§ 93. Строение атома. Опыты Резерфорда

Определения и обозначения

Атом — электрически нейтральная система, состоящая из ядра и электронов. Нейтральность означает, что суммарный положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, поэтому именно оно определяет основную часть массы вещества.

Атомное ядро — компактная центральная часть атома с положительным электрическим зарядом. Оно намного меньше атома, хотя содержит почти всю его массу. В нейтральном атоме величина заряда ядра равна суммарной величине зарядов электронов, а знак заряда ядра противоположен знаку заряда электронов.

Альфа-частица — положительно заряженная частица, которую использовали для исследования атомов. Её заряд равен двум элементарным зарядам: +2e, где e — элементарный заряд. Благодаря заряду альфа-частица взаимодействует с ядром и может менять направление движения, поэтому по её отклонениям можно судить о внутреннем устройстве атома.

Ядерная модель атома — представление, согласно которому в центре атома находится компактное положительно заряженное ядро, а вокруг него располагаются электроны. Эта модель объясняет, почему большая часть атома почти не препятствует пролёту быстрых частиц. Она также связывает редкие сильные отклонения с близким сближением альфа-частицы и ядра.

Как это устроено

Для опыта брали источник альфа-частиц, узкий пучок направляли на тонкую металлическую фольгу, а вокруг неё располагали экран, способный регистрировать попадания вспышками. Экран позволял заметить, куда частица попала после прохождения фольги. Тонкий слой металла был нужен, чтобы частицы не проходили через слишком много атомов подряд: иначе многочисленные столкновения затруднили бы объяснение каждого отклонения. Так наблюдаемое направление можно было связать с взаимодействием частиц с атомами фольги.

Результат оказался неодинаковым для разных частиц: большинство проходило почти прямо, меньшая часть отклонялась, а совсем немногие возвращались назад. Если бы внутри атома вещество и положительный заряд были распределены примерно равномерно, каждая альфа-частица испытывала бы много небольших воздействий. Тогда ожидались бы постепенные изменения направления, а не отдельные резкие повороты. Наблюдаемая картина требовала другой модели внутреннего устройства.

Почти прямой пролёт большинства частиц означает, что на их пути редко встречалась область, способная заметно изменить движение. Значит, основная часть объёма атома не занята плотным веществом, которое сильно взаимодействовало бы с альфа-частицами. Это не означает, что атом состоит из пустоты в буквальном смысле: в нём есть электроны и электрические поля. Вывод опыта точнее формулировать так: ядро занимает ничтожную часть объёма атома.

Редкие большие отклонения показывают, что иногда альфа-частица проходила очень близко к области, где сосредоточены положительный заряд и почти вся масса атома. Такая область должна быть очень маленькой: иначе с ней сталкивалось бы гораздо больше частиц. Резерфорд заключил, что в центре атома находится компактное положительное ядро. Именно его малый размер объясняет, почему сильное воздействие наблюдалось редко, несмотря на то что ядро содержит почти всю массу атома.

Альфа-частица и ядро имеют положительные заряды, поэтому отталкиваются. При пролёте рядом с ядром электрическая сила меняет скорость частицы и искривляет её траекторию; чем ближе пролёт, тем сильнее воздействие. Вдали от ядра сила значительно меньше, поэтому направление почти не меняется. Однако опыты Резерфорда выявили наличие ядра, а не объяснили, почему электроны вокруг него не падают на ядро и как именно они движутся.

Наблюдения в опытах Резерфорда и выводы о строении атома

В таблице наблюдения отделены от выводов: первые описывают то, что регистрировали в опыте, вторые объясняют эти результаты с помощью ядерной модели. Сопоставляйте частоту события с размером области, которая его вызывает: редкие большие отклонения указывают на очень маленькое ядро. Зависимость отклонения от расстояния помогает понять, почему частицы ведут себя по-разному.

Разбор задач

Задача 1. В опыте альфа-частицы почти не меняют направление при прохождении через фольгу. Какой вывод о строении атома следует из этого наблюдения? Здесь нужно связать частый результат опыта с тем, какую часть атомного пространства частицы встречают на пути. Само по себе прохождение не доказывает отсутствия взаимодействия, но показывает, что оно обычно невелико.

