Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома

Определения и обозначения

Опыт Резерфорда — эксперимент по рассеянию альфа-частиц тонкой металлической фольгой и наблюдению за их направлениями после прохождения. Его задача — выяснить, как внутри атома распределены заряд и вещество. По движению частиц можно судить о том, с какими частями атома они взаимодействуют.

Рассеяние альфа-частиц — изменение направления движения альфа-частиц, когда они пролетают рядом с положительно заряженной частью атома. Альфа-частица тоже имеет положительный заряд, поэтому при сближении с этой частью испытывает отталкивание. Понятие помогает связать наблюдаемый поворот частицы с электрическим взаимодействием внутри атома.

Атомное ядро — малая центральная часть атома, в которой сосредоточены положительный заряд и почти вся масса атома. Ядро занимает лишь небольшую часть атомного объёма, поэтому его нельзя представлять большой «сердцевиной». Это понятие объясняет и редкость сильных отклонений, и то, где сосредоточена масса атома.

Планетарная модель атома — модель, в которой электроны движутся вокруг компактного положительно заряженного ядра. Название связано с образом движения вокруг центрального тела, но атом не следует считать точной копией планетной системы. Модель нужна, чтобы наглядно представить выводы, сделанные из опыта Резерфорда.

Как это устроено

В установке источник испускал альфа-частицы и направлял их на тонкую фольгу. Вокруг фольги располагался экран, на котором при попадании частиц появлялись вспышки. По месту вспышки определяли, в каком направлении двигалась частица после прохождения через фольгу. Так наблюдали не сам атом, а результат взаимодействия частиц с атомами вещества.

Большинство альфа-частиц проходило сквозь фольгу почти без отклонения. Если бы вещество атома было равномерно распределено по всему объёму, частицы чаще испытывали бы заметное воздействие на пути. Почти прямое движение означает, что компактная область, способная сильно изменить траекторию, встречается редко. Отсюда следует: большая часть объёма атома — пространство.

Некоторые частицы меняли направление, потому что проходили рядом с атомным ядром. И альфа-частица, и ядро заряжены положительно, а одноимённые заряды отталкиваются. Чем ближе частица подлетает к ядру, тем сильнее действующая на неё электрическая сила. Поэтому близкий пролёт способен заметно искривить траекторию.

Наблюдались и частицы, отклонившиеся на очень большие углы или вернувшиеся назад. Для такого результата частица должна была подойти к ядру особенно близко: сильное отталкивание тормозило её движение к ядру и разворачивало. Эти события были редкими, поскольку ядро мало по сравнению с атомом и попасть в область очень близкого пролёта удаётся немногим частицам. Большая сила отклонения при этом указывает на компактность области, создающей сильное воздействие.

Результаты не согласовывались с моделью Томсона, где положительный заряд был равномерно распределён по объёму атома, а электроны находились внутри. При таком устройстве нельзя объяснить редкие, но очень сильные повороты альфа-частиц от столкновения с компактной положительной областью. Опыт позволил предположить существование ядра: оно мало по сравнению с атомом и несёт положительный заряд. Электроны располагаются вне ядра, а почти вся масса атома сосредоточена в нём.

Модель Томсона и планетарная модель атома

Сравнивайте модели по тому, где в каждой из них находится положительный заряд и как расположены электроны. Последняя строка показывает, какая модель согласуется с наблюдениями при обстреле фольги. Планетарная модель объясняет результаты опыта лучше, потому что допускает компактное ядро.

Разбор задач

Большинство альфа-частиц прошло через золотую фольгу почти прямо. Какой вывод о строении атома следует из этого наблюдения?

Решение. Нужно объяснить, почему частицы обычно не меняли направления. Заметное отклонение возникает при сильном взаимодействии с ядром, поэтому редкость отклонений говорит о том, что такая область мала и не занимает большую часть пути внутри атома.

