1. Опыт Резерфорда

Определения и обозначения

Альфа-частица — положительно заряженная частица, которой облучали фольгу. Её заряд имеет знак «плюс», поэтому при приближении к положительному ядру возникает отталкивание. В опыте она служит своеобразным зондом: по изменению её движения судят о распределении заряда внутри атома.

Опыт Резерфорда — эксперимент по рассеянию альфа-частиц на тонкой металлической фольге. В установку входили радиоактивный источник, устройство для формирования узкого пучка, фольга и экран для регистрации частиц. Опыт был нужен, чтобы проверить представления о внутреннем строении атома.

Рассеяние альфа-частиц — изменение направления их движения при прохождении через фольгу. Малое отклонение означает слабое воздействие, а большой угол указывает на очень близкое приближение к заряженной области. Это понятие связывает наблюдаемую картину на экране с устройством атома.

Атомное ядро — компактная положительно заряженная центральная часть атома. В нём сосредоточены почти вся масса атома и его положительный заряд, тогда как электроны образуют оболочку. Такое строение стало главным выводом из наблюдений Резерфорда.

Как это устроено

Радиоактивный источник испускал альфа-частицы, но они двигались в разных направлениях. Поэтому из потока выделяли узкий пучок и направляли его на тонкую металлическую фольгу. За фольгой размещали экран, на котором отмечались места попадания частиц. По распределению вспышек под разными углами можно было понять, как частицы взаимодействуют с атомами.

Фольгу делали тонкой, чтобы частица не успевала многократно столкнуться с атомами на длинном пути. Иначе несколько последовательных отклонений смешались бы, и было бы трудно определить причину результата. Тонкий слой оставлял главным образом один существенный акт рассеяния. Поэтому связь между траекторией частицы и строением отдельного атома становилась заметнее.

Экран со сцинтилляциями позволял регистрировать отдельные попадания: каждая альфа-частица вызывала на нём краткую вспышку. Это было особенно важно, потому что сильные отклонения встречались крайне редко. Наблюдатель мог подсчитать вспышки в разных областях экрана и сравнить число частиц, летевших прямо и под углом. Так случайные единичные события превращались в статистическую картину.

Большинство альфа-частиц проходило через фольгу почти без изменения направления, часть отклонялась на небольшие углы. Очень немногие частицы испытывали сильное отклонение, а некоторые возвращались в сторону источника. Такая картина означала, что атом в основном прозрачен для быстрых частиц, но иногда они встречают очень компактную область сильного взаимодействия.

Модель с равномерно распределённым положительным зарядом могла объяснить лишь слабые отклонения. Распределённое по большому объёму воздействие не создало бы резкого сильного отталкивания для тяжёлой быстрой альфа-частицы. Резкие повороты становятся возможными, если положительный заряд и почти вся масса сосредоточены в малом ядре. При близком пролёте кулоновское отталкивание велико, а далеко от ядра оно почти не меняет направление.

Наблюдения в опыте Резерфорда и их объяснение

Таблицу удобно читать слева направо: сначала определить наблюдаемое событие, затем оценить его распространённость и найти физическую причину. Чем меньше доля частиц, тем реже траектория проходит в области сильного взаимодействия. Главное доказательство существования ядра дают не обычные, а редкие большие отклонения.

Разбор задач

Задача 1. Преобладание прямого прохождения

Опишите, как изменится направление пучка, если увеличить число альфа-частиц, прошедших через фольгу почти без отклонения. Нужно связать результат наблюдения со строением атома. Отдельные частицы всё равно могут отклоняться, поэтому речь идёт о направлении основного потока.

1. Большинство частиц проходит через атом, не приближаясь к ядру достаточно близко.
2. Если таких частиц стало больше, возрастает число попаданий прямо напротив источника.
3. Центральное направление пучка выражено сильнее, а доля боковых отклонений относительно уменьшается.

Ответ: основной пучок станет более выраженным и будет направлен почти прямо. Это подтверждает, что большая часть объёма атома не занята компактным ядром. Однако считать все частицы невзаимодействующими нельзя: слабые отклонения сохраняются.

Задача 2. Пролёт около положительного центра

Альфа-частица пролетает близко к положительно заряженному центру атома. Объясните, почему её траектория искривляется и от чего зависит величина отклонения. Нужно определить знак взаимодействующих зарядов и учесть расстояние между ними.

1. Альфа-частица и ядро имеют положительные заряды, поэтому между ними действует кулоновское отталкивание.
2. Сила меняет направление скорости частицы, а значит, её траектория искривляется.
3. При меньшем расстоянии пролёта сила больше, поэтому угол отклонения обычно возрастает; он также зависит от скорости и заряда частицы.

Ответ: траектория искривляется из-за отталкивания альфа-частицы ядром. Чем ближе частица проходит к ядру, тем сильнее воздействие и тем больше отклонение. При большом расстоянии сила слабее, поэтому направление меняется лишь немного.

Задача 3. Сравнение моделей атома

Сравните два предположения: положительный заряд распределён по всему объёму атома или сосредоточен в малой центральной области. Какое предположение объясняет редкие случаи рассеяния альфа-частиц назад? Следует сопоставить предсказание каждой модели с наблюдаемым большим углом отклонения.

1. При равномерном распределении заряда воздействие складывалось бы постепенно и не давало бы резкого обратного отклонения тяжёлой быстрой частицы.
2. Компактное ядро создаёт сильное электрическое поле в малой области пространства.
3. При почти лобовом пролёте альфа-частица получает направленный назад импульс отталкивания.

Ответ: рассеяние назад объясняет модель с малым массивным положительно заряженным ядром. Редкость события показывает, что область сильного взаимодействия занимает очень малую часть атома. Именно сочетание большой силы и малой вероятности стало ключом к выводу Резерфорда.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все альфа-частицы проходят через фольгу без взаимодействия. Так думают из-за того, что большинство частиц летит почти прямо, но слабое воздействие возможно даже без заметного поворота. Проверка проста: учтите также частицы, отклонённые на малые углы.

Ошибка: думать, что возвращение редких частиц опровергает малый размер ядра. Наоборот, малая частота таких событий показывает, что сильное взаимодействие происходит лишь в небольшой области. Спросите себя, почему при большом ядре обратные отклонения не были бы столь редкими.

Ошибка: приписывать отклонение притяжению к ядру. Альфа-частица и ядро положительно заряжены, поэтому действует отталкивание, а не притяжение. Проверяйте знак силы по правилу взаимодействия одноимённых зарядов.

Ошибка: считать, что опыт непосредственно показал траекторию электрона или точный размер ядра. Он прежде всего выявил характер рассеяния и позволил сделать вывод о компактном ядре. Не приписывайте эксперименту сведения, которые из наблюдений напрямую не следуют.

Связь с другими темами

Для понимания опыта нужны знания о ранних моделях атома, составе атома и заряде альфа-частицы. Также необходимо помнить, что одноимённые электрические заряды отталкиваются, а сила взаимодействия зависит от расстояния.

Выводы Резерфорда привели к планетарной модели атома и стали основой дальнейшего изучения атомного ядра. Позднее строение атома уточнялось, но идея компактного ядра сохранила значение.

Рассеяние частиц — общий метод исследования микромира. По изменению движения налетающих частиц учёные получают сведения о размерах, зарядах и внутренней структуре объектов, которые нельзя увидеть непосредственно.

Что запомнить

• В опыте Резерфорда альфа-частицы направляли на тонкую металлическую фольгу.
• Большинство альфа-частиц проходило почти прямо.
• Некоторые частицы отклонялись, а очень немногие рассеивались на большие углы.
• Положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в малом ядре.
• Большую часть объёма атома занимает электронная оболочка.
• Редкие сильные отклонения объясняются близким пролётом альфа-частицы к ядру.