2. Планетарная модель атома

Определения и обозначения

Планетарная модель атома — представление, согласно которому в центре атома находится положительно заряженное ядро, а вокруг него движутся электроны. Слово «планетарная» напоминает о движении планет вокруг центрального тела. Такая модель помогает связать устройство атома с результатами опытов по рассеянию частиц.

Атомное ядро — центральная, очень малая и массивная часть атома с положительным зарядом. Оно гораздо меньше атома, поэтому не заполняет весь его объём. Понятие ядра нужно, чтобы объяснить, почему одни частицы пролетают сквозь вещество, а другие резко меняют направление.

Альфа-частица — положительно заряженная частица, которую используют для исследования строения атома. Её электрический заряд позволяет ей взаимодействовать с зарядом ядра. Сравнивая, как меняется движение таких частиц, можно делать выводы о распределении заряда внутри атома.

Рассеяние альфа-частиц — изменение направления их движения при прохождении через вещество. Оно бывает слабым или сильным, а некоторые частицы могут отлететь почти назад. Именно наблюдение за рассеянием позволило исследовать атом, не рассматривая его напрямую.

Как это устроено

В опыте Резерфорда узкий пучок альфа-частиц направляли на тонкую металлическую фольгу. За фольгой располагали экран, на котором отмечали места попадания частиц. По распределению этих отметок исследователи могли судить, сохранили ли частицы прежнее направление или отклонились. Тонкую фольгу использовали, чтобы частицы могли пройти через неё, а изменения их движения было удобно наблюдать.

Большинство частиц проходило через фольгу почти без отклонения. Если бы атомы были сплошными и равномерно заполненными, частицы часто сталкивались бы с веществом и заметно меняли движение. Поскольку этого не происходило, Резерфорд заключил, что большая часть объёма атома практически пуста. Значит, масса и заряд распределены внутри атома не равномерно.

Некоторые альфа-частицы меняли направление на небольшие углы, а немногие отклонялись очень сильно или возвращались назад. Альфа-частица и ядро заряжены положительно, поэтому при сближении они отталкиваются. Чем ближе частица проходит к ядру, тем сильнее электрическое отталкивание и тем заметнее меняется её траектория. Возврат назад возможен при особенно тесном сближении: компактное ядро сильно отталкивает частицу.

Так возникла планетарная модель: в центре атома находится положительное ядро, а электроны движутся вокруг него. Заряды ядра и электронов противоположны, поэтому в нейтральном атоме их суммарный заряд равен нулю. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а размер самого ядра очень мал по сравнению с размером атома. Поэтому атом нельзя представлять как шар, равномерно заполненный веществом.

Планетарная модель объяснила, почему частицы чаще проходят сквозь фольгу и почему редкие столкновения с ядром приводят к сильному рассеянию. Однако это описание не решило всех вопросов о строении атома. Классическая физика не объясняет, почему атом устойчив, если электроны движутся вокруг ядра, и почему атомы испускают линейчатые спектры. Для объяснения этих явлений потребовались новые модели и представления.

Опыт Резерфорда: наблюдения и выводы

Сопоставляйте каждое наблюдение с выводом: чем сильнее отклонение, тем ближе частица подошла к ядру. Последний столбец показывает, как планетарная модель объясняет увиденное. Таблица также помогает отличать само наблюдение от вывода о внутреннем строении атома.

Разбор задач

Задача 1. Из пучка альфа-частиц, направленного на тонкую фольгу, почти все частицы проходят прямо. Какой вывод о строении атома следует из этого наблюдения?

1. Уточним, что именно наблюдали: частицы прошли через фольгу без заметного изменения направления. Значит, на пути большинства частиц не встретилось области, которая сильно оттолкнула бы их. Это не доказывает, что атом пуст совершенно, но показывает, что он не заполнен веществом равномерно.

2. Сравним результат с предположением о сплошном атоме. В таком случае частицы часто сталкивались бы с его веществом и отклонялись. Почти прямой пролёт возможен, если в атоме есть много свободного пространства, а сильное взаимодействие происходит лишь при редких сближениях с ядром.

Ответ: большая часть объёма атома практически пуста, а рассеивающая частицы область занимает очень малый объём.

Задача 2. Некоторые альфа-частицы после прохождения через фольгу меняют направление. Объясните отклонение с помощью планетарной модели.

1. В планетарной модели в центре атома находится ядро с положительным зарядом. Альфа-частица также положительно заряжена. Поэтому при сближении с ядром между ними действует отталкивание.

2. Это отталкивание действует на движущуюся частицу и меняет её скорость по направлению. Если частица пролетает далеко от ядра, отклонение мало; если проходит ближе, изменение траектории заметнее. Так модель связывает направление движения частицы с её расстоянием до ядра.

Ответ: положительно заряженное ядро отталкивает положительную альфа-частицу, поэтому та отклоняется.

Задача 3. Альфа-частица приблизилась к ядру и была отброшена назад. Какое свойство ядра и какой вывод об атоме подтверждает это наблюдение?

1. Возвращение назад означает, что частица испытала очень сильное отталкивание. Поскольку оба объекта заряжены положительно, причиной служит положительный заряд ядра. Сильное отклонение возникает при тесном сближении с ним.

2. Ядро должно быть компактной областью, в которой сосредоточен значительный положительный заряд. Большая масса атома также сосредоточена в этой малой области, иначе наблюдение не давало бы основания говорить о ядре как о массивной центральной части. При этом ядро занимает лишь малую долю объёма атома.

Ответ: ядро имеет большой положительный заряд и очень малый размер; основная масса атома сосредоточена в ядре.

Типичные ошибки

• Представлять атом как заполненный веществом шар. Так думают, перенося на атом привычные свойства крупных тел, но этот образ не согласуется с почти прямым прохождением большинства альфа-частиц через фольгу. Проверьте себя: если бы атом был сплошным, частицы гораздо чаще отклонялись бы. Верный вывод — большая часть его объёма практически пуста.

• Считать, что ядро занимает значительную часть объёма атома. Сильные отклонения легко принять за признак большого ядра, хотя они возникают при тесном сближении с очень малой областью. Сопоставьте редкость таких отклонений с тем, что большинство частиц проходит прямо. Ядро мало по сравнению с атомом.

• Приписывать ядру отрицательный заряд. Ошибка может появиться из-за того, что электроны отрицательны, но они не являются ядром. Положительные альфа-частицы отталкиваются от ядра, значит, его заряд тоже положительный. Сверяйте знак заряда с направлением взаимодействия: одноимённые заряды отталкиваются.

• Считать планетарную модель полным объяснением свойств атома. Её наглядный образ кажется убедительным, но модель не объясняет устойчивость атома и линейчатые спектры. Чтобы проверить её границы, спросите, отвечает ли она на эти два вопроса. Если нет, значит, для объяснения нужны другие физические представления.

Связь с другими темами

Для понимания модели нужно знать, что атом состоит из ядра и электронов, а также различать знаки электрических зарядов. Важно помнить правило: разноимённые заряды притягиваются, одноимённые отталкиваются; оно объясняет отклонение альфа-частиц. Планетарная модель подготавливает к изучению модели Бора и энергетических уровней. Эти понятия понадобятся, чтобы объяснить линейчатые спектры и ограничения классического описания атома.

Что запомнить

• Планетарная модель возникла после опытов по рассеянию альфа-частиц.
• В центре атома находится положительно заряженное ядро.
• Электроны движутся вокруг ядра.
• Большая часть объёма атома практически пуста.
• Основная масса атома сосредоточена в ядре.
• Планетарная модель не объясняет устойчивость атома и его линейчатые спектры.