Строение атома с точки зрения эрнеста резерфорда. Классическая модель атома по Резерфорду. Опыты Резерфорда. Открытие электрона. Модель атома Томсона

Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощьюα -частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость α -частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию α -частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не в состоянии заметно изменить его скорость. Рассеяние (изменение направления движения) α -частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α -частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома.

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок α -частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния α -частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α -частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, α -частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади. Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α -частиц на большие углы. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число α -частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам эксперимент по наблюдению рассеяния α -частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат. «Это почти столь же невероятно, - говорил Резерфорд, - как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар». В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя. При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно интенсивное электрическое поле, способное отбросить а-частицу назад. Максимальная сила отталкивания определяется по закону Кулона:

где q α - заряд α -частицы; q - положительный заряд атома; r - его радиус; k - коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому, чем меньше радиус r, тем больше сила, отталкивающаяα -частицы.

Определение размеров атомного ядра. Резерфорд понял, что α -частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра - тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

Планетарная модель атома , или модель Резерфорда , - историческая модель строения атома, которую предложил Эрнест Резерфорд в результате эксперимента с рассеянием альфа-частиц. По этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого движутся электроны, - подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с учётом того, что движение электронов имеет квантовый характер и не описывается законами классической механики. Исторически планетарная модель Резерфорда пришла на смену «модели сливового пудинга»Джозефа Джона Томсона, которая постулирует, что отрицательно заряженные электроны помещены внутрь положительно заряженного атома.

До конца XIX века считалось, что атом неделим. Но после того как английский физик Джозеф Джон Томсон в 1897 г. открыл электрон, стало понятно, что учёные ошибались.

Итак, открыв электрон , Томсон пришёл к выводу, что он обладает массой и имеет отрицательный заряд. Было сделано предположение, что электрон является составной частью атома. Но раз он имеет отрицательный заряд, следовательно, в состав атома должны входить частицы, имеющие положительный заряд, так как в целом атом нейтрален.

Модель атома Томсона

Томсон предложил свою модель атома. Он считал, что атом имеет форму шара. Внутри этого шара находится положительно заряженное вещество, в котором существуют отрицательно заряженные электроны. Свою модель Томсон в шутку называл «булочкой с изюмом». То есть, в его модели электроны как бы вкраплены в какую-то положительно заряженную массу, как изюминки в булочке.

Опыт Резерфорда

Опыт Резерфорда

Дальнейшие исследования атома учёными показали, что модель, предложенная Томсоном, была неправильной.

В 1909 г. английский физик Эрнест Резерфорд провёл опыт с рассеиванием альфа-частиц, которые образуются при распаде химического элемента радия. Масса альфа-частиц в 8000 раз превышает массу электрона.

В эксперименте Резерфорда пучок альфа-частиц пропускался через тонкую золотую фольгу. Нужно сказать, что фольга была настолько тонка, что её толщина составляла практически один слой молекул. Если Томсон был прав, и атом состоял из некоего облака с электронами, то альфа-частицы, обладающие большой массой, должны были легко проходить через фольгу. Но на деле оказалось, что часть альфа-частиц действительно проходила, отклоняясь лишь на небольшой угол, а часть словно наталкивалась на какое-то препятствие и отскакивала назад. Это было невероятно. Впоследствии Резерфорд сравнивал свой опыт с выстрелом 15-дюймовым снарядом по папиросной бумаге. Результат его опыта был таким, как если бы снаряд не только не пробил папиросную бумагу, но и отскочил от неё. То есть внутри атома существовало что-то, мешавшее альфа-частицам проходить сквозь атом. Так как альфа-частицы имели положительный заряд, то, скорее всего, они проходили мимо других частиц с положительным зарядом. И размеры этих частиц были намного меньше размеров самого атома. Атом золота должен был состоять из ядра, имеющего положительный заряд и окружавших его отрицательно заряженных электронов.

Можно сказать, что это было рождение ядерной физики.

Планетарная модель атома

Модель атома Резерфорда

Резерфорд предложил свою модель атома, которая объясняла строение атома. Он считал, что вся основная масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре. А вокруг этого ядра вращаются отрицательно заряженные электроны так, как планеты вращаются вокруг Солнца. И вращаются электроны под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Модель Резерфорда была названа планетарной.

Электроны в атоме вращаются с такой огромной скоростью, что образуют над поверхностью ядра подобие облака. Все атомы располагаются на некотором расстоянии друг от друга. И не «слипаются» они, потому что вокруг ядра каждого атома существует свое электронное «облако», заряженное отрицательно. И это «облако» отталкивается от отрицательно заряженного электронного «облака» другого атома.

