§ 66. Модели атомов. Опыт Резерфорда. —
Томсон предложил модель согласно которой атом представляет собой электрически нейтральный шар, внутри которого равномерно распределен положительный заряд и, находятся отрицательно заряженные электроны, совершавшие колебательные движения около положения равновесия.
2. Пользуясь рисунком 168. расскажите, как проводился опыт по рассеянию α-частиц.
Радиоактивный элемент, излучающий α- частицы, помещали в свинцовый сосуд. Вылетающие узким пучком α- частицы регистрировали с помощью экрана покрытого специальным веществом, реагирующим на попадание α- частицы вспышкой. При помещении на пути потока α -частиц экрана из тонкой металлической фольги было обнаружено, что некоторые α -частицы отскакивают назад, на углы порядка 180°.
3. Какой вывод был сделан Резерфордом на основании того. что некоторые α-частицы при взаимодействии с фольгой рассеялись на большие углы?
Резерфорд сделал вывод, что внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле (которое и отталкивает α- частицы) и, что такое поле может быть создано зарядом, сконцентрированном в очень малом объеме.
4. Что представляет собой атом согласно ядерной модели. выдвинутой Резерфордом?
Согласно модели Резерфорда в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сконцентрирована практически вся масса атома, вокруг которого движутся электроны.
5. По рисунку 169 расскажите, как проходят α-частицы сквозь атомы вещества согласно ядерной модели.
Если α- частица пролетает достаточно далеко от ядра атома, то её траектория не изменяется, но по мере приближения траектории к ядру атома на α — частицу будет действовать все более и более сильная сила отталкивания (обратно пропорционально квадрату расстояния r). Так как ядро во много раз меньше атома, то большая часть α- частиц пролетит сквозь атом с незначительным изменением траектории.
Источник
Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома
Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных (1903 г.) принадлежит Дж. Томсону. Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным 10 –10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 6.1.1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.
Модель атома Дж. Томсона
Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Хансом Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 10 7 м/с, но все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рис. 6.1.2.
Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. 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. Рассеянные 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. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.
Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Его представления находились в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему 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. Следовательно, 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 объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 6.1.3 иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.
Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b)
Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10 –14 –10 –15 м. Это ядро занимает только 10 –12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 10 15 г/см 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.
Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 6.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.
Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов
Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом вперед в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц, однако оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10 –8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.
Источник
Планетарная модель атома Резерфорда
Модель Томсона была первым пробным шагом в познании микромира. Однако она не отвечала на многие вопросы. Требовался новый нестандартный взгляд для создания модели, способной разрешить возникшие противоречия.
Модель атома, предложенная Томсоном, давала только общее представление о строении атома и не согласовывалась со все новыми данными экспериментов и теоретических вычислений. Настало время создания другой модели, способной согласовать теорию и эксперимент.
Этого не может быть. Или факты — упрямая вещь
К 1904 году японский физик Хантаро Нагаока разработал раннюю «планетарную модель» атома — так называемый «атом типа Сатурна». Модель была разработана по аналогии с расчетами устойчивости колец Сатурна. И хотя впоследствии модель и оказалась ошибочной, два следствия из нее все-таки оказались пророческими:
- ядро атома действительно очень массивно;
- электроны удерживаются на орбите электростатическими силами.
Годом раньше немецкий физик Филипп фон Ленард попытался создать модель, которая не предполагала раздельное существование в атоме противоположных зарядов. Атом, согласно модели Ленарда, состоит из нейтральных частиц — динамид, каждая из которых является электрическим дуплетом. Расчеты, выполненные Ленардом, показали, что эти частицы должны иметь очень маленькие размеры, то есть большая часть объема атома представляет собой пустоту.
В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под руководством Эрнеста Резерфорда решили попытаться найти экспериментальное подтверждение модели Томсона и провели ставшие классическими опыты по рассеиванию альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Альфа-частицы были выбраны благодаря своей большей массе (в 7350 раз больше массы электрона), поэтому они не должны претерпевать сколь-нибудь заметного отклонения при взаимодействии с электронами. Это позволяет исследовать только положительную составляющую атома. Источником альфа-частиц послужил радий. Частицы, проходящие через золотую фольгу, рассеивались, и это рассеяние регистрировалось по сцинтилляционным вспышкам на экране из сульфида цинка.
