§ 59. Доказательства сложной структуры атомов

Определения и обозначения

Катодные лучи — поток частиц, испускаемых катодом в разреженной газоразрядной трубке. Они вызывают свечение экрана, но главное доказательство их природы — отклонение электрическим и магнитным полями. Это позволило отличить поток заряженных частиц от обычного излучения.

Электрон — отрицательно заряженная частица, входящая в состав атома. Его заряд равен −e, а масса обозначается m и очень мала. Одинаковые свойства электронов, полученные для разных веществ, показали: электроны являются общими составными частицами всех атомов.

Опыт Резерфорда — эксперимент по рассеянию альфа-частиц тонкой металлической фольгой. По направлениям и числу отклонённых частиц исследуют, где внутри атома находятся заряд и масса. Опыт стал способом проверить модели строения атома, а не просто наблюдением движения частиц.

Атомное ядро — малая положительно заряженная область атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Электроны занимают область вокруг ядра. Такое представление объясняет и электрическую нейтральность атома, и результаты рассеяния альфа-частиц.

Как это устроено

Катодные лучи заставляют светиться экран, потому что частицы передают энергию веществу экрана. Если поместить луч между заряженными пластинами, он отклоняется; магнитное поле также меняет его направление. Электромагнитная волна не имела бы такого отклонения как поток заряженных частиц, поэтому наблюдения указывают на корпускулярную, то есть частичную, природу лучей.

По направлению отклонения в электрическом поле определяют знак заряда частиц, а по величине отклонения — отношение заряда к массе. В магнитном поле при движении перпендикулярно линиям индукции частица движется по окружности: |e|vB = mv²/r, поэтому |e|/m = v/(Br). Для катодных лучей, полученных из разных веществ, находили одно и то же отношение, следовательно, речь шла об одной универсальной частице — электроне.

Атом в целом нейтрален, потому что отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом другой части атома. После открытия электрона появились модели, объяснявшие такое равновесие. В модели Томсона электроны находились внутри распределённого по объёму положительного заряда, но дальнейшие опыты показали, что положительная часть устроена иначе.

В опыте Резерфорда пучок альфа-частиц направляли на очень тонкую металлическую фольгу, а вокруг неё наблюдали вспышки на экране. Большинство частиц проходило почти прямо, некоторые отклонялись на небольшие углы, и лишь редкие меняли направление резко. Такая картина означает, что сильное взаимодействие встречается редко, а слабое отклонение — часто.

Если бы положительный заряд был равномерно размазан по всему атому, альфа-частицы испытывали бы множество слабых воздействий, но резкие повороты были бы практически невозможны. Редкие большие отклонения объясняются близким пролётом к малой положительно заряженной области. Так возникла ядерная модель: атом в основном пуст, в центре находится компактное ядро, а электроны располагаются вокруг него.

Экспериментальные доказательства сложной структуры атома

Сначала найдите в таблице наблюдение, затем свяжите его с выводом, а уже потом — с моделью атома. Особенно важны не только сами отклонения, но и их частота: массовое прохождение почти прямо и редкие сильные отклонения указывают на разный размер пустого пространства и ядра.

Разбор задач

Задача 1

Катодный луч отклоняется к положительно заряженной пластине. Определите знак заряда частиц луча и объясните, почему результат свидетельствует о корпускулярной природе лучей.

1. Положительная пластина притягивает отрицательные заряды и отталкивает положительные.
2. Раз луч движется к положительной пластине, его частицы имеют отрицательный заряд.
3. Отклонение происходит под действием электрического поля на заряд. Значит, луч состоит из частиц, а не является только электромагнитной волной.

Ответ: частицы катодного луча заряжены отрицательно; луч имеет корпускулярную природу.

Задача 2

Электрон движется со скоростью v в однородном магнитном поле B перпендикулярно линиям индукции и описывает окружность радиуса r. Найдите отношение |e|/m.

1. На электрон действует магнитная сила Лоренца: F = |e|vB.
2. Она играет роль центростремительной силы: F = mv²/r.
3. Приравняем выражения: |e|vB = mv²/r.
4. После сокращения на v и преобразования получаем |e|/m = v/(Br).

Ответ: |e|/m = v/(Br). Знак заряда из этой формулы не определяется, поэтому использован модуль.

Задача 3

Альфа-частица рассеивается на большой угол при прохождении через золотую фольгу. Сравните размеры области, вызвавшей отклонение, с размером атома и объясните, почему это подтверждает существование компактного ядра.

1. Большое отклонение возникает только при сильном электрическом отталкивании положительной альфа-частицы.
2. Сильное взаимодействие происходит при очень близком пролёте к положительному заряду.
3. Такие события редки, значит, область с большим зарядом значительно меньше всего атома.
4. Эта малая область содержит почти всю массу и положительный заряд, поэтому её называют ядром.

Ответ: отклоняющая область намного меньше атома; редкие сильные отклонения подтверждают существование компактного положительного ядра.

Типичные ошибки

Считать катодные лучи светом только потому, что они вызывают свечение экрана, — ошибка. Свечение появляется при передаче энергии веществу, а отклонение электрическим и магнитным полями указывает на заряженные частицы. Проверка: спросите себя, может ли обычная световая волна отклоняться именно как поток заряженных частиц.

Нельзя путать направление движения электрона с направлением движения положительного заряда. Электрон отклоняется противоположно направлению электрического поля, потому что его заряд отрицателен. Проверка: сначала нарисуйте направление поля, затем вспомните, что сила для отрицательного заряда направлена наоборот.

Неверно делать вывод, что атом полностью заполнен веществом, поскольку он рассеивает альфа-частицы. Большинство частиц проходит почти прямо, следовательно, основная часть объёма атома практически пуста. Проверка: учитывайте не только факт рассеяния, но и долю частиц, испытавших отклонение.

Нельзя помещать электроны внутрь ядра в ядерной модели. Ядро — компактная положительно заряженная область, а электроны находятся вокруг него. Проверка: разделяйте в схеме атома центр с почти всей массой и внешнюю область электронов.

Связь с другими темами

Для понимания катодных лучей нужны знания о действии электрического и магнитного полей на заряды, силе Лоренца и движении частицы по окружности. Объяснение нейтральности атома опирается на закон сохранения электрического заряда. Выводы о ядре и электронах становятся основой тем о радиоактивности, спектрах атомов, ядерной физике и строении вещества.

Что запомнить

• Катодные лучи являются потоком отрицательно заряженных частиц.
• Электрон входит в состав атомов любых веществ.
• Электрон имеет отрицательный заряд и малую массу.
• Большинство объёма атома практически пусто.
• Положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в ядре.
• Редкие большие отклонения альфа-частиц доказывают существование компактного ядра.
• Ядерная модель атома сменила модель равномерного распределения положительного заряда.