2. Планетарная модель атома

Определения и обозначения

Планетарная модель атома — представление, согласно которому в центре атома находится компактное положительно заряженное ядро, а вокруг него движутся электроны. Название связано с внешним сходством этой картины с планетами, обращающимися вокруг центрального тела. Модель помогает описать результаты опыта Резерфорда и понять, как распределены заряд и масса в атоме.

Атомное ядро — центральная компактная часть атома, в которой сосредоточены его положительный заряд и почти вся масса. По сравнению с атомом ядро очень мало, поэтому оно не занимает значительную часть атомного объёма. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему некоторые частицы при прохождении через вещество резко меняют направление.

Опыт Резерфорда — исследование рассеяния альфа-частиц при прохождении через тонкую золотую фольгу. Учёные наблюдали, что большинство частиц проходит почти прямо, а небольшая часть отклоняется на большие углы или возвращается назад. Эти результаты показали, что положительный заряд не распределён равномерно по всему атому.

Альфа-частица — положительно заряженная частица, которую использовали для исследования строения атома. Её траектория меняется под действием электрических сил, поэтому по отклонениям можно обнаружить области с зарядом. Именно взаимодействие альфа-частиц с атомами фольги позволило сделать вывод о существовании компактного положительного ядра.

Как это устроено

До опыта Резерфорда атом представляли, в частности, по модели Томсона: положительный заряд был распределён по объёму, а электроны находились внутри него. При таком устройстве заряд не собран в маленькой области, поэтому альфа-частица должна была испытывать лишь слабые воздействия. Модель могла объяснить небольшие отклонения, но не сильные изменения направления. Наблюдение таких отклонений потребовало предположить, что заряд внутри атома распределён иначе.

В опыте использовали источник альфа-частиц, тонкую металлическую фольгу и экран, на котором фиксировали места попадания частиц. Золотую фольгу делали очень тонкой, чтобы частицы могли пройти через неё и взаимодействовали с небольшим числом атомов. Экран позволял заметить не только прошедшие прямо частицы, но и отклонившиеся в стороны или назад. Сравнение направлений показало, что рассеяние бывает разным, а сильные отклонения встречаются редко.

Большинство альфа-частиц проходило сквозь фольгу почти прямо, потому что внутри атома большая часть пространства не занята компактными массивными частями. Если частица пролетала далеко от ядра, воздействие электрических сил было небольшим, и её путь почти не менялся. Резкое отклонение происходило, когда положительная альфа-частица пролетала близко к положительно заряженной области. Одноимённые заряды отталкиваются, поэтому ядро могло заметно изменить траекторию частицы, а при особенно близком пролёте — направить её назад.

Из сочетания частых прямых пролётов и редких сильных отклонений Резерфорд сделал вывод: атом в основном пуст, а его положительный заряд сосредоточен в маленьком ядре. Почти вся масса атома также находится в ядре, тогда как электроны расположены вокруг него. Диаметр атома оценивают примерно в 10⁻¹⁰ м, а ядра — в 10⁻¹⁵ м, то есть атом по диаметру примерно в сто тысяч раз больше ядра. Так появилась планетарная модель, объясняющая наблюдаемое рассеяние альфа-частиц.

Однако эта модель не является полным объяснением атома, если рассматривать её с позиции классической физики. Электрон, движущийся по орбите, постоянно меняет направление скорости, а ускоренно движущийся заряд, согласно классическим представлениям, должен излучать энергию. Излучая, электрон терял бы энергию и постепенно приближался к ядру, поэтому атом не оставался бы устойчивым. В действительности атомы устойчивы, следовательно, для их объяснения нужны более полные представления о движении электронов.

Части атома в планетарной модели

Таблица помогает сравнить расположение и заряд частей атома и увидеть, что ядро и электрон имеют противоположные заряды. В модели ядру отведена центральная роль, а электронам — движение вокруг него. Строка об атоме в целом показывает, что свойства целого объекта не следует смешивать с зарядом отдельной его части.

Разбор задач

Задача 1

При прохождении альфа-частиц через золотую фольгу почти все частицы не меняют направления. Какой вывод о строении атома следует из этого наблюдения? Нужно связать траектории частиц с тем, насколько часто они встречают области, способные заметно на них воздействовать. Если бы атом был заполнен веществом равномерно, воздействие на частицы было бы более распространённым. Решение состоит в том, чтобы учесть, что большинство частиц пролетает сквозь атом почти беспрепятственно.

