§ 29. Строение атома

Определения и обозначения

Атом — электрически нейтральная система, состоящая из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Нейтральность означает, что положительный заряд ядра и суммарный отрицательный заряд электронов взаимно компенсируются. Это определение помогает рассматривать атом как целое, хотя внутри него есть частицы с разными зарядами. Если заряд ядра равен +Ze, то в нейтральном атоме суммарный заряд электронов равен −Ze.

Атомное ядро — компактная центральная часть атома, в которой сосредоточены почти вся его масса и положительный заряд. Оно намного меньше атома, поэтому не следует представлять атом заполненным плотным веществом. Понятие ядра нужно, чтобы объяснить, почему одни альфа-частицы почти не меняют путь, а другие сильно отклоняются. В опыте Резерфорда именно взаимодействие с ядром оказалось причиной редких больших отклонений.

Альфа-частица — положительно заряженная частица, используемая в опытах по исследованию строения атома. Благодаря положительному заряду она отталкивается от положительно заряженного ядра, а изменение её траектории можно наблюдать. Так альфа-частицы служат своего рода зондами: по их рассеянию судят о том, что находится внутри атома. Сильное отклонение означает, что частица прошла близко к области сосредоточения положительного заряда.

Планетарная модель атома — модель, в которой электроны движутся вокруг положительно заряженного ядра. Название связано с наглядным сравнением: электроны изображают обращающимися вокруг центра, подобно планетам вокруг Солнца. Модель показывает, что атом имеет внутреннее устройство, а не является однородным шаром. Она также помогает понять нейтральность атома, но не даёт полного описания поведения электронов.

Как это устроено

В опыте Резерфорда узкий пучок альфа-частиц направляли на тонкую металлическую фольгу, а за ней наблюдали, куда попадают частицы. Их положение после фольги позволяло установить, изменилась ли траектория. Если бы атом был однородным, отклонения должны были бы происходить плавно и незначительно. Поэтому особенно важно было обнаружить не только обычное прохождение, но и редкие необычные результаты.

Большинство альфа-частиц прошло сквозь фольгу почти без отклонения. Причина в том, что атомное ядро занимает очень малую часть объёма атома, и многие частицы пролетают достаточно далеко от него. Электроны тоже входят в состав атома, но их влияние на тяжёлые и быстрые альфа-частицы не приводит к таким заметным резким изменениям. Это наблюдение указывает, что атом нельзя считать сплошной плотной структурой.

Некоторые частицы отклонялись на заметные углы, а очень малое число отражалось назад. Альфа-частицы и ядро заряжены положительно, поэтому при близком сближении они отталкиваются. Чем ближе проходит частица к ядру, тем сильнее меняется её движение; почти лобовое сближение способно развернуть частицу обратно. Редкость таких случаев объясняется тем, что попасть в крошечную область ядра гораздо менее вероятно, чем пролететь мимо.

Совместив частое свободное прохождение и редкие сильные отклонения, Резерфорд пришёл к выводу, что атом в основном пуст. Чтобы объяснить сильное отталкивание альфа-частиц, положительный заряд должен быть собран в малой области, а не распределён равномерно по всему атому. Эта область — ядро; в нём же сосредоточена почти вся масса атома. Маленький размер ядра объясняет, почему взаимодействие с ним испытывает лишь небольшая доля частиц.

Планетарная модель изображает электроны движущимися вокруг положительного ядра. В нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов равен по модулю положительному заряду ядра: если ядро имеет заряд +Ze, электронов Z. Такое равенство объясняет электрическую нейтральность целого атома, но модель не отвечает на все вопросы о его устройстве. В частности, простая картина движения по подобию планетных орбит не объясняет полностью свойства атомов и поведение электронов, поэтому её дополняют квантовыми представлениями.

Опыт Резерфорда и выводы о строении атома

Таблица связывает наблюдаемое поведение частиц с устройством атома: каждый вывод объясняет определённую особенность рассеяния. Сначала сравните, насколько часто происходило явление, затем — насколько сильно менялась траектория. Частое прохождение говорит о малом размере ядра, а редкие большие отклонения — о его концентрированном заряде.

Разбор задач

Наблюдения при прохождении через фольгу

Условие. Опишите, что наблюдалось при прохождении пучка альфа-частиц через тонкую металлическую фольгу. Нужно не только перечислить наблюдения, но и связать их со строением атома. Для этого разделим частицы на три группы по изменению направления.

