Что представляет собой альфа-частица?

Квант электромагнитного излучения

Как устроен атом по модели Томсона?

Положительно заряженный шар с вкраплёнными электронами

Крошечное ядро и электроны на орбитах вокруг него

Нейтральный неделимый шарик

Облако только из электронов

Что наблюдали в опыте Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на фольге?

Большинство частиц прошли почти без отклонения

Единичные частицы отлетели почти назад

Все частицы отклонились примерно на 90°

Частицы застряли в фольге

Радиоактивность. Модели атомов — 9 класс, физика: объяснение, задачи

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Поглощение и испускание света атомами. Происхождение линейчатых спектров

Коротко о главном

Радиоактивность — самопроизвольное излучение некоторых веществ. Излучение состоит из трёх видов: α-частицы (ядра гелия, заряд +), β-частицы (электроны, заряд −) и γ-излучение (без заряда). Опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц показал, что в центре атома есть крошечное массивное положительное ядро, — так появилась планетарная (ядерная) модель атома.

d_{\text{ядра}} \approx 10^{-14}\text{–}10^{-15}\ \text{м}, \qquad d_{\text{атома}} \approx 10^{-10}\ \text{м}

Подробное объяснение

Слово «атом» переводится как «неделимый». Две тысячи лет считалось, что атом — самый маленький кирпичик, внутри которого ничего нет. Но если атом неделим, откуда тогда берутся лучи, которые сами по себе вылетают из куска урана?

Открытие радиоактивности

В 1896 году Анри Беккерель заметил, что соли урана без всякого освещения засвечивают фотопластинку. Позже нашли и другие такие элементы, например радий. Способность атомов самопроизвольно испускать излучение назвали радиоактивностью. Раз из атома что-то вылетает, значит, у него есть внутреннее устройство.

Три вида излучения

Резерфорд пропустил узкий пучок излучения радия через магнитное поле. Пучок распался на три. Магнитное поле отклоняет только движущиеся заряды, причём положительные и отрицательные — в разные стороны.

Пучок излучения из свинцового контейнера попадает в магнитное поле, направленное от зрителя. Альфа-лучи (+) отклоняются влево, бета-лучи (−) сильнее вправо, гамма-лучи (без заряда) идут прямо. — Магнитное поле разводит α- и β-частицы в разные стороны, а γ-излучение не отклоняет.

α-частицы — заряд положительный. Это ядра гелия (атом гелия без обоих электронов), заряд $$+2e$$ . Тяжёлые, поэтому отклоняются слабо.
β-частицы — заряд отрицательный. Это электроны. Лёгкие, поэтому отклоняются сильно.
γ-излучение — заряда нет, в поле не отклоняется. Это электромагнитное излучение, как свет, только с намного большей энергией.

Модель Томсона

Атом в целом нейтрален, но в нём есть отрицательные электроны. Значит, где-то должен быть и положительный заряд. В 1903 году Томсон предположил: атом — шар, по всему объёму которого равномерно «размазан» положительный заряд, а внутри сидят электроны, как изюм в кексе.

Опыт Резерфорда

В 1911 году Резерфорд проверил эту модель. Узкий пучок быстрых α-частиц (около 15 000 км/с) направили на тонкую золотую фольгу. Попадание каждой частицы на экран давало крошечную вспышку — сцинтилляцию, её считали в микроскоп. Опыт шёл в вакууме, чтобы частицы не сталкивались с молекулами воздуха.

Результат:

Почти все частицы прошли сквозь фольгу, почти не отклонившись.
Немногие отклонились на заметные углы.
Единичные частицы отлетели назад, на углы около 180°.

По модели Томсона отбросить частицу назад нечему: электроны в тысячи раз легче α-частицы, а поле «размазанного» заряда слабое. Резерфорд сделал вывод: весь положительный заряд и почти вся масса атома собраны в очень малом объёме — ядре. Далеко от ядра поле слабое, и частица летит почти прямо. Лишь при пролёте совсем близко к ядру сильное отталкивание резко меняет её путь.