1. Заметим, что речь идёт о большинстве частиц, а не об одной случайной траектории.
2. Если бы атом был заполнен плотным веществом, частицы часто заметно отклонялись бы при прохождении.
3. Почти прямой пролёт значит, что большая часть объёма атома не создаёт сильного препятствия, а ядро занимает очень малую область.

Ответ: основная часть объёма атома почти пуста, а его компактное ядро редко оказывается прямо на пути альфа-частицы.

Задача 2. Объясните, почему положительная альфа-частица отклоняется при пролёте рядом с атомным ядром, но почти не отклоняется вдали от него. Важно учесть и знак зарядов, и зависимость силы взаимодействия от расстояния. Сравниваем не два разных вещества, а две траектории относительно одного и того же ядра.

1. Заряд альфа-частицы положителен, как и заряд ядра, поэтому частицы отталкиваются.
2. При близком пролёте электрическое взаимодействие сильнее, и сила заметно меняет направление скорости альфа-частицы.
3. Вдали от ядра взаимодействие слабее, поэтому отклонение мало и может быть почти незаметным.

Ответ: близко к ядру одноимённые заряды сильно отталкиваются, а на большом расстоянии воздействие значительно слабее.

Задача 3. Альфа-частица с начальной кинетической энергией 8,0 МэВ движется прямо к ядру золота с зарядом +79e. Оценим минимальное расстояние, считая, что в ближайшей точке вся кинетическая энергия перешла в электрическую потенциальную энергию. В этой точке частица на мгновение останавливается, поэтому её энергия движения равна нулю. Используем кулоновскую энергию взаимодействия E = k·(2e)(79e)/r.

1. Выразим расстояние: r = k·158e²/E, поскольку заряды альфа-частицы и ядра равны +2e и +79e.
2. Удобно взять k·e² ≈ 1,44 МэВ·фм. Тогда r ≈ (158·1,44 МэВ·фм)/(8,0 МэВ) ≈ 28,4 фм.
3. Так как 1 фм = 10⁻¹⁵ м, получаем r ≈ 2,8·10⁻¹⁴ м. Это оценка расстояния наибольшего сближения в принятой модели.

Ответ: минимальное расстояние составляет примерно 2,8·10⁻¹⁴ м.

Типичные ошибки

• Представлять положительный заряд равномерно распределённым по всему атому — значит не объяснять редкие, но очень большие отклонения альфа-частиц. Такую картину легко принять, если считать атом сплошным объектом. Проверьте себя: сможет ли равномерный заряд объяснить, почему лишь немногие частицы резко меняют направление?
• Считать, что каждая альфа-частица должна сильно отклоняться, — значит забывать о малом размере ядра по сравнению с атомом. Большинство траекторий проходит далеко от ядра, поэтому сильное воздействие не является обычным. Сверьте ожидание с наблюдением: основная часть частиц прошла почти прямо.
• Путать размер атома с размером ядра — значит считать, что большая масса обязательно занимает большой объём. На деле ядро намного меньше атома, хотя содержит почти всю его массу. Проверка проста: отдельно сравните размеры этих областей и отдельно — долю массы, приходящуюся на ядро.
• Утверждать, что опыты Резерфорда полностью объяснили устройство атома, — слишком широкий вывод из эксперимента. Они показали наличие ядра и помогли построить ядерную модель, но не объяснили устойчивость атома и поведение электронов. Проверьте формулировку: модель отвечает на вопрос о распределении заряда и массы, но не на все вопросы о движении электронов.

Связь с другими темами

Для понимания опыта нужно знать, что электрон имеет отрицательный заряд, протон — положительный, а одноимённые заряды отталкиваются. Эти сведения позволяют объяснить, почему альфа-частица меняет направление около положительного ядра. Ядерная модель становится основой для изучения состава и свойств атомного ядра, а также радиоактивности. Позже её рассматривают вместе с другими моделями атома, которые дополняют описание поведения электронов.

Что запомнить

• Атом в целом электрически нейтрален.
• Положительный заряд атома сосредоточен в ядре.
• Почти вся масса атома приходится на ядро.
• Размер ядра намного меньше размера атома.
• Большинство альфа-частиц проходит через фольгу почти без отклонения.
• Редкие большие отклонения альфа-частиц свидетельствуют о компактном ядре.