Опыты Резерфорда

Опыты Резерфорда: как открыли ядро атома

Кажется, что атом невозможно увидеть и тем более исследовать напрямую. Но именно по следам частиц на экране Эрнест Резерфорд доказал, что внутри атома есть маленькое массивное ядро. Разберём его опыты так, чтобы ты понял не только вывод, но и логику рассуждений: что наблюдали, почему результат оказался неожиданным и как это может встретиться в заданиях ОГЭ и ЕГЭ.

В начале XX века учёные представляли атом в виде положительно заряженного «облака», внутри которого находятся электроны. Такую модель называли моделью Томсона. Она предполагала, что положительный заряд распределён по всему объёму атома, поэтому быстрая положительно заряженная частица должна почти беспрепятственно проходить сквозь вещество.

Резерфорд предложил проверить это экспериментально. В опыте использовали альфа-частицы. Это положительно заряженные частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Они вылетали из радиоактивного источника, проходили через тонкую золотую фольгу и попадали на люминесцентный экран, где вызывали короткие вспышки.

Золотую фольгу выбрали потому, что золото можно сделать очень тонким. Частицы проходили через слой, содержащий сравнительно небольшое число атомов, поэтому было проще заметить отклонения.

Наблюдения и главный вывод

Большинство альфа-частиц прошло через фольгу почти прямо. Это соответствовало ожиданиям: атом в основном должен быть пустым пространством. Однако часть частиц отклонилась на небольшие углы, а очень немногие изменили направление почти на противоположное.

Именно редкие обратные отклонения стали главным открытием. Если бы положительный заряд был распределён равномерно, он не смог бы резко отбросить тяжёлую альфа-частицу. Значит, в атоме существует очень маленькая область, где сосредоточены почти вся масса и весь положительный заряд.

Эту область назвали атомным ядром. Ядро имеет положительный заряд, а электроны находятся вокруг него. Размер ядра намного меньше размера атома, поэтому большая часть объёма атома действительно почти пуста.

Так появилась планетарная модель атома Резерфорда. Позже её уточнила квантовая физика, но вывод о существовании ядра сохранился.

Почему частицы отклоняются

Альфа-частица и ядро имеют положительные заряды, поэтому между ними действует электрическое отталкивание. Если частица проходит далеко от ядра, сила мала и траектория меняется незначительно. При близком пролёте отталкивание становится сильнее, и частица отклоняется на больший угол.

Максимальное отклонение наблюдается при почти лобовом столкновении. При этом частица не обязательно касается ядра: электрическое поле действует на расстоянии. Чем выше скорость альфа-частицы, тем труднее изменить её движение. Поэтому угол отклонения зависит от расстояния до ядра, заряда ядра и энергии частицы.

Наблюдение	Физический смысл
Частицы проходят прямо	Атом имеет большой пустой объём
Небольшие отклонения	Действует электрическое отталкивание ядра
Редкие сильные отклонения	Положительный заряд и масса сосредоточены в ядре

Важно: в опыте не «увидели» ядро глазами. О нём сделали вывод по статистике попаданий на экран. Это хороший пример научного метода: невидимый объект обнаруживают по его воздействию.

Модель атома и её ограничения

Согласно модели Резерфорда, атом состоит из положительного ядра и электронов, движущихся вокруг него. В нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов по модулю равен положительному заряду ядра.

Заряд ядра можно записать как +Ze, где Z — порядковый номер элемента, а e — элементарный заряд. В ядре находятся протоны и нейтроны. Число протонов определяет химический элемент, а число нуклонов, то есть протонов и нейтронов, связано с массовым числом.

У модели были ограничения. По законам классической электродинамики электрон, движущийся по криволинейной орбите, должен излучать энергию и постепенно упасть на ядро. Кроме того, классическая модель не объясняла линейчатые спектры атомов. Эти трудности привели к созданию модели Бора и затем квантовой механики.

На экзамене не смешивай результаты опытов Резерфорда с постулатами Бора. Резерфорд открыл ядерное строение атома, а Бор объяснил устойчивые состояния электронов с помощью квантовых представлений.

Типовая задача по опыту

Задача: альфа-частица имеет заряд +2e и движется к ядру золотого атома с зарядом +79e. Объясни, почему при сближении с ядром её скорость уменьшается, а затем частица может полететь обратно.

Дано:
\( q_1 = +2e \)
\( q_2 = +79e \)
Заряды одноимённые
Найти: направление изменения скорости

Решение:
Одноимённые заряды отталкиваются.
При приближении к ядру электрическая сила направлена против скорости альфа-частицы.
Кинетическая энергия уменьшается, электрическая потенциальная энергия увеличивается.
При почти центральном сближении частица может остановиться на мгновение и изменить направление движения.

Ответ:
Скорость уменьшается из-за отталкивания; при достаточном сближении альфа-частица может отклониться назад.

В реальном опыте угол зависел от того, насколько близко частица пролетала к ядру. Если решаешь задания по теме, сначала определи знаки зарядов и направление силы, а уже потом рассуждай о траектории. Для дополнительной бесплатной практики можно открыть личный кабинет и решить несколько заданий по атомной физике.

Что запомнить

Опыты Резерфорда проводили с альфа-частицами, золотой фольгой и люминесцентным экраном. Большинство частиц прошло прямо, значит, атом в основном пуст. Небольшие отклонения показали действие положительного заряда, а редкие сильные отклонения доказали существование маленького плотного ядра.

Ядро содержит почти всю массу атома и имеет положительный заряд. Электроны находятся вокруг ядра. При сближении альфа-частицы с ядром действует электрическое отталкивание: чем меньше расстояние, тем заметнее отклонение. Не забывай также об ограничениях планетарной модели: устойчивость атома и спектры объясняет уже квантовая физика.

Следующий шаг — зарегистрируйся и реши 5 заданий бесплатно в личном кабинете. После этого полезно проверить себя по вариантам ОГЭ или ЕГЭ, выбрав подходящий уровень сложности.