Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома
Древнегреческие и древнеиндийские учёные и философы считали, что все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц, которые не делятся.
Они были уверены, что в мире не существует ничего, что было бы меньше этих частиц, которые они назвали атомами. И, действительно, впоследствии существование атомов было доказано такими известными учёными, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов, Джон Дальтон. Неделимым атом считали вплоть до конца XIX – начала ХХ века, когда выяснилось, что это не так.
Открытие электрона. Модель атома Томсона
Джозеф Джон Томсон
В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая экспериментально поведение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, выяснил, что эти лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Скорость движения этих частиц была ниже скорости света. Следовательно, они имели массу. Откуда же они появлялись? Учёный предположил, что эти частицы входят в состав атома. Он назвал их корпускулами. Позже они стали называться электронами. Так открытие электрона положило конец теории о неделимости атома.
Модель атома Томсона
Томсон предложил первую электронную модель атома. Согласно ей атом представляет собой шар, внутри которого находится заряженное вещество, положительный заряд которого равномерно распределён по всему объёму. А в это вещество, как изюминки в булочке, вкраплены электроны. В целом атом электрически нейтрален. Эту модель назвали "моделью сливового пудинга".
Но модель Томсона оказалась неверной, что было доказано британским физиком сэром Эрнестом Резерфордом.
Опыт Резерфорда
Эрнест Резерфорд
Как же всё-таки устроен атом? На этот вопрос Резерфорд дал ответ после своего эксперимента, проведенного в 1909 г. совместно с немецким физиком Гансом Гейгером и новозеландским физиком Эрнстом Марсденом.
Опыт Резерфорда
Целью опыта было исследование атома с помощью альфа-частиц, сфокусированный пучок которых, летящий с огромной скоростью, направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался люминесцентный экран. При столкновении с ним частиц возникали вспышки, которые можно было наблюдать в микроскоп.
Если Томсон прав, и атом состоит из облака с электронами, то частицы должны были легко пролетать через фольгу, не отклоняясь. Так как масса альфа-частицы превышала массу электрона примерно в 8000 раз, то электрон не мог воздействовать на неё и отклонять её траекторию на большой угол, подобно тому, как камешек весом в 10 г не смог бы изменить траекторию движущегося автомобиля.
Но на практике всё оказалось по-другому. Большинство частиц действительно пролетало через фольгу, практически не отклоняясь или отклоняясь на небольшой угол. Но часть частиц отклонялась довольно значительно или даже отскакивала назад, словно на их пути возникало какое-то препятствие. Как сказал сам Резерфорд, это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд отскочил от куска папиросной бумаги.
Что же заставило некоторые альфа-частицы так сильно изменить направление движения? Учёный предположил, что причиной этому стала часть атома, сосредоточенная в очень малом объёме и имеющая положительный заряд. Её он назвал ядром атома.
Планетарная модель атома Резерфорда
Модель атома Резерфорда
Резерфорд пришёл к выводу, что атом состоит из плотного положительно заряженного ядра, расположенного в центре атома, и электронов, имеющих отрицательный заряд. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. В целом атом нейтрален. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов всех электронов атома. Но электроны не вкраплены в ядро, как в модели Томсона, а вращаются вокруг него подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Вращение электронов происходит под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Скорость вращения электронов огромна. Над поверхностью ядра они образуют подобие облака. Каждый атом имеет своё электронное облако, заряженное отрицательно. По этой причине они не «слипаются», а отталкиваются друг от друга.
Из-за своей схожести с Солнечной системой модель Резерфорда была названа планетарной.
Почему атом существует
Однако модель атома Резерфорда не смогла объяснить, почему атом так устойчив. Ведь, согласно законам классической физики, электрон, вращаясь на орбите, движется с ускорением, следовательно, излучает электромагнитные волны и теряет энергию. В конце концов эта энергия должна иссякнуть, а электрон должен упасть на ядро. Если бы это было так, атом смог бы существовать всего лишь 10 -8 с. Но почему этого не происходит?
Причину этого явления позже объяснил датский физик Нильс Бор. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по фиксированным орбитам, которые называются «разрешёнными орбитами». Находясь на них, они не излучают энергию. А излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной разрешённой орбиты на другую. Если это переход с дальней орбиты на более близкую к ядру, то энергия излучается, и наоборот. Излучение происходит порциями, которые назвали квантами.
Хотя описанная Резерфордом модель не смогла объяснить устойчивость атома, она позволила значительно продвинуться вперёд в изучении его строения.
Рассмотрим задачи тренировочного блока урока.
1. Формула Бальмера – Ридберга для водорода приводится в виде:
Коэффициент RH носит название постоянной Ридберга для водорода и его можно вычислить из данной формулы. Полученный результат равен·107 м-1, если известно, что при переходе атома водорода из четвёртого энергетического состояния во второе происходит излучение с длиной волны 486,13 нм.
Дано:
m = 4
n = 2
RH - ?
Решение:
Постоянная Ридберга для водорода:
Выведем постоянную Ридберга RH из формулы Бальмера – Ридберга:
Подставим известные значения в формулу:
Ответ:
2. Рассчитайте на какое наименьшее расстояние α-частица может приблизиться к ядру атома золота, двигаясь по прямой, проходящей через центр ядра. Масса α-частицы, её заряд, скорость движения и заряд ядра золота приведены в таблице:
Масса α-частицы, кг | Заряд α-частицы, Кл | Скорость движения α-частицы, м/с | Заряд ядра золота, Кл | Расстояние сближения, м |
6,6·10-27 | 3,2·10-19 | 1,9·107 | 1,3·10-17 | ? |
По закону сохранения энергии максимальная кинетическая энергия α-частицы будет равна максимальной потенциальной энергии взаимодействия частицы с ядром атома золота:
Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия зарядов.
Для определения наименьшего расстояния между α-частицей и ядра атома золота используем формулу взаимодействия заряжённых частиц - закон Кулона:
— коэффициент пропорциональности.
Чтобы определить силу взаимодействия зарядов на кратчайшем расстоянии, запишем II закон Ньютона, устанавливающий зависимость силы от ускорения, для движения тела движущегося по окружности с центростремительным ускорением:
Приравняем выражения для силы взаимодействия двух точечных зарядов:
Отсюда выразим расстояние сближения двух зарядов, считая его радиусом от центра ядра золота до точки сближения с α-частицей:
Подставим числовые значения в полученную формулу:
Ответ:
Масса α-частицы, кг | Заряд α-частицы, Кл | Скорость движения α-частицы, м/с | Заряд ядра золота, Кл | Расстояние сближения, м |
6,6·10-27 | 3,2·10-19 | 1,9·107 | 1,3·10-17 | 3,1·10-14 |
