Сучасна модель атома. Досліди резерфорда

 
 

Всі електричні явища - електризація тіл під час тертя, виникнення електричного струму в металах і напівпровідниках, газах і електролітах -переконливо свідчать про те, що електрично заряджені частинки входять до складу атомів, а отже, і до складу всіх речовин.

Важливу роль у розумінні природи атома відіграв періодичний закон, який відкрив у 1868 р. Дмитро Менделєєв, що свідчить про складність атомів елементів. У курсі хімії ви вивчали цей закон: властивості хімічних елементів перебувають у періодичній залежності від заряду їхніх атомних ядер - і широко користувалися цим законом для пояснення властивостей хімічних елементів і хімічних явищ.

Джозеф Томсон відкрив електрон ще в 1897 р. Виходячи з відомостей про електронейтральність атома, учений створив модель: атом складається з позитивно зарядженої кулі, заряд якої рівномірно розподілено по всьому об’єму, і негативно заряджених електронів, розміщених у цьому об’ємі. Модель була схожа на кекс з родзинками (мал. 244).



 

Виходячи з моделі атома Томсона, можна було пояснити явища йонізації атомів, електролізу, періодичну систему елементів, але вона не давала змоги пояснити електромагнітні та оптичні явища, результати досліду Резерфорда і явище радіоактивності, які будуть описані нижче.

Німецький фізик Філій Ленард у 1903 р. запропонував модель «порожнього» атома, усередині якого літають ніким не встановлені (ні раніше, ні тепер) нейтральні частинки, складені із взаємно зрівноважених позитивних і негативних зарядів. Учений назвав ці неіснуючі частинки динамідами.

Розв’язуванням проблеми будови атома займалися видатні вчені світу Ернест Резерфорд, Ганс Гейгер, Олександр Лебедєв, Нільс Бор та ін.

Особливо важливу роль для з’ясування будови атома відіграли досліди Резерфорда. Він знав, що електрон у 2000 разів легший від атома Гідрогену. Атом є електронейтральним. Отже, саме на позитивний заряд припадає вся його маса.

Якщо перевірити, як розподілено позитивний заряд, то стане зрозуміло, як розподілена маса атома. Учений доходить думки про бомбардування атома а-частинками, які мають масу приблизно у 7300 разів більшу за масу електрона. Їхній позитивний заряд удвічі більший за модулем, ніж заряд електрона (це двічі йонізовані атоми Гелію), швидкість їх руху дорівнює приблизно 15 000 км/с.

Розглянемо експериментальну установку Резерфорда (мал. 245, а). На площині 5, що могла обертатися навколо вертикальної осі, у вакуумі розміщувалися свинцевий контейнер 1 з джерелом а-частинок; у центрі - золота фольга 2; біля краю - нерухомі екран 3 із цинк сульфіду (ZnS) та мікроскоп 4.

а-частинка - це свого роду «снаряд» атомного світу, який можна спрямувати на шар речовини, щоб дослідити, як вона впливатиме на траєкторію частинки. 


Суцільні атоми Томсона мали б гальмувати частинки і не пропускати їх далі. Щоб частинка зустріла якнайменше атомів, треба на її шляху поставити якомога тоншу пластинку. Дуже тонку фольгу можна одержати із золота. А ті частинки, які пройдуть крізь фольгу, спричинять сцинциляції (світлові спалахи) на екрані, які будуть зафіксовані оком за допомогою мікроскопа.

Якщо в установці досягнуто повного вакууму і немає фольги, то на екрані виникає світла пляма, утворена світіннями, спричиненими тонким пучком а-частинок. Якщо на шляху а-частинок установити золоту фольгу, то відбуватиметься їх розсіювання і пляма розмиватиметься на більшу площу. Майже всі частинки вільно проходять крізь фольгу і майже не відхиляються від попередньої траєкторії, лише 2-3 % їх розсіюються і відхиляються на кілька градусів від початкового напрямку.

Під час тривалих спостережень учень Резерфорда зрідка помічає спалахи, що відповідають значним відхиленням а-частинок від початкового напрямку руху після проходження крізь фольгу.

У пошуках відповіді на запитання, чому різко відхиляються поодинокі а-частинки, Резерфорд пропонує дослідити, чи є частинки, які, відбиваючись від фольги, розсіюються на кути, більші від 90°, а то й на всі 180°? І такі поодинокі частинки - одна з тисячі - трапляються (мал. 245, б). Цей факт здавався незрозумілим.

З’ясуємо, з яких причин а-частинка може змінити напрямок польоту: а-частинка має масу і заряд, тому на неї можуть діяти як сила тяжіння, так і кулонівська сила. Відомо, що електричні сили взаємодії заряджених частинок значно переважають сили тяжіння між ними. Наприклад, електрична сила взаємодії а-частинки з протоном чи електроном у 1033 разів перевищує силу тяжіння між а-частинкою і масивним атомом свинцю. Це означає, що у взаємодії а-частинок з атомами фольги гравітаційні сили відіграють мізерну роль і ними можна нехтувати. Отже, відхилення а-частинки від початкового напрямку польоту зумовлюється дією електрично заряджених частинок, які містяться всередині атомів.

Які ж це частинки? Як вони розміщені в атомах? Відповіді на ці запитання і мали дати досліди Резерфорда. Очевидно, що заряджена частинка, яка відхиляє а-частинку на великий кут, не може бути електроном. Адже маса електрона приблизно в 7300 разів менша за масу а-частинки. Оскільки зіткнення з електронами не змінюють напрямку руху а-части-нок, то їхні відхилення на великі кути зумовлені взаємодією не з електронами, а з позитивно зарядженими частинками. Але в «суцільному» атомі за моделлю Томсона електричне поле позитивного заряду недостатньо сильне, щоб відхилити швидку і масивну а-частинку на великий кут.

Результати дослідів Резерфорда свідчать, що хоч атоми у твердому тілі дуже щільно прилягають один до одного, більшість а-частинок пронизує, майже не відхиляючись, кілька тисяч атомів. Звідси учений зробив висновок, що атоми майже порожні і лише в центрі їх є позитивно заряджене ядро розміром порядку 10-15 м. З дослідів також випливає, що в ядрі зосереджена майже вся маса атома. Отже, маса позитивно зарядженого ядра, з яким відбувається зіткнення а-частинки, що відхиляється на кут, близький до 180°, значно перевищує масу самої а-частинки (мал. 245, б).

Досліди Резерфорда разом зі встановленням ядерної структури атома свідчать ще й про високу «міцність» атомних ядер, які не зазнавали руйнувань навіть під час лобового зіткнення з а-частинками, що налітали на ядра з великою швидкістю.

У травні 1911 р. Резерфорд друкує статтю у «Філософському журналі», у якій розповідає про експерименти, що наштовхнули його на думку про планетарну модель атома.


Згідно із цією моделлю атом складається з позитивно зарядженого масивного ядра, розміри якого порядку 10-15 м. Навколо ядра рухаються електрони, утворюючи так звану електронну оболонку атома (мал. 246). Заряд ядра за значенням дорівнює сумарному заряду всіх електронів. У ядрі зосереджена майже вся маса атома (99,95 %).

Планетарна модель атома добре пояснювала результати дослідів з розсіювання а-частинок речовиною. Виходячи із цієї моделі англійський фізик Генрі Мозлі на основі результатів своїх дослідів установив, що заряд атомного ядра дя дорівнює добутку порядкового номера Z елемента в таблиці Менделєєва на елементарний електричний заряд е:

де е = -1,602 ■ 1019 Кл.

Порядковий номер хімічного елемента Z (зарядове число) визначає кількість протонів у ядрі і тим самим - кількість електронів навколо ядра.

ЦЕ ЦІКАВО ЗНАТИ

Ганс Гейгер, колега та учень знаменитого фізика Ернеста Резерфорда, згадуючи якось про важливу подію в історії фізики, що відбулася в перших числах 1911 р., написав у листі до іншого учня свого вчителя - Джеймса Чедвіка: «Одного разу Резерфорд увійшов у мою кімнату в досить гарному настрої і сказав, що він тепер знає, який вигляд має атом...». Резерфорд утвердився у планетарній моделі атома на основі результатів своїх дослідів, але йому було відомо, що сам Ейнштейн двічі доходив думки про планетарну будову атома та не насмілювався цього опублікувати. Ще за 10 років до того японський фізик Хантаро Нага-ока без дослідів, а подумки пропонував подібну модель атома.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Розкажіть, які ви знаєте фізичні явища, що свідчать про складну будову атома.

2. Опишіть зміст дослідів Резерфорда з розсіювання а-частинок. Який висновок можна зробити з них?

3. Чому саме а-частинки є інструментом у дослідженні атома?

4. Якими явищами супроводжується зіткнення а-частинок з екраном із цинк сульфіду?

5. Які обмеження мала модель атома Томсона в поясненні фізичних явищ?

6. Опишіть модель будови атома, яку запропонував Резерфорд.

7. Які наукові факти можна добре пояснити на основі планетарної моделі атома?

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.