Меню

Таблица модели строения ядра

Строение атома. Строение электронных оболочек атомов первых 20 элементов Периодической системы Д.И. Менделеева

Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. В центре атома находится положительно заряженное ядро. Оно занимает ничтожную часть пространства внутри атома, в нём сосредоточены весь положительный заряд и почти вся масса атома.

Ядро состоит из элементарных частиц — протона и нейтрона; вокруг атомного ядра по замкнутым орбиталям движутся электроны.

Протон (р) — элементарная частица с относительной массой 1,00728 атомной единицы массы и зарядом +1 условную единицу. Число протонов в атомном ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева.

Нейтрон (n) — элементарная нейтральная частица с относительной массой 1,00866 атомной единицы массы (а. е. м.).

Число нейтронов в ядре N определяют по формуле:

где А — массовое число, Z — заряд ядра, равный числу протонов (порядковому номеру).

Обычно параметры ядра атома записывают следующим образом: слева внизу от символа элемента ставят заряд ядра, а вверху — массовое число, например:

Эта запись показывает, что заряд ядра (следовательно, и число протонов) для атома фосфора равен 15, массовое число равно 31, а число нейтронов равно 31 – 15 = 16. Так как массы протона и нейтрона очень мало отличаются друг от друга, то массовое число приблизительно равно относительной атомной массе ядра.

Электрон ( е – ) — элементарная частица с массой 0,00055 а. е. м. и условным зарядом –1. Число электронов в атоме равно заряду ядра атома (порядковому номеру элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева).

Электроны движутся вокруг ядра по строго определённым орбиталям, образуя так называемое электронное облако.

Область пространства вокруг атомного ядра, где наиболее (90 и более %) вероятно нахождение электрона, определяет форму электронного облака.

Электронное облако s-электрона имеет сферическую форму; на s-энергетическом подуровне может максимально находиться два электрона.

Электронное облако p-электрона имеет гантелеобразную форму; на трёх p-орбиталях максимально может находиться шесть электронов.

Орбитали изображают в виде квадрата, сверху или снизу которого пишут значения главного и побочного квантовых чисел, описывающих данную орбиталь. Такую запись называют графической электронной формулой, например:

В этой формуле стрелками обозначают электрон, а направление стрелки соответствует направлению спина — собственного магнитного момента электрона. Электроны с противоположными спинами ↑↓ называют спаренными.

Электронные конфигурации атомов элементов можно представить в виде электронных формул, в которых указывают символы подуровня, коэффициент перед символом подуровня показывает его принадлежность к данному уровню, а степень у символа — число электронов данного подуровня.

В таблице 1 приведено строение электронных оболочек атомов первых 20 элементов Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Химические элементы, в атомах которых s-подуровень внешнего уровня пополняется одним или двумя электронами, называют s-элементами. Химические элементы, в атомах которых заполняется p-подуровень (от одного до шести электронов), называют p-элементами.

Число электронных слоёв в атоме химического элемента равно номеру периода.

В соответствии с правилом Хунда электроны располагаются на однотипных орбиталях одного энергетического уровня таким образом, чтобы суммарный спин был максимален. Следовательно, при заполнении энергетического подуровня каждый электрон прежде всего занимает отдельную ячейку, а только после этого начинается их спаривание. Например, у атома азота все p-электроны будут находиться в отдельных ячейках, а у кислорода начнётся их спаривание, которое полностью закончится у неона.

Изотопами называют атомы одного и того же элемента, содержащие в своих ядрах одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.

Изотопы известны для всех элементов. Поэтому атомные массы элементов в периодической системе являются средним значением из массовых чисел природных смесей изотопов и отличаются от целочисленных значений. Таким образом, атомная масса природной смеси изотопов не может служить главной характеристикой атома, а следовательно, и элемента. Такой характеристикой атома является заряд ядра, определяющий число электронов в электронной оболочке атома и её строение.

Рассмотрим несколько типовых заданий по этому разделу.

Пример 1. Атом какого элемента имеет электронную конфигурацию 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 ?

  1. Li
  2. Na
  3. K
  4. Cl

На внешнем энергетическом уровне у данного элемента находится один 4s-электрон. Следовательно, этот химический элемент находится в четвёртом периоде первой группе главной подгруппе. Этот элемент — калий.