Но модель атома Резерфорда имела недостатки. Она была несовместима с законами классической физики. Почему электрон не падает на ядро? Потому что вращается вокруг него. Но, вращаясь, он должен излучать электромагнитные волны и терять энергию. И, постепенно растратив всю энергию, электрон должен упасть на ядро. Но этого не происходит в действительности. То есть, процессы, происходящие в атоме, не подчиняются классическим законам.

Впоследствии датский физик Нильс Бор дал объяснение этому явлению. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по стационарным орбитам, находясь на которых они не излучают энергию. И Бор оказался прав.

Еще во времена Древней Греции философы догадывались о внутреннем строении вещества. А первые модели строения атомов появились уже в начале XX века. Гипотеза Дж. Томсона не была воспринята научным сообществом того времени критично - ведь до нее уже были выдвинуты различные теории о том, что же находится внутри мельчайших частиц материи.

«Пудинг с изюмом», или модель Томсона

Вплоть до XIX века ученые предполагали, что атом является неделимым. Однако все изменилось после того, как Джозеф Томсон в 1897 году открыл электрон - стало понятно, что ученые ошибались. Обе модели атома Томсона и Резерфорда были выдвинуты в начале прошлого столетия. Первой появилась модель У. Томсона, который высказывал предположение о том, что атом является сгустком материи, имеющей положительный электрический заряд. Внутри этого сгустка находятся равномерно распределенные электроны - именно поэтому данная модель была названа «кексовой». Ведь согласно ей электроны в материи располагаются подобно изюминкам в кексе. Другое неофициальное название модели - «Пудинг с изюмом».

Заслуги Дж. Томсона

Данная модель была разработана еще более детально Дж. Дж. Томсоном. В отличие от У. Томсона, он предполагал, что электроны в атоме располагаются строго на одной плоскости, представляющие собой концентрические кольца. Несмотря на одинаковую важность моделей атома Томсона и Резерфорда для науки того времени, стоит отметить, что Дж. Томсоном, помимо всего прочего, впервые был предложен способ определения количества электронов внутри атома. Его метод был основан на рассеивании рентгеновских лучей. Дж. Томсон предположил, что именно электроны являются теми частицами, которые должны быть в центре рассеивания лучей. Кроме того, именно Томсон был тем ученым, который В современных школах именно с изучения его открытий начинается изучение курса квантовой механики.

Минусы теории Томсона

Однако по сравнению с Томсона имела один существенный недостаток. Она не могла объяснить дискретный характер излучения атома. Нельзя было с ее помощью и сказать что-либо о причинах устойчивости атома. Окончательно она была опровергнута, когда были произведены знаменитые опыты Резерфорда. Модель атома Томсона при этом имела не меньшую ценность для науки того времени, нежели другие гипотезы. Необходимо учитывать, что все эти модели, имевшиеся на тот момент, являлись сугубо гипотетическими.

Особенности опыта Резерфорда

В 1906-1909 годах Г. Гейгером, Э. Мардсеном и Э. Резерфордом были проведены опыты, в ходе которых альфа-частицы подвергались рассеиванию на поверхности Кратко модели атома Томсона и Резерфорда описываются следующим образом. В модели Томсона электроны распределены в атоме неравномерно, а в теории Резерфорда - вращаются в концентрических плоскостях. Отличительным фактором в опыте Резерфорда было использование именно альфа-частиц вместо электронов. Альфа-частицы, в отличие от электронов, обладали гораздо большей массой, и не претерпевали значительных отклонений, когда сталкивались с электронами. Поэтому у ученых была возможность регистрировать только те столкновения, которые происходили с положительно заряженной частью атома.

Роль открытия Резерфорда

Этот опыт имел решающее значение для науки. С его помощью ученые смогли получить ответы на те вопросы, которые оставались загадкой для авторов различных моделей атома. Томсон, Резерфорд и Бор, хотя и обладали одинаковой базой, все же внесли несколько различный вклад в науку - и результаты опытов Резерфорда в данном случае были поразительными. Их результаты оказались прямо противоположными тому, что ожидали увидеть ученые.

Большая часть альфа-частиц проходило через лист фольги по прямым (или практически прямым) траекториям. Однако траектории некоторых альфа-частиц отклонялись на значительные углы. А это было свидетельством того, что в атоме находилось образование с очень большой плотностью, и имевшее положительный заряд. В 1911 году на основе экспериментальных данных была выдвинута модель строения атома Резерфорда. Томсон, теория которого до этого считалась господствующей, в это время продолжал работать в лаборатории Кавендишского университета. До конца своей жизни ученый продолжал верить в существование механического эфира, несмотря на все успехи в научных исследованиях того времени.

