Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома

Опыты Иоффе и Милликена и ряд других опытов доказали существование электрона — частицы, имеющей наименьший электрический заряд. Откуда берутся электроны?

Можно предположить, что электроны есть во всех телах, так как все тела можно наэлектризовать. Мы знаем, что все тела состоят из молекул, а молекулы—из атомов, значит, электроны следует «искать» в атомах.

Резерфорд Эрнест (1871-1937) – английский физик, член Лондонского королевского общества (академии). Почетный член Академии наук СССР и многих других академий. Изучал строение атома и радиоактивные процессы, впервые осуществил расщепление ядра атома.

В начале нашего столетия опыт по исследованию состава и строения атома был поставлен английским физиком Резерфордом. Идея опыта состоит в следующем. Через тонкую пластину металла пропускают очень маленькие, сравнимые по размерам с атомом частицы, обладающие электрическим зарядом и летящие с большой скоростью. По тому, как пролетают эти частицы-«снаряды» через атомы металла, можно узнать, есть ли в атоме другие заряженные частицы или нет.

К тому времени, когда были поставлены эти опыты, нужные «снаряды» уже имелись в распоряжении ученых. Оказалось, что в природе есть такие вещества (уран, радий и др.), из атомов которых непрерывно вылетают маленькие, имеющие положительный заряд, частицы. Называют их альфа-частицами и обозначают буквой α (α — первая буква греческого алфавита, читается она так: «альфа»). Они имеют громадную скорость — около 15 000 км/с. Эти маленькие снаряды, предоставленные самой природой, и были использованы. Резерфордом для опыта. Рассмотрим этот опыт (рис. 222).

В свинцовую коробочку 1 помещали вещество, испускающее α-частицы. Через небольшое отверстие частицы вылетали из коробочки тонким пучком 2. На их пути ставили тончайшую золотую пластинку (фольгу) 3. Хотя эта пластинка была очень тонка (толщина ее 0,001 мм), но в ней по толщине укладывалось около 3 300 слоев атома золота.

Для обнаружения α-частиц, прошедших сквозь золотую пластину, пользовались экраном 4, покрытым особым составом, в котором при ударе каждой α-частицы возникала вспышка. Иначе α-частицу трудно обнаружить, ведь ее нельзя увидеть даже в микроскоп.

Как пролетят сквозь золотую фольгу α-частицы?

Результаты опыта показали, что большинство α-частиц пролетали сквозь золотую фольгу так, как будто на их пути ничего не было. Часть α-частиц немного отклонялась от первоначального направления при прохождении сквозь пластинку. Совсем незначительная часть α-частиц отклонялась на большой угол, а некоторые частицы были даже отброшены почти назад.

Результаты опыта были объяснены Резерфордом. Он предположил, что в атоме есть пустоты, не заполненные частицами вещества, иначе большинство α-частиц не пролетело бы прямо сквозь пластинку.

Небольшое отклонение α-частиц было объяснено так: α-частицы прошли, очевидно, около каких-то заряженных частиц, причем сравнительно далеко от них, так как притяжение или отталкивание было не очень сильным.

Третий, очень важный вывод был сделан на основании того, что некоторые α-частицы отбрасывались атомами золота назад. Причиной этого могло быть прямое взаимодействие α-частицы с другой частицей, имеющей тоже положительный заряд, но большую массу.

Итак, опыт Резерфорда показал, что внутри атома есть частицы с положительным электрическим зарядом, масса которых больше массы α-частицы.

А где же находятся электроны?

Резерфорд предположил, что атом имеет сложное строение. В центре атома находится заряжённая положительным зарядом частица — ядро атома. Именно от ядра и отталкивались те немногие α-частицы, которые оказывались близко от него.

На большом расстоянии от ядра (по сравнению с его размерами) в атоме находятся электроны. Они притягиваются, но не приближаются вплотную к ядру, потому что быстро движутся вокруг него. Масса всех электронов составляет незначительную часть массы атома, сотые доли процента.

По своему строению атом напоминает нашу Солнечную систему. Подобно тому, как планеты, притягиваясь к Солнцу, движутся вокруг него, так и электроны в атоме движутся вокруг ядра, удерживаемые силами притяжения к нему.

Расстояния между ядром и электронами очень велики по сравнению с размерами этих частиц. Если бы весь атом увеличился так, что ядро приняло размеры десятикопеечной монеты, то расстояние между ядром и электронами стало бы равно целому километру. Подсчитали, что если бы все электроны примкнули вплотную к ядрам, т. е. не было бы внутриатомных промежутков, то объем тела взрослого человека стал бы равным одной миллионной доле кубического миллиметра.

Ядро, как уже было сказано, имеет положительный заряд. Этот заряд, равен абсолютному значению заряд всех электронов, имеющихся в атоме. Но заряд электронов отрицателен, поэтому весь атом в целом не имеет заряда, т. е. нейтрален. Такое представление о строении атома, предложенное Резерфордом, назвали ядерной моделью атома.

Вопросы. 1. С какой целью был, поставлен опыт Резерфорда? 2. Откуда берутся α-частицы? Что вы о них знаете? 3. Опишите опыт Резерфорда. 4. Каковы результаты опыта? 5. Как эти результаты были объяснены Резерфордом? 6. Какова ядерная модель атома?