1. Опыт Резерфорда

Определения и обозначения

Опыт Резерфорда — исследование рассеяния альфа-частиц при прохождении через тонкую металлическую фольгу. Учёные наблюдали, что большинство частиц летело почти прямо, а некоторые отклонялись, иногда очень сильно. Так проверяли модель атома, в которой положительный заряд распределён по всему его объёму. Опыт помог выяснить, где на самом деле сосредоточен этот заряд.

Альфа-частица — положительно заряженная частица, которую в опыте направляли на фольгу как зонд для исследования атомов. Зондом называют объект, по изменению движения которого судят о свойствах того, что он исследует. Поскольку альфа-частица заряжена, электрическое взаимодействие с атомами может изменить её траекторию. Поэтому наблюдение за её полётом даёт сведения о распределении заряда.

Атомное ядро — малая центральная часть атома, в которой сосредоточены его положительный заряд и почти вся масса. Ядро намного меньше всего атома, но именно близкий пролёт возле него способен сильно изменить движение альфа-частицы. Это понятие объясняет одновременно редкость сильных отклонений и их значительную величину. Электроны находятся вне ядра.

Ядерная модель атома — представление об атоме как о компактном положительно заряженном ядре и окружающих его электронах. Слово «компактный» здесь означает, что ядро занимает очень малую область по сравнению с размером атома. Такая модель объяснила результаты рассеяния, которые не укладывались в прежние представления о распределении заряда. Однако она ещё не описывала полностью движение электронов и устойчивость атома.

Как это устроено

В установке источник испускал альфа-частицы и направлял их на тонкую золотую фольгу. Золото выбрали, в частности, потому, что из него можно изготовить очень тонкий лист, через который частицы могли пройти. Вокруг фольги располагали экран, отмечавший места попаданий частиц. Благодаря его расположению можно было заметить не только частицы, прошедшие вперёд, но и отклонившиеся в стороны или назад.

До опыта учёные представляли атом иначе: положительный заряд мог быть распределён по всему объёму, а электроны находились внутри этой области. Если такая модель верна, пролетающая альфа-частица должна испытывать воздействие распределённого заряда, а не встречать отдельную компактную область сильного отталкивания. Поэтому важно было измерить не просто, проходит ли частица через фольгу, а насколько меняется направление её движения. Распределение попаданий на экране позволяло проверить модель.

Наблюдения показали, что большинство альфа-частиц проходило сквозь фольгу почти без отклонения. Если бы вещество заполняло весь объём атома плотной преградой, частицы гораздо чаще сталкивались бы с ней и меняли направление. Почти прямой полёт означает, что внутри атома мало областей, способных заметно воздействовать на частицу. Отсюда следует, что большая часть объёма атома практически пуста.

Небольшая доля частиц отклонялась на большие углы, а некоторые возвращались назад. Такое могло произойти, если частица пролетала очень близко к маленькой, но массивной области атома. Эта область и альфа-частица имеют положительный заряд, поэтому между ними действует кулоновское отталкивание: чем ближе пролёт, тем сильнее меняется траектория. Большие отклонения редки, потому что вероятность близко пройти к ядру мала.

Резерфорд заключил, что атом имеет компактное положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся его масса, а вокруг находятся электроны. Сочетание редких сильных отклонений с почти прямым полётом большинства частиц позволило сформулировать ядерную модель атома. Она объяснила результаты опыта и показала, что прежняя модель распределённого положительного заряда неверна. Однако сам опыт не объяснил, почему атом устойчив и как именно движутся электроны.

Наблюдения в опыте Резерфорда и выводы о строении атома

Читайте таблицу от наблюдаемого результата к его объяснению: сначала выясните, что происходило с частицами, затем — какое взаимодействие могло это вызвать. Самый важный вывод получается из сочетания частых малых отклонений с очень редкими большими. Одно наблюдение без остальных не даёт полной картины строения атома.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Опишите установку опыта Резерфорда и укажите, какую роль выполняла каждая её основная часть. Чтобы ответить, нужно связать устройство установки с тем, какие данные требовалось получить. Важны источник, фольга и экран.

1. Источник создавал и направлял поток альфа-частиц на исследуемый материал.
2. Тонкая золотая фольга служила преградой, через которую частицы проходили, взаимодействуя с атомами вещества.
3. Экран вокруг фольги отмечал места попадания частиц, поэтому по ним определяли, прошла частица прямо или отклонилась.