К этому ответу можно прийти по-другому. Сложив общее количество всех электронов, получим 19. Общее число электронов равно порядковому номеру элемента. Под номером 19 в периодической системе находится калий.

Пример 2. Химическому элементу соответствует высший оксид RO2. Электронной конфигурации внешнего энергетического уровня атома этого элемента соответствует электронная формула:

  1. ns 2 np 4
  2. ns 2 np 2
  3. ns 2 np 3
  4. ns 2 np 6

По формуле высшего оксида (смотрите на формулы высших оксидов в Периодической системе) устанавливаем, что этот химический элемент находится в четвёртой группе главной подгруппы. У этих элементов на внешнем энергетическом уровне находятся четыре электрона — два s и два p. Следовательно, правильный ответ 2.

Тренировочные задания

1. Общее число s-электронов в атоме кальция равно

2. Число спаренных p-электронов в атоме азота равно

3. Число неспаренных s-электронов в атоме азота равно

4. Число электронов на внешнем энергетическом уровне атома аргона равно

5. Число протонов, нейтронов и электронов в атоме 9 4Be равно

1) 9, 4, 5
2) 4, 5, 4
3) 4, 4, 5
4) 9, 5, 9

6. Распределение электронов по электронным слоям 2; 8; 4 — соответствует атому, расположенному в(во)

1) 3-м периоде, IА группе
2) 2-м периоде, IVА группе
3) 3-м периоде, IVА группе
4) 3-м периоде, VА группе

7. Химическому элементу, расположенному в 3-м периоде VA группе соответствует схема электронного строения атома

1) 2, 8, 6
2) 2, 6, 4
3) 2, 8, 5
4) 2, 8, 2

8. Химический элемент с электронной конфигурацией 1s 2 2s 2 2p 4 образует летучее водородное соединение, формула которого

9. Число электронных слоёв в атоме химического элемента равно

1) его порядковому номеру
2) номеру группы
3) числу нейтронов в ядре
4) номеру периода

10. Число внешних электронов в атомах химических элементов главных подгрупп равно

1) порядковому номеру элемента
2) номеру группы
3) числу нейтронов в ядре
4) номеру периода

11. Два электрона находятся во внешнем электронном слое атомов каждого из химических элементов в ряду

1) He, Be, Ba
2) Mg, Si, O
3) C, Mg, Ca
4) Ba, Sr, B

12. Химический элемент, электронная формула которого 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 , образует оксид состава

13. Число электронных слоев и число p-электронов в атоме серы равно

1) 2, 6
2) 3, 4
3) 3, 16
4) 3, 10

14. Электронная конфигурация ns 2 np 4 соответствует атому

1) хлора
2) серы
3) магния
4) кремния

15. Валентные электроны атома натрия в основном состоянии находятся на энергетическом подуровне

1) 2s
2) 2p
3) 3s
4) 3p

16. Атомы азота и фосфора имеют

Читайте также:  Футбол россии турнирная таблица 2019 2020 результаты фнл

1) одинаковое число нейтронов
2) одинаковое число протонов
3) одинаковую конфигурацию внешнего электронного слоя
4) одинаковое число электронов

17. Одинаковое число валентных электронов имеют атомы кальция и

1) калия
2) алюминия
3) бериллия
4) бора

18. Атомы углерода и фтора имеют

1) одинаковое число нейтронов
2) одинаковое число протонов
3) одинаковое число электронных слоёв
4) одинаковое число электронов

19. У атома углерода в основном состоянии число неспаренных электронов равно

20. В атоме кислорода в основном состоянии число спаренных электронов равно

Источник

Строение ядра атома

Общие сведения о строении ядра атома

По величине заряда ядра атома определяют химический элемент, к которому этот атом относится.

Существование атомного ядра было доказано в 1911 году Э. Резерфордом и описано в труде под названием «Рассеяние α и β-лучей и строение атома». После этого разными учеными выдвигались многочисленные теории строения атомного ядра (капельная (Н. Бор), оболочечная, кластерная, оптическая и т.д.).

