§ 33. строение атома. опыты резерфорда

Раздел физики, изучающий строение и состояние атомов, называют атомной физикой. Реальные сомнения в том, что атом является неделимой материальной частицей, появились в конце 19-го века, когда английский физик Дж. Томсон открыл электрон, входящий в состав электронейтрального атома. Из экспериментов следовало, что масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы самого лёгкого атома, а значит, основная часть массы атома заряжена положительно. В 1903 г. Томсон предложил модель строения атома, согласно которой атом имеет форму шара диаметром около 10^-10 м (расстояние между узлами кристаллической решётки твёрдых тел), внутри которого равномерно распределён положительный заряд, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри этого шара, как изюминки в кексе (рис. 33а).

В 1909–1911 годах английский физик Э. Резерфорд и его сотрудники Х. Гейгер и Э. Марсден исследовали структуру атома с помощью быстрых положительно заряженных частиц. В качестве таких частиц были использованы так называемые a-частицы, возникающие при распаде радия и некоторых других радиоактивных элементов. Заряд a-частиц равен двум элементарным, а масса - примерно 4 а.е.м. Установка, использованная Резерфордом в этих опытах (рис. 33б), состояла из свинцового контейнера 1, содержащего крупицу радия, из которого вдоль узкого канала вылетал пучок a-частиц 2, падающий на лист тонкой металлической фольги 3. За фольгой был помещен полупрозрачный цилиндрический экран 4, покрытый кристаллами сульфида цинка, свечение которых под ударами a-частиц наблюдали с помощью микроскопа 5.

В опытах Резерфорда a-частицы сталкиваются с атомами фольги, и при каждом таком столкновении a-частица, пролетая через электрическое поле атома, изменяет направление движения (испытывает рассеяние). Электроны, имеющие гораздо меньшую массу, чем a-частица, не могут изменять направление движения a-частиц. Поэтому, изучая рассеяние a-частиц можно оценить размеры положительно заряженной части атома. Оказалось, что бóльшая часть a-частиц, несущихся со скоростью около 1/15 скорости света, проходит через тонкую фольгу почти не рассеиваясь, что соответствовало модели атома Томсона, в которой положительный заряд был равномерно распределён по объёму всего атома (рис. 33а). Однако очень малая доля a-частиц отклонялась на углы более 90°(см. рис. 33б), что было невозможно объяснить, пользуясь моделью Томсона, т.к.  электрическое поле однородно заряженного шара недостаточно велико на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара.

Чтобы объяснить, почему некоторые a-частицы могут быть отброшены назад атомом, Резерфорд предложил принципиально новую модель атома, в которой весь положительный заряд атома и почти вся его масса сконцентрированы в теле очень малых размеров атомном ядре. Такую модель атома называют ядерной. Согласно оценкам Резерфорда диаметр атомных ядер должен составлять 10^-14 – 10^-15 м. Таким образом, размеры атома в 10⁴-10⁵ раз превышают размеры его ядра, а максимальная напряжённость электрического поля в ядерной модели атома превышает его напряжённость в модели Томсона в 10⁸-10¹⁰ раз, что и делает возможным рассеяние быстрых a-частиц на большие углы.

Основываясь основе ядерной модели атома, Резерфорд предположил, что атом устроен подобно солнечной системе – вокруг ядра, как вокруг Солнца, обращаются электроны, как планеты (рис. 33в). При этом в нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов должен компенсировать положительный заряд ядра. Такая модель строения атома была названа планетарной. В планетарной модели электроны должны обращаться вокруг ядра, чтобы не упасть на него под действием кулоновских сил притяжения.

Вопросы для повторения:

·        Какую модель строения атома предложил Томсон?

·        Какие результаты были получены в опытах Резерфорда?

·        Какую модель строения атома и почему предложил Резерфорд?

 

Рис. 33. (а) –модель строения атома, предложенная Томсоном; (б) – схема опытов Резерфорда; (в) – планетарная модель строения атома.