Модели атомов. Опыт Резерфорда

 Введение

На преды­ду­щем уроке мы об­су­ди­ли, что в ре­зуль­та­те ра­дио­ак­тив­но­сти об­ра­зу­ют­ся раз­лич­ные виды из­лу­че­ний: a-, b-, и g-лу­чи. По­явил­ся ин­стру­мент, при по­мо­щи ко­то­ро­го можно было изу­чать стро­е­ние атома.

 Модель Томсона

После того, как стало ясно, что атом тоже имеет слож­ную струк­ту­ру, как-то по-осо­бен­но­му устро­ен, необ­хо­ди­мо было ис­сле­до­вать само стро­е­ние атома, объ­яс­нить, как он устро­ен, из чего со­сто­ит. И вот уче­ные при­сту­пи­ли к этому изу­че­нию.

Пер­вые идеи о слож­ном стро­е­нии были вы­ска­за­ны Том­со­ном, ко­то­рый в 1897 году от­крыл элек­трон. В 1903 году Том­сон впер­вые пред­ло­жил мо­дель атома. По тео­рии Том­со­на, атом пред­став­лял собой шар, по всему объ­е­му ко­то­ро­го «раз­ма­зан» по­ло­жи­тель­ный заряд. А внут­ри, как пла­ва­ю­щие эле­мен­ты, на­хо­ди­лись элек­тро­ны. В целом, по Том­со­ну, атом был элек­тро­ней­тра­лен, т. е. заряд та­ко­го атома был равен 0. От­ри­ца­тель­ные за­ря­ды элек­тро­нов ком­пен­си­ро­ва­ли по­ло­жи­тель­ный заряд са­мо­го атома. Раз­мер атома со­став­лял при­бли­зи­тель­но 10-10м. Мо­дель Том­со­на по­лу­чи­ла на­зва­ние «пу­динг с изю­мом»: сам «пу­динг» – это по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ное «тело» атома, а «изюм» – это элек­тро­ны (рис. 1).

Мо­дель атома Том­со­на («пу­динг с изю­мом»)   

Рис. 1. Мо­дель атома Том­со­на («пу­динг с изю­мом») 

 Модель Резерфорда

Пер­вый до­сто­вер­ный опыт по опре­де­ле­нию стро­е­ния атома уда­лось про­ве­сти Э. Ре­зер­фор­ду. На се­го­дняш­ний день мы твер­до знаем, что атом пред­став­ля­ет собой струк­ту­ру, на­по­ми­на­ю­щую пла­нет­ную сол­неч­ную си­сте­му. В цен­тре на­хо­дит­ся мас­сив­ное тело, во­круг ко­то­ро­го вра­ща­ют­ся пла­не­ты. Такая мо­дель атома по­лу­чи­ла на­зва­ние пла­не­тар­ной мо­де­ли.

 Опыт Резерфорда

Да­вай­те об­ра­тим­ся к схеме опыта Ре­зер­фор­да (рис. 2) и об­су­дим ре­зуль­та­ты, ко­то­рые при­ве­ли к со­зда­нию пла­не­тар­ной мо­де­ли.

Схема опыта Ре­зер­фор­да


Рис. 2. Схема опыта Ре­зер­фор­да

Внутрь свин­цо­во­го ци­лин­дра с узким от­вер­сти­ем был за­ло­жен радий. При по­мо­щи диа­фраг­мы со­зда­вал­ся узкий пучок a-ча­стиц, ко­то­рые, про­ле­тая через от­вер­стие диа­фраг­мы, по­па­да­ли на экран, по­кры­тый спе­ци­аль­ным со­ста­вом, при по­па­да­нии воз­ни­ка­ла мик­ро-вспыш­ка. Такое све­че­ние при по­па­да­нии ча­стиц на экран на­зы­ва­ет­ся «сцин­ти­ля­ци­он­ная вспыш­ка». Такие вспыш­ки на­блю­да­лись на по­верх­но­сти экра­на при по­мо­щи мик­ро­ско­па. В даль­ней­шем до тех пор, пока в схеме не было зо­ло­той пла­сти­ны, все ча­сти­цы, ко­то­рые вы­ле­та­ли из ци­лин­дра, по­па­да­ли в одну точку. Когда же внутрь экра­на на пути ле­тя­щих a-ча­стиц была по­став­ле­на очень тон­кая пла­стин­ка из зо­ло­та, стали на­блю­дать­ся со­вер­шен­но непо­нят­ные вещи. Как толь­ко была по­став­ле­на зо­ло­тая пла­сти­на, на­ча­лись от­кло­не­ния a-ча­стиц. Были за­ме­че­ны ча­сти­цы, ко­то­рые от­кло­ня­лись от сво­е­го пер­во­на­чаль­но­го пря­мо­ли­ней­но­го дви­же­ния и уже по­па­да­ли в со­вер­шен­но дру­гие точки этого экра­на.