Электронное строение ядра атома

Согласно современным представлениям атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые вместе называют нуклонами. Они удерживаются в ядре за счет сильного взаимодействия.

Число протонов в ядре называют зарядовым числом (Z). Его можно определить при помощи Периодической таблицы Д. И. Менделеева – оно равно порядковому номеру химического элемента, к которому относится атом.

Число нейтронов в ядре называют изотопическим числом (N). Суммарное количество нуклонов в ядре называют массовым числом (M) и оно равно относительной атомной массе атома химического элемента, указанной в Периодической таблице Д. И. Менделеева.

Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов называют изотонами. Если же в ядре одинаковое число протонов, но различное нейтронов – изотопами. В случае, когда равны массовые числа, но различный состав нуклонов – изобарами.

Ядро атома может находиться в стабильном (основном) состоянии и в возбужденном.

Рассмотрим строение ядра атома на примере химического элемента кислорода. Кислород имеет порядковый номер 8 в Периодической таблице Д. И. Менделеева и относительную атомную массу 16 а.е.м. Это означает, что ядро атома кислорода имеет заряд равный (+8). В ядре содержится 8 протонов и 8 нейтронов (Z=8, N=8, M=16), а по 2-м орбитам вокруг ядра движутся 8 электронов (рис. 1).

Схематичное изображение строения атома кислорода

Рис. 1. Схематичное изображение строения атома кислорода.

Примеры решения задач

Задание Определите относительную атомную массу бора, если известно, что массовая доля изотопа 10 B равна 19,6%, а 11 В – 80,4%.
Решение Изотопы – это атомы одного и того же химического элемента, имеющие разные массовые числа (одинаковое число протонов, но разное – нейтронов). Средняя относительная масса изотопов рассчитывается по формуле:

Рассчитываем среднюю относительную атомную массу бора:

Ar(B) = (10 × 19,6 + 11 × 80,4)/100 = 10,8 а.е.м.

Задание Охарактеризуйте квантовыми числами все электроны, которые находятся на 3p-подуровне.
Решение На p-подуровне 3-го уровня находится шесть электронов:

Их можно охарактеризовать следующими квантовыми числами:

Источник



Таблица модели строения ядра

Сравнение μэксп и μтеор свидетельствует о справедливости предложенной модели. Для ядер, у которых заполнены оболочки, спин равен нулю. Таким образом, спин и магнитный момент ядра определяются непарным нуклоном, находящимся в данном состоянии.
Модель не объясняет деформированные ядра. Для объяснения существования деформированных ядер используются значения квадрупольных электрических моментов и обобщенная модель ядра.

9.4. Обобщенная модель ядра

Рис. 77. Иллюстрация вращения дополнительного нуклона вокруг остова.

Модель рассматривает заполненную оболочку как остов, и в ее поле вращается дополнительный нуклон (рис. 77). Остов ядра деформируется валентным нуклоном, что приводит к появлению квадрупольного электрического момента ядра Q (см. п. 8.5). Модель используется для описания деформированных атомных ядер, которые могут быть вытянутыми или сплюснутыми относительно оси симметрии ядра. Ось симметрии ядра, как правило, совпадает с направлением суммарного спина ядра. О деформации ядра можно судить по величине квадрупольного электрического момента ядра.
На рис. 78 показано поведение квадрупольного электрического момента для разных ядер. Значение Q = 0 соответствует сферически симметричным атомным ядрам, значения Q > 0 − вытянутым атомным ядрам, Q 2 ρ(r) (3 cos 2 θ − l)d 3 r.

Переходим к рассмотрению ядерных моделей, использующихся при описании процессов, происходящих при высоких энергиях.

