2. Планетарная модель атома

Определения и обозначения

Планетарная модель атома — модель, в которой почти вся масса атома сосредоточена в малом положительно заряженном ядре, а электроны находятся вокруг него. Её называют планетарной из-за сходства с движением планет вокруг Солнца. Модель нужна, чтобы связать строение атома с результатами рассеяния частиц.

Атомное ядро — центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Размер ядра намного меньше размера атома. Это понятие объясняет, почему редкие альфа-частицы испытывают очень сильное отталкивание.

Альфа-частица — положительно заряженная частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов. В опытах Резерфорда она служила зондом, то есть частицей для исследования внутреннего строения атома. По её отклонению можно было судить о распределении заряда и массы внутри фольги.

Опыт Резерфорда — опыт по рассеянию альфа-частиц на тонкой металлической фольге. Рассеянием называют изменение направления движения частиц после взаимодействия с веществом. Результаты опыта привели к выводу о существовании компактного атомного ядра.

Как это устроено

Для исследования атома выбрали быстрые альфа-частицы, потому что они способны проникать в вещество и заметно отклоняются электрическим полем заряженных частиц. Фольгу сделали тонкой, чтобы частица встречалась главным образом с одним атомом, а не проходила через множество слоёв. Это уменьшает вероятность многократных столкновений и позволяет связать наблюдаемое отклонение с отдельным взаимодействием.

Большинство альфа-частиц прошло сквозь фольгу почти без отклонения, некоторые изменили направление, а очень немногие отразились назад. Такое распределение нельзя считать случайной особенностью отдельных частиц: оно показывает, что большая часть пространства атома свободна. Редкие сильные отклонения возникают только при достаточно близком пролёте возле области, где сосредоточен заряд.

Результат опыта противоречил модели Томсона, в которой положительный заряд был равномерно распределён по всему атому, а электроны находились внутри этого «положительного облака». В такой модели слабое воздействие могло немного изменить путь альфа-частицы, но не придать ей движение назад. Для сильного отклонения нужен компактный источник значительной силы отталкивания.

Резерфорд предположил, что положительный заряд и почти вся масса атома собраны в очень малом ядре, а электроны находятся вокруг него. При пролёте далеко от ядра альфа-частица почти не меняет направление, поэтому таких случаев большинство. При близком пролёте кулоновское отталкивание становится сильным, а почти лобовое приближение может привести к отражению.

Планетарная модель стала важным шагом, но не завершённым описанием атома. По классической электродинамике электрон, движущийся по орбите, должен излучать энергию, уменьшать радиус орбиты и падать на ядро. Модель также не объяснила линейчатые спектры, то есть появление света только на определённых частотах.

Модели строения атома и выводы опыта Резерфорда

Таблица помогает отделить исходную модель Томсона от выводов, сделанных после опыта Резерфорда. Сначала смотрят, где расположены заряд и масса, затем проверяют, какие углы рассеяния это может объяснить. Последние две строки описывают не отдельные модели, а наблюдаемые результаты опыта и их смысл.

Разбор задач

Наблюдения и вывод о строении атома

Условие. Опишите наблюдения в опыте Резерфорда и сформулируйте вывод о строении атома. Нужно связать результат эксперимента с распределением вещества внутри атома.

1. Отмечаем, что большинство альфа-частиц прошло через фольгу почти прямо.
2. Делаем вывод: частицы редко встречают область, способную сильно изменить их движение, значит, атом в основном пуст.
3. Учитываем редкие отклонения и отражения: они указывают на маленькую область с положительным зарядом и большой массой.

Ответ. Атом преимущественно пуст, а положительный заряд и почти вся его масса сосредоточены в небольшом ядре; электроны находятся вокруг него.

Причина больших отклонений

Условие. Объясните, почему небольшое число альфа-частиц отклонялось на большие углы, а некоторые возвращались назад. Рассмотрите взаимодействие двух положительно заряженных объектов.

1. Альфа-частица имеет положительный заряд, и ядро также положительно заряжено.
2. Поэтому при сближении между ними действует кулоновское отталкивание, причём при малом расстоянии оно особенно велико.
3. Если частица проходит рядом с ядром, её траектория резко искривляется, а при почти лобовом приближении направление движения может измениться на противоположное.

Ответ. Большие углы рассеяния и отражение возникают из-за сильного отталкивания альфа-частицы компактным положительным ядром.

Сравнение размеров атома и ядра

Условие. Оцените, во сколько раз диаметр атома превышает диаметр ядра, если они равны 10⁻¹⁰ м и 10⁻¹⁵ м. Требуется найти отношение размеров.

1. Записываем отношение: 10⁻¹⁰ м : 10⁻¹⁵ м.
2. При делении степеней десяти показатели вычитаются: 10⁻¹⁰ / 10⁻¹⁵ = 10⁵.
3. Единицы измерения сокращаются, поэтому результат остаётся безразмерным.

Ответ. Диаметр атома примерно в 10⁵ раз, то есть в 100 000 раз, больше диаметра ядра.

Типичные ошибки

Ядро занимает значительную часть объёма атома. Так думают, потому что ядро содержит почти всю массу, но масса и объём распределены неодинаково. Проверка: сравните размеры 10⁻¹⁰ м и 10⁻¹⁵ м — между ними пять порядков.

Все альфа-частицы отклоняются одинаково. Ошибка возникает при чрезмерном упрощении картины рассеяния. Проверка: вспомните три результата опыта — большинство проходит прямо, некоторые отклоняются, единичные отражаются.

Ядро отрицательно или электроны находятся внутри него. Такое утверждение меняет сам смысл планетарной модели. Проверка: одноимённые заряды альфа-частицы и ядра отталкиваются, поэтому ядро положительно, а электроны расположены вокруг него.

Планетарная модель полностью описывает атом. Она успешно объясняет рассеяние альфа-частиц, но противоречит классическому объяснению устойчивых орбит и не описывает линейчатые спектры. Проверка: разделяйте экспериментальный успех модели и её ограничения.

Связь с другими темами

До изучения планетарной модели нужны знания о составе атома, электрических зарядах и законе Кулона. Именно кулоновское взаимодействие объясняет изменение направления альфа-частиц возле ядра. Без понимания знаков зарядов трудно правильно объяснить отталкивание.

Тема связана с движением заряженных частиц в электрическом поле и с рассеянием частиц. По траектории частицы можно судить о силе и расположении источника поля. Такой подход применяется не только в физике атома, но и в ядерных исследованиях.

Планетарная модель подводит к квантовым моделям атома. Их появление связано с необходимостью объяснить устойчивость атомов, уровни энергии и линейчатые спектры. Поэтому ограничения модели Резерфорда становятся основой для дальнейшего изучения квантовой физики.

Что запомнить

• Большинство альфа-частиц проходит через тонкую фольгу почти без отклонения.
• Сильные отклонения альфа-частиц редки.
• Положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в ядре.
• Размер ядра намного меньше размера атома.
• Электроны находятся вокруг ядра.
• Планетарная модель не объясняет устойчивость атома и линейчатые спектры.