Близкий и далёкий пролёт
Перемещай исходную линию относительно ядра. Чем меньше прицельное расстояние, тем больше отклонение.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Точечное неподвижное положительное ядро; θ = 2 arctan(1/модуль b). Показаны соединённые асимптотические направления, а не точная траектория. b = 0 — разворот в идеальной модели.
Почему атом не неделим
Открытие электрона, ионов и радиоактивных превращений показало, что атом имеет внутреннее строение. Нейтральный атом содержит отрицательно заряженные электроны и положительный заряд, суммарно равный по модулю электронному.
В ранней модели Томсона положительный заряд распределён по объёму атома, а электроны находятся внутри него. Такая картина могла объяснять нейтральность, но должна была пройти экспериментальную проверку по взаимодействию атома с быстрыми заряженными частицами.
Электрон
Отрицательный компонент атома
Нейтральность
Нужен компенсирующий положительный заряд
Проверка модели
Измерить рассеяние пробных частиц
Наличие электронов и превращений атомов исключает представление об атоме как совершенно неделимом объекте.
Доказывает ли нейтральность, что внутри атома нет зарядов?
Нет. Нулевой суммарный заряд совместим с наличием противоположных внутренних зарядов.
Рассеяние альфа-частиц
В опытах тонкую фольгу облучали альфа-частицами — положительно заряженными ядрами гелия. Большинство проходило с небольшим отклонением, но малая доля отклонялась на большие углы, вплоть до обратного направления.
Распределённый по всему атому положительный заряд не создавал бы нужного сильного поля на малом расстоянии. Большие отклонения указали на очень компактную массивную положительно заряженную область — ядро. Малочисленность таких событий указывала на его малый размер.
| Наблюдение | Вывод |
|---|---|
| Большинство частиц проходит почти прямо | Атомный объём не заполнен плотным веществом |
| Редкие большие отклонения | Есть сильное локальное поле |
| Отклоняется тяжёлая проба | Центр рассеяния достаточно массивен |
Главный ключ опыта — сочетание частого слабого и редкого сильного рассеяния.
Почему только прохождение большинства частиц ещё недостаточно для полного вывода о ядре?
Нужно также объяснить редкие сильные отклонения; именно совокупность результатов ограничивает возможные модели.
Схема кулоновского рассеяния альфа-частицы
Сильное кулоновское рассеяние объясняет редкие большие отклонения альфа-частиц. Размеры ядра и линии траектории на рисунке условны.
Kurzon · CC BY 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Следы частиц в камере Вильсона
Камера Вильсона делает видимыми следы ионизации: капли образуются вдоль путей заряженных частиц. Саму частицу обычным глазом здесь не видят.
Own work · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Ядерная модель
В центре атома находится маленькое положительное ядро, содержащее почти всю массу. Электроны образуют окружающую квантовую систему. Типичный атомный размер порядка 10⁻¹⁰ м, ядерный — порядка 10⁻¹⁵–10⁻¹⁴ м в зависимости от ядра.
Простая планетарная картинка удобна для распределения заряда, но классическая орбита ускоренно движущегося электрона должна излучать и терять энергию. Поэтому ядерная модель сама по себе не объяснила устойчивость атома и линейчатые спектры: понадобилась квантовая теория.
| Область | Масштаб | Основная роль |
|---|---|---|
| Атом | Около 10⁻¹⁰ м | Электронная структура и химия |
| Ядро | Около 10⁻¹⁵–10⁻¹⁴ м | Почти вся масса и положительный заряд |
Опыт Резерфорда установил ядерное строение, но устойчивость атома требует квантового объяснения.
Почему нельзя считать нарисованные круговые орбиты точными траекториями реальных электронов?
В современной квантовой модели состояние электрона описывается иначе; простая орбита является исторической учебной схемой.
Модель: прицельное расстояние
Меняй прицельное расстояние положительной частицы относительно ядра. Чем ближе она проходит при одинаковой начальной энергии, тем сильнее кулоновское отталкивание. На схеме показаны асимптотические направления до и после рассеяния, а не точная форма траектории.
Дополнительная модель точечного неподвижного ядра использует θ = 2 arctan(a/модуль b), где b — прицельное расстояние, a — фиксированный положительный масштаб взаимодействия. Знак b определяет сторону отклонения; при b = 0 идеализированная частица разворачивается назад.
Выбрать b
Расстояние исходной прямой до центра
Сравнить близость
Меньше модуль b — сильнее отклонение
Не путать масштабы
Рисунок увеличивает ядро для видимости
Угол рассеяния зависит от близости пролёта, энергии и зарядов, а не только от размера атома.
Почему частица отклоняется от ядра, а не притягивается к нему?
Альфа-частица и ядро положительно заряжены, поэтому их кулоновское взаимодействие отталкивающее.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 30. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 30. Явления, подтверждающие сложное.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.