Условие
В опытах Резерфорда поток быстрых положительно заряженных частиц направляли на тонкую золотую фольгу. Оказалось, что почти все частицы проходят фольгу насквозь, но примерно одна из нескольких тысяч отскакивает назад. Объясни, к какому выводу привёл этот результат и почему он означает, что атом практически пуст. Что пришлось изменить в прежней модели атома?
Что известно и что ищем
- Описан результат опыта и его количественная особенность: почти все частицы проходят, немногие отскакивают.
- Ищем объяснение и формулировку новой модели атома.
- Отдельно разбираем, почему модель потребовала дополнения: она объяснила рассеяние, но вступила в противоречие с устойчивостью атомов.
Ход решения
- Шаг 1. Разбираем, почему большинство частиц проходит. Если бы положительный заряд и масса были распределены по всему атому равномерно, каждая частица отклонялась бы на небольшой угол: электрическая сила действовала бы на неё со всех сторон примерно одинаково. Значит, почти свободный пролёт говорит о том, что внутри атома частице почти ничто не мешает.
- Шаг 2. Разбираем, откуда берутся отскоки. Сильное отклонение назад возможно только при столкновении с очень массивным и очень сильно заряженным объектом, сосредоточенным в крошечной области. Так появляется планетарная модель: почти вся масса и весь положительный заряд собраны в ядре, а электроны движутся вокруг на большом (по атомным масштабам) расстоянии.
- Шаг 3. Оцениваем масштаб. Если отскакивает одна частица из нескольких тысяч, то размер ядра во много тысяч раз меньше размера атома. Отсюда сравнение, которое легко запомнить: если увеличить атом до размеров стадиона, ядро окажется размером с горошину в центре поля.
- Шаг 4. Ищем противоречие новой модели. Движущийся по орбите электрон должен был бы непрерывно излучать энергию и за очень короткое время «упасть» на ядро. Значит, планетарная модель неполна: по законам классической физики атом не был бы устойчив.
- Шаг 5. Формулируем дополнение. Бор предположил, что электрон может находиться только на разрешённых стационарных орбитах и излучает (или поглощает) свет порциями — квантами — лишь при переходе между ними. Из этого сразу следует, что спектры газов линейчатые, а не сплошные: каждый элемент светит своим набором линий, как штрих-код. Так модель атома становится проверяемой по спектрам.
Проверь себя
- Ответ: опыт Резерфорда показал, что положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в маленьком ядре, а сам атом в основном пуст; модель дополнили гипотезой Бора о стационарных орбитах и квантах.
- Проверка вывода: если бы заряд был распределён равномерно, отскоков назад не наблюдалось бы вовсе. Именно редкие сильные отклонения доказывают существование компактного ядра.
- Ловушка: говорить, что Резерфорд «увидел атом». Наблюдали не атом, а следствия рассеяния; модель построили по статистике отскоков, и это хороший пример того, как физика делает выводы о ненаблюдаемом напрямую.
Как объяснить ребёнку
«Атом — как стадион: бегуны-электроны носятся по краям, а весь «вес» собран в горошине в центре. Быстрая частица, пущенная через стадион, чаще всего не задевает горошину вовсе — поэтому почти все пролетают, и лишь редкие ударяются и отскакивают».
Тема для отчёта родителю
«Опыты Резерфорда и планетарная модель атома: почему атом почти пуст».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.