"Физика (Базовый и углубленный уровни)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Планетарная модель представляет атом как систему с маленьким положительно заряженным ядром и электронами, движущимися вокруг него. Она возникла после опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц на тонкой фольге: большинство частиц прошло почти прямо, а редкие отклонились на большие углы. Так установили, что атом в основном пуст, а почти вся его масса и положительный заряд сосредоточены в ядре. Однако классическая модель не объясняет устойчивость атома и его линейчатые спектры.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Планетарная модель атома — модель, в которой электроны движутся вокруг положительно заряженного ядра подобно планетам вокруг Солнца. Она наглядно показывает разделение атома на центральную область и окружающие её электроны. Модель нужна для объяснения результатов опыта Резерфорда.
Ядро атома — компактная центральная область атома, имеющая положительный заряд и содержащая почти всю его массу. Оно состоит из протонов и нейтронов, тогда как электроны намного легче. Понятие ядра помогает понять, почему атом при малых размерах имеет значительную массу.
α-частица — положительно заряженная частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов. По составу это ядро атома гелия, поэтому α-частица значительно тяжелее электрона. Именно её использовали как быстрый «зонд» внутреннего строения атома.
Рассеяние α-частиц — изменение направления движения α-частиц при прохождении через вещество. По углам и частоте отклонений можно судить о том, где находятся заряд и масса внутри атома. В опыте Резерфорда этот метод привёл к открытию атомного ядра.
В опыте Резерфорда источник испускал поток α-частиц, который направляли на очень тонкую металлическую фольгу. Вокруг фольги располагался экран, регистрировавший вспышки при попадании частиц. Сравнивая направления вспышек с первоначальным направлением пучка, определяли, насколько частицы отклонились.
Большинство α-частиц проходило сквозь фольгу почти без отклонения. Это происходило потому, что ядро занимает ничтожную часть объёма атома, а электрон не может заметно отклонить тяжёлую α-частицу. Значит, внутри атома большая часть пространства практически свободна от плотного вещества.
Небольшая доля частиц отклонялась на заметные углы. Причина — электрическое отталкивание между положительной α-частицей и положительным зарядом, сосредоточенным в атоме. Чем ближе частица пролетала к области этого заряда, тем сильнее менялось её направление.
Особенно удивительными были редкие случаи отклонения на большие углы и возвращения частиц назад. Такое изменение невозможно объяснить слабым воздействием распределённого по всему атому заряда. Оно указывает на близкое столкновение с малой, тяжёлой и положительно заряженной областью — ядром.
Из этих наблюдений сложилась планетарная модель: электроны окружают ядро, а размеры ядра намного меньше размеров атома. Ядро содержит почти всю массу, поскольку протоны и нейтроны гораздо тяжелее электронов. Но модель оказалась неполной: по классической электродинамике электрон на орбите движется с ускорением и должен излучать энергию, постепенно приближаясь к ядру.
| Наблюдение | Вывод |
|---|---|
| Большинство α-частиц проходит через фольгу почти без отклонения | Атом в основном состоит из пустого пространства |
| Небольшая часть α-частиц отклоняется на заметные углы | Положительный заряд атома сосредоточен в небольшой области |
| Очень редкие α-частицы отклоняются на большие углы или возвращаются назад | Ядро мало по сравнению с атомом и содержит почти всю его массу |
Таблицу удобно читать слева направо: сначала устанавливают наблюдаемый факт, затем связывают его с особенностью строения атома. Чем реже событие и чем сильнее отклонение, тем более компактной должна быть область, вызвавшая его. Совокупность всех строк, а не одно наблюдение, приводит к ядерной модели.
При прохождении через тонкую фольгу почти все α-частицы не меняют направления. Требуется сделать вывод о строении атома. Нужно связать редкость сильных взаимодействий с распределением вещества внутри атома.
Ответ: атом в основном состоит из пустого пространства, а его плотная часть — ядро — очень мала.
Небольшое число α-частиц отклоняется на большие углы. Нужно объяснить, почему это несовместимо с моделью равномерно распределённого положительного заряда. Сравним, какое воздействие давали бы равномерный заряд и компактная область.
Ответ: резкие отклонения указывают на компактное положительно заряженное ядро и противоречат модели равномерного распределения заряда.
Радиус атома примерно равен 10⁻¹⁰ м, а радиус ядра в 10⁵ раз меньше. Требуется найти радиус ядра и объяснить согласование результата с планетарной моделью.
Ответ: радиус ядра примерно равен 10⁻¹⁵ м. Такое соотношение подтверждает, что электроны окружают компактное ядро, а большая часть объёма атома свободна.
Ошибка — считать, что электроны и ядро имеют сравнимые размеры. Её допускают из-за схематичных изображений атома, где части стремятся показать крупнее для наглядности. Проверить себя можно сравнением масштабов: радиус ядра намного меньше радиуса атома.
Ошибка — объяснять редкие большие отклонения столкновениями с электронами. Электрон слишком лёгок по сравнению с α-частицей и не может существенно изменить её направление. Нужно искать причину сильного отклонения в отталкивании от тяжёлого положительного ядра.
Ошибка — утверждать, что опыт Резерфорда непосредственно показал траектории электронов. В опыте регистрировали рассеяние α-частиц, а не движение электронов. Правильный вывод относится к распределению заряда и массы внутри атома.
Ошибка — считать планетарную модель полной и непротиворечивой. Она успешно объясняет рассеяние α-частиц, но классическая физика предсказывает потерю энергии электроном на орбите. Если модель объясняет один ряд фактов, это ещё не означает, что она объясняет устойчивость атома.
Для понимания темы нужны представления о ранних моделях строения атома и о взаимодействии электрических зарядов. Особенно важно знать, что одноимённые заряды отталкиваются, а сила воздействия зависит от расстояния между ними.
Планетарная модель стала переходом к квантовой модели атома. Её противоречия подводят к изучению спектров излучения, постулатов Бора и квантовых состояний электронов.
Как опыт Резерфорда помог открыть атомное ядро?
Резерфорд направил поток α-частиц на тонкую металлическую фольгу и наблюдал направления их движения после прохождения. Большинство частиц отклонялось слабо, но некоторые резко меняли направление или возвращались назад. Это означало, что положительный заряд и почти вся масса сосредоточены в очень малой области — атомном ядре.
Почему большинство α-частиц проходит через фольгу без отклонения?
Размер ядра намного меньше размера атома, поэтому вероятность близкого попадания α-частицы в ядро мала. При движении через остальную часть атома частица почти не встречает массивной области, способной сильно изменить её направление.
Почему некоторые α-частицы резко меняют направление?
Такие частицы пролетают достаточно близко к положительно заряженному ядру и испытывают сильное электрическое отталкивание. Чем меньше расстояние до ядра, тем больше изменение направления движения.
Чем планетарная модель отличается от модели Томсона?
В модели Томсона положительный заряд был равномерно распределён по всему атому, а электроны находились внутри этого распределения. Планетарная модель помещает положительный заряд и почти всю массу в компактное ядро, вокруг которого движутся электроны.
Почему планетарная модель не объясняет устойчивость атома?
По классической электродинамике электрон, движущийся по криволинейной орбите, должен излучать энергию. Теряя энергию, он постепенно приближался бы к ядру, поэтому атом не мог бы существовать устойчиво. Для объяснения этого противоречия нужна квантовая модель.
2. Планетарная модель атома
