"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Чаругин В.М.
Атом — электрически нейтральная частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательных электронов. Опыт Резерфорда с α-частицами помог выяснить, что ядро очень мало, но в нём сосредоточена почти вся масса атома. Большинство частиц проходит через фольгу почти прямо, потому что внутри атома много свободного пространства. Эти выводы легли в основу планетарной модели атома.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атом — электрически нейтральная частица вещества, в состав которой входят положительно заряженное ядро и отрицательные электроны. Нейтральность означает, что суммарный заряд электронов компенсирует заряд ядра. Это определение помогает понять, почему атом не имеет общего электрического заряда, хотя его части заряжены.
Атомное ядро — центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Размер ядра намного меньше размера атома, поэтому оно занимает лишь крошечную часть его объёма. Понятие ядра нужно, чтобы объяснить, почему одни α-частицы проходят через атом почти прямо, а другие резко меняют направление.
Планетарная модель атома — модель, согласно которой электроны движутся вокруг небольшого ядра. Её название связано с наглядным сравнением: в центре находится ядро, а вокруг него движутся электроны, подобно планетам вокруг звезды. Модель помогает представить расположение частиц, но не означает, что движение электронов во всём совпадает с движением планет.
α-частица — положительно заряженная частица, которую использовали в опыте Резерфорда для исследования строения атома. Благодаря её заряду можно было наблюдать, как она взаимодействует с положительным содержимым атома. По изменению направления частиц исследователи судили о том, где сосредоточены заряд и масса атома.
До опыта Резерфорда атом представляли иначе: например, в модели Томсона отрицательные электроны находились внутри распределённого по всему атому положительного заряда. Такая картина не объясняла, как положительный заряд и масса устроены внутри атома, и её требовалось проверить. Для этого поставили вопрос: что произойдёт с положительно заряженными частицами, если направить их на атомы и проследить за их движением?
В опыте Резерфорда узкий пучок α-частиц направили на очень тонкую металлическую фольгу. За фольгой и вокруг неё наблюдали, куда попадают частицы, то есть насколько меняется направление их движения. Тонкий слой позволял частицам пройти через материал и уменьшал вероятность того, что последовательные столкновения скроют действие отдельных атомов. Так можно было связать наблюдаемое отклонение с устройством атома.
Большинство α-частиц проходило сквозь фольгу почти без отклонения. Если бы атом был заполнен веществом или положительный заряд был равномерно распределён по всему его объёму, частицы должны были бы заметно взаимодействовать с ним чаще. Почти прямой пролёт показал, что внутри отдельного атома большая часть объёма свободна от ядра. Следовательно, ядро не заполняет атом целиком и занимает очень малую область.
Небольшая часть α-частиц отклонялась на заметные углы, а некоторые возвращались назад. α-частица и ядро положительно заряжены, поэтому при сближении они отталкиваются; чем ближе пролёт, тем сильнее меняется направление. Сильное отклонение случается редко, потому что ядро очень мало по сравнению с атомом и попасть в область рядом с ним удаётся немногим частицам. Сам факт отскока также указывает на то, что масса и положительный заряд сосредоточены в компактной области, способной сильно воздействовать на пролетающую частицу.
Из наблюдений Резерфорд заключил, что в центре атома находится маленькое положительное ядро, а электроны движутся вокруг него. Так появилась планетарная модель атома, отличавшаяся от модели Томсона. При этом атом в целом остаётся нейтральным: положительный заряд ядра должен компенсироваться суммарным отрицательным зарядом электронов. Если заряды не компенсированы, частица уже не является нейтральным атомом.
Сопоставляйте в таблице наблюдение с тем, что оно говорит о внутреннем устройстве атома. Особенно важно различать частый прямой пролёт и редкие сильные отклонения: вместе они указывают на маленькое ядро в большом объёме атома. Модель Томсона и планетарная модель дают разные представления о распределении положительного заряда.
| Модель или наблюдение | Как представляли атом или что наблюдали | Вывод о строении атома |
|---|---|---|
| Модель Томсона | Положительный заряд распределён по объёму атома, внутри него находятся электроны. | Старая модель не объясняет редкие сильные отклонения α-частиц. |
| Большинство α-частиц проходит через фольгу | Частицы движутся почти прямо, не встречая сильного препятствия. | Большая часть объёма атома свободна от ядра. |
| Небольшая часть α-частиц заметно отклоняется | Некоторые частицы меняют направление при пролёте через фольгу. | В атоме есть положительно заряженная область, отталкивающая α-частицы. |
| Некоторые α-частицы отскакивают назад | Отдельные частицы резко меняют направление и летят обратно. | Положительный заряд и почти вся масса сосредоточены в маленьком ядре. |
| Планетарная модель Резерфорда | В центре атома находится небольшое ядро, вокруг него движутся электроны. | Атом имеет ядерное строение; заряды ядра и электронов компенсируются, если атом нейтрален. |
Условие. Опишите, что наблюдали, когда пучок α-частиц проходил через тонкую фольгу. Чтобы ответить, нужно разделить наблюдения по тому, насколько менялось направление движения частиц. Речь идёт о трёх случаях, а не об одном общем результате.