9.5. Оптическая модель ядра

Ядро представляет собой «серую» полупрозрачную сферу с определенными коэффициентами преломления и поглощения.
При попадании на такую сферу упавшая частица (волна) испытывает все виды взаимодействия, характерные для распространения света в полупрозрачной оптической среде: отражение, преломление, поглощение.
Усредненный потенциал в таком ядре имеет вид U(r) = V + iW, т.е. содержит мнимую часть, учитывающую поглощение падающей волны. В разных вариантах оптической модели потенциал
U(r) представляют в виде прямоугольной ямы.
Модель позволяет вычислять упругое рассеяние, суммарное сечение всех неупругих процессов, а также угловые характеристики рассеянных ядром частиц.
Действительную часть оптического потенциала обычно выбирают в виде потенциала Вудса-Саксона. Мнимая часть потенциала выбирается пропорциональной объемному или поверхностному поглощению. Модель требует подбора параметров для каждого ядра и для каждой энергии упавшего адрона.
Вид оптического потенциала для рассеяния адронов на ядрах зависит от параметров удара и может определяться либо кулоновским взаимодействием при больших параметрах удара, либо процессами сильного взаимодействия при меньших параметрах удара. При параметрах удара меньших радиуса ядра доминирует поглощение. При этом картина рассеяния выглядит как интерференция кулоновского рассеяния и дифракционного рассеяния адрона на черной сфере.

9.6. Модель Глаубера

Рассеяние быстрой частицы на ядре сводится к последовательному рассеянию ее на отдельных частицах мишени. Результирующее рассеяние получается усреднением по положениям рассеивающих центров. Рассеяние на отдельной частице носит характер дифракционного. После первого соударения налетающая частица выбывает из пучка и частицы мишени, расположенные за рассеивающим центром, не участвуют в рассеянии. Этот процесс описывается так называемой глауберовской поправкой, которая учитывает экранировку последующих нуклонов.
В глауберовской модели налетающая частица последовательно взаимодействует с нуклонами ядра-мишени. (Аналогия − рассеивание биллиардного шара на неподвижных шарах.) Этот подход вполне оправдан при не очень высоких энергиях. В релятивистском случае частица-снаряд взаимодействует одновременно не с одним, а сразу с несколькими нуклонами мишени, что приводит к возникновению дополнительной экранировки. Учет образования неупругих промежуточных состояний был выполнен Грибовым и носит название грибовской поправки.
В основе модели Глаубера лежат три гипотезы, основанные на волновых свойствах частиц и ядер.

  1. Фазовые сдвиги, возникающие при прохождении через ядро падающей частицы-волны, вызываемые отдельными нуклонами ядра, суммируются.
  2. Рассмотрение прохождения частицы через ядро проводится в представлении параметра удара (геометрическая оптика).
  3. Ядерная волновая функция не успевает измениться за время прохождения частицы через ядро.

Это − дифракционная модель, т.к. она рассматривает дифракцию падающей волны на отдельных нуклонах ядра.
Как известно, сечение взаимодействия частицы с ядром для процессов сильного взаимодействия может быть представлено в виде

В модели Глаубера сечение имеет вид

где А − число нуклонов в ядре, σрр − сечение нуклон-нуклонного взаимодействия в ядре, G(A) − поправки на упругое и неупругое экранирование. Таким образом, первый член описывает рассеяние на А нуклонах, а сумма последующих − поправки на экранирование. Gупр − глауберовская поправка, Gнеупр − грибовская поправка.
Как видно из рис. 79, если включается упругое или неупругое экранирование, направление движения частицы не меняется. Эти эффекты нельзя обнаружить на опыте, но необходимо учитывать при вычислении полных сечений взаимодействия частиц с ядрами.

Рис. 79: Иллюстрация поведения падающей частицы внутри ядра при включении упругого и неупругого экранирования.

9.7. Гидродинамические модели

Ядро − гидродинамическая система, которую можно описать, введя уравнение состояния, плотность энергии, температуру, энтропию и другие гидродинамические характеристики ядерной материи.
Гидродинамические модели служат для описания сильновзаимодействующей ядерной материи, которая отождествляется с идеальной жидкостью. Вводятся локальные переменные, зависящие от координат х: плотность энергии ε(х), давление р(х), плотность энтропии s(x), температура Т(х), 4-скорость uμ(х). Для описания идеальной жидкости используется тензор энергии-импульса

Т μν = (ε + p)u μ u ν − g μν p

и закон сохранения

Уравнение состояния релятивистской идеальной жидкости

ε = 3р, р = π 2 Т 4 n/90,

где n − число степеней свободы. (При низких температурах идеальный газ π-мезонов n = 3; при высоких температурах идеальный газ (кварков и глюонов)