В начале эксперимента исследовались только малые углы отклонения альфа-частицы. И тут выяснилось, что подавляющее большинство частиц проходили сквозь фольгу, как раскаленная дробинка через кусок масла, словно мишень была прозрачна для бомбардирующих ее частиц. Наблюдалось лишь весьма незначительное отклонение порядка одного градуса.
Затем Резерфорд поручил молодому сотруднику Марсдену выяснить, могут ли частицы рассеиваться на большие углы. В частности, до 180°. И вот зимним днем 1909 года Марсден остановил на университетской лестнице Резерфорда и сказал: «Вы были правы, профессор: они возвращаются». Это было невероятно и противоречило существующей модели атома. Таким образом, вместо доказательства правоты Томсона эксперименты Резерфорда доказали ее несостоятельность.
Тот факт, что альфа-частицы возвращались, говорил о том, что они столкнулись с преградой — очень массивной положительно заряженной частицей, но эти столкновения происходили очень редко, в среднем — одно на восемь тысяч. А это уже свидетельство о том, что. Впрочем, именно над этим и задумался Резерфорд.
И все-таки он вертится!
И задумался он на целых два года. К 1911 году результатом его раздумий явилась новая модель строения атома. Однако обо всем по порядку.
Альфа-частицы, проходя через фольгу, проходят сквозь атомы золота в большинстве случаев без отклонений.
Из этого следуют два вывода. Первый: легкие электроны практически не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Вывод второй: так как альфа-частицы в большинстве случаев отклоняются на малые углы, атом в большей части своего объема пустой.
Небольшая часть альфа-частиц все же отклоняется на значительные углы. А значит, вывод третий такой: центральная часть атома очень маленьких размеров, но в ней сосредоточена почти вся масса атома, и эта центральная часть имеет положительный заряд. Она и получила название ядра атома.
Согласно Резерфорду, атом состоит из массивного положительного ядра и вращающихся по определенным орбитам вокруг него электронов, что само по себе напомнило Солнечную систему, поэтому модель и получила название планетарной.
По соотношению между общим числом альфа-частиц и количеством отклонившихся на определенные углы можно рассчитать размер ядра и его заряд. Оказалось, что радиус ядра имеет порядок 10 -14 м. Заряд же ядра, как было сказано выше, положителен и определяется формулой q=Z * e, где Z — порядковый номер элемента в периодической системе элементов Менделеева, а е — модуль заряда электрона. Но эту связь установил Генри Мозли в экспериментах, выполненных в 1913 году.
Однако и эта модель атома оказалась в противоречии с классической физикой. Согласно теории Максвелла, любой ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Поскольку электроны, вращаясь вокруг ядра, движутся с центростремительным ускорением, они должны непрерывно излучать электромагнитные волны. На самом же деле в нормальном состоянии атомы не излучают!
Благодаря излучению электромагнитных волн энергия электронов должна непрерывно уменьшаться, и они должны приближаться к ядру и, в конце концов, непременно «упасть» на него. Согласно расчетам, время «падения» должно составить 10 -8 с. Однако опыты показывают, что атомы существуют довольно продолжительное время.
Таким образом, эти факты были несовместимы с планетарной моделью атома Резерфорда, если рассматривать ее с позиции классической электродинамики.
Разрешения этих противоречий были еще впереди. Пока же количество вопросов значительно превышало число удобоваримых объяснений. Тем не менее, это был значительный шаг на пути понимания устройства мира. Добавим лишь, что рассеяние микрочастиц на других частицах или атомных ядрах — это квантовый процесс, а для его описания необходимо уравнение Шредингера, которого в 1911 году еще попросту не было.
