52. Модели строения атома. Опыт Резерфорда

Определения и обозначения

Модель Томсона — представление об атоме как о положительно заряженном шаре, внутри которого находятся электроны. Положительный заряд в этой модели распределён по всему шару, а не собран в отдельной точке. Образ помогает представить, как атом может содержать заряды разных знаков и оставаться целым.

Опыт Резерфорда — исследование рассеяния альфа-частиц при прохождении через тонкую металлическую фольгу. Рассеянием называют изменение направления движения частиц при взаимодействии с веществом. Опыт позволил проверить, соответствует ли устройство атома модели Томсона.

Атомное ядро — небольшая центральная область атома, где сосредоточены положительный заряд и почти вся масса. Ядро занимает ничтожную долю объёма атома, но именно оно заметно влияет на пролетающие рядом заряженные частицы. Это понятие объясняет, почему отдельные альфа-частицы резко меняли направление.

Планетарная модель атома описывает электроны, движущиеся вокруг центрального ядра. В отличие от модели Томсона, положительный заряд здесь не распределён по всему атому, а сосредоточен в ядре; между ядром и электронами находится преимущественно пустое пространство. Модель связывает результаты рассеяния с конкретным устройством атома.

Как это устроено

Модель Томсона казалась правдоподобной, потому что к тому времени были известны электроны, имеющие отрицательный заряд, а атомы в обычных условиях нейтральны. Значит, отрицательный заряд электронов должен компенсироваться положительным зарядом. Томсон предположил, что этот заряд равномерно заполняет объём атома, а электроны словно вкраплены в него. Такая схема согласовывала нейтральность атома с наличием электронов, но нуждалась в проверке опытом.

Чтобы проверить устройство атома, Резерфорд направил поток альфа-частиц на очень тонкую металлическую фольгу. Альфа-частицы — положительно заряженные частицы, испускаемые некоторыми радиоактивными веществами. Вокруг фольги располагался экран, на котором отмечались места попадания частиц, в том числе отклонившихся от первоначального направления. Поэтому опыт показывал не сам атом, а то, как он влияет на пролетающие частицы.

Результат оказался неодинаковым для разных частиц: большинство проходило почти прямо, меньшая часть отклонялась, а совсем немногие поворачивали на большие углы или возвращались назад. Это соотношение существенно: если бы препятствие было распределено по всему атому равномерно, частицы должны были бы испытывать более равномерное воздействие. Почти беспрепятственный пролёт большинства означает, что значительная часть объёма атома не содержит плотного вещества. Редкие события показывают, что сильное воздействие всё же возможно при определённых условиях.

Именно большие отклонения плохо согласовывались с моделью Томсона. В ней положительный заряд распределён по всему атому, поэтому альфа-частица не должна была встретить в одном малом месте достаточно сильное отталкивание, чтобы резко изменить направление или полететь назад. Наблюдаемый результат требовал компактной области с большим положительным зарядом. Поскольку сильные отклонения были редкими, такая область должна занимать очень малую часть атома.

Резерфорд объяснил результаты, предположив, что почти весь объём атома пуст, а его положительный заряд и основная масса сосредоточены в крошечном центре — ядре. Положительно заряженная альфа-частица при сближении с ядром испытывает сильное кулоновское отталкивание, поэтому может отклониться на большой угол. Большинство частиц проходит далеко от ядер и почти не меняет направления. В ядерной, или планетарной, модели электроны находятся вокруг ядра; так распределение зарядов отличается от модели Томсона.

Модели строения атома и их объяснительная сила

Сравнивайте модели по тому, где в каждой из них находятся положительный заряд и электроны: это сразу показывает различие их устройства. Затем проверьте, какая модель объясняет оба наблюдения опыта — почти прямой пролёт большинства частиц и редкие резкие отклонения. Таблица помогает увидеть, почему ядерная модель лучше согласуется с результатами рассеяния.

Разбор задач

Задача 1. Опишите модель Томсона и объясните, почему атом в ней электрически нейтрален. Нужно назвать расположение зарядов и связать нейтральность с их компенсацией. Вычисления не требуются: достаточно проследить, как суммарное действие зарядов определяет заряд атома в целом.

