Номер 2, страница 283 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

2. Почему $\alpha$-частицы не могли бы рассеиваться на большие углы, если бы положительный заряд атома был распределён по всему его объёму?

2. Этот вопрос касается фундаментального различия между двумя историческими моделями строения атома: моделью Томсона («пудинг с изюмом») и планетарной моделью Резерфорда.

В модели Томсона предполагалось, что атом представляет собой шар, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд. Внутри этого положительно заряженного «шара» находятся отрицательно заряженные электроны. Вся система в целом электрически нейтральна.

Рассеяние α-частиц (положительно заряженных ядер атома гелия) происходит из-за электростатического (кулоновского) отталкивания между ними и положительным зарядом атома. Чтобы α-частица отклонилась на большой угол, она должна испытать очень сильное, резкое отталкивание. Такое возможно, только если α-частица приблизится на очень малое расстояние к другому массивному и концентрированному положительному заряду.

Если бы положительный заряд был распределен по всему объему атома, как в модели Томсона, то рассеяние на большие углы было бы невозможным по следующим причинам:

1. Слабая сила отталкивания. Положительный заряд, «размазанный» по большому объему (объем атома примерно в $10^{15}$ раз больше объема ядра), создал бы очень слабое электрическое поле. Пролетающая сквозь такой атом α-частица взаимодействовала бы с этим распределенным зарядом, но сила отталкивания в любой точке ее траектории была бы слишком мала, чтобы существенно изменить направление ее движения.
2. Отсутствие центра концентрации силы. Согласно электростатике, электрическое поле внутри равномерно заряженного шара растет от нуля в центре до максимума на поверхности. Даже если α-частица пролетает через центр такого атома, она не испытывает действия мощной концентрированной силы. Кроме того, отрицательно заряженные электроны внутри атома дополнительно ослабляли бы (экранировали) отталкивающее действие положительного заряда.
3. Незначительное изменение импульса. Отклонение на большой угол требует передачи α-частице значительного импульса в поперечном направлении. Это, в свою очередь, требует действия очень большой силы. Слабая, распределенная по большому объему сила не способна создать необходимый импульс, чтобы «развернуть» быструю и тяжелую α-частицу. В результате α-частицы могли бы испытывать лишь незначительные суммарные отклонения от множества слабых столкновений, но никогда не рассеивались бы назад.

Именно тот факт, что в экспериментах Резерфорда некоторые α-частицы рассеивались на углы более 90°, стал неопровержимым доказательством того, что положительный заряд и почти вся масса атома сконцентрированы в очень малом объеме — ядре. Только в этом случае прицельное «попадание» α-частицы в область вблизи ядра приводит к возникновению гигантской силы отталкивания, способной отбросить частицу назад.

Ответ: Если бы положительный заряд был распределен по всему объему атома, то его плотность и создаваемое им электрическое поле были бы слишком малы. Сила кулоновского отталкивания, действующая на α-частицу, была бы недостаточной, чтобы значительно изменить ее траекторию и отклонить на большой угол. Для такого отклонения необходима концентрация всего положительного заряда в очень малом объеме (в ядре).