§ 36. Строение атома. Опыты Резерфорда

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Внутри атома есть положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны. В обычном атоме их заряды уравновешивают друг друга, поэтому атом электрически нейтрален. Это понятие помогает объяснить, из каких частиц состоит вещество и почему атом может не иметь общего электрического заряда.

Атомное ядро — небольшая положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Оно намного меньше атома, хотя содержит основную часть его массы. Наличие ядра объясняет, почему некоторые частицы при опыте Резерфорда резко меняли направление. Электроны расположены вокруг ядра, а не внутри него.

Альфа-частица — положительно заряженная частица, которой Резерфорд облучал тонкую металлическую фольгу. Её заряд позволяет изучать взаимодействие с положительным ядром: одноимённые заряды отталкиваются. По изменению движения альфа-частиц можно судить о том, где в атоме сосредоточен заряд. В опыте важно было заметить не только прямой путь частиц, но и редкие отклонения.

Ядерная модель атома — модель, согласно которой атом состоит из компактного положительного ядра и окружающих его электронов. Она возникла, чтобы объяснить, почему большинство альфа-частиц проходит через фольгу, а некоторые отклоняются. Модель разделяет две области атома: маленькое плотное ядро и пространство, в котором находятся электроны. С её помощью можно связать наблюдения опыта с устройством атома.

Как это устроено

Резерфорд направлял узкий пучок альфа-частиц на очень тонкую металлическую фольгу. За фольгой и вокруг неё следили, куда попадали частицы: прошли ли они прямо или изменили направление. Тонкий слой позволял уменьшить вероятность того, что частица много раз столкнётся с атомами вещества. Поэтому изменения траекторий можно было связать с устройством отдельных атомов фольги.

Главным результатом стало то, что большинство альфа-частиц проходило почти прямо. Если бы атом был заполнен веществом равномерно, частицы гораздо чаще заметно меняли бы направление. Свободное прохождение показывает, что в атоме нет плотного препятствия, занимающего весь его объём. Значит, большая часть объёма атома почти пуста.

Некоторые частицы всё же заметно отклонялись. Это происходило, когда альфа-частица проходила достаточно близко к положительно заряженной части атома. Поскольку альфа-частица тоже положительна, между ней и этой областью возникает отталкивание. Чем ближе сближение, тем сильнее взаимодействие и тем больше меняется направление движения.

Очень небольшое число частиц отражалось назад, то есть сильно меняло направление. Чтобы так отклонить сравнительно массивную альфа-частицу, нужна компактная область с большой массой и положительным зарядом. Вероятность приблизиться к этой области мала, потому что она занимает крошечную часть объёма атома. Так Резерфорд пришёл к выводу о существовании атомного ядра.

Заряд ядра отталкивает положительные альфа-частицы, поэтому их пути изгибаются или направляются обратно. Далеко от ядра воздействие слабее, и частица почти не меняет траекторию. Электроны в ядерной модели находятся вокруг ядра, а не в нём. Их отрицательный заряд компенсирует положительный заряд ядра, благодаря чему атом в целом нейтрален.

Опыты Резерфорда: наблюдения и выводы

Сначала найдите в таблице наблюдение, а затем проверьте, какой вывод оно поддерживает. Один результат не описывает весь атом: прямое прохождение говорит о размерах свободной области, а редкие сильные отклонения — о свойствах ядра. Вместе наблюдения обосновывают ядерную модель.

Разбор задач

Задача 1

Большинство альфа-частиц прошло сквозь тонкую фольгу почти прямо. Какой вывод о строении атома позволяет сделать это наблюдение? Здесь нужно связать частое свободное прохождение с тем, как распределено вещество внутри атома. Прямой путь говорит не о полном отсутствии частиц, а о малой вероятности встретить плотное ядро.

1. Установим, что наблюдали: подавляющее большинство частиц не изменило направление заметно. Значит, на их пути не было плотного препятствия, способного сильно их отклонить. Это наблюдение относится к большей части атомов фольги.
2. Сравним размеры: если бы плотная часть заполняла атом, частицы регулярно сталкивались бы с ней и отклонялись. Но таких отклонений у большинства нет. Следовательно, ядро занимает лишь малую часть объёма.
3. Сформулируем вывод: почти весь объём атома можно считать почти пустым. Это не означает, что атом состоит из ничего: в центре есть ядро, а вокруг него находятся электроны.

