Номер 4, страница 12 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Введение. 1. Физика в познании вещества, поля, пространства и времени. Параграф 5. Идея атомизма - номер 4, страница 12.

Условие.

4. Используя знания о строении атома из основной школы и, если требуется, Интернет, воспроизведите цепочку научных гипотез и открытий, позволивших Резерфорду создать планетарную модель атома.

Решение.

Созданию планетарной модели атома Эрнестом Резерфордом предшествовала цепь научных гипотез и открытий, которая последовательно опровергала старые представления и формировала новые.

1. Атомная теория Дальтона (начало XIX в.)
Первым научным представлением о строении вещества была теория Джона Дальтона. Он предположил, что все вещества состоят из мельчайших неделимых частиц — атомов, которые он представлял в виде крошечных твердых сфер. Эта модель не объясняла природу электричества и внутреннюю структуру атома.

2. Открытие электрона и модель Дж. Дж. Томсона (1897 г.)
Английский физик Джозеф Джон Томсон, экспериментируя с катодными лучами, открыл первую субатомную частицу — электрон. Он доказал, что это отрицательно заряженная частица, масса которой во много раз меньше массы атома. Это открытие показало, что атом делим и имеет сложную структуру. На основании этого Томсон в 1904 году предложил свою модель атома, известную как "пудинг с изюмом". Согласно этой модели, атом представляет собой сферу, равномерно заполненную положительным зарядом, в которую, как изюм в пудинг, вкраплены отрицательно заряженные электроны. Атом в целом считался электронейтральным.

3. Открытие радиоактивности (1896 г.) и альфа-частиц
Открытие Анри Беккерелем, а затем Марией и Пьером Кюри явления радиоактивности показало, что атомы некоторых элементов способны самопроизвольно распадаться, испуская излучение. Эрнест Резерфорд, изучая природу этого излучения, выделил его компоненты: альфа-($\alpha$), бета-($\beta$) и гамма-($\gamma$) лучи. Он установил, что $\alpha$-частицы являются положительно заряженными и представляют собой ядра атомов гелия. Именно эти частицы он позже использовал в качестве "зондов" для исследования строения атома.

4. Эксперимент Гейгера-Марсдена по рассеянию альфа-частиц (1909 г.)
Ключевым событием, приведшим к созданию новой модели, стал эксперимент, проведенный под руководством Резерфорда его учениками Гансом Гейгером и Эрнстом Марсденом. Установка обстреливала тончайшую золотую фольгу потоком $\alpha$-частиц.
Ожидания, основанные на модели Томсона: Так как положительный заряд в атоме считался "размазанным" по всему его объему, ожидалось, что быстрые и массивные $\alpha$-частицы будут проходить сквозь фольгу, практически не отклоняясь.
Результаты эксперимента: Большинство частиц действительно проходило сквозь фольгу, не меняя траектории. Однако небольшое количество частиц (примерно 1 из 8000) отклонялось на очень большие углы ($>90^\circ$), а некоторые даже отскакивали назад, в сторону источника.
Этот результат был совершенно неожиданным и несовместимым с моделью Томсона. Резерфорд позже сказал, что это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд, выпущенный в лист папиросной бумаги, отскочил от нее и попал в стрелявшего.

5. Создание планетарной модели Резерфорда (1911 г.)
Анализируя результаты эксперимента, Резерфорд пришел к выводу, что такое сильное отклонение положительно заряженных $\alpha$-частиц возможно только в том случае, если почти вся масса и весь положительный заряд атома сконцентрированы в очень малом объеме. Это привело его к созданию планетарной (или ядерной) модели атома:

• В центре атома находится крошечное, массивное, положительно заряженное ядро.
• Вокруг ядра по орбитам, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны.
• Почти весь объем атома составляет пустое пространство, поэтому большинство $\alpha$-частиц пролетает сквозь него без отклонений.
• Редкие случаи сильного отклонения или отскока $\alpha$-частиц объясняются их прямым сближением или столкновением с массивным ядром.

Ответ: Цепочка научных гипотез и открытий, позволившая Резерфорду создать планетарную модель атома, выглядит следующим образом: 1) открытие делимости атома и существования электрона (Дж. Томсон), что привело к созданию модели "пудинга с изюмом"; 2) открытие радиоактивности и $\alpha$-частиц, которые стали инструментом для зондирования атома; 3) проведение эксперимента по рассеянию $\alpha$-частиц на золотой фольге, результаты которого (отклонение некоторых частиц на большие углы) опровергли модель Томсона; 4) на основе экспериментальных данных Резерфорд заключил, что почти вся масса и положительный заряд атома сосредоточены в сверхмалом объеме — ядре, вокруг которого вращаются электроны.