Задание 1, страница 237 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 1

Назовите причины, объясняющие малое число столкновений $\alpha$-частиц с ядрами азота в камере Вильсона (рис. 249).

Рис. 249. Треки $\alpha$-частиц в камере Вильсона, столкновение $\alpha$-частицы с атомом азота, второй трек слева

Малое число столкновений α-частиц с ядрами атомов азота в камере Вильсона, как показано на рисунке, объясняется двумя основными причинами, связанными со строением атома и характером взаимодействия частиц.

1. Малые размеры ядра по сравнению с размерами атома

Атом, в соответствии с планетарной моделью, состоит из очень маленького, но массивного положительно заряженного ядра и электронов, которые занимают почти весь его объем. Подавляющая часть атома является фактически пустым пространством. Линейные размеры атома составляют порядка $10^{-10}$ м, в то время как размеры ядра — всего лишь около $10^{-15}$ – $10^{-14}$ м. Это означает, что ядро в десятки тысяч раз меньше самого атома. Следовательно, для α-частицы, пролетающей сквозь газ, ядро представляет собой чрезвычайно малую мишень. Вероятность того, что траектория частицы пройдет через эту мишень, очень низка. Большинство α-частиц пролетает через "пустое" пространство атомов, не взаимодействуя с ядрами и не отклоняясь от прямой.

2. Электростатическое (кулоновское) отталкивание

α-частица является ядром атома гелия и несет положительный заряд ($q_{\alpha} = +2e$). Ядро атома азота также заряжено положительно ($q_{N} = +7e$). Согласно закону Кулона, между одноименно заряженными телами действуют силы отталкивания. Когда α-частица на своем пути приближается к ядру азота, эта сила отталкивания становится все сильнее и отклоняет частицу от ее первоначальной траектории. Только те α-частицы, которые движутся почти по прямой, ведущей точно в центр ядра (то есть имеют очень малый прицельный параметр), могут преодолеть отталкивание и подойти достаточно близко, чтобы произошло сильное взаимодействие, которое мы наблюдаем как столкновение (на фотографии это приводит к ядерной реакции с "развилкой" треков). Большинство же частиц пролетает на таком расстоянии, что кулоновское отталкивание лишь незначительно искривляет их путь, что незаметно на треках.

Сочетание этих двух факторов — крошечного размера ядра-мишени и наличия сил электростатического отталкивания — и приводит к тому, что столкновение α-частицы с ядром является очень редким событием.

Ответ: Малое число столкновений α-частиц с ядрами азота обусловлено тем, что: 1) атомное ядро имеет чрезвычайно малые размеры по сравнению с размерами всего атома, который в основном состоит из пустого пространства, поэтому вероятность прямого попадания в ядро очень низка; 2) между положительно заряженной α-частицей и положительно заряженным ядром азота действуют силы кулоновского отталкивания, которые отклоняют большинство пролетающих α-частиц и не позволяют им приблизиться к ядру на расстояние, достаточное для столкновения.