Из истории развития физики, страница 229 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 9. Физика атома и атомного ядра. Параграф 45. Радиоактивность. Состав атомного ядра. Вопросы - страница 229.

Условие.

Из истории развития физики

Ниже приведён фрагмент из статьи Резерфорда «Рассеяние $\alpha$- и $\beta$-частиц веществом и строение атома» (1911 г.).

...Наблюдения, проведённые Х. Гейгером и Э. Марсденом* по рассеиванию $\alpha$-лучей, показали, что некоторое количество $\alpha$-частиц при однократном столкновении испытывают отклонение на угол, больше 90°. Они обнаружили, например, что некоторое количество $\alpha$-частиц, примерно 1 из 20 000, поворачивается в среднем на 90° при прохождении сквозь слой золотой фольги толщиной 0,00004 см...

По-видимому, разумнее предположить, что отклонения на большой угол обусловлены однократным атомным столкновением, так как вероятность такого же повторного столкновения в большинстве случаев чрезвычайно мала. Простой расчёт показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле, чтобы при однократном столкновении создавалось столь большое отклонение».

а) Что является в атоме источником сильного электрического поля?

б) Каким зарядом обладает этот источник?

в) Какие методы исследования использовал Резерфорд для обоснования планетарной модели атома?

Решение.

а) Что является в атоме источником сильного электрического поля?

В тексте говорится, что для объяснения отклонения $\alpha$-частиц на большие углы при однократном столкновении необходимо существование в атоме сильного электрического поля. Основываясь на результатах эксперимента, проведённого Гейгером и Марсденом, Эрнест Резерфорд сделал вывод, что источником такого поля является атомное ядро. Согласно его модели, ядро представляет собой очень маленькую по сравнению с размерами всего атома, но массивную центральную часть, в которой сосредоточен весь положительный заряд атома. Именно высокая концентрация электрического заряда в малом объёме и создаёт вблизи себя очень сильное электрическое поле.

Ответ: Источником сильного электрического поля в атоме является его ядро.

б) Каким зарядом обладает этот источник?

В эксперименте использовались $\alpha$-частицы, которые являются ядрами атома гелия и несут положительный электрический заряд, равный двум элементарным зарядам ($q_{\alpha} = +2e$). Тот факт, что $\alpha$-частицы отталкивались от источника поля и отклонялись на большие углы, указывает на силу электрического отталкивания между ними. В соответствии с законом Кулона, силы отталкивания действуют между одноимённо заряженными телами. Следовательно, источник сильного поля в атоме — его ядро — также должен обладать положительным зарядом.

Ответ: Этот источник (атомное ядро) обладает положительным зарядом.

в) Какие методы исследования использовал Резерфорд для обоснования планетарной модели атома?

Для обоснования планетарной модели атома Резерфорд применил комплексный научно-исследовательский подход, который включал в себя три ключевых метода:

1. Экспериментальный метод. Фундаментом для новой модели послужили опыты по рассеянию пучка $\alpha$-частиц на тонкой металлической (золотой) фольге. Эти эксперименты, проведённые под руководством Резерфорда его сотрудниками Гейгером и Марсденом, позволили получить количественные данные о распределении рассеянных частиц по различным углам. Обнаружение частиц, отклонившихся на очень большие углы (более 90°), было невозможно объяснить в рамках существовавшей тогда модели атома Томсона.

2. Теоретический метод. На основе анализа экспериментальных данных Резерфорд выдвинул гипотезу о новом устройстве атома — планетарную модель. В этой модели атом состоит из малого, плотного, положительно заряженного ядра, в котором сконцентрирована почти вся масса, и вращающихся вокруг него лёгких отрицательно заряженных электронов. Применяя законы классической механики и закон Кулона, он теоретически рассчитал траектории $\alpha$-частиц в поле такого ядра и вывел математическую формулу, предсказывающую, какая доля частиц рассеется на определённый угол.

3. Сравнение теоретических расчётов с экспериментальными данными. Решающим доказательством справедливости модели стало превосходное совпадение количественных предсказаний, сделанных на основе формулы Резерфорда, с результатами, полученными в ходе экспериментов. Это соответствие теории и практики и послужило главным обоснованием планетарной модели атома.

Ответ: Резерфорд использовал экспериментальный метод (опыты по рассеянию $\alