

В опыте использовали источник альфа-частиц, тонкую золотую фольгу и экран, покрытый веществом, способным регистрировать попадания. Источник создавал направленный поток быстрых частиц, а фольга служила мишенью из множества атомов. По вспышкам на экране можно было определить, насколько изменилось направление движения каждой частицы.

Модель атома Томсона предполагала, что положительный заряд распределён по всему объёму атома, а электроны находятся внутри него. При прохождении через такую размытую область альфа-частица испытывала бы действие многих слабых сил, которые почти компенсировали бы друг друга. Поэтому ожидались в основном прямой проход и лишь небольшие отклонения, но не резкие повороты.

Наблюдения оказались иными: большинство альфа-частиц проходило через фольгу почти прямо, часть отклонялась на небольшие углы, а очень редкие частицы меняли направление на большие углы. Крайне малое число частиц возвращалось почти назад. Значит, атом воздействует на пролетающую частицу неодинаково в разных областях.

Большие отклонения возможны только при встрече с сильным электрическим полем. Если положительный заряд был бы распределён по всему атому, поле нигде не оказалось бы достаточно сильным для обратного рассеяния. Следовательно, заряд сосредоточен в очень малой области, а почти вся масса находится там же: только массивное ядро может заметно изменить движение тяжёлой альфа-частицы.

Так возникла планетарная ядерная модель: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого движутся электроны. Она объяснила результаты опыта и показала, что большая часть объёма атома свободна от массивного вещества. Однако классическая модель не объясняла устойчивость атома и его спектры, поэтому позднее потребовалась квантовая физика.

Наблюдения в опыте Резерфорда и выводы о строении атома

Таблицу удобно читать слева направо: сначала рассматривают наблюдаемое отклонение, затем его относительную частоту. Последний столбец показывает, какой вывод о строении атома следует из результата. Чем больше угол, тем ближе частица подошла к компактному ядру.

Разбор задач

Почему большинство альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу не изменяет направление движения?

Условие: объяснить почти прямолинейный проход большинства частиц через фольгу. Нужно связать результат с размерами ядра и атома.

1. Ядро занимает ничтожную часть объёма атома.
2. Поэтому случайная альфа-частица обычно проходит далеко от ядра и находится в области слабого электрического поля.
3. Кулоновская сила там мала, поэтому траектория меняется незначительно.

Ответ: большинство частиц проходит почти прямо, потому что вероятность близкого пролёта около крошечного ядра мала.

Две альфа-частицы имеют одинаковую энергию. Первая пролетает близко к ядру, а вторая — на большем расстоянии от него. Какая частица отклонится сильнее?

Условие: сравнить углы рассеяния двух частиц при одинаковой энергии. Отличается только расстояние от траектории до ядра.

1. Обе частицы положительны, как и ядро, поэтому испытывают кулоновское отталкивание.
2. Сила взаимодействия увеличивается при уменьшении расстояния между зарядами.
3. Первая частица получает более сильное боковое изменение импульса и отклоняется на больший угол.

Ответ: сильнее отклонится первая альфа-частица, пролетевшая ближе к ядру.

В эксперименте обнаружено, что одна из большого числа альфа-частиц отклонилась почти на 180°. Какой вывод о строении атома следует из этого факта?

Условие: объяснить редкое обратное рассеяние частицы. Угол около 180° означает почти полную смену направления движения.

1. Для такого поворота нужно очень сильное отталкивание.
2. Оно возникает при почти прямом пролёте около малого положительного центра.
3. Редкость события показывает, что этот центр занимает ничтожную часть атомного объёма, а большая масса позволяет ему сильно изменить движение частицы.

Ответ: в атоме существует компактное массивное положительно заряженное ядро.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что альфа-частицы отклоняются главным образом электронами. Так думают, забывая о малой массе электронов и слабом изменении импульса тяжёлой альфа-частицы. Проверка: большие углы нужно связывать с массивным положительным ядром.

Ошибка 2. Утверждать, что все частицы отклоняются на большие углы. Ошибка возникает, если забыть, что ядро занимает ничтожную часть атомного объёма. Проверка: сопоставьте частоту события с вероятностью близкого пролёта.

Ошибка 3. Путать рассеяние с поглощением. При рассеянии частица обычно продолжает движение, но меняет направление, тогда как при поглощении она перестаёт вылетать дальше. Проверка: ищите в условии или описании именно изменение траектории.

Ошибка 4. Говорить, что атом полностью пуст. Правильнее утверждать, что почти весь его объём свободен от массивного вещества, поскольку масса и положительный заряд сосредоточены в ядре. Проверка: не исключайте из описания само ядро и электроны.

Связь с другими темами

Для понимания опыта нужны знания о строении атома, электрическом заряде и кулоновском взаимодействии. Также важно представлять движение заряженной частицы в электрическом поле. Эти идеи объясняют направление и величину отклонения.

Опыт Резерфорда стал экспериментальным основанием ядерной модели атома. На этой основе изучают радиоактивность, ядерные реакции и физику элементарных частиц. Без понятия ядра эти темы трудно связать в единую картину.

Результаты опыта связаны с последовательным развитием моделей атома Томсона, Резерфорда и Бора. Модель Бора добавила квантовые условия движения электронов. Современная физика развивает эти представления дальше.

Что запомнить

• Альфа-частицы имеют положительный заряд и большую массу.
• В опыте альфа-частицы направляли на тонкую золотую фольгу.
• Большинство частиц проходит через фольгу почти без отклонения.
• Небольшая часть частиц отклоняется на малые или большие углы.
• Очень редкое обратное рассеяние доказывает существование компактного ядра.
• Почти вся масса атома и его положительный заряд сосредоточены в ядре.
• Большая часть объёма атома приходится на пространство вне ядра.