§ 33. Модель атома Резерфорда

Определения и обозначения

Рассеяние альфа-частиц — изменение направления движения этих частиц при прохождении через вещество. Явление исследуют так: пучок направляют на тонкую фольгу, а места попадания частиц отмечают по вспышкам на экране. По распределению вспышек судят, как часто и насколько сильно частицы отклоняются.

Атомное ядро — малая центральная часть атома, где сосредоточены почти вся его масса и положительный заряд. Оно намного меньше самого атома, поэтому занимает лишь малую часть его объёма. Понятие ядра помогает объяснить редкие сильные отклонения частиц.

Модель атома Резерфорда — представление об атоме, состоящем из маленького положительно заряженного ядра и электронов вокруг него. Атом в целом нейтрален, потому что отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд ядра. Модель связывает наблюдения опыта с внутренним строением атома.

Планетарная модель атома — образ, в котором электроны движутся вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца. Такое сравнение помогает представить расположение частиц, но не даёт точного описания их движения. Поэтому модель объясняет опыт, однако не считается полной теорией атома.

Как это устроено

В опыте Резерфорда источник создавал пучок альфа-частиц и направлял его на очень тонкую металлическую фольгу. Вокруг фольги располагали экран, на котором попадание частицы сопровождалось вспышкой. По направлениям и числу вспышек определяли, как изменилось движение частиц. Тонкая фольга была нужна, чтобы частицы могли пройти через вещество и результат не скрывался за полным поглощением.

Большинство альфа-частиц проходило через фольгу почти без отклонения. Это объясняется тем, что атомный объём в основном свободен: ядро занимает ничтожную его часть, а электронные области не создают заметного отклонения для быстрых тяжёлых частиц при далёком пролёте. Поэтому прямое прохождение оказалось самым частым результатом. Наблюдение опровергало представление о равномерно распределённом по атому положительном заряде.

Небольшая часть частиц отклонялась на малые углы, потому что пролетала недалеко от положительно заряженной области. Альфа-частица тоже имеет положительный заряд, поэтому ядро отталкивало её. Чем меньше было расстояние до ядра, тем сильнее менялось направление движения. Так небольшие отклонения указывали на действие электрической силы, хотя частица не сталкивалась с ядром непосредственно.

Совсем малая доля частиц отклонялась на большие углы или возвращалась назад. Такое возможно, если частица почти направленно сближается с очень плотной массивной областью, где сосредоточены положительный заряд и почти вся масса атома. Редкость события показывала малый размер этой области, а сила отклонения — значительную концентрацию массы и заряда. Так возникла модель: электроны находятся вокруг ядра, а их общий отрицательный заряд компенсирует положительный заряд ядра.

Опыт Резерфорда: наблюдения и выводы

Таблица связывает наблюдаемый результат с физической причиной и строением атома. При чтении двигайтесь слева направо: сначала установите факт, затем объясните его и только после этого сформулируйте вывод. Особенно важна последняя строка: редкость возвращения частиц показывает малый размер ядра.

Разбор задач

Задача 1. Опишите установку опыта Резерфорда и укажите, что регистрировали на экране вокруг фольги.

Условие. Нужно назвать основные части установки и объяснить смысл наблюдаемых вспышек. Требуется связать устройство опыта с регистрацией альфа-частиц.

1. Указываем источник, который формирует пучок альфа-частиц.
2. Называем тонкую металлическую фольгу, на которую направляют пучок.
3. Описываем экран-детектор, расположенный вокруг фольги.
4. Связываем каждую вспышку с попаданием альфа-частицы в соответствующую область экрана.

Ответ. В опыте источник направлял пучок альфа-частиц на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран вокруг фольги и вызывали вспышки, по которым определяли направления их движения.

Задача 2. Почему большинство альфа-частиц проходит через фольгу почти без отклонения, а некоторые меняют направление?

Условие. Нужно объяснить одновременно частое прямое прохождение и редкие отклонения. Ответ следует строить не по числу частиц, а по вероятности их встречи с разными частями атома.

1. Отмечаем, что атомный объём в основном свободен.
2. Делаем вывод: частицы, пролетающие далеко от ядра, почти не меняют направление.
3. Учитываем, что ядро имеет положительный заряд, как и альфа-частица.
4. Объясняем отклонение электрическим отталкиванием при близком пролёте.

Ответ. Большинство частиц проходит прямо, поскольку ядро занимает очень малую часть атомного объёма. Некоторые частицы пролетают рядом с положительно заряженным ядром и отклоняются из-за электрического отталкивания.

Задача 3. Какой вывод о строении атома следует из того, что крайне малая доля альфа-частиц отскакивает от фольги?

Условие. Нужно связать редкость возвращения частиц с размером области, вызвавшей отклонение, а сам факт сильного отклонения — с её свойствами. Это позволяет сделать вывод не только о наличии ядра, но и о распределении массы и заряда.

1. Сравниваем редкость отскока с частым прямым прохождением.
2. Заключаем, что причина сильного отклонения занимает очень малую часть атома.
3. Учитываем, что слабое воздействие не смогло бы вернуть тяжёлую альфа-частицу назад.
4. Связываем сильное воздействие с большой массой и положительным зарядом ядра.

Ответ. Атом имеет очень маленькое плотное ядро. В нём сосредоточены положительный заряд и почти вся масса атома, поэтому редкая частица, приблизившаяся к ядру, может отклониться на большой угол или вернуться.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ядро занимает значительную часть объёма атома. Так думают, потому что ядру приписывают почти всю массу. Но тогда гораздо больше частиц сталкивалось бы с ним, а не проходило прямо; проверка — сопоставить утверждение с главным наблюдением опыта.

Ошибка: утверждать, что все альфа-частицы проходят без отклонения. Такое обобщение появляется при запоминании только самого частого результата. Экран показывал также малые и большие отклонения, поэтому в ответе нужно учитывать все три наблюдения.

Ошибка: объяснять сильное отклонение столкновением с электроном. Электрон имеет очень малую массу и не способен объяснить редкий мощный отскок тяжёлой альфа-частицы. Проверьте себя вопросом: какая частица одновременно несёт большой заряд и почти всю массу атома?

Ошибка: воспринимать планетарное сравнение как полное описание атома. Образ орбит помогает представить расположение электронов и ядра, но не раскрывает всех свойств микромира. Нужно называть модель полезным объяснением опыта, а не окончательной теорией движения электронов.

Связь с другими темами

• Для понимания опыта нужно знать, что атом электрически нейтрален, а заряды бывают положительными и отрицательными. Это позволяет объяснить компенсацию зарядов ядра и электронов.
• Также необходимо помнить, что одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Именно отталкивание положительного ядра изменяет направление положительно заряженной альфа-частицы.
• Представление о ядре понадобится при изучении последующих моделей атома и явлений, связанных с атомным ядром. Новые модели уточняют, а не просто повторяют выводы Резерфорда.

Что запомнить

• Резерфорд исследовал рассеяние альфа-частиц на тонкой металлической фольге.
• Большинство альфа-частиц проходит через фольгу почти без отклонения.
• Сильные отклонения альфа-частиц встречаются редко.
• Положительный заряд атома сосредоточен в маленьком ядре.
• В ядре сосредоточена почти вся масса атома.
• Электроны находятся вокруг ядра, а атом в целом электрически нейтрален.