1. Опыт Резерфорда

Определения и обозначения

Альфа-частица — положительно заряженная частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов. Она быстро движется и служит в опыте своеобразным «зондом»: по изменению её направления судят о внутреннем строении атома. Её положительный заряд важен для электрического отталкивания от ядра.

Рассеяние альфа-частиц — изменение направления их движения при прохождении через вещество. Если частица летит почти прямо, воздействие атомов было слабым; большой угол поворота означает сильное взаимодействие. По распределению таких отклонений делают выводы о строении атома.

Атомное ядро — небольшая центральная часть атома с положительным зарядом, в которой сосредоточена почти вся его масса. Размер ядра намного меньше размера всего атома, поэтому оно занимает лишь крошечную долю его объёма. Именно близкое прохождение около ядра вызывает сильное отклонение частицы.

Ядерная модель атома — представление об атоме как о компактном положительном ядре и электронах, движущихся вокруг него. Такая модель заменила идею равномерно распределённого положительного заряда. Она объясняет и свободный пролёт большинства частиц, и редкие резкие отклонения.

Как это устроено

Установка состояла из источника альфа-частиц, тонкой золотой фольги и экрана, покрытого веществом, дающим вспышку при попадании частицы. Источник формировал направленный пучок, фольга служила преградой, а экран позволял заметить даже небольшое изменение траектории. Наблюдая вспышки в разных местах экрана, сравнивали направления движения частиц до и после прохождения через фольгу.

Золотую фольгу сделали очень тонкой, потому что частица должна была пройти через вещество и испытать действие отдельных атомов. В толстом слое она сталкивалась бы со множеством атомов, и результаты разных отклонений смешивались бы. Тонкая фольга также уменьшала вероятность поглощения частиц и делала картину рассеяния более понятной.

По модели Томсона положительный заряд был распределён по всему объёму атома, а электроны находились внутри этого заряженного «облака». Такое слабое и плавное поле не могло резко изменить движение быстрой массивной альфа-частицы. Поэтому ожидалось, что почти все частицы пройдут через фольгу почти прямо, а небольшие отклонения будут редкими и незначительными.

Наблюдения оказались иными. Большинство альфа-частиц действительно прошло почти без отклонения, но небольшая часть повернула на заметные углы, а отдельные частицы отскочили назад. Редкие сильные отклонения были особенно неожиданными: они показывали, что внутри атома есть область, способная создать очень сильное электрическое поле.

Резкие повороты объясняются отталкиванием положительной альфа-частицы от положительного ядра. Чтобы изменить направление быстрой частицы, ядро должно иметь большой заряд и значительную массу, но занимать очень малый объём. Так возник вывод о компактном массивном ядре, а атом стали представлять как почти пустое пространство с электронами вокруг центра.

Опыт Резерфорда: наблюдения и выводы

Таблицу удобно читать слева направо: сначала указано, какие частицы рассматриваются, затем сравниваются ожидание и наблюдение. Последний столбец превращает результат опыта в физический вывод. Чем сильнее отличие наблюдения от предсказания модели Томсона, тем важнее оно для построения новой модели атома.

Разбор задач

Задача 1. Что было бы при модели Томсона?

Условие. Опишите картину на экране, если атом действительно имел бы строение по модели Томсона. Нужно связать распределение положительного заряда с движением альфа-частиц.

1. В модели Томсона положительный заряд не собран в одном месте, а размазан по всему объёму атома.
2. При прохождении через такой атом частица испытывала бы действие сравнительно слабой распределённой силы, поэтому резкий поворот был бы маловероятен.
3. На экране появилась бы яркая область напротив источника: почти все частицы прошли бы прямо. Вокруг неё могли бы быть слабые вспышки от небольших отклонений, но отдельных вспышек далеко в стороне и за фольгой практически не было бы.

Ответ. По модели Томсона почти все частицы прошли бы прямо, а наблюдались бы только очень малые отклонения; большие углы и отскоки назад ожидать нельзя.

Задача 2. Почему большинство частиц прошло прямо?

Условие. По описанию опыта определите вывод из того, что почти все альфа-частицы прошли через фольгу без отклонения. Требуется объяснить результат, а не просто назвать его.

1. Сильное отклонение возможно только при заметном взаимодействии с заряженной областью атома.
2. Если почти все частицы не изменили направление, значит, они почти не встречали такую область на своём пути.
3. Следовательно, область сильного взаимодействия занимает очень малую часть пространства, тогда как остальная часть атома почти не мешает движению частиц.

Ответ. Атом в основном состоит из пустого пространства, а положительный заряд сосредоточен лишь в небольшой области — ядре.

Задача 3. Отклонение около ядра

Условие. Альфа-частица приблизилась к положительно заряженному ядру. Объясните направление её отклонения и возможность обратного движения при центральном попадании.

1. Альфа-частица и ядро имеют положительные заряды, поэтому между ними действует электрическое отталкивание.
2. При боковом приближении сила направлена от ядра и изменяет направление скорости частицы, отклоняя её от первоначальной прямой.
3. При почти центральном приближении отталкивание действует навстречу движению. Массивное ядро почти не смещается, поэтому частица теряет скорость, останавливается на мгновение и движется назад.

Ответ. Частица отклоняется от ядра из-за отталкивания одноимённых зарядов, а при почти прямом попадании может развернуться и отскочить назад.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что все альфа-частицы должны отклоняться от фольги. Так думают, представляя фольгу сплошной преградой, но атом в основном пуст. Проверка: вспомните, что большинство частиц прошло почти прямо.

Ошибка 2. Путать ядро с атомом и изображать ядро занимающим весь атом. Ошибка возникает из-за условных крупных рисунков, на которых ядро увеличивают для наглядности. Проверка: ядро — малая центральная часть, а электроны и пространство вокруг него относятся ко всему атому.

Ошибка 3. Объяснять сильные отклонения столкновениями с электронами. Электроны слишком легки, чтобы обычно вызвать такие резкие изменения движения; главную роль играет отталкивание от положительного ядра. Проверка: спросите себя, какая частица способна одновременно сильно оттолкнуть альфа-частицу и почти не сдвинуться.

Ошибка 4. Считать положительный заряд равномерно распределённым по атому. Такое представление относится к модели Томсона, но оно не объясняет редкие большие углы и отскоки. Проверка: сопоставьте наблюдения с выводом о компактном ядре.

Связь с другими темами

До изучения опыта нужны представления о строении атома, электрическом заряде и отталкивании одноимённых зарядов. Связь с механикой проявляется в том, что изменение направления движения частицы означает действие силы. Дальше ядерная модель ведёт к модели Бора, изучению строения атомного ядра и радиоактивности.

Что запомнить

• Опыт Резерфорда изучал прохождение альфа-частиц через тонкую золотую фольгу.
• Большинство альфа-частиц проходит через фольгу почти без отклонения.
• Небольшая часть частиц отклоняется на большие углы.
• Отдельные альфа-частицы могут отражаться назад.
• Атом в основном состоит из пустого пространства.
• Почти вся масса и положительный заряд атома сосредоточены в маленьком ядре.
• Опыт Резерфорда стал основанием ядерной модели атома.