Планетарная модель Резерфорда

Обобщив результаты экспериментов, выдвинул основные положения своей теории: согласно ей, атом состоит из тяжелого и плотного ядра очень малых размеров; вокруг этого ядра расположены электроны, находящиеся в непрерывном движении. Радиусы орбит этих электронов также малы: они составляют 10-9 м. Эта модель была названа «планетарной» за свое сходство с В ней планеты движутся по эллиптическим орбитам вокруг огромного и массивного центра, обладающего притяжением - Солнца.

Электроны вращаются в атоме с такой гигантской скоростью, что образуют вокруг поверхности атома нечто вроде облака. Согласно теории Резерфорда, атомы располагаются друг от друга на некотором расстоянии, что позволяет им не слипаться друг с другом. Ведь вокруг каждого из них существует отрицательно заряженная электронная оболочка.

Модели атома Томсона и Резерфорда: основные отличия

Каковы же основные различия между двумя важнейшими теориями строения атома? Резерфорд предполагал, что в центре атома находится ядро, обладающее положительным электрическим зарядом, и объем которого, в сравнении с размерами атома, ничтожно мал. Томсон же предполагал, что весь атом представляет собой образование с большой плотностью. Вторым главным отличием было понимание положения электронов в атоме. Согласно Резерфорду, они вращаются вокруг ядра, и их число примерно равно ½ атомной массы химического элемента. В теории Томсона же электроны внутри атома распределены неравномерно.

Минусы теории Резерфорда

Однако, несмотря на все достоинства, на тот момент теория Резерфорда содержала в себе одно важное противоречие. По законам классической электродинамики, электрон, вращавшийся вокруг ядра, должен был постоянно испускать порции электрической энергии. Из-за этого радиус орбиты, по которой двигается электрон, должен был непрерывно испускать электромагнитное излучение. Согласно этим представлениям, время жизни атома должно быть ничтожно малым.

Чаще всего, когда говорят об открытии внутреннего строения атома, упоминают имена Томсона и Резерфорда. Опыты Резерфорда, модель атома которого сейчас известна каждому студенту физико-математических отделений в вузах, в настоящее время является частью истории науки. Когда Резерфорд сделал свое открытие, он воскликнул: «Теперь мне известно, как выглядит атом!» Однако в действительности он ошибался, ведь истинная картина стала известна ученым гораздо позднее. Хотя модель Резерфорда и была подвергнута с течением времени значительным коррективам, ее смысл остался неизменным.

Модель Бора

Однако, помимо моделей атома Томсона и Резерфорда, существовала еще одна теория, объяснявшее внутреннее строение этих мельчайших частиц материи. Она принадлежит Нильсу Бору - датскому физику, предложившему свое объяснение в 1913 году. Согласно его модели, электрон в атоме не подчиняется стандартным физическим законам. Именно Бор был тем ученым, который ввел в науку понятие о соотношении между радиусом орбиты электрона и его скоростью.

В процессе создания своей теории Бор взял за основу модель Резерфорда, однако подверг ее значительной доработке. Модели атомов Бора, Резерфорда и Томсона сейчас могут показаться несколько простыми, однако именно они легли в основу современных представлений о внутреннем строении атома. Сегодня общепринятой является квантовая модель атома. Несмотря на то что квантовая механика не может описывать движение планет Солнечной системы, понятие орбиты до сих пор осталось в теориях, описывающих внутренне строение атома.

1903 году Дж. Дж. Томсон , предложил модель атома, согласно которой атом представляет собой сферу, равномерно заполненную положительным электричеством. Электроны погружены в эту среду и взаимодействуют с элементами этой среды по закону Кулона (рис. 4.1, а ). Согласно этой модели атом в целом нейтрален: суммарный заряд сферы и заряда электронов равен нулю.

Спектр такого атома должен был быть сложным, но никоим образом не линейчатым, что противоречило экспериментальным данным. По модели Томсона колеблющийся электрон (осциллятор) может испускать электромагнитную волну. При отклонении электрона от положения равновесия возникают силы, которые стремятся возвратить его в положение равновесия. Благодаря этому возникают колебания электрона, которые обусловливают излучение атома.

Была предложена также модель атома, изображенная на рис. 4.1,б : атом состоял из сферы, в центре которой находилось положительно заряженное ядро, а вокруг него располагались электроны. Однако и эта модель не смогла объяснить результаты экспериментов.

Наиболее известна планетарная модель атома, предложенная английским физиком Э. Резерфордом (рис. 4.1, в).

