§ 61. Планетарная модель атома

Определения и обозначения

Планетарная модель атома — модель, в которой электроны движутся вокруг компактного положительно заряженного ядра. Её сравнивают с планетной системой, потому что в обоих случаях небольшие объекты располагаются вокруг центрального тела. Аналогия помогает представить общую картину атома, но не означает, что электрон движется точно так же, как планета.

Атомное ядро — малая центральная часть атома, в которой сосредоточены почти вся его масса и положительный заряд. Размер ядра намного меньше размера атома, поэтому оно занимает лишь крошечную часть его объёма. Это понятие необходимо, чтобы объяснить, почему одни частицы проходят через вещество почти прямо, а другие резко отклоняются.

Альфа-частица — положительно заряженная частица, которой обстреливали тонкую металлическую фольгу в опытах по рассеянию. Поскольку её заряд положителен, она взаимодействует с положительно заряженным ядром и отталкивается от него. Именно изменение движения альфа-частиц помогло исследовать строение атома.

Рассеяние альфа-частиц — изменение направления их движения при прохождении через вещество. Обычно отклонения были небольшими или вовсе незаметными, а большие повороты встречались редко. Сравнение частоты разных отклонений позволило сделать выводы о размерах и устройстве атома.

Как это устроено

В опыте Резерфорда узкий поток альфа-частиц направляли на очень тонкую фольгу. Вокруг неё располагали экран-детектор, который позволял замечать места попадания частиц. Если частица меняла направление, она попадала на экран в стороне от первоначального пути, поэтому исследователи могли оценить угол отклонения. Тонкий слой вещества уменьшал вероятность того, что частица испытает много последовательных взаимодействий.

Большинство альфа-частиц проходило сквозь фольгу почти без отклонения. Это означало, что внутри атомов они редко встречали область, способную заметно изменить их движение. Значит, атом не может быть сплошным шаром вещества: большая часть его объёма практически свободна от массивной плотной частицы. Такое представление объясняет, почему фольга пропускала большую часть потока.

Небольшая доля частиц сильно отклонялась, а некоторые возвращались почти назад. Чтобы так резко изменить движение массивной альфа-частицы, нужно сильное взаимодействие с компактной областью атома. Поскольку альфа-частица положительна и отклонялась от этой области, Резерфорд заключил, что там сосредоточен положительный заряд. Анализ рассеяния также показал, что в этой области находится почти вся масса атома.

Из этих наблюдений складывается планетарная модель: в центре атома расположено положительное ядро, а вокруг него находятся электроны. Почти весь объём атома приходится на пространство между ядром и электронами, а размер ядра намного меньше размера атома. Поэтому вероятность близко пройти к ядру мала, и сильное отталкивание испытывают лишь отдельные альфа-частицы. Модель объясняет основные наблюдения опыта, но не все свойства атома.

Название «планетарная» указывает только на сходство общей схемы: есть центральное ядро и расположенные вокруг него электроны. Это не точное описание траекторий электронов и не утверждение, что к ним без оговорок применимы законы движения планет. По классическим представлениям движущийся по орбите электрон должен излучать энергию и в итоге упасть на ядро, однако атомы устойчивы. Кроме того, модель не объясняет спектры излучения — характерные наборы частот, испускаемых атомами.

Модели строения атома

Таблица показывает, чем модель Томсона отличается от модели Резерфорда и как каждая из них трактует результаты опыта с альфа-частицами. Сравнивайте строки по одному свойству: так легче увидеть, какой вывод изменился после эксперимента. Особенно важны объяснения обычного прохождения частиц и редких сильных отклонений.

Разбор задач

Задача 1

Опишите устройство опыта Резерфорда с тонкой фольгой и укажите, что наблюдали на экране. Нужно проследить путь частицы от источника до детектора и объяснить назначение каждого элемента установки. Важно не смешивать сами альфа-частицы с сигналом, который регистрирует экран.

1. Источник создаёт поток положительно заряженных альфа-частиц и направляет его на тонкую фольгу.
2. Частицы проходят через фольгу; при взаимодействии с атомами некоторые меняют направление движения.
3. Экран-детектор вокруг фольги отмечает места попадания частиц, в том числе отклонившихся под разными углами.

Ответ: альфа-частицы направляли на тонкую фольгу, а экран регистрировал их после прохождения. Большинство попадало почти напротив первоначального направления, но отдельные частицы обнаруживались под углом, иногда очень большим.

Задача 2

Большинство альфа-частиц прошло через фольгу почти прямо, а некоторые отклонились. Какие выводы о строении атома следуют из этих наблюдений? Разделим рассуждение на два случая: массовое поведение потока и редкие отклонения. Каждый из них указывает на особую черту устройства атома.

1. Почти прямое прохождение большинства частиц означает, что они обычно не встречают плотной преграды.
2. Следовательно, большая часть объёма атома — пустое пространство, а компактные области атомов занимают малую долю объёма.
3. Отклонения указывают на взаимодействие альфа-частиц с положительно заряженной областью, способной отталкивать их.

Ответ: атом в основном пуст, а его положительный заряд сосредоточен в малой области — ядре. Большие отклонения редки, потому что лишь немногие частицы проходят достаточно близко к ядру.

Задача 3

Альфа-частица приблизилась к ядру и сильно изменила направление движения. Объясните отклонение и назовите вывод о размерах и заряде ядра. Здесь нужно учесть знаки зарядов и не делать вывод о том, что ядро занимает значительную часть атома. Сила взаимодействия увеличивается при сближении частицы с ядром.

1. Альфа-частица заряжена положительно, и ядро имеет положительный заряд.
2. Одноимённые заряды отталкиваются, поэтому при близком сближении сила отталкивания заметно меняет направление движения частицы.
3. Большой угол отклонения возможен при тесном сближении, но таких случаев мало, поскольку ядро намного меньше атома.

Ответ: частицу отклонило электрическое отталкивание от положительно заряженного ядра. Ядро очень мало по сравнению с атомом, хотя в нём сосредоточен почти весь положительный заряд и почти вся масса атома.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что электроны обращаются вокруг ядра точно так же, как планеты вокруг Солнца. Такое представление возникает из-за наглядного названия модели, но оно не описывает полностью движение электронов. Проверка: вспомните, что планетарное сравнение передаёт только общую схему, а поведение электронов объясняет квантовая физика.

Ошибка: представлять ядро крупной частью атома. Его масса действительно почти равна массе атома, и это может создать впечатление, будто ядро занимает почти весь объём. Однако масса и размер — разные характеристики: ядро очень мало относительно атома. Проверка: сопоставьте малую долю сильных отклонений с редкостью близких встреч с ядром.

Ошибка: считать, что положительный заряд равномерно распределён по всему атому. Такое представление связано с более ранней моделью Томсона, но оно не объясняет сильные отклонения альфа-частиц. Проверка: спросите себя, какая компактная область могла бы сильно оттолкнуть положительную частицу, — это положительно заряженное ядро.

Ошибка: утверждать, что все альфа-частицы проходят прямо или, наоборот, все сильно отклоняются. Обычно частицы проходили почти без отклонения, а большие углы встречались редко. Ошибку допускают, если запоминают только один результат опыта. Проверка: разделяйте преобладающее поведение потока и редкие события.

Связь с другими темами

Для понимания опыта нужны знания о составе атома, электрических зарядах и взаимодействии одноимённых и разноимённых зарядов. Отталкивание положительной альфа-частицы положительным ядром объясняет наблюдаемые отклонения, а редкость таких случаев раскрывает масштаб атомного пространства. Эти понятия помогают связать экспериментальные наблюдения с моделью.

Представление о ядре служит основой для изучения протонов и нейтронов, радиоактивности и ядерных реакций. Планетарная модель также показывает границы классических объяснений: она не раскрывает устойчивость атома и его спектры. Эти вопросы подводят к квантовым представлениям о строении атома.

Что запомнить

• В опыте Резерфорда альфа-частицы направляли на тонкую фольгу.
• Большинство альфа-частиц проходило через фольгу почти без отклонения.
• Редкие большие отклонения показали, что положительный заряд сосредоточен в малом ядре.
• В ядре находится почти вся масса атома.
• Размер ядра намного меньше размера атома.
• Планетарная модель наглядна, но не объясняет всех свойств атома.