Номер 3, страница 27 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 1. Первоначальные сведения о строении вещества. Параграф 7. Строение газов, жидкостей и твёрдых тел. Темы докладов и проектов - номер 3, страница 27.

Условие.

3. Фундаментальные эксперименты при изучении строения вещества.

Решение.

Изучение строения вещества прошло через несколько ключевых этапов, каждый из которых был отмечен фундаментальными экспериментами, кардинально изменившими представления ученых об устройстве мира. Ниже рассмотрены наиболее значимые из них.

Опыт Томсона по определению отношения заряда электрона к его массе (1897 г.)

Английский физик Джозеф Джон Томсон изучал свойства катодных лучей — потока частиц, испускаемых катодом в вакуумной трубке. Он пропускал этот пучок через скрещенные электрическое и магнитное поля. Подбирая напряженность электрического поля $\text{E}$ и индукцию магнитного поля $\text{B}$ так, чтобы пучок не отклонялся, он мог определить скорость частиц $v = E/B$. Затем, отключая электрическое поле, он измерял радиус кривизны $\text{R}$ траектории частиц в магнитном поле. Это позволило ему вычислить удельный заряд (отношение заряда к массе) частиц по формуле $e/m = v / (BR)$.

Томсон обнаружил, что отношение $e/m$ для частиц катодных лучей было примерно в 1800 раз больше, чем для иона водорода (протона). Это означало, что либо заряд частицы огромен, либо ее масса очень мала. Томсон сделал правильный вывод, что эти частицы (названные позже электронами) имеют массу, значительно меньшую массы атома, и являются универсальными составными частями всех атомов. Этот эксперимент разрушил представление о неделимости атома и привел к созданию первой модели атома — «пудинга с изюмом».

Ответ: Эксперимент показал, что атомы содержат отрицательно заряженные частицы (электроны) с очень малой массой, что привело к созданию первой модели строения атома.

Опыт Милликена по измерению элементарного заряда (1909 г.)

Американский физик Роберт Милликен разработал метод для точного измерения заряда электрона. В его установке между двумя горизонтальными пластинами конденсатора распылялись мельчайшие капельки масла. Некоторые из них в процессе распыления приобретали электрический заряд. Наблюдая за движением отдельной капли в микроскоп, Милликен измерял скорость ее падения под действием силы тяжести (при выключенном электрическом поле), а затем скорость ее подъема при включении электрического поля, направленного вверх. Уравновешивая силу тяжести $mg$, силу сопротивления воздуха и электрическую силу $qE$, он смог вычислить заряд $\text{q}$ капли.

Милликен провел множество измерений и обнаружил, что заряд любой капли всегда был кратен некоторой минимальной величине, которую он и определил как элементарный электрический заряд, то есть заряд электрона $e \approx 1.602 \times 10^{-19}$ Кл. Это подтвердило идею о дискретности электрического заряда. Зная значение $\text{e}$ и отношение $e/m$ из опытов Томсона, стало возможным вычислить и массу электрона.

Ответ: Эксперимент доказал дискретность электрического заряда и позволил измерить величину элементарного заряда — заряда электрона.

Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц (1908-1913 гг.)

Эрнест Резерфорд вместе со своими сотрудниками Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом провел эксперимент, который привел к открытию атомного ядра. Они направляли пучок альфа-частиц (ядер гелия), испускаемых радиоактивным источником, на тонкую золотую фольгу. За фольгой располагался экран, покрытый сульфидом цинка, который вспыхивал при попадании на него альфа-частицы.

Согласно модели Томсона, положительный заряд был «размазан» по всему объему атома, поэтому ожидалось, что массивные и быстрые альфа-частицы будут проходить сквозь фольгу, лишь незначительно отклоняясь. Большинство частиц действительно вело себя так, но к огромному удивлению экспериментаторов, некоторые (примерно 1 из 8000) отклонялись на большие углы, а некоторые даже отскакивали назад. Резерфорд позже описал это так: «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, и он вернулся бы и ударил вас».

На основе этих результатов Резерфорд пришел к выводу, что почти вся масса и весь положительный заряд атома сосредоточены в очень малом объеме в его центре — ядре. Электроны же вращаются вокруг этого ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Так родилась планетарная модель атома.

Ответ: Эксперимент доказал существование в атоме массивного, положительно заряженного и очень компактного ядра, что привело к созданию планетарной модели атома.

Опыт Франка и Герца (1914 г.)

Немецкие физики Джеймс Франк и Густав Герц провели эксперимент, подтвердивший постулаты Бора о существовании в атомах дискретных (квантованных) уровней энергии. Они пропускали пучок электронов через трубку, наполненную разреженными парами ртути. Электроны ускорялись разностью потенциалов и сталкивались с атомами ртути. Измерялся ток электронов, достигших анода, в зависимости от ускоряющего напряжения.

Было обнаружено, что при увеличении напряжения ток сначала растет, но при достижении определенного значения (4.9 В для ртути) резко падает. Затем он снова начинает расти, но при напряжении 9.8 В (то есть $2 \times 4.9$ В) снова падает, и так далее. Это объяснялось тем, что электроны, достигшие энергии 4.9 эВ, при столкновении с атомами ртути передают им эту энергию (неупругое соударение), возбуждая атом на первый энергетический уровень. После этого электроны теряют почти всю свою энергию и не могут преодолеть задерживающее поле у анода, что приводит к падению тока. Этот эксперимент стал прямым доказательством квантования атомных уровней энергии.

Ответ: Эксперимент стал прямым подтверждением квантовой природы атома и существования в нем дискретных энергетических уровней.

Открытие нейтрона Чедвиком (1932 г.)

К 1930-м годам было известно, что ядро состоит из протонов, но массы ядер (за исключением водорода) были значительно больше суммарной массы протонов, необходимых для обеспечения заряда ядра. Резерфорд предположил существование нейтральной частицы с массой, близкой к массе протона. В 1930 году Боте и Беккер обнаружили, что при бомбардировке бериллия альфа-частицами возникает сильно проникающее излучение, которое они посчитали гамма-квантами.

Джеймс Чедвик, ученик Резерфорда, провел серию экспериментов с этим излучением. Он обнаружил, что оно способно выбивать протоны из парафина (вещества, богатого водородом). Проанализировав энергии выбитых протонов и применив законы сохранения энергии и импульса, Чедвик показал, что гипотеза о гамма-квантах приводит к противоречиям. Он пришел к выводу, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, очень близкой к массе протона. Эту частицу он назвал нейтроном. Открытие нейтрона позволило создать протонно-нейтронную модель ядра, которая объясняла и массу, и заряд атомных ядер.

Ответ: Экспериментально была доказана и открыта новая фундаментальная частица — нейтрон, что позволило создать современную протонно-нейтронную модель атомного ядра.