1. Отмечаем наблюдение: большая часть частиц прошла почти прямо.
2. Связываем отсутствие сильного поворота с тем, что частицы не приблизились к ядру.
3. Делаем вывод: основная часть объёма атома — пространство, а ядра занимают малую часть.

Ответ: атом в основном состоит из пространства; компактное ядро занимает лишь небольшую часть его объёма.

Некоторые альфа-частицы изменили направление движения, а часть из них отклонилась на большие углы. Объясните причину этих наблюдений.

Решение. Сначала учитываем знаки зарядов: альфа-частица положительна, и ядро тоже положительно. Между ними возникает отталкивание, которое меняет направление движения. При более близком пролёте взаимодействие сильнее, поэтому угол отклонения больше.

1. Устанавливаем, что ядро и альфа-частица имеют одноимённые заряды.
2. Определяем характер электрического взаимодействия: это отталкивание.
3. Связываем величину поворота с расстоянием до ядра: близкий пролёт приводит к более сильному отклонению.

Ответ: частицы отклонялись из-за отталкивания от положительного ядра; большие углы соответствуют более близкому пролёту.

Альфа-частица движется прямо на ядро. Сравните её траекторию при большом и малом прицельном расстоянии и объясните, что опыт позволяет заключить о размере ядра.

Решение. Прицельное расстояние показывает, насколько близко частица проходит к ядру. Чем оно меньше, тем сильнее отталкивание и заметнее меняется траектория. Редкость особенно сильных отклонений означает, что область очень близкого взаимодействия мала.

1. При большом прицельном расстоянии частица проходит дальше от ядра и отклоняется слабее.
2. При малом расстоянии отталкивание сильнее, поэтому траектория резко изгибается; при движении почти навстречу ядру частица может развернуться.
3. Сопоставляем частоты: сильные отклонения редки, значит, ядро мало по сравнению с атомом.

Ответ: малое прицельное расстояние вызывает более сильный поворот; опыт показывает, что ядро занимает очень малую часть атома.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что альфа-частицы притягиваются к ядру. Её допускают, если не проверяют знаки зарядов; оба заряда положительны, поэтому действует отталкивание. Проверь себя: одинаковые знаки зарядов должны приводить к удалению друг от друга.

Ошибка: заключать, что атом полностью пустой. Такой вывод делают из того, что большинство частиц проходит почти прямо, но наблюдались и отклонения, указывающие на ядро. Проверь себя: вывод должен учитывать и прямой пролёт, и редкие сильные повороты.

Ошибка: представлять ядро крупным и занимающим значительную часть атома. Это не согласуется с тем, что сильные отклонения встречались редко; обычно частицы проходили далеко от ядра. Проверь себя: малая частота близких пролётов говорит о малом размере ядра.

Ошибка: ожидать одинакового отклонения всех альфа-частиц. Частицы могут проходить на разных расстояниях от ядер, поэтому сила отталкивания и угол поворота различаются. Проверь себя: чем ближе траектория к ядру, тем заметнее должно быть отклонение.

Связь с другими темами

Для понимания опыта нужно знать, что атом связан с заряженными частицами, а одноимённые электрические заряды отталкиваются. Эти сведения позволяют объяснить изменение траекторий альфа-частиц. Выводы Резерфорда стали причиной замены модели Томсона: равномерное распределение положительного заряда не объясняло наблюдения. Планетарная модель стала основой для дальнейшего изучения ядра и развития представлений о строении атома.

Что запомнить

• В опыте Резерфорда альфа-частицы направляли на тонкую металлическую фольгу.
• Большинство альфа-частиц проходило сквозь фольгу почти без отклонения.
• Сильные отклонения отдельных частиц свидетельствовали о существовании компактного ядра.
• Ядро имеет положительный заряд, поэтому отталкивает положительно заряженные альфа-частицы.
• Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре.
• В планетарной модели электроны находятся вне ядра.