1. В модели Томсона атом — положительно заряженный шар, внутри которого находятся электроны.
2. Каждый электрон несёт отрицательный заряд, поэтому все электроны вместе дают отрицательный заряд.
3. Если положительный заряд шара равен по модулю суммарному отрицательному заряду электронов, их действие компенсируется.

Ответ: атом нейтрален, потому что положительный заряд шара компенсирует отрицательный заряд электронов. Их расположение внутри шара — часть модели Томсона.

Задача 2. Альфа-частица прошла через фольгу почти прямо. Какой вывод об устройстве атома согласуется с этим наблюдением? Сначала важно не делать вывод о строении всей материи по одной частице, а учесть, что почти прямой пролёт был характерен для большинства частиц. Затем нужно связать отсутствие заметного отклонения с отсутствием сильного взаимодействия на их пути.

1. Альфа-частица прошла через фольгу, не изменив направление заметным образом.
2. Значит, на её пути не оказалось области, которая сильно оттолкнула бы её или затормозила.
3. Так как большинство частиц проходило подобным образом, атом должен быть в основном пустым, а компактные области сильного воздействия встречаются редко.

Ответ: большая часть объёма атома почти не препятствует движению альфа-частиц; атом преимущественно пуст.

Задача 3. Некоторые альфа-частицы резко изменили направление или отразились назад. Почему это наблюдение привело к выводу о существовании ядра? Альфа-частица и предполагаемый центр атома должны взаимодействовать достаточно сильно, чтобы изменить движение частицы. Следует объяснить и силу такого взаимодействия, и то, почему оно возникает лишь в редких случаях.

1. Альфа-частицы имеют положительный заряд, поэтому отталкиваются от другой области с положительным зарядом.
2. Резкое изменение направления требует сильного отталкивания; оно возможно, если заряд сосредоточен в компактной области, а не распределён равномерно по всему атому.
3. При близком пролёте такая область сильно отклоняет частицу. Поскольку подобные события редки, область занимает малый объём; большая масса атома также должна быть сосредоточена в ней.

Ответ: наблюдения привели к выводу о малом массивном ядре с положительным зарядом. Сближение с ним вызывает сильное кулоновское отталкивание и может развернуть альфа-частицу назад.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что отклонялись все альфа-частицы. Так думают, если запоминают только необычные результаты опыта, но большинство частиц проходило почти прямо. Проверьте себя: вывод о пустоте атома основан именно на преобладании таких пролётов.
• Ошибка: представлять ядро крупной частью атома. Его существование связывают с сильным воздействием, но это не означает, что оно занимает много места. Проверка: ядро очень мало по сравнению с атомом, хотя в нём сосредоточена почти вся масса.
• Ошибка: путать расположение зарядов в моделях Томсона и Резерфорда. Обе модели учитывают электроны и положительный заряд, поэтому их легко смешать. Проверьте формулировку: у Томсона заряд распределён по атому, у Резерфорда собран в ядре.
• Ошибка: утверждать, что опыт непосредственно показал траектории электронов. В нём регистрировали рассеяние альфа-частиц, а устройство атома выводили по результатам. Чтобы проверить себя, отделяйте то, что наблюдали, от того, что объяснили с помощью модели.

Связь с другими темами

Для понимания моделей нужно знать, что атом содержит электроны, в целом электрически нейтрален, а электрические заряды взаимодействуют. Опыт Резерфорда опирается на представления об альфа-частицах и радиоактивности: без них нельзя понять, что направляли на фольгу и почему частицы отталкивались от ядра. Ядерная модель подготавливает к изучению состава ядра и более подробного строения атома. Позже её ограничения и развитие моделей рассматривают в квантовой физике.

Что запомнить

• Модель Томсона представляла атом как положительно заряженный шар с электронами внутри.
• В опыте Резерфорда альфа-частицы направляли на тонкую фольгу.
• Большинство альфа-частиц проходило через фольгу почти без отклонения.
• Редкие большие отклонения указывали на компактную область сильного положительного заряда.
• Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
• Размер ядра намного меньше размера атома.