Ответ. Источник давал поток альфа-частиц, золотая фольга обеспечивала их прохождение через атомы вещества, а окружающий экран регистрировал направления вылета. Экран размещали вокруг фольги, чтобы обнаружить частицы, отклонённые не только вперёд, но и в стороны или назад. По распределению попаданий судили о строении атома.

Задача 2

Условие. Большинство альфа-частиц прошло сквозь фольгу без заметного отклонения. Какой вывод о строении атома следует из этого наблюдения? Не нужно сразу заключать, что атом вообще не влияет на частицы: некоторые из них всё же отклонялись. Следует объяснить, почему почти прямой полёт наблюдался чаще всего.

1. Частицы не встречали на пути плотную преграду, равномерно заполняющую весь атом.
2. Значит, область атома, способная заметно изменить движение альфа-частицы, занимает малую долю его объёма.
3. Следовательно, большая часть объёма атома практически пуста, а заметное взаимодействие происходит лишь при определённом пролёте.

Ответ. Большинство атомного объёма не занято компактной областью, которая сильно воздействует на альфа-частицы. Поэтому частицы обычно проходят почти прямо. Само по себе это наблюдение говорит о разреженном строении атома, а существование ядра подтверждается также редкими большими отклонениями.

Задача 3

Условие. Некоторые альфа-частицы после прохождения через фольгу сильно отклонились или полетели обратно. Объясните результат и сформулируйте вывод о ядре. В объяснении нужно учесть заряды частиц и то, что сильное отклонение было редким. Тогда наблюдение подскажет не только свойства взаимодействия, но и размер области, которая его вызывает.

1. Альфа-частица и ядро положительно заряжены, поэтому они отталкиваются, а не притягиваются.
2. При близком пролёте сила отталкивания велика и может значительно изменить направление движения частицы или развернуть её назад.
3. Таких случаев мало, следовательно, область сильного воздействия занимает малую часть объёма атома; поскольку она вызывает резкое отклонение, она должна быть компактной и массивной.

Ответ. Сильное рассеяние вызвано кулоновским отталкиванием альфа-частицы от близко расположенного положительного ядра. Редкость таких случаев показывает, что ядро очень мало по сравнению с атомом. В ядре сосредоточена почти вся масса атома.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что все альфа-частицы отклонялись одинаково. Так могут думать, если запомнить только слово «рассеяние», не учитывая распределение частиц на экране. На деле большинство проходило почти прямо, а большие отклонения были редкими; проверяйте себя вопросом, какая часть частиц отклонялась сильнее всего.

• Ошибка: объяснять отклонение притяжением альфа-частицы к ядру. Путаница возникает, если не проверять знаки зарядов взаимодействующих тел. Оба заряда положительны, значит, действует отталкивание; перед объяснением всегда назовите знаки зарядов.

• Ошибка: представлять ядро крупной частью атома. Сильное воздействие может показаться признаком большого размера, но крупная область чаще встречалась бы на пути частиц. Редкость резких отклонений указывает на малый размер ядра; сверяйте объяснение с долей отклонившихся частиц.

• Ошибка: утверждать, что опыт объяснил устойчивость атома. Ядерная модель объясняет рассеяние, но не решает все вопросы о движении электронов. Проверьте себя: если вывод касается устойчивости или полного описания электронов, для него нужны дополнительные физические идеи.

Связь с другими темами

Чтобы понять опыт, нужно знать, что атом состоит из заряженных частиц, а одноимённые заряды отталкиваются. Эти сведения позволяют объяснить, почему положительная альфа-частица меняет направление при близком пролёте к положительному ядру. Без учёта знаков зарядов наблюдение на экране нельзя связать с конкретным взаимодействием.

Ядерная модель стала основой дальнейшего изучения атомного ядра и развития представлений о строении атома. При этом вопросы о движении электронов и устойчивости потребовали новых моделей и идей квантовой физики. Поэтому опыт Резерфорда — важный шаг, но не окончательное объяснение всех свойств атома.

Что запомнить

• В опыте альфа-частицы направляли на тонкую металлическую фольгу.
• Большинство частиц проходило сквозь фольгу почти без отклонения.
• Редкие большие отклонения свидетельствовали о существовании компактного ядра.
• Ядро имеет положительный заряд и содержит почти всю массу атома.
• Большая часть объёма атома практически пуста.
• Опыт Резерфорда привёл к ядерной модели атома.