1. Устанавливаем наблюдение: почти все частицы проходят через фольгу прямо.
2. Делаем вывод, что на пути большинства частиц нет компактной области, которая сильно меняла бы их движение.
3. Заключаем, что основная часть объёма атома практически пуста, а область сильного воздействия занимает малую долю.

Ответ: атом в основном пуст; компактная область, способная сильно отклонить альфа-частицу, встречается редко.

Задача 2

Небольшое число альфа-частиц резко отклоняется при прохождении через фольгу. Объясните причину отклонения. Альфа-частица заряжена положительно, и ядро атома также имеет положительный заряд. Поэтому при близком пролёте между ними возникает электрическое отталкивание. Чем ближе траектория к ядру, тем сильнее взаимодействие и тем заметнее меняется направление.

1. Определяем знаки зарядов: альфа-частица и ядро положительны.
2. Применяем правило взаимодействия зарядов: одноимённые заряды отталкиваются.
3. Связываем величину отклонения с расстоянием: близкий пролёт к ядру приводит к сильному изменению траектории.

Ответ: частицы резко отклоняются из-за электростатического отталкивания при близком пролёте к положительно заряженному ядру.

Задача 3

Диаметр атома примерно равен 10⁻¹⁰ м, а диаметр ядра — 10⁻¹⁵ м. Во сколько раз диаметр атома больше диаметра ядра и какой вывод это позволяет сделать? Сравнивать величины удобно, разделив диаметр атома на диаметр ядра. Показатели степеней имеют одну и ту же единицу измерения, поэтому метры сокращаются. Полученное отношение показывает разницу масштабов, а не долю массы или заряда.

1. Записываем отношение: 10⁻¹⁰ м / 10⁻¹⁵ м.
2. При делении степеней десяти вычитаем показатели: 10⁻¹⁰ / 10⁻¹⁵ = 10⁵.
3. Переводим результат в обычную запись: 10⁵ = 100 000.

Ответ: диаметр атома примерно в 100 000 раз больше диаметра ядра. Это подтверждает, что ядро очень мало по сравнению с атомом, а большая часть объёма атома находится вне ядра.

Типичные ошибки

• Ошибочно считать, что ядро и электроны равномерно занимают весь объём атома. Такую картину иногда связывают с более ранней моделью Томсона, но она не объясняет редкие сильные отклонения частиц. Проверьте себя: распределение должно согласовываться и с большинством прямых пролётов, и с небольшим числом резких отклонений.

• Неверно утверждать, что все альфа-частицы отклоняются одинаково. Частицы проходят на разных расстояниях от ядра, поэтому электрическое воздействие на них различается. Чтобы проверить рассуждение, спросите себя, близко ли частица пролетает к ядру: чем ближе пролёт, тем сильнее может быть отклонение.

• Нельзя приписывать ядру отрицательный заряд. Альфа-частицы положительны, и их резкое отталкивание при близком пролёте означает, что ядро тоже положительно заряжено. Проверка проста: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются.

• Ошибочно считать планетарную модель исчерпывающим объяснением атома. Она помогает понять результаты опыта Резерфорда, но в классической физике движущийся по орбите электрон должен излучать энергию, что не согласуется с устойчивостью атомов. Проверяя ответ, разделяйте объяснение результатов опыта и объяснение устойчивости атома.

Связь с другими темами

Для понимания планетарной модели полезно знать модель Томсона, понятие электрического заряда и правило взаимодействия одноимённых зарядов. Именно сравнение прежней картины атома с результатами рассеяния показало, что заряд распределён неравномерно. Представление о компактном ядре служит основой для дальнейшего изучения его состава. С ним также связаны темы радиоактивности и ядерных реакций, где рассматриваются изменения атомных ядер.

Что запомнить

• Планетарная модель основана на результатах опыта Резерфорда.
• Большинство объёма атома практически пусто.
• Положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в ядре.
• Электроны находятся вокруг ядра.
• Сильное отклонение альфа-частицы возможно при её близком пролёте к ядру.
• Классическая планетарная модель не объясняет устойчивость атома.