1. Опыт Резерфорда

Определения и обозначения

Опыт Резерфорда — исследование прохождения альфа-частиц через тонкую металлическую фольгу и изменения их направления. Учёные проверяли, как устроен атом: распределён ли его положительный заряд по всему объёму или сосредоточен иначе. Наблюдения за частицами позволили сравнить разные модели атома.

Альфа-частица — положительно заряженная частица, испускаемая некоторыми радиоактивными веществами; её заряд равен +2e, где e — элементарный заряд. В опыте такие частицы направляли на фольгу как зонд: по их движению судили о том, что находится внутри атома. Положительный заряд частицы важен, потому что он взаимодействует с положительно заряженными частями атома.

Рассеяние альфа-частиц — изменение направления движения частиц при прохождении рядом с атомами вещества. Оно происходит из-за электрического взаимодействия с заряженными частями атома. Небольшие отклонения показывают, что взаимодействие есть, а сильные особенно важны: они помогают определить, насколько сосредоточены заряд и масса.

Ядерная модель атома — представление, согласно которому почти вся масса атома и его положительный заряд сосредоточены в очень малом ядре, а вокруг него находятся электроны. Ядро намного меньше атома, поэтому большая часть его объёма не занята массивными частицами. Эта модель объяснила, почему большинство альфа-частиц проходило через фольгу, а редкие частицы резко меняли направление.

Как это устроено

Чтобы исследовать атом, Резерфорд направил пучок альфа-частиц на тонкую золотую фольгу. Золото можно было раскатать в очень тонкие листы, через которые частицы могли проходить. Источник создавал направленный пучок, фольга заставляла частицы взаимодействовать с атомами, а экран вокруг неё показывал, куда они попадали. Каждое попадание отмечалось слабой вспышкой, поэтому можно было регистрировать даже редкие отклонения.

До опыта строение атома объясняли, в частности, моделью Томсона: положительный заряд в ней был распределён по всему объёму атома, а электроны находились внутри. В таком случае альфа-частица не должна была встречать компактное скопление заряда. Воздействие распределённого заряда на её пути было бы сравнительно слабым и растянутым. Поэтому ожидали лишь небольших изменений направления, а не резкого разворота.

Наблюдения оказались неодинаковыми для разных частиц. Большинство прошло сквозь фольгу почти прямо, часть изменила направление, а очень небольшое число частиц отклонилось на большой угол или вернулось назад. Значит, атом не действовал на все частицы одинаково: вероятность сильного взаимодействия была мала, но оно всё же происходило. Экран позволял обнаружить такие редкие события по вспышкам в необычных направлениях.

Равномерно распределённый положительный заряд не мог достаточно резко оттолкнуть альфа-частицу: его действие не было бы сосредоточено в одной небольшой области. Сильное отклонение объясняется, если частица близко подошла к малому скоплению положительного заряда. Поскольку альфа-частица сама положительна, она отталкивается от этого скопления. Чтобы изменить направление тяжёлой и быстро движущейся частицы очень сильно, такое взаимодействие должно быть особенно интенсивным.

Так Резерфорд пришёл к выводу о существовании малого массивного положительно заряженного ядра. Почти вся масса атома находится в нём, поэтому именно ядро способно заметно изменить движение альфа-частицы; столкновение с лёгким электроном не дало бы такого эффекта. Большинство частиц проходит почти прямо, потому что ядро занимает крошечную часть объёма атома и многие траектории проходят далеко от него. Следовательно, атом в основном пуст, а размеры ядра намного меньше размеров атома.

Наблюдения в опыте Резерфорда и выводы о строении атома

Сначала сопоставляйте наблюдение с тем, насколько часто и сильно менялось направление частиц. Затем связывайте отклонение с электрическим взаимодействием и близостью пролёта к ядру. Таблица показывает, что единая модель должна объяснять и почти прямое движение большинства частиц, и редкий обратный отскок.

Разбор задач

Задача 1. Опишите установку опыта Резерфорда и объясните, как регистрировали прохождение альфа-частиц.

Нужно назвать элементы установки и показать, какую информацию давал каждый из них. Представьте путь частицы от источника до детектора. Обратите внимание: экран регистрировал не только прошедшие вперёд частицы, но и отклонившиеся в стороны.

1. Источник радиоактивного вещества испускал альфа-частицы, из которых формировали направленный пучок.
2. Пучок направляли на тонкую золотую фольгу. При прохождении рядом с атомами фольги частицы могли менять направление.
3. Вокруг фольги располагали экран, дававший вспышку при попадании альфа-частицы. По местам вспышек определяли направления движения частиц.