Планетарная модель

В центре атома — положительно заряженное ядро диаметром $10^{-14}$ – $10^{-15}$ м. Вокруг него движутся электроны, как планеты вокруг Солнца. Заряд ядра по модулю равен суммарному заряду электронов, поэтому атом нейтрален. Сам атом имеет диаметр около $10^{-10}$ м — в десятки и сотни тысяч раз больше ядра. Атом почти пустой.

Величины в задачах: заряд — в кулонах (Кл), элементарный заряд $e = 1{,}6 \cdot 10^{-19}$ Кл; размеры — в метрах; скорость — в м/с.

Как решать задачи

Определите, о каком излучении или какой модели идёт речь.
Для отклонения в поле: есть заряд — отклоняется; знак заряда задаёт сторону; чем легче частица, тем сильнее отклонение.
Для сравнения размеров переведите всё в метры и делите степени: $10^{a}/10^{b} = 10^{a-b}$ .
Для объёмов помните: объём растёт как куб размера.
Проверьте, что ответ разумен: ядро всегда намного меньше атома.

Разобранные примеры

База

Знак заряда по отклонению

Условие

В магнитном поле пучок неизвестных частиц отклонился в ту же сторону, что и α-частицы, но гораздо сильнее. Что можно сказать о заряде и массе этих частиц?

Решение

Отклонение в ту же сторону, что у α-частиц, означает тот же знак заряда — положительный. Более сильное отклонение при похожей скорости говорит о том, что частицы легче (или их заряд относительно массы больше).

Ответ: Заряд положительный, частицы легче α-частиц.

Средний

Сколько частиц отлетит назад

Условие

В опыте по рассеянию в среднем одна из 25 000 α-частиц отклоняется на угол больше 90°. Сколько таких частиц будет среди 2 000 000 прошедших через фольгу?

Дано

$N = 2\,000\,000$
доля $\dfrac{1}{25\,000}$

Найти

$$n$$

Решение

$n = \dfrac{N}{25\,000} = \dfrac{2\,000\,000}{25\,000} = 80$ .

Ответ: 80 частиц

Сложный

Насколько атом пустой

Условие

Диаметр ядра $10^{-14}$ м, диаметр атома $10^{-10}$ м. Во сколько раз объём атома больше объёма ядра?

Дано

$d = 10^{-14}$ м
$D = 10^{-10}$ м

Найти

$V_{\text{ат}}/V_{\text{я}}$

Решение

Отношение диаметров: $\dfrac{D}{d} = 10^4$ .

Объём шара пропорционален кубу диаметра: $\dfrac{V_{\text{ат}}}{V_{\text{я}}} = \left(10^4\right)^3 = 10^{12}$ .

Ответ: в 10¹² раз (триллион)

Типичные ошибки

Считают, что γ-лучи отклоняются магнитным полем

Почему неверно

Магнитное поле действует только на движущиеся заряженные частицы. У γ-излучения заряда нет.

Как правильно

В поле отклоняются α- (в одну сторону) и β-частицы (в другую), а γ-пучок идёт прямо.

Путают модель Томсона с планетарной

Почему неверно

В модели Томсона нет ядра: положительный заряд заполняет весь шар, а электроны находятся внутри него.

Как правильно

«Кекс с изюмом» — Томсон. «Маленькое ядро и электроны вокруг» — Резерфорд.

Думают, что α-частицы отскакивают от электронов

Почему неверно

Электрон примерно в 8000 раз легче α-частицы и не может заметно изменить её движение — как пинг-понговый шарик не остановит пушечное ядро.

Как правильно

Сильное отклонение вызывает электрическое отталкивание от массивного положительного ядра.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Диаметр атома около $10^{-10}$ м, а диаметр его ядра — около $10^{-14}$ м. Во сколько раз атом больше ядра?

Подсказка

Разделите один диаметр на другой, степени вычитаются.

Решение

$\dfrac{10^{-10}}{10^{-14}} = 10^{-10 - (-14)} = 10^4 = 10\,000$ .