Первые эксперименты по изучению строения атома были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909-1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α -частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых

а б в

других элементов. Эти опыты стали возможны благодаря открытию явления радиоактивности, при котором в результате естественного радиоактивного распада тяжелых элементов выделяются - частицы, имеющие положительный заряд, равный заряду двух электронов, масса - частицы в 4 раза больше массы атома водорода, т.е. они являются ионами атома гелия . Энергия -частиц, испускаемых различными тяжелыми химическими элементами, изменяется от эВ для урана до эВ для тория. Масса α -частиц примерно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В этих опытах использовались α -частицы с кинетической энергией 5 МэВ , что соответствовало их скорости около м/с .

Эти частицы бомбардировали фольги из тяжелых металлов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не изменяют траекторию α -частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α -частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

Цель опытов Резерфорда состояла в том, чтобы экспериментально проверить основные положения модели атома, предложенной Томсоном.

Схема опыта Резерфорда по рассеянию α -частиц показана на рис. 4.2.

Здесь K - свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э - экран, покрытый сернистым цинком, Ф - золотая фольга, M - микроскоп. От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α -частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Толщина фольги составляла м (1 мкм ), что эквивалентно примерно 400 слоям из атомов золота. Рассеянные фольгой α -частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом

С помощью микроскопа. Микроскоп и связанный с ним экран можно было вращать вокруг оси, проходящей через центр фольги. Т.е. можно было всегда измерить угол отклонения α -частиц от прямолинейной траектории движения. Весь прибор помещался в вакуум, чтобы α -частицы не рассеивались при столкновении с молекулами воздуха.

Наблюдения рассеянных α -частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α -частиц проходило через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц все же отклонялась на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α -частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. Этот результат был неожиданным, т.к. находился в противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределён по всему объёму атома.

При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α -частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу по закону Кулона, возросла бы в n 2 раз. Тогда при достаточно большом значении n α -частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объёме, имеющем размеры порядка

10 -14 м . Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром . Электроны, по мнению Резерфорда, движутся вокруг ядра с размерами порядка 10 -14 м . Так возникла ядерная модель атома (рис. 4.1, в ).

На основании полученных результатов Резерфорд, учитывая, что электроны атома не могут существенно влиять на рассеяние относительно тяжелых и быстрых -частиц, сделал выводы, которые были положены в основу планетарной (ядерной) модели атомов:

1) существует ядро, в котором сосредоточена вся масса атома и весь его положительный заряд, причем размеры ядра значительно меньше, чем размер самого атома;

2) электроны, которые входят в состав атома, движутся вокруг ядра по круговым орбитам.

Исходя из этих двух предпосылок и предполагая, что взаимодействие между налетающей -частицей и положительно заряженным ядром определяется кулоновскими силами, Резерфорд установил, что атомные ядра имеют размеры м , т.е. они в раз меньше размеров атомов. Ядро занимает только 10 -12 часть полного объёма атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Вещество, составляющее ядро атома, имеет колоссальную плотность ρ≈10 17 кг /м 3 . Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома.

Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева. Величина положительного электрического заряда атомного ядра Z определяется количеством протонов в ядре (и, следовательно, количеством электронов в атомных оболочках), которое совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице. Заряд равен Zе , где е = 1,602 · 10 -19 Кл - абсолютная величина элементарного электрического заряда. Заряд определяет химические свойства всех изотопов данного элемента.

В 1911 Резерфорд, используя закон Кулона, получил формулу

где N - количество α -частиц, падающих в единицу времени на рассеиватель; dN - количество рассеянных в единицу времени α -частиц в телесном угле dΩ под углом θ ; Ze и n - заряд ядер рассеивателя и их концентрация; dx − толщина слоя фольги; V и m α - скорость и масса α -частиц.

Прямые опыты по измерению заряда ядер на основе формулы Резерфорда были выполнены Чедвиком в 1920 году. Схема опыта Чедвика приведена на рис. 4.3.

Рассеиватель в виде кольца (заштриховано на рис. 4.3) размещался соосно и на равных расстояниях между источником И и детектором α -частиц Д. При измерении количества dN рассеянных α-частиц отверстие в кольце закрывалось экраном, который поглощал прямой пучок α-частиц из источника

в детектор. Детектор регистрировал только α -частицы, рассеянные в телесном

угле dΩ под углом θ к падающему пучку α -частиц. Затем кольцо перекрывалось экраном с отверстием, и измерялась плотность тока α -частиц в точке расположения детектора. По полученным данным, рассчитывали количество N α -частиц, падающих на кольцо в единицу времени. Таким образом, если известна энергия α - частиц, испускаемых источником, без труда определялась величина Z в формуле (4.1).