Ответ: источник создавал пучок, фольга рассеивала его частицы, а экран регистрировал попадания по вспышкам. Сравнивая вспышки в разных направлениях, исследователи узнавали, как часто происходили малые и большие отклонения.

Задача 2. Большинство частиц прошло через фольгу почти без отклонения. Какой вывод о строении атома позволяет сделать это наблюдение?

Сам факт прохождения частиц показывает, что фольга не является сплошной преградой для них. Но нужно объяснить, почему большинство частиц не испытывает сильного воздействия. Для этого сравним размеры атома и области, способной заметно изменить движение альфа-частицы.

1. Сильное отклонение возникает при близком пролёте к малому положительно заряженному ядру.
2. Если бы ядро занимало большую часть атома, значительная доля частиц проходила бы рядом с ним и отклонялась.
3. Почти прямое движение большинства частиц означает, что они проходят далеко от ядра. Значит, ядро очень мало по сравнению с атомом.

Ответ: атом в основном состоит из пустого пространства, а его ядро занимает лишь малую часть объёма. «Пустое» здесь означает, что основная часть объёма атома не занята массивным ядром.

Задача 3. Небольшое число альфа-частиц сильно отклонилось, а отдельные частицы вернулись назад. Почему это стало свидетельством существования атомного ядра?

Сильное изменение движения требует заметного воздействия на альфа-частицу. Она имеет положительный заряд, поэтому следует проверить, какая часть атома могла оттолкнуть её особенно сильно. Учитываем и то, что альфа-частица значительно тяжелее электрона.

1. Положительный заряд альфа-частицы отталкивается от положительного заряда атома.
2. Равномерно распределённый заряд не создаёт достаточно сильного воздействия в одной точке, чтобы объяснить резкий разворот.
3. Малое скопление положительного заряда может сильно оттолкнуть частицу при близком сближении. Его большая масса объясняет, почему оно способно заметно изменить движение тяжёлой альфа-частицы.
4. Редкость обратного отскока согласуется с малым размером этой области: лишь немногие частицы проходят достаточно близко.

Ответ: сильные отклонения и обратный отскок свидетельствуют о малом массивном положительно заряженном ядре. Это вывод о наличии ядра, а не доказательство конкретных траекторий электронов вокруг него.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все альфа-частицы проходили прямо. Так думают, если запоминают только самый частый результат и не учитывают редкие события. В действительности большинство отклонялось мало, некоторые сильнее, а отдельные частицы возвращались назад. Проверьте себя: полный ответ должен упоминать все три наблюдения.

Ошибка: объяснять сильное отклонение столкновением с электроном. Эта версия кажется правдоподобной, потому что электроны входят в состав атома, но электрон слишком лёгок, чтобы заметно изменить движение тяжёлой альфа-частицы. Сильное отталкивание связано с положительным зарядом ядра. Проверка проста: оцените не только заряд взаимодействующих частиц, но и массу того, что должно изменить движение.

Ошибка: представлять ядро почти таким же большим, как атом. Иногда его большой вклад в массу ошибочно принимают за большой размер. На самом деле почти вся масса и положительный заряд сосредоточены в ядре, которое намного меньше атома. Убедитесь, что ваш вывод одновременно объясняет и малое число сильных отклонений, и почти прямой путь большинства частиц.

Ошибка: утверждать, что опыт непосредственно показал движение электронов по определённым орбитам. Результаты позволили установить наличие малого положительного ядра и предложить ядерную модель, но не определить траектории электронов. Путаница возникает, когда выводы позднейших моделей переносят на ранний опыт. Проверяйте формулировку: опыт Резерфорда свидетельствует о ядре, а не о конкретных орбитах.

Связь с другими темами

Для понимания опыта нужно знать, что атом состоит из частиц, а альфа-частица имеет положительный заряд и взаимодействует с другими заряженными телами. Электрическое отталкивание помогает объяснить, почему частица меняет направление при сближении с положительно заряженной областью. Без этого представления наблюдение отклонений осталось бы только описанием движения.

Ядерная модель стала основой дальнейшего изучения строения атома и атомного ядра. Она объяснила результаты опыта, но не дала полного описания движения электронов. Позднее представления об атоме развивались, в частности, в направлении квантовой модели, которая рассматривает электронные состояния иначе, чем простые траектории вокруг ядра.

Что запомнить

• Резерфорд исследовал рассеяние альфа-частиц на тонкой металлической фольге.
• Большинство альфа-частиц прошло через фольгу почти без отклонения.
• Небольшая часть частиц отклонилась, а очень редкие отразились назад.
• Атом в основном состоит из пустого пространства.
• Почти вся масса атома и его положительный заряд сосредоточены в малом ядре.
• Ядерная модель атома стала выводом из результатов опыта.