1. Опыт Резерфорда

Определения и обозначения

Опыт Резерфорда — эксперимент по рассеянию альфа-частиц при прохождении через тонкую золотую фольгу. Его цель состояла в том, чтобы по движению частиц выяснить, как устроен атом изнутри. Опыт стал проверкой существовавших представлений о распределении заряда и вещества в атоме.

Рассеяние альфа-частиц — изменение направления движения частиц при взаимодействии с веществом. Альфа-частица несёт положительный электрический заряд, поэтому на её траекторию могут влиять заряженные части атомов. По величине и направлению отклонения можно судить о том, насколько близко частица пролетела от источника электрического поля.

Атомное ядро — небольшая положительно заряженная центральная часть атома, содержащая почти всю его массу. Оно занимает малую долю атомного объёма, но сильно воздействует на близко пролетающую альфа-частицу. Понятие ядра помогает объяснить и редкие большие отклонения, и почти прямой путь большинства частиц.

Ядерная модель атома — представление об атоме, согласно которому электроны находятся вокруг компактного положительного ядра. Эта модель объясняет результаты опыта лучше, чем модель равномерно распределённого заряда. Она описывает общий план строения атома, но сама по себе ещё не раскрывает закономерности движения электронов и устойчивости атома.

Как это устроено

Для исследования атома нужны были частицы, способные пройти через вещество и при этом заметно взаимодействовать с зарядами внутри атома. Быстрые альфа-частицы подходят для такой задачи: они имеют положительный заряд и достаточно велики по сравнению с электронами, чтобы их траектория существенно менялась главным образом под действием ядра. Фольгу сделали очень тонкой, чтобы частица проходила через малое число атомных слоёв и результат не скрывался множеством последовательных столкновений. Золото удобно ещё и потому, что его можно раскатать в тонкие листы.

В установке источник радиоактивного вещества испускал альфа-частицы, а экран с узкой щелью выделял излучение в направленный пучок. На пути пучка помещали золотую фольгу, а вокруг неё располагали экран, способный регистрировать попадания частиц. Экран позволял заметить, в каких направлениях частицы появлялись после взаимодействия с фольгой. Таким образом, исследователи оценивали не внутреннее устройство атома непосредственно, а следы, оставленные частицами на экране.

По модели Томсона положительный заряд был распределён по всему объёму атома, а электроны находились внутри этой области. Тогда альфа-частица, проходя сквозь атом, испытывала бы сравнительно слабое воздействие, распределённое на протяжённом пути. Поэтому ожидали небольших изменений направления, а не резких поворотов. Такой прогноз делал результаты опыта проверкой именно устройства атома, а не просто свойств фольги.

Наблюдения оказались неодинаковыми для разных частиц: большинство прошло сквозь фольгу почти прямо, но небольшая доля заметно отклонилась. Отдельные частицы изменили направление настолько сильно, что вернулись почти к источнику. Разброс объясняется тем, что частицы пролетали на разном расстоянии от атомных ядер. Чем ближе оказывалась альфа-частица к ядру, тем сильнее было электрическое отталкивание и тем больше становился угол рассеяния.

Почти прямой путь большинства частиц означал, что внутри атома нет плотного вещества, занимающего весь его объём. А большие и обратные отклонения требовали компактной области, в которой сосредоточен положительный заряд и находится почти вся масса атома: только такая область могла сильно изменить движение пролетающей частицы. Поскольку ядро и альфа-частица заряжены положительно, они отталкиваются. Так результаты опыта привели к ядерной модели: маленькое массивное ядро окружено электронами, а основная часть объёма атома практически пуста.

Наблюдения в опыте Резерфорда и выводы о строении атома

Читайте таблицу от наблюдения к выводу: сначала установите, что произошло с частицами, затем определите, какое строение атома может это объяснить. Слабое отклонение характеризует типичный пролёт, а редкие сильные отклонения раскрывают свойства ядра. Сравнение с моделью Томсона показывает, почему одного равномерно распределённого заряда недостаточно для объяснения опыта.

Разбор задач

Почему большинство альфа-частиц прошло через золотую фольгу почти без отклонения?

Условие: нужно объяснить почти прямой путь основной части частиц, прошедших сквозь фольгу. Здесь не требуется считать угол отклонения: достаточно связать наблюдение с размерами частей атома. Важно отделить вывод «атом почти пуст» от неверного вывода «атом состоит только из пустоты».