Связь между введенными переменными при отсутствии химического потенциала μ = 0 имеет вид ε + р = Ts, s = dp/dT. Тогда закон сохранения тензора энергии-импульса может быть записан в виде:

Эти соотношения образуют замкнутую систему, из которой можно в принципе определить Т и uμ при наступлении термодинамического равновесия и выбранных начальных условиях.
Указанный путь реализуется во многих гидродинамических моделях. Эти модели используются при описании процессов взаимодействия частиц с ядрами или ядер с ядрами при высоких энергиях и дают предсказания о множественном рождении частиц в зависимости от энергии сталкивающихся частиц, о поведении импульсных распределений вновь рожденных частиц .
Рассмотренные выше модели, в которых ядро обладает свойствами жидкости и описывается формулой Вайцзеккера (модель жидкой капли), либо наоборот ядро рассматривается как идеальный Ферми-газ, что позволяет определить энергию движения нуклонов в ядре, а также обо-лочечная модель ядра, дающая понимание существования магических ядер, и обобщенная модель ядра, учитывающая форму атомных ядер, используются при невысоких энергиях. При более высоких энергиях используются оптическая модель ядра, модель Глаубера-Ситенко, статистические и гидродинамические модели.
Таким образом, простое перечисление моделей показывает, насколько сложной системой является атомное ядро.

  1. Валантэн Л. Субатомная физика: ядра и частицы. -М.: Мир, 1986.
  2. Физика элементарных частиц и атомного ядра, т. 34, №1, 2003, с. 147-188.
  3. Никитин Ю.П., Розенталь И.Л. Ядерная физика высоких энергий. -М.: Атомиздат, 1980.

Источник

Физика. 11 класс

Конспект урока

Физика, 11 класс

Урок 27. Строение атомного ядра

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) строение атомного ядра;

2) особенности ядерных сил;

4) энергия связи атомных ядер;

5) удельная энергия связи.

Глоссарий по теме:

Протон – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода.

Нейтрон – элементарная частица, не имеющая заряда.

Протонно-нейтронная модель ядра Гейзенберга-Иваненко: ядро любого атома состоит из положительно-заряжённых протонов и электронейтральных нейтронов.

Массовое число – сумма числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре.

Нуклоны – протоны и нейтроны в составе атомного ядра.

Изотопы – разновидность данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер, т. е. числом нейтронов.

Ядерные силы – это силы притяжения между нуклонами в ядре.

Дефект масс – разность масс нуклонов, составляющих ядро, и массы ядра

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций. М.: Просвещение, 2014. С. 299-307.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М.: Дрофа, 2009.

Савельев И.В. Курс общей физики, Т.3. М.: Наука, 1987. С. 231-244.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В 1919 году Резерфорд открыл протон при бомбардировке ядра атома азота α-частицами.

Это была первая ядерная реакция, проведённая человеком. Превращение одних атомных ядер в другие при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом называют ядерной реакцией.

Протон – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. Свойства протона:

или – символ протона.

Нейтрон был открыт в 1932 г. Д. Чедвиком при облучении бериллия α-частицами. Нейтрон — элементарная частица, не имеющая заряда. Свободный нейтрон, который находится вне атомного ядра, живёт 15 минут. Потом он превращается в протон, испуская электрон и нейтрино – безмассовую нейтральную частицу.

– символ нейтрона

В 1932 году советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра. Справедливость этой гипотезы была доказана экспериментально. Согласно этой модели ядра состоят из протонов и нейтронов. Так как атом не имеет заряда, т.е. электрически нейтрален, число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке. Значит, число протонов в ядре равно порядковому номеру химического элемента Z в периодической таблице Менделеева.

Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А:

Ядерные частицы – протоны и нейтроны – называют нуклонами.

Радиус ядра находится по формуле:

Изотопы – разновидность данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер, т. е. числом нейтронов.

Устойчивость ядер зависит от отношения числа нейтронов к числу протонов.

Ядерные силы – это силы притяжения между нуклонами в ядре. Это самые мощные силы в природе, их ещё называют «богатырь с короткими рукавами». Они относятся к сильным взаимодействиям.