Источник
Радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма-излучения. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома
1. Радиоактивностью называют явление самопроизвольного излучения некоторых химических элементов, а вид этого излучения называют радиоактивным излучением. Первым радиоактивное излучение обнаружил Анри Беккерель, который, проводя эксперименты с солями урана, по почернению фотопластинки установил, что они самопроизвольно испускают невидимое излучение сильной проникающей способности. В дальнейшем было обнаружено, что не только уран, но и такие элементы, как радий и полоний, тоже испускают невидимое излучение.
Радиоактивность, которой обладают вещества, существующие в природе, называют естественной радиоактивностью. Она проявляется у всех элементов таблицы Д.И. Менделеева, порядковый номер которых больше 83. В дальнейшем было установлено, что и некоторые искусственно полученные вещества радиоактивны.
2. Резерфорд, изучая радиоактивное излучение, обнаружил его сложный состав. Он поместил радиоактивный препарат в свинцовый сосуд с отверстием (рис. 106). Над сосудом расположил фотопластинку, на которую падало радиоактивное излучение, выходившее через отверстие и прошедшее через магнитное поле.
Когда фотопластинку проявили, то на ней обнаружили три тёмных пятна. Одно пятно располагалось точно напротив отверстия. Это значит, что магнитное поле на него не действовало и заряженных частиц в этом излучении нет. Его назвали гамма-излучением ( \( \gamma \) -излучение). Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение или поток фотонов.
Наличие двух боковых пятен по разную сторону от центрального означает, что существуют два излучения, состоящие из частиц, имеющих заряды противоположных знаков. Эксперимент показывает, что одно из них представляет собой поток положительно заряженных частиц. Их назвали \( \alpha \) -частицами. Другое излучение состоит из отрицательно заряженных частиц. Их назвали \( \beta \) -частицами.
Изучение этих излучений позволило сделать вывод, что \( \alpha \) -частицы — это ядра атома гелия. Их массовое число — 4, а зарядовое число (электрический заряд) — +2, т.е. \( ^4_2He \) . \( \beta \) -частицы представляют собой электроны. Их массовое число равно 0, а зарядовое число равно -1, т.е. \( _<-1>^0e \) .
Альфа-, бета- и гамма-излучения обладают разной проникающей способностью. Наибольшей проникающей способностью обладает \( \gamma \) -излучение, проникающая способность \( \beta \) -излучения меньше, она ещё меньше у \( \alpha \) -излучения.
3. Первую модель строения атома предложил Джозеф Джон Томсон, после того как он открыл электрон — частицу с наименьшим электрическим зарядом. Он представлял атом в виде шара из положительно заряженного вещества, в который вкраплены электроны. При этом положительный заряд шара равен суммарному заряду электронов. Модель атома Томсона называют «пудингом с изюмом». Используя эту модель, можно было объяснить электрическую проводимость веществ, явление электризации тел и др.
Проводя опыты по изучению строения вещества, Резерфорд показал несостоятельность модели Томсона. Резерфорд облучал тонкую металлическую фольгу \( \alpha \) -частицами, имеющими большую энергию. В соответствии с моделью Томсона а-частицы должны были отражаться от атома. Однако очень небольшое число частиц рассеивалось на углы от 90° до 180°. Большинство частиц проходило через фольгу, отклоняясь от направления движения на незначительные углы.
В результате экспериментов Резерфорд предложил новую модель строения атома, названную планетарной моделью. Он сделал следующие выводы:
- в атоме существует положительно заряженная частица, названная ядром атома, которая отталкивает \( \alpha \) -частицы;
- размеры ядра малы по сравнению с размерами атома, поскольку отталкивается очень небольшое число \( \alpha \) -частиц, а большинство \( \beta \) -частиц свободно проходит через фольгу; ядро имеет диаметр порядка 10 -14 —10 -15 м.
- масса ядра сравнима с массой \( \beta \) -частицы, поскольку масса электронов в 8000 раз меньше массы \( \alpha \) -частицы и электроны не смогли бы изменить направление её движения.
Таким образом, в соответствии с моделью атома Резерфорда в центре атома расположено положительное ядро, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны. Поскольку масса электронов мала, то масса атома в основном сосредоточена в ядре.