1. Альфа-частицы проходят через фольгу и взаимодействуют с атомами, из которых она состоит.
2. Ядра занимают очень малую область атома, поэтому большинство частиц пролетает далеко от них.
3. При таком пролёте отталкивание невелико и траектория меняется лишь слабо.

Ответ: большинство частиц прошло почти прямо, потому что вероятность близкого пролёта около ядра мала, а основная часть атомного объёма свободна от ядра. Электроны в атоме есть, поэтому точнее говорить «почти пустой», а не «полностью пустой».

Почему некоторые альфа-частицы отклонились на большие углы?

Условие: объяснить сильное изменение направления части некоторых частиц. Альфа-частицы и ядра имеют положительный заряд, значит, между ними действует отталкивание. Его величина зависит от расстояния: при сближении сила становится намного заметнее.

1. Представим частицу, которая движется не вдали от ядра, а проходит рядом с ним.
2. Положительный заряд ядра отталкивает положительно заряженную альфа-частицу.
3. Чем ближе пролёт, тем сильнее меняется скорость частицы и тем больше угол отклонения.

Ответ: большие углы возникают при близком пролёте мимо ядра из-за кулоновского отталкивания. Частицы, прошедшие далеко от ядра, испытывают гораздо более слабое воздействие. Поэтому отклонение не одинаково для всех альфа-частиц.

Почему возвращение отдельных частиц стало решающим аргументом в пользу ядерной модели?

Условие: оценить значение редких альфа-частиц, которые после попадания в фольгу двигались обратно. Сравним это наблюдение с предсказанием модели Томсона. Если положительный заряд распределён по всему объёму атома, его действие на частицу должно быть плавным и не слишком сильным.

1. При равномерном распределении заряда отдельная небольшая область атома не создавала бы резкого сильного отталкивания.
2. Возврат частицы требует, чтобы её движение очень сильно изменилось за короткое время.
3. Такое изменение объяснимо, если альфа-частица близко проходит от компактной области с большим положительным зарядом и массой.

Ответ: обратное рассеяние противоречило ожиданиям модели Томсона и указывало на очень плотное массивное ядро. Возвращались лишь отдельные частицы, поскольку для этого нужно было особенно близко подлететь к ядру. Это наблюдение стало сильным подтверждением ядерного строения атома.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все альфа-частицы отклоняются одинаково. Так думают, если представляют фольгу как сплошное препятствие с одинаковым воздействием на каждую частицу. На самом деле траектории зависят от расстояния до ядра: далёкий пролёт даёт слабое отклонение, близкий — сильное. Проверьте себя вопросом, одинаково ли близко к ядру пролетали все частицы.

Ошибка: утверждать, что атом полностью пуст. Такой вывод возникает из того, что большинство частиц прошло сквозь фольгу почти прямо. Но в атоме есть ядро и электроны, а слова «почти пуст» описывают соотношение их размеров с объёмом атома. Проверка: можете ли вы объяснить и прямой пролёт, и существование ядра, не исключая электроны?

Ошибка: объяснять отклонение притяжением альфа-частицы к ядру. Путаница появляется, если не учитывать знаки зарядов взаимодействующих частиц. И альфа-частица, и ядро положительны, поэтому они отталкиваются. Проверьте знак зарядов: одинаковые заряды отталкиваются, противоположные притягиваются.

Ошибка: считать, что опыт объяснил устойчивость атома и движение электронов. Опыт показал наличие ядра, но не дал полного описания электронов и их поведения. Можно ошибочно принять ядерную модель за окончательную, потому что она успешно объясняет рассеяние частиц. Проверка проста: отделяйте выводы о строении ядра от вопросов, для которых понадобились постулаты Бора и квантовая модель.

Связь с другими темами

Чтобы понять опыт, нужно знать, что такое атом, электрический заряд и альфа-частицы, а также понимать закон Кулона: сила взаимодействия заряженных частиц зависит от расстояния между ними. Тогда большие углы рассеяния можно связать с близким пролётом около положительного ядра. Ядерная модель подготовила переход к постулатам Бора, уровням энергии и квантовому описанию атома, которые объясняют то, чего опыт сам по себе не раскрывает. Выводы о ядре применяются далее при изучении радиоактивности, ядерной физики и методов исследования микромира.

Что запомнить

• Большинство альфа-частиц проходит через фольгу почти без отклонения.
• Небольшая доля частиц испытывает сильное отклонение.
• Редкие обратные отклонения указывают на компактное массивное ядро.
• Ядро имеет положительный заряд.
• Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
• Основная часть объёма атома практически пуста.
• Опыт Резерфорда стал основанием ядерной модели атома.