Свойства ядерных сил:

1) это силы притяжения;

2) примерно в 100 раз больше кулоновских сил;

3) зарядовая независимость;

4) короткодействующие, проявляются на расстояниях порядка 10 -12 -10 -13 см;

5) взаимодействуют с конечным числом нуклонов.

Масса любого атомного ядра всегда меньше, чем масса составляющих его частиц:

Дефект масс — разность масс нуклонов, составляющих ядро, и массы ядра:

Энергия связи – это минимальная энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные частицы:

Удельная энергия связи – это полная энергия связи ядра, деленная на число нуклонов:

Молодой физик Эрнест Резерфорд около ста лет назад разобрался в явлении ионизации газов только что открытыми радиоактивными веществами. В своих опытах в роли электроскопа, быстро разряжавшегося при ионизации воздуха, он использовал . шелковую кисточку. Резерфорд приводил её в рабочее состояние, поглаживая ее основания «теплым сухим кисетом» для табака. Вот это уровень экспериментальной техники всего лишь вековой давности!

Алхимикам не удалось преобразовать ядра атомов, т.е. из одного химического элемента получить другой, потому что энергия связи в ядрах (в расчете на одну частицу), примерно в миллион раз (!) превышает химическую энергию связи атомов между собой.

В 1915 году американский физик Уильям Харкино первым сделал предположение, что устойчивость атомных ядер обеспечивается энергией связи. Он также первым ввёл понятие «дефект масс».

Английский же ученый Фрэнсис Астон сконструировал масс-спектрограф. На нём он сделал точнейшие измерения. И в 1927 году построил кривую, которая описывает энергию связи. Более устойчивы к распаду и имеют большие значения энергии связи ядра атомов, которые содержат определенные, так называемые магические, числа протонов и нейтронов. В подмосковной Дубне был получен 114-й химический элемент при поисках таких стабильных ядер.

Источник

Строение атома

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: планетарная модель атома.

Атомы каждого химического элемента имеют строго индивидуальный линейчатый спектр, присущий только данному элементу и не меняющийся от опыта к опыту. Как это можно объяснить? Как вывести формулу, дающую весь набор частот атомного спектра? Чтобы сделать это, нужно узнать, как устроен атом.

Модель Томсона

Первую модель строения атома придумал английский физик Джозеф Джон Томсон (удостоенный Нобелевской премии за открытие электрона). В конечном счёте она оказалась неверной, но сыграла важную роль, будучи стимулом последующих экспериментальных исследований Резерфорда. Физики называли модель Томсона «пудинг с изюмом».

Согласно Томсону атом представляет собой шар размером порядка см. По этому шару некоторым образом распределён положительный заряд, а внутри шара, подобно изюминкам, находятся электроны (рис. 1 ).

Рис. 1. Модель атома Томсона

Суммарный заряд электронов в точности равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Излучение атомов объясняется колебаниями электронов около положений равновесия (как вы помните, любой ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны). Однако вся совокупность экспериментальных данных по атомным спектрам не укладывалась в модель Томсона. Например, для некоторых химических элементов были подобраны формулы, хорошо описывающие их спектры, но эти формулы из модели Томсона никак не следовали.

Опыты Резерфорда

Верна ли модель Томсона? Как в действительности распределены положительные и отрицательные заряды внутри атома? Чтобы ответить на эти вопросы, нужен был эксперимент, позволяющий проникнуть внутрь атома. Ученик Томсона, знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд предложил с этой целью бомбардировать атом высокоэнергетичными ?-частицами и смотреть, как они будут отклоняться положительным зарядом атома.
Что такое -частицы? Потоки этих частиц — так называемые «альфа-лучи» — были обнаружены при радиоактивном распаде некоторых элементов (например, радия). В результате тщательных исследований, проведённых опять-таки Резерфордом, было установлено, что каждая -частица имеет положительный заряд, равный по модулю удвоенному заряду электрона, и массу, превышающую массу электрона примерно в раз. То есть, -частица оказалась полностью ионизованным (лишённым электронов) атомом гелия.

Резерфорд говорил об -частицах как об ионах гелия; сейчас мы знаем, что это ядра гелия.

Но в те времена об атомных ядрах ещё ничего не знали — о них Резерфорду лишь предстояло догадаться, глядя на результаты своих знаменитых опытов!