1. Большинство частиц прошло через фольгу почти прямо. Значит, большая часть объёма атома не занята компактным ядром.
2. Некоторые частицы отклонились на заметные углы. Их оттолкнул положительный заряд ядра при достаточно близком пролёте.
3. Очень немногие частицы развернулись назад. Такое сильное отталкивание возможно при почти лобовом сближении с маленьким ядром.

Ответ. Наблюдали почти свободное прохождение большинства частиц, заметные отклонения небольшой части и редкие отражения назад. Вместе эти результаты показывают, что атом в основном пуст, а положительный заряд сосредоточен в компактном ядре. Именно сравнение частых и редких случаев позволяет восстановить картину строения.

Число электронов в нейтральном атоме

Условие. Атом нейтрален, заряд его ядра равен +Ze. Определите число электронов. Буква e обозначает модуль заряда одного электрона, а Z — число, задающее заряд ядра в единицах e.

1. Пусть в атоме N электронов. Каждый электрон имеет заряд −e, поэтому суммарный заряд электронов равен −Ne.
2. Сложим заряд ядра и заряд электронов: Q = +Ze − Ne. Для нейтрального атома Q = 0.
3. Из равенства Ze − Ne = 0 получаем Ne = Ze, а значит, N = Z.

Ответ. В нейтральном атоме Z электронов. Проверка проста: их суммарный заряд −Ze полностью компенсирует заряд ядра +Ze. Если числа зарядов по модулю не равны, атом не будет нейтральным.

Отклонения и равномерный положительный заряд

Условие. Объясните, почему редкие отклонения альфа-частиц на большие углы противоречат модели атома с равномерно распределённым положительным зарядом. В модели нужно проверить, может ли размытый заряд вызвать сильное изменение направления. Сопоставим это с наблюдениями опыта.

1. При равномерном распределении положительного заряда альфа-частица взаимодействовала бы с зарядом, распределённым по всему атому.
2. Такое взаимодействие не должно было бы проявляться как редкие очень сильные толчки из одной крошечной области.
3. Наблюдаемые большие отклонения объясняются близким сближением двух компактных областей положительного заряда — альфа-частицы и ядра.

Ответ. Редкие резкие изменения траектории показывают, что заряд не распределён равномерно по всему атому, а сосредоточен в малом ядре. Большая величина отклонения указывает на сильное отталкивание при близком сближении. Редкость события согласуется с малым размером ядра.

Типичные ошибки

• Считать, что ядро занимает значительную часть объёма атома. Так можно решить, что атом похож на плотный шар, но ядро намного меньше атома. Ошибка возникает, если спутать большую массу ядра с его размером. Проверьте себя: мысленно разделите выводы опыта — масса сосредоточена в ядре, а большинство частиц проходит мимо него.
• Утверждать, что все альфа-частицы проходят без отклонения. Большинство действительно почти не меняет направление, однако небольшая часть отклоняется, а некоторые частицы отражаются. Обычно ошибку вызывает чрезмерное внимание к самому частому результату. Сверьте формулировку: в ней должны быть упомянуты и редкие сильные отклонения.
• Путать заряд ядра с зарядом всего атома. Ядро положительно, но атом может быть нейтральным благодаря отрицательно заряженным электронам. Ошибка появляется, когда свойства части атома переносят на систему целиком. Проверьте суммарный заряд: у нейтрального атома положительный и отрицательный заряды равны по модулю.
• Считать планетарную модель окончательным описанием атома. Она наглядно показывает ядро и электроны, но не объясняет все свойства и поведение электронов. Её принимают за полную теорию из-за простого сравнения с движением планет. Проверка: если требуется объяснить энергетические уровни, одной планетарной схемы недостаточно.

Связь с другими темами

Для понимания опыта нужны знания об электрическом заряде и взаимодействии одноимённых и разноимённых зарядов. Положительные альфа-частицы и ядро отталкиваются, поэтому траектория частицы меняется при сближении. Представление о строении вещества помогает понять, что исследователь наблюдает не отдельный атом, а результат прохождения частиц через множество атомов фольги.

Идея компактного ядра служит основой для изучения его состава и процессов, происходящих внутри него. Она понадобится при разборе радиоактивности и ядерных реакций, где существенны свойства ядра, а не только электронная оболочка. Далее тема подводит к квантовым моделям атома и энергетическим уровням электронов: они описывают то, чего простая планетарная картина объяснить не может.

Что запомнить

• Атом в целом электрически нейтрален.
• В центре атома находится положительно заряженное ядро.
• Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
• Размер ядра намного меньше размера атома.
• Большинство альфа-частиц проходит сквозь фольгу почти без отклонения.
• Редкие сильные отклонения альфа-частиц свидетельствуют о компактности ядра.
• Планетарная модель атома не является полной современной теорией его строения.