§ 60. Ядерная модель атома

Определения и обозначения

Ядерная модель атома — представление, согласно которому атом состоит из компактного положительно заряженного ядра и электронов вокруг него. Почти весь объём атома при этом свободен от вещества. Модель нужна, чтобы объяснить результаты рассеяния альфа-частиц.

Атомное ядро — центральная малая область атома, где сосредоточены его положительный заряд и почти вся масса. Размер ядра чрезвычайно мал по сравнению с размером атома. Именно близкое взаимодействие с ядром вызывает самые сильные отклонения частиц.

Альфа-частица — положительно заряженная частица с зарядом +2e. Её направляли на фольгу, чтобы по изменению траектории исследовать распределение заряда внутри атома. Большая масса альфа-частицы помогает наблюдать даже небольшие воздействия со стороны атомов.

Рассеяние альфа-частиц — изменение направления их движения при прохождении вблизи атомных ядер. По углам отклонения можно судить о размере, заряде и расположении области, которая действует на частицы. Такой анализ и привёл к ядерной модели.

Как это устроено

Ранние модели предполагали, что положительный заряд распределён по всему объёму атома, а электроны находятся внутри этого распределения. В таком случае воздействие на пролетающую альфа-частицу складывалось бы от множества слабых участков. Оно не могло бы придать частице большой обратный импульс, поэтому наблюдавшиеся редкие резкие отклонения оставались необъяснимыми.

Резерфорд направил узкий пучок альфа-частиц на очень тонкую металлическую фольгу. За фольгой и вокруг неё поместили экран, на котором попадания частиц обнаруживались по коротким вспышкам. По положению вспышек определяли, насколько изменилась траектория каждой частицы.

Большинство частиц прошло сквозь фольгу почти прямо, некоторые отклонились, а очень небольшая доля изменила направление на большой угол или полетела назад. Такое распределение результатов нельзя объяснить равномерным «размазыванием» положительного заряда. Оно показывает, что атом в основном прозрачен для быстрых альфа-частиц, но иногда частица встречает очень сильное электрическое поле.

Альфа-частица положительна, поэтому при приближении к положительному центру она отталкивается. Сильное отклонение возможно только тогда, когда частица подходит к этому центру на малое расстояние. Значит, положительный заряд сосредоточен в компактном ядре, а почти вся масса атома находится там же: лёгкие электроны не могли бы заметно отбросить тяжёлую альфа-частицу.

Чем меньше расстояние между альфа-частицей и ядром, тем сильнее кулоновское отталкивание и тем больше угол отклонения. Редкость крупных углов показывает, что область сильного взаимодействия очень мала. Сравнивая характер рассеяния с размерами атома, учёные оценили размер ядра как чрезвычайно малый по сравнению с атомным.

Сравнение моделей атома и их объяснительной силы

Сначала найдите в таблице, где находится положительный заряд, а затем свяжите это с траекторией альфа-частиц. Если заряд распределён равномерно, трудно получить редкие очень сильные отклонения. Ядерная модель одновременно объясняет и почти прямой пролёт большинства частиц, и редкие большие углы рассеяния.

Разбор задач

Задача 1. Прохождение частиц через фольгу

Условие. Опишите, какие наблюдения в опыте с тонкой фольгой подтвердили, что атом в основном состоит из пустого пространства. Нужно связать наблюдение с расположением ядра, а не просто перечислить результат.

Решение.

1. Отмечаем главный результат: подавляющее большинство альфа-частиц прошло через фольгу почти без изменения направления.
2. Делаем вывод, что на пути частиц обычно нет области, создающей сильное электрическое поле. Такой областью является маленькое ядро.
3. Сравниваем размеры: если ядро занимает лишь малую часть атома, то вероятность попасть в него невелика, а остальное пространство почти свободно.

Ответ. Почти прямой пролёт большинства частиц показывает, что они проходят через свободное пространство атомов. Следовательно, ядро очень мало по сравнению с атомом, а основная часть атомного объёма пуста.

Задача 2. Зависимость отклонения от расстояния

Условие. Пучок положительно заряженных альфа-частиц направили на фольгу. Объясните, почему частица, прошедшая близко к ядру, отклонится сильнее, чем частица, пролетевшая далеко от него.

Решение.

1. Заряды альфа-частицы и ядра имеют один знак, поэтому между ними действует отталкивание.
2. При малом расстоянии кулоновское взаимодействие сильнее, и скорость частицы получает большую поперечную составляющую.
3. Чем больше эта составляющая по сравнению с первоначальным движением, тем сильнее меняется направление траектории.

Ответ. Близко пролетающая частица испытывает более сильное кулоновское отталкивание. Поэтому её направление изменяется на больший угол, чем у частицы, прошедшей далеко от ядра.

Задача 3. Редкие большие углы

Условие. Очень небольшая доля альфа-частиц изменила направление на большой угол или полетела назад. Объясните, какой вывод о строении атома позволяет сделать это наблюдение и почему.

Решение.

1. Большой угол требует сильного взаимодействия, значит, отдельные частицы приблизились к источнику сильного электрического поля.
2. Редкость события означает, что этот источник занимает очень малую область внутри атома.
3. Поскольку даже тяжёлая альфа-частица иногда отбрасывается, в этой области сосредоточена почти вся масса атома и положительный заряд.

Ответ. В атоме существует компактное положительно заряженное ядро, содержащее почти всю массу. Большие углы возникают только у частиц, которые случайно проходят рядом с ним, поэтому такие события редки.

Типичные ошибки

Ядро занимает значительную часть атома. Так думают, потому что именно ядро определяет массу и заряд атома, но это не означает большой объём. Проверьте себя: большинство частиц проходит почти прямо, значит, ядро мало по сравнению с атомом.

Все альфа-частицы отклоняются одинаково. Ошибка возникает, если не учитывать разные расстояния до ядра при пролёте через фольгу. Нужно помнить: угол отклонения зависит от прицельного расстояния, то есть от того, насколько близко частица проходит к ядру.

Альфа-частица притягивается к ядру. Такое рассуждение переносят с взаимодействия разноимённых зарядов. Заряд альфа-частицы и заряд ядра положительны, поэтому правильное объяснение — кулоновское отталкивание.

Опыт Резерфорда показал точные орбиты электронов. В опыте исследовали траектории альфа-частиц, а не движение электронов внутри атома. Если требуется назвать результат опыта, указывайте наличие малого ядра, но не приписывайте ему полного описания электронной оболочки.

Связь с другими темами

До изучения ядерной модели нужно знать ранние представления о строении атома и основные свойства электрических зарядов. Особенно полезно понимать, что сила взаимодействия зависит от расстояния между зарядами. Это позволяет объяснить разницу между близким и далёким пролётом альфа-частиц.

Ядерная модель служит основой для дальнейшего изучения состава и свойств атомного ядра. Она понадобится при рассмотрении радиоактивности, ядерных реакций и превращений атомных ядер. Без представления о компактном ядре трудно понять, где происходят эти процессы.

Рассеяние связывает строение вещества с наблюдаемой траекторией частиц. По характеру отклонений можно делать выводы о невидимой внутренней структуре атома. Поэтому опыт Резерфорда стал важным примером экспериментального исследования микромира.

Что запомнить

• Положительный заряд атома сосредоточен в очень малом ядре.
• Почти вся масса атома приходится на ядро.
• Большая часть объёма атома — пустое пространство.
• Большинство альфа-частиц проходит через тонкую фольгу почти без отклонения.
• Сильные отклонения альфа-частиц редки, потому что ядро мало.
• Чем ближе альфа-частица проходит к ядру, тем сильнее её отклонение.