Более того, когда экран сде­ла­ли почти за­мкну­тым, вы­яс­ни­лось, что есть ча­сти­цы, ко­то­рые ка­ким-то об­ра­зом летят в об­рат­ную сто­ро­ну. Они от­кло­ня­ют­ся под углом 90° и боль­ше. Эти на­блю­де­ния были про­ана­ли­зи­ро­ва­ны Ре­зер­фор­дом, и вы­яс­ни­лась сле­ду­ю­щая до­воль­но лю­бо­пыт­ная вещь.

 Анализ результатов опыта Резерфорда

В первую оче­редь здесь по­тер­пе­ла крах тео­рия Том­со­на. По тео­рии Том­со­на, атом пред­став­ля­ет собой шар раз­ме­ром 10-10м, в ко­то­ром по­ло­жи­тель­ный заряд раз­ма­зан и есть элек­трон. Так вот, элек­тро­ны – это очень ма­лень­кие ча­сти­цы, они не могут пре­пят­ство­вать a-ча­сти­цам, ле­тя­щим с при­лич­ной ско­ро­стью. Ско­рость a-ча­стиц в дан­ном слу­чае со­став­ля­ла около 10000 км/с.

Пред­ставь­те себе си­ту­а­цию, когда гру­зо­вик столк­нет­ся с иг­ру­шеч­ным ав­то­мо­би­лем. По­нят­но, что гру­зо­вик даже не за­ме­тит та­ко­го ав­то­мо­би­ля. Это мы можем при­ве­сти как ана­ло­гию столк­но­ве­ния элек­тро­на с a-ча­сти­цей. Зна­чит, необ­хо­ди­мо было сде­лать вывод, что атом устро­ен иначе, не так, как утвер­ждал Том­сон. И, ви­ди­мо, в атоме зо­ло­та есть объ­ект более мас­сив­ный, чем a-ча­сти­ца, име­ю­щий по­ло­жи­тель­ный заряд.

Да­вай­те по­смот­рим еще одну кар­ти­ну, ко­то­рая ха­рак­те­ри­зу­ет рас­се­и­ва­ние a-ча­стиц на той мас­сив­ной ча­сти­це, на­ли­чие ко­то­рой пред­ска­зал Ре­зер­форд в атоме (рис. 3).

Рас­се­и­ва­ние аль­фа-ча­стиц  

Рис. 3. Рас­се­и­ва­ние аль­фа-ча­стиц

По ре­зуль­та­там опы­тов можно было го­во­рить, что в атоме есть мас­сив­ный по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ный объ­ект. a-ча­сти­ца, стал­ки­ва­ясь с этой боль­шой ча­сти­цей, может от­ра­зить­ся об­рат­но. Те ча­сти­цы, ко­то­рые про­ле­та­ют рядом, от­кло­ня­ют­ся на раз­ные углы. Чем даль­ше a-ча­сти­ца про­ле­та­ет от этого объ­ек­та, тем на мень­ший угол они от­кло­ня­ют­ся. Такое яв­ле­ние по­лу­чи­ло на­зва­ние «рас­се­и­ва­ние a-ча­стиц».

 Ядро и планетарная модель атома

Круп­ную ча­сти­цу, ко­то­рая на­хо­дит­ся внут­ри атома, Ре­зер­форд на­звал ядром. И даже оце­нил его раз­ме­ры. По оцен­ке Ре­зер­фор­да, раз­ме­ры ядра со­ста­ви­ли 10-14–10-15м. Этот объ­ект был очень и очень мал по своим раз­ме­рам по срав­не­нию с ато­мом. Атом имеет раз­мер по­ряд­ка 10-10м. При этом прак­ти­че­ски вся масса атома была со­сре­до­то­че­на имен­но в ядре. И имен­но во­круг ядра об­ра­ща­ют­ся элек­тро­ны.

От­сю­да сле­ду­ет пла­не­тар­ная мо­дель Ре­зер­фор­да, ко­то­рая утвер­жда­ет, что атом пред­став­ля­ет собой мас­сив­ное по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ное ядро, во­круг ко­то­ро­го по своим ор­би­там об­ра­ща­ют­ся элек­тро­ны (рис. 4). В целом атом элек­тро­ней­тра­лен, т. е. заряд атома равен нулю. Если у атома из­бы­ток или недо­ста­ток элек­тро­нов, то его на­зы­ва­ют ион.

Пла­не­тар­ная мо­дель атома  

Рис. 4. Пла­не­тар­ная мо­дель атома

 Заключение

Ко­неч­но, были и дру­гие тео­рии, пред­став­ля­ю­щие ин­те­рес. На се­го­дняш­ний день об­ще­при­ня­той, с неко­то­ры­ми ого­вор­ка­ми, о ко­то­рых по­го­во­рим позд­нее, яв­ля­ет­ся имен­но пла­не­тар­ная мо­дель атома, пред­ло­жен­ная Эр­не­стом Ре­зер­фор­дом.

Последнее изменение: Понедельник, 4 Июнь 2018, 16:38