Формула Резерфорда позволила объяснить экспериментальные результаты по рассеянию α -частиц на тяжелых ядрах, что привело к открытию атомного ядра и созданию ядерной модели атома.

Модель атома, предложенная Резерфордом, напоминает Солнечную систему. Именно поэтому модель Резерфорда получила название планетарной модели атома. Эта модель стала значительным шагом на пути к современным представлениям о строении атома. Лежащее в ее основе понятие атомного ядра, в котором сосредоточены весь положительный заряд атома и практически вся его масса, сохранило свое значение до настоящего времени.

Однако, в отличие от планетарной модели Солнечной системы, планетарная модель атома оказывается внутренне противоречивой с точки зрения классической физики. И это, прежде всего, связано с наличием у электрона заряда. Согласно законам классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон, как и любая ускоренно движущаяся заряженная частица, будет излучать электромагнитные волны. Спектр такого излучения должен быть непрерывным, то есть содержать электромагнитные волны с любой длиной волны. Уже этот вывод противоречит линейчатости спектров излучения атомов, наблюдаемой на опыте.

Кроме того, непрерывное излучение уменьшает кинетическую энергию электрона. Поэтому, за счет излучения радиус орбиты движущегося электрона обязан уменьшаться, и, в конце концов, электрон должен упасть на ядро, как показывают оценки, за время . Однако в действительности атом водорода является устойчивой и «долгоживущей» электромеханической системой. Иными словами, планетарная модель атома с точки зрения классической физики оказывается неустойчивой.

>> Строение атома. Опыты Резерфорда

Глава 12. АТОМНАЯ ФИЗИКА

Открытие сложного строения атома - важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц - законы квантовой механики.

§ 93 СТРОЕНИЕ АТОМА. ОПЫТЫ РЕЗЕРФОРДА

Модель Томсона. Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом - атом водорода - представляет собой положительно заряженный шар радиусом около 10 -8 см, внутри которого находится электрон . У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок выполняют электроны.

Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с известными уже к тому времени свойствами атома, главным из которых является устойчивость.

Опыты Резерфорда. Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью -частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость -частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию -частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не может значительно изменить его скорость.

Резерфорд Эрнест (1871 - 1937) - великий английский физик, уроженец Новой Зеландии. Своими экспериментальными открытиями заложил основы современного учения о строении атома и радиоактивности. Первым исследовал состав радиоактивных веществ. Открыл атомное ядро и впервые осуществил искусственное превращение атомных ядер. Все поставленные им опыты носили фундаментальный характер, отличались исключительной простотой и ясностью.

Рассеяние (изменение направления движения) -частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию -частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 12.1.

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра l, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок - частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния -частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных топким пучком -частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, -частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади.

Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение -частиц на большие углы. Для этого он окружил фольгу сцинтилляциоными экранами и определил число вспышек на каждом экране. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число -частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам провести эксперимент по наблюдению за рассеянием -частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат. «Это почти столь же невероятно, - говорил Резерфорд, - как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар».

В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя. При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно сильное электрическое поле, способное отбросить -частицу назад. Максимальная сила отталкивания может быть определена по закону Кулона :

где q - заряд -частицы; q - положительный заряд атома; R - его радиус; k - коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому чем меньше радиус R, тем больше сила, отталкивающая -частицы.

Определение размеров атомного ядра. Резерфорд понял, что -частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к мысли о существовании атомного ядра - тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

На рисунке 12.2 показаны траектории а-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.

Подсчитывая число -частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10 -12 -10 -13 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10 -8 см, т. е. в 10-100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева .

Планетарная модель атома. На основе своих опытов Резерфорд создал планетарную модель атома. В центре атома расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра.

В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома водорода - это радиус орбиты его электрона (рис. 12.3).

Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется со вершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию -частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движе ние электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10-8 с) должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование.

В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.

Не согласующийся с опытом вывод о неизбененой гибели атома вследствие потери энергии на излучение - это рс зультат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к таким явлениям законы классической физики неприменимы.

Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обра1ца ются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована эксне-риментально, но не позволяет объяснить устойчивсхть а тома.

1. Почему отрицательно заряженные частицы атома не оказывают заметного влияния на рассеяние -частиц!

2. Почему -частицы не могли бы рассеиваться на большие углы, если бы положительный заряд атома был распределен по всему его объему!

3. Почему планетарная модель атома не согласуется с законами классической физики !

Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.

Сборник конспектов уроков по физике скачать , календарно-тематическое планирование, учебники по всем предметам онлайн

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки