§ 6.2. Строение атома. Модель Томсона

Определения и обозначения

Атом — электрически нейтральная система, состоящая из положительно и отрицательно заряженных частей. Нейтральность не означает, что внутри нет зарядов: она означает, что их алгебраическая сумма равна нулю. Это понятие помогает описать вещество как систему частиц и понять, почему атом в обычных условиях не имеет общего электрического заряда.

Электрон — частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав атома. Заряд электрона обозначают −e, где e — положительная величина элементарного заряда. Знание знака и величины заряда нужно, чтобы сопоставить электроны с положительной частью атома и проверить условие нейтральности.

Модель Томсона — представление об атоме как о распределённом положительном заряде, внутри которого находятся электроны. Это не буквальная фотография атома, а предложенное учёным объяснение его устройства на основе доступных тогда опытов. Модель нужна, чтобы проследить, как открытие электрона привело к первым представлениям о внутреннем строении атома.

Как это устроено

Опыты с катодными лучами показали, что эти лучи связаны с отрицательно заряженными частицами, которые позднее назвали электронами. Их свойства не зависели от материала электродов так, как можно было бы ожидать для частиц, принадлежащих только одному веществу. Поэтому учёные заключили, что электроны входят в состав атомов разных веществ. Это означало, что атом нельзя считать неделимой частицей без внутреннего устройства.

Если атом в целом нейтрален, но содержит отрицательно заряженные электроны, в нём должен быть и положительный заряд. Иначе отрицательный заряд электронов оставался бы нескомпенсированным, а атом имел бы общий отрицательный заряд. Следовательно, наличие электронов требует предположить существование положительной части атома. Её суммарный заряд должен уравновешивать заряд электронов.

В модели Томсона положительный заряд распределён по всему объёму атома, а электроны находятся внутри этого распределения. Томсон представлял атом не как систему с положительным центром, а как область с размазанным по ней зарядом. Такое устройство давало возможность разместить отрицательные электроны внутри атома и одновременно учитывать положительную составляющую. Именно этим модель отличалась от позднейших представлений о компактном ядре.

Нейтральность в модели проверяют сложением зарядов с учётом их знаков. Если положительный заряд равен +Q, то суммарный заряд электронов должен быть −Q, чтобы получилось +Q + (−Q) = 0. Например, заряд +8e уравновешивают восемь электронов с суммарным зарядом −8e. Значит, для нейтральности важны величины зарядов, а не только сам факт присутствия частиц обоих знаков.

Модель Томсона не объяснила результаты опытов по рассеянию альфа-частиц. При прохождении через вещество некоторые частицы заметно отклонялись, хотя при равномерно распределённом положительном заряде такие сильные отклонения было трудно объяснить. Результаты опытов показали, что положительный заряд атома сосредоточен в малой области. Это стало основанием для отказа от модели Томсона и перехода к ядерной модели атома.

Строение атома в модели Томсона

Сначала найдите в таблице, какой именно элемент устройства атома рассматривается, а затем сопоставьте его с предположением модели. Последний столбец показывает, к каким выводам приводит это предположение. Так можно отличить объяснение нейтральности от ограничения модели, выявленного экспериментом.

Разбор задач

Задача 1. В модели Томсона заряд атома равен нулю. Как соотносятся суммарные положительный и отрицательный заряды? Нужно учитывать, что общий заряд — это алгебраическая сумма всех зарядов. Поэтому заряды разных знаков не складывают как положительные числа, а учитывают их знаки. Условие нейтральности задаёт уравнение Q₊ + Q₋ = 0.

1. Обозначим суммарный положительный заряд как Q₊, а отрицательный — как Q₋.
2. Запишем условие нейтральности: Q₊ + Q₋ = 0.
3. Перенесём отрицательный заряд: Q₊ = −Q₋.

Ответ: суммарные заряды равны по модулю и противоположны по знаку. Например, +5e компенсируется зарядом −5e. Это правило относится к полным зарядам, а не напрямую к числу частиц.

Задача 2. Положительный заряд атома равен по модулю 8e. Сколько электронов должно находиться в нейтральном атоме? Каждый электрон имеет заряд −e, поэтому n электронов дают суммарный заряд −ne. Чтобы найти n, уравняем его с положительным зарядом +8e по модулю. Буква e сокращается, поскольку она есть в обоих зарядах.

1. Запишем положительный заряд: Q₊ = +8e.
2. Для n электронов заряд равен Q₋ = −ne; потребуем Q₊ + Q₋ = 0.
3. Получим 8e − ne = 0, откуда n = 8.

Ответ: в нейтральном атоме должно быть 8 электронов. Проверка: +8e + 8 · (−e) = 0. Нельзя просто принять число 8 за число электронов без такого сопоставления, хотя в этой задаче оно совпало.

Задача 3. Положительный заряд Q равномерно распределён в сфере радиуса R. Найдём объёмную плотность заряда — заряд, приходящийся на единицу объёма. При равномерном распределении плотность одинакова во всех точках сферы. Значит, достаточно разделить полный заряд на объём сферы.

1. Запишем объём сферы: V = 4πR³/3.
2. Используем определение плотности: ρ = Q/V.
3. Подставим объём и упростим: ρ = 3Q/(4πR³).

Ответ: ρ = 3Q/(4πR³). Единица измерения в СИ — кулон на кубический метр, Кл/м³. Проверка размерности подтверждает, что заряд разделён на объём.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что электроны в модели Томсона находятся снаружи положительно заряженной части атома. Так можно подумать, представив положительный заряд оболочкой, однако модель предполагает распределение положительного заряда по объёму. Проверьте себя вопросом: где именно расположены электроны согласно модели? Ответ: внутри этой области.

Нейтральность иногда путают с отсутствием зарядов. Это неверно: в атоме могут быть заряженные частицы, но их суммарный заряд равен нулю из-за компенсации. Ошибка возникает, если слова «нейтральный» и «незаряженный» понимать как отсутствие внутренних зарядов. Для проверки сложите заряды с их знаками.

Нельзя приравнивать положительный заряд просто к числу электронов, не учитывая элементарный заряд. Например, заряд +8e компенсируют восемь электронов, потому что каждый имеет заряд −e, а не потому, что число электронов всегда равно числовому значению положительного заряда. Сначала запишите суммарный заряд электронов −ne, затем найдите n. Проверка — алгебраическая сумма зарядов должна быть нулевой.

Модель Томсона не следует считать современным описанием атома. Её историческая роль важна, но опыты по рассеянию альфа-частиц выявили несоответствие модели экспериментальным результатам. Ошибку помогает избежать разделение двух вопросов: что модель предполагала и что показал опыт. Если положительный заряд сосредоточен в малой области, модель с равномерным распределением этого не объясняет.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об электрическом заряде, элементарном заряде и условии электрической нейтральности. Они позволяют записывать суммарный заряд атома и проверять, компенсируют ли друг друга заряды разных знаков. Модель Томсона продолжает изучение катодных лучей и открытия электрона: без вывода о существовании электрона её появление было бы невозможно. Её ограничения помогают понять переход к ядерной модели атома и значение опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц.

Что запомнить

• Электрон имеет отрицательный электрический заряд.
• Атом в целом электрически нейтрален.
• В модели Томсона положительный заряд распределён по объёму атома.
• Электроны в модели Томсона находятся внутри положительно заряженной области.
• Нейтральность означает равенство суммарных зарядов противоположных знаков по модулю.
• Опыты по рассеянию альфа-частиц выявили ограниченность модели Томсона.