Ответ

в 10 000 раз

База Задача 2

Узкий пучок излучения радиоактивного препарата проходит через магнитное поле и расщепляется на три пучка. Какой из них не отклоняется и почему?

Подсказка

Магнитное поле действует только на движущиеся заряды.

Решение

Магнитное поле отклоняет только заряженные частицы. Гамма-излучение — электромагнитные волны (кванты), заряда у них нет, поэтому гамма-пучок идёт прямо.

Ответ

Гамма-излучение — у него нет электрического заряда

Средний Задача 3

Альфа-частица летит со скоростью 20 000 км/с и пересекает золотую фольгу толщиной $4 \cdot 10^{-7}$ м. Сколько времени она находится внутри фольги?

Подсказка

Переведите скорость в м/с и используйте $$t = d/v$$ .

Решение

$v = 20\,000$ км/с $= 2 \cdot 10^7$ м/с.

$t = \dfrac{d}{v} = \dfrac{4 \cdot 10^{-7}}{2 \cdot 10^7} = 2 \cdot 10^{-14}$ с.

Ответ

2·10⁻¹⁴ с

Средний Задача 4

Альфа-частица — ядро гелия, её заряд равен двум элементарным зарядам. Элементарный заряд $1{,}6 \cdot 10^{-19}$ Кл. Найдите заряд альфа-частицы.

Подсказка

Заряд альфа-частицы положительный и вдвое больше заряда протона.

Решение

$q = 2e = 2 \cdot 1{,}6 \cdot 10^{-19} = 3{,}2 \cdot 10^{-19}$ Кл.

Ответ

3,2·10⁻¹⁹ Кл

Сложный Задача 5

Ядро диаметром $10^{-15}$ м увеличили в модели до размера горошины диаметром 1 см. Каким в том же масштабе получится атом диаметром $10^{-10}$ м? Ответ дайте в километрах.

Подсказка

Найдите, во сколько раз увеличили ядро, и во столько же раз увеличьте атом.

Решение

Масштаб: $k = \dfrac{0{,}01}{10^{-15}} = 10^{13}$ .

Диаметр атома в модели: $D = 10^{-10} \cdot 10^{13} = 10^3$ м $$= 1$$ км.

Ответ

около 1 км

Сложный Задача 6

Объясните, почему в модели Томсона альфа-частица не могла бы отлететь назад, а в ядерной модели — может.

Подсказка

Сравните, насколько сильным может быть электрическое поле размазанного по шару заряда и заряда, собранного в крошечной точке.

Решение

У Томсона положительный заряд размазан по всему атому, его поле внутри слабое, а лёгкие электроны массивную альфа-частицу не остановят — она лишь чуть отклонится. В ядерной модели весь положительный заряд и почти вся масса собраны в крошечном ядре. Вблизи него поле огромно, и при почти лобовом сближении отталкивание разворачивает частицу назад.

Ответ

Только сосредоточенный в малом ядре заряд создаёт поле, способное развернуть альфа-частицу

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Возьмите сетку-рабицу или редкую сетку от насекомых и горсть мелких шариков. Почти все шарики пролетают насквозь — так α-частицы проходят сквозь фольгу. Теперь представьте, что в середине каждой ячейки спрятана невидимая крошечная, но очень тяжёлая бусина: попасть в неё трудно, но если попал — шарик отлетит назад. Это и есть ядро. Масштаб: если ядро — горошина в центре стадиона, то атом — весь стадион.

Вопросы для проверки понимания: 1) Какие три вида излучения нашёл Резерфорд и чем они различаются? 2) Почему большинство α-частиц прошли через фольгу почти прямо? 3) Чем модель Томсона отличается от планетарной?

На что обратить внимание. Ребёнок должен связывать отклонение в поле с зарядом, а не с «силой» лучей, и понимать логику опыта: редкие отскоки назад доказывают, что заряд сосредоточен в крошечном ядре.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Физика. 9 класс (Перышкин, Гутник)	§ 52	—