Так как атом в целом нейтрален, то положительный заряд ядра должен быть равен суммарному заряду электронов. Число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру \( Z \) элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Заряд атомного ядра \( q_я \) равен произведению \( Z \) и заряда электрона \( e \) : \( q_я=Z\cdot e \) .
ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
Часть 1
1. Какой из типов радиоактивного излучения представляет собой поток положительно заряженных частиц?
1) \( \alpha \) -излучение
2) \( \beta \) -излучение
3) \( \gamma \) -излучение
4) поток нейтронов
2. При исследовании естественной радиоактивности были обнаружены три вида излучений: альфа-излучение, бета-излучение и гамма-излучение. Что представляет собой гамма-излучение?
1) поток электронов
2) поток нейтронов
3) поток ядер атомов гелия
4) электромагнитное излучение
3. При исследовании естественной радиоактивности были обнаружены три вида излучений: альфа-излучение (поток альфа-частиц), бета-излучение (поток бета-частиц) и гамма-излучение. Каковы знак и модуль заряда бета-частиц?
1) отрицательный и равный элементарному заряду
2) положительный и равный по модулю двум элементарным зарядам
3) положительный и равный по модулю элементарному заряду
4) альфа-частицы не имеют заряда
4. Радиоактивный препарат помещен в магнитное поле. В этом поле не отклоняются
A. \( \alpha \) -лучи
Б. \( \beta \) -лучи
B. \( \gamma \) -лучи
1) только А
2) только А и Б
3) только В
4) только А и В
5. Какое из трёх типов излучения — \( \alpha \) , \( \beta \) или \( \gamma \) — обладает наименьшей проникающей способностью?
1) \( \alpha \)
2) \( \beta \)
3) \( \gamma \)
4) проникающая способность всех типов излучения одинакова
6. Какой вывод можно было сделать из результатов опытов Резерфорда?
1) атом представляет собой положительно заряженный шар, в который вкраплены электроны
2) ядро атома имеет такие же размеры, что и \( \alpha \) -частицы
3) атом имеет положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны
4) атом излучает и поглощает энергию порциями
7. Почему в опыте Резерфорда большая часть \( \alpha \) -частиц практически не отклоняется от прямолинейной траектории?
1) ядро атома имеет малые но сравнению с \( \alpha \) -частицей размеры
2) ядро атома имеет положительный заряд
3) ядро атома имеет малые по сравнению с атомом размеры
4) ядро атома притягивает \( \alpha \) -частицы
8. Суммарный заряд электронов в нейтральном атоме:
1) отрицательный и равен по модулю заряду ядра
2) положительный и равен по модулю заряду ядра
3) может быть положительным или отрицательным, но равным по модулю заряду ядра
4) отрицательный и всегда больше по модулю заряда ядра
9. Число электронов в нейтральном атоме равно
1) числу нейтронов в ядре
2) числу протонов в ядре
3) суммарному числу нейтронов и протонов
4) разности между числом протонов и нейтронов
10. Атом становится отрицательно заряженным ионом, если
1) он потеряет электроны
2) к нему присоединятся электроны
3) он потеряет протоны
4) к нему присоединятся протоны
11. Установите соответствие между видом излучения (в левом столбце таблицы) и его характеристикой (в правом столбце таблицы). В таблице под номером вида излучения левого столбца запишите соответствующий номер выбранного вами элемента правого столбца.
ВЕЛИЧИНА
A. Альфа-излучение
Б. Бета-излучение
B. Гамма-излучение
ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
1. Отрицательный заряд, равный двум элементарным зарядам
2. Отрицательный заряд, равный элементарному заряду
3. Положительный заряд, равный по модулю двум элементарным зарядам
4. Положительный заряд, равный по модулю элементарному заряду
5. Отсутствие заряда
12. Из приведённых ниже высказываний выберите 2 правильных и запишите их номера в таблицу.
1) магнитное поле не действует на гамма-излучение
2) магнитное поле сильнее отклоняет альфа-частицы
3) магнитное поле сильнее отклоняет бета-частицы
4) все три вида излучения, обнаруженные при исследовании естественной радиоактивности, отклоняются магнитным полем
5) радиоактивностью обладают все элементы таблицы Менделеева
Источник