Физика · конспекты
★0
Физика › 9 класс › Испускание и поглощение света атомом

Тема 36Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома

★★★
Термины темы — найди их в тексте:Атомное ядроэлектрональфа-частицядре

В конце XIX века выяснилось, что атом не неделим. В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон — отрицательно заряженную частицу, которая входит в состав всех атомов.

Трубка Томсона: катодные лучи отклоняются электрическим и магнитным полями — это поток электронов
Трубка Томсона: катодные лучи отклоняются электрическим и магнитным полями — это поток электронов Иллюстрация: light-fizika.ru

Модель Томсона

По Томсону, атом — положительно заряженный шар радиусом около 10−1010^{-10} м, внутри которого вкраплены электроны, как изюм в булке.

Модель атома Томсона — «пудинг с изюмом»
Модель атома Томсона — «пудинг с изюмом» Иллюстрация: light-fizika.ru

Опыт Резерфорда

В 1909–1911 годах Эрнест Резерфорд с сотрудниками направлял пучок альфа-частиц — положительно заряженных и примерно в 7300 раз тяжелее электрона — на тончайшую золотую фольгу и считал вспышки на экране вокруг неё.

  • Большинство частиц проходило фольгу почти не отклоняясь.
  • Некоторые отклонялись на большие углы.
  • Очень редкие частицы (примерно одна из нескольких тысяч) отлетали назад.
Схема опыта Резерфорда: что ожидали по модели Томсона и что увидели на самом деле
Схема опыта Резерфорда: что ожидали по модели Томсона и что увидели на самом деле Иллюстрация: light-fizika.ru

Отбросить альфа-частицу назад может только очень маленькое, массивное и сильно заряженное препятствие. Резерфорд заключил: весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в крошечном ядре.

Определение

Атомное ядро — положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса.

Планетарная модель атома

В центре атома — положительно заряженное ядро размером около 10−1510^{-15}–10−1410^{-14} м. Вокруг него, как планеты вокруг Солнца, движутся электроны. Заряд ядра по модулю равен суммарному заряду электронов, поэтому атом нейтрален.

Планетарная модель атома. Ядро в 10 000–100 000 раз меньше самого атомаПланетарная модель атома. Ядро в 10 000–100 000 раз меньше самого атома
Планетарная модель атома. Ядро в 10 000–100 000 раз меньше самого атома Иллюстрация: light-fizika.ru

Атом почти пустой: если увеличить ядро до размера горошины, атом станет размером со стадион.

Почему так?

Почему и эта модель оказалась неполной? Электрон, движущийся по окружности, движется с ускорением. По законам электродинамики он должен излучать электромагнитные волны, терять энергию и за доли секунды упасть на ядро. Но атомы устойчивы! Это противоречие разрешил Нильс Бор (следующая тема).

Образ для запоминания

Опыт Резерфорда — «стрельба по стогу сена»: пули пролетают насквозь, но изредка отскакивают назад. Значит, в стогу спрятан маленький, но очень тяжёлый камень — ядро.

⚗ Мини-опыт

Обстреливайте тонкую фольгу альфа-частицами в двух моделях атома. Сравните, как часто частицы отклоняются на большие углы. Какая модель объясняет результат опыта?

▶ Симуляция PhET

На экране «Атом Резерфорда» включите пушку альфа-частиц. Что происходит с частицами, которые пролетают близко к ядру? Сравните с моделью «пудинга с изюмом».

Резерфордовское рассеяниеОткрыть ↗

Симуляция: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, лицензия CC BY-NC 4.0 (phet.colorado.edu); русский перевод интерфейса.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1Кто открыл электрон?
Томсон, 1897 год.
2Что показал опыт Резерфорда?
Иначе частицы не отлетали бы назад.
3Почему большинство альфа-частиц проходило фольгу без отклонения?
Ядро занимает ничтожную долю объёма атома.

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

  1. Опишите модель атома Томсона.

    Ответ

    Положительно заряженный шар, внутри которого находятся электроны.

    Как получилось?

  2. Какими частицами Резерфорд обстреливал фольгу?

    Ответ

    Альфа-частицами — положительно заряженными ядрами гелия.

    Как получилось?

  3. Каковы размеры атома и ядра?

    Ответ

    Атом — около 10−1010^{-10} м, ядро — около 10−1510^{-15}–10−1410^{-14} м.

    Как получилось?

  4. Почему атом электрически нейтрален?

    Ответ

    Положительный заряд ядра по модулю равен суммарному заряду электронов.

    Как получилось?

  5. Почему модель Резерфорда называют планетарной?

    Ответ

    Электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.

    Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

  1. Во сколько раз атом больше ядра, если их размеры 10−1010^{-10} м и 10−1510^{-15} м?

    Ответ

    10−1010−15=105\dfrac{10^{-10}}{10^{-15}}=10^5 — в 100 000 раз.

    Как получилось?

  2. Почему некоторые альфа-частицы отлетали назад?

    Ответ

    Они пролетали очень близко к маленькому массивному положительному ядру и сильно отталкивались от него.

    Как получилось?

  3. Какое противоречие было в планетарной модели атома?

    Ответ

    Электрон, движущийся с ускорением, должен излучать энергию и упасть на ядро, а атомы на самом деле устойчивы.

    Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

Атомное ядро
Крошечная положительная середина атома; в ней почти вся его масса.
Модель Томсона
Положительный шар с вкраплёнными электронами — «пудинг с изюмом».
Опыт Резерфорда
Альфа-частицы и золотая фольга: редкие отскоки назад выдают крошечное ядро.
Планетарная модель атома
В центре — массивное положительное ядро, вокруг движутся электроны.

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.