Энергия -частиц очень велика — достаточно сказать, что скорость их вылета из радиоактивного образца составляет примерно скорости света. Поэтому интересно было выяснить, на какие углы будут отклоняться столь мощные «снаряды» при рассеянии на отдельных атомах, а точнее — на их положительных зарядах.

Пучок -частиц направлялся на тончайшую золотую фольгу. Как гласит история, Резерфорд не сомневался в том, что углы отклонения должны быть весьма малы: имея столь огромную энергию, -частицы должны проходить сквозь фольгу как нож сквозь масло. Только «для очистки совести», на всякий случай, он попросил учеников посмотреть, не возникает ли рассеяния -частиц на большие углы.

Каково же было всеобщее удивление, когда такие частицы обнаружились! Да, как и следовало ожидать, подавляющая доля -частиц отклонялась несущественно. Но совсем небольшая их часть (примерно одна частица из нескольких тысяч) отклонялась на угол, больший (рис. 2 ).

Рис. 2. Рассеяние -частиц на атомах

Эти отклонения казались совершенно невероятными. По словам Резерфорда, дело выглядело так, словно артиллерийский снаряд налетел на кусок бумаги и от удара повернул назад.

А «бумагой» в образном сравнении Резерфорда служил атом, устроенный согласно модели Томсона. Действительно, допустим, что положительный заряд атома «размазан» по всему атому, то есть шару радиусом см. Этот положительный заряд создаёт электрическое поле, тормозящее и отклоняющее -частицы. Вблизи атома потенциал данного поля:

Расчёты, однако, показывают, что такое поле оказывается слишком слабым — его тормозящего действия никак не хватит для того, чтобы остановить -частицу и отбросить её назад!

Таким образом, наличие -частиц, отброшенных фольгой, опровергло модель Томсона. Что же было предложено взамен?

Планетарная модель атома

Чтобы отбросить -частицу, положительный заряд атома должен создавать куда более сильное электрическое поле, чем то, которое получается в модели Томсона. А чтобы создать такое поле, положительный заряд должен быть сосредоточен в области, гораздо меньшей размера атома.

Размер этой области можно вычислить. Если положительный заряд занимает область размером , то вблизи заряда создаётся электрическое поле с потенциалом

Зная кинетическую энергию -частицы, можно найти величину тормозящего потенциала , а затем и размер положительно заряженной области. Вычисления, проведённые Резерфордом, дали следующий результат:

Эта величина на пять порядков (в сто тысяч раз!) меньше размера атома. Так на смену модели Томсона пришла планетарная модель атома (рис. 3 ).

Рис. 3. Планетарная модель атома

В центре атома находится крошечное положительно заряженное ядро, вокруг которого, словно планеты вокруг Солнца, движутся электроны. Между ядром и электронами действуют силы кулоновского притяжения, но упасть на ядро электроны не могут за счёт своего движения — точно так же, как и планеты не падают на Солнце, хоть и притягиваются к нему.

Заряд ядра по модулю равен суммарному заряду электронов, так что атом в целом электрически нейтрален. Однако электроны могут быть выбиты из своих орбит и покинуть атом — тогда атом превращается в положительно заряженный ион.

Масса электронов составляет очень малую часть общей массы атома. Например, в атоме водорода всего один электрон, и его масса в раз меньше массы ядра. Следовательно, почти вся масса атома сосредоточена в ядре — и это при том, что ядро в сто тысяч раз меньше самого атома.

Чтобы лучше почувствовать соотношение масштабов атома и ядра, представьте себе, что атом стал размером с Останкинскую телебашню ( м). Тогда ядро окажется горошиной размером мм, лежащей у вас на ладони. И тем не менее, почти вся масса атома заключена в этой горошине!

Вот таким удивительным объектом оказался атом. Однако планетарная модель атома, объяснив результаты опытов Резерфорда по рассеянию -частиц, оказалась лишь первым шагом на пути к пониманию внутриатомных процессов. А именно, планетарная модель приводила к одному серьёзному противоречию, и преодоление этого противоречия Нильсом Бором положило начало физике атома. Читаем следующий листок!

Источник