Ответ. В опыте наблюдали прямой пролёт большинства частиц, отклонение части меньшинства и обратный отскок отдельных частиц. Эти случаи отличаются частотой и величиной изменения направления. Именно сравнение всех трёх наблюдений позволило сделать вывод о строении атома.
Условие. Объясните, почему большинство α-частиц проходило прямо, а некоторые сильно отклонялись. α-частицы положительно заряжены, и ядро тоже имеет положительный заряд. Значит, причину нужно искать во взаимодействии одноимённых зарядов и в том, насколько близко частица пролетает к ядру.
Ответ. Резкое отклонение возможно при близком пролёте мимо положительного ядра. Такое сближение происходит редко, потому что ядро очень мало по сравнению с атомом, поэтому большинство частиц проходит почти прямо. Отскок назад — крайний случай сильного отталкивания при особенно близком сближении.
Условие. Заряд ядра равен +8e, требуется найти число электронов в нейтральном атоме. Здесь e обозначает элементарный заряд, а заряд каждого электрона равен −e. Используем условие нейтральности: суммарный заряд атома равен нулю.
Ответ. В атоме 8 электронов. Их общий заряд −8e компенсирует заряд ядра +8e. Проверка проста: +8e + (−8e) = 0, значит, атом электрически нейтрален.
Ошибка: считать, что ядро занимает значительную часть объёма атома. Так можно решить, увидев в схеме крупное ядро: на рисунке его часто увеличивают для наглядности. На самом деле размер ядра намного меньше размера атома, а в ядре сосредоточена почти вся масса. Проверь себя: не смешивай долю массы и долю объёма.
Ошибка: объяснять прямой пролёт тем, что атомы в фольге расположены далеко друг от друга. Такое объяснение упускает главное наблюдение: частицы проходят через сами атомы. Вывод опыта состоит в том, что большая часть объёма отдельного атома свободна от ядра. Проверь себя вопросом: почему частица обычно не встречает ядро, даже проходя через атом?
Ошибка: считать, что α-частица притягивается к ядру и поэтому отклоняется. Отталкивание иногда путают с притяжением, потому что направление движения меняется. Но α-частица и ядро заряжены положительно, а одноимённые заряды отталкиваются. Проверь знаки зарядов перед тем, как объяснять направление силы.
Ошибка: считать атом положительно заряженным из-за положительного ядра. При таком рассуждении не учитывается отрицательный заряд электронов. В нейтральном атоме он компенсирует заряд ядра, поэтому общий заряд равен нулю. Проверь себя, сложив заряд ядра и суммарный заряд электронов.
Для понимания строения атома нужно знать, что вещества состоят из частиц, а электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Тогда можно различить заряд ядра и заряд электронов. Нейтральность атома объясняется компенсацией этих зарядов.
Объясняя опыт Резерфорда, применяй правило взаимодействия зарядов: одноимённые заряды отталкиваются. Оно помогает понять, почему положительные α-частицы меняют направление рядом с положительным ядром. Чем ближе пролёт, тем заметнее может быть отклонение.
Представление о ядре и электронах пригодится при изучении радиоактивности, строения вещества и ядерных превращений. Оно позволяет рассматривать атом не как неделимый шар, а как систему частиц. Позже эти знания помогают разбираться в изменениях атомных ядер.
Почему большинство α-частиц прошло сквозь фольгу без отклонения?
Ядро занимает очень малую часть объёма атома, поэтому α-частицы редко пролетают достаточно близко к нему. В основном они движутся через свободное пространство внутри атомов и почти не меняют направление.
Почему некоторые α-частицы отскакивали назад?
α-частица и ядро имеют положительные заряды, поэтому отталкиваются. Если α-частица пролетает очень близко к массивному ядру, отталкивание может резко изменить направление её движения, вплоть до обратного.
Как опыт Резерфорда доказал, что в атоме есть ядро?
Большинство α-частиц проходило через фольгу, но малая часть сильно отклонялась или возвращалась назад. Такое поведение можно объяснить, если положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в маленькой области — ядре.
Почему атом в целом нейтрален, если его ядро заряжено положительно?
У атома есть отрицательно заряженные электроны. В нейтральном атоме их суммарный заряд по модулю равен положительному заряду ядра, поэтому заряды компенсируют друг друга.
Что в планетарной модели атома сравнивают с планетами?
С планетами сравнивают электроны, которые движутся вокруг центрального ядра. Это наглядная модель расположения частиц, а не утверждение, что движение электронов во всём похоже на движение планет.
§ 45. Строение атома
