Опыт Резерфорда
Учитель. Модель атома Томсона была умозрительной. Её можно было подтвердить или опровергнуть только с помощью эксперимента. Экспериментом, который внёс решающий вклад в создание современной теории строения атома, стал опыт, проведённый в 1911 г. Э.Резерфордом совместно со своими ассистентами – Г.Гейгером и Э.Марсденом. Основные работы Резерфорда относятся к физике атома и ядра. Он первым обнаружил (в 1899 г.), что излучение радиоактивных элементов имеет сложный состав; двум компонентам этого излучения он дал названия – -лучи и -лучи. Позднее он установил природу -лучей, отождествив их с дважды ионизированным атомом гелия: (Рассказ учителя об опыте Резерфорда. Демонстрация компьютерной модели опыта.)
Задание 1. Учитывая, что в твёрдом теле атомы упакованы плотно, а расстояние между их центрами составляет величину порядка 2,5 . 10–10 м (по данным рентгено-структурного анализа), рассчитайте, сколько слоёв атомов по толщине содержит золотая фольга толщиной 0,4 мкм.
Учащиеся (решив задачу самостоятельно). Примерно 1600 слоёв.
Задание 2. Рассчитайте, во сколько раз -частица тяжелее электрона.
Учащиеся (решив самостоятельно). В 7350 раз.
Результаты опыта Резерфорда
Учитель (останавливает компьютерную модель и строит на экране монитора график распределения рассеянных -частиц по углам отклонения, после чего проводит фронтальную беседу). Каковы результаты эксперимента? Каких результатов ожидал Резерфорд? Какой вывод можно сделать о состоятельности модели атома Томсона? Результаты эксперимента оказались неожиданными: подавляющая часть -частиц проходила сквозь фольгу практически без отклонения или с отклонением на малые углы по отношению к направлению своего первоначального полёта, но небольшая часть -частиц отклонялась на значительные углы, достигающие почти 180°. Применив методы теории вероятностей, Резерфорд показал, что такие отклонения не могут быть следствием многократных столкновений -частиц с атомами, поэтому объяснить этот результат на основе модели атома Томсона невозможно.
Объяснение результатов опыта
Учитель. Резерфорд пришёл к выводу, что полученное в эксперименте распределение -частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле, которое создаётся положительным зарядом, связанным с большой массой и сконцентрированным в очень малом объёме. И он решил, что атом устроен наподобие планетной системы: малое по размерам положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и отрицательные электроны, обращающиеся вокруг ядра по замкнутым орбитам. Заряд, отклоняющий -частицы на большой угол, не может принадлежать электрону, т.к. масса электрона мала по сравнению с массой -частицы. Очевидно, что -частица даже не почувствует электрон-«дробинку». Следовательно, электрон не изменит направление движения -частицы. Это также позволяет сделать вывод, что с положительным зарядом, вызывающим отклонение -частиц, связана значительная масса.
Учащиеся (записывают в тетрадь). 1. Атом имеет положительно заряженное ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома. 2. В ядре сконцентрирована почти вся масса атома. 3. Отрицательный заряд всех электронов распределён по всему объёму атома.
Учитель (запускает компьютерную модель рассеивания a-частиц ядром). Попробуем оценить размеры атомного ядра. Энергия -частиц в опыте Резерфорда была равна 5 МэВ, порядковый номер золота Z = 79. Предположим, что -частица налетает на атом «в лоб». Она будет сближаться с положительным зарядом до тех пор, пока вся её кинетическая энергия не превратится в потенциальную энергию взаимодействия зарядов: Ек=Еп=где r – наименьшее расстояние, на которое -частица приближается к положительному заряду атома.
Задание 3. Определите расстояние r.
Учащиеся (решив самостоятельно). 4,6.10–14 м.