Ответ: большая часть объёма атома почти пуста, а компактное ядро занимает лишь малую его часть.

Задача 2

Некоторые альфа-частицы изменили направление движения, проходя рядом с атомами фольги. Объясните причину отклонения. Для ответа нужно учесть знак заряда обеих взаимодействующих частиц, а не только факт их сближения. Именно знак позволяет определить, притягиваются они или отталкиваются.

1. Вспомним, что альфа-частица заряжена положительно. Ядро атома тоже имеет положительный заряд. Поэтому эти заряды одноимённые и отталкиваются.
2. При прохождении рядом с ядром альфа-частица испытывает электрическое отталкивание. Оно меняет направление её движения, причём близкий проход вызывает более заметное отклонение. Если частица проходит далеко, её траектория меняется мало.
3. Свяжем причину с наблюдением: некоторые частицы оказались достаточно близко к ядрам атомов фольги. Поэтому их пути отклонились от прямого направления.

Ответ: положительно заряженные альфа-частицы отталкиваются от положительных ядер, и это отталкивание меняет их траектории.

Задача 3

Очень небольшая доля альфа-частиц отразилась назад. Объясните, что это говорит о размере и массе ядра и почему такие столкновения редки. Здесь важно одновременно учесть силу отклонения и малое количество частиц, которые испытали её. Один признак говорит о свойствах ядра, второй — о его размерах.

1. Отражение назад означает очень сильное изменение направления. Для этого альфа-частица должна пройти близко к области, которая достаточно массивна, чтобы заметно повлиять на её движение.
2. Такой областью служит ядро: оно компактно, положительно заряжено и содержит почти всю массу атома. Его заряд отталкивает положительную альфа-частицу, особенно при близком сближении.
3. Отражения редки, потому что ядро занимает очень малую часть объёма атома. Большинство частиц проходит на расстоянии и не испытывает столь сильного воздействия.

Ответ: ядро мало по размеру, но содержит почти всю массу атома; сильные столкновения редки, потому что попасть близко к ядру удаётся немногим частицам.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ядро занимает почти весь атом. Так путают массу и объём: почти вся масса действительно сосредоточена в ядре, но само ядро очень мало. Проверьте себя вопросом: как бы большинство альфа-частиц прошло сквозь атом, если бы ядро заполняло его объём? Почти прямое прохождение указывает на большую почти пустую область.

Ошибка: предполагать, что все альфа-частицы отклоняются одинаково. Так думают, если не учитывать расстояние до ядра. Чем ближе частица проходит к нему, тем сильнее отталкивание, поэтому углы отклонения различаются. Проверка: сопоставьте величину отклонения с тем, насколько близко частица подошла к ядру.

Ошибка: объяснять отклонение притяжением альфа-частицы к ядру. Иногда вспоминают лишь взаимодействие зарядов, забывая определить их знаки. И альфа-частица, и ядро положительны, значит, они отталкиваются. Перед объяснением проверьте знаки: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.

Ошибка: считать, что электроны находятся внутри ядра. Это смешивает две разные части атома и не соответствует ядерной модели. Ядро компактное и положительное, а электроны располагаются вокруг него. Проверьте себя, изобразив ядро в центре, а электроны — вне него; так понятнее, почему ядро и электронная область не одно и то же.

Связь с другими темами

Для понимания опыта нужно знать, что электрические заряды бывают положительными и отрицательными, а одноимённые заряды отталкиваются. Тема опирается и на представление о строении вещества: тела состоят из частиц, в том числе атомов. Знание о ядре и электронах пригодится при изучении электрических явлений, ионов и радиоактивности. Оно поможет объяснять, как изменение числа электронов или процессы в ядре связаны со свойствами вещества.

Что запомнить

• Атом электрически нейтрален.
• В центре атома находится компактное положительно заряженное ядро.
• Вокруг ядра располагаются электроны.
• Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
• Большая часть объёма атома почти пуста.
• Опыты Резерфорда показали, что некоторые альфа-частицы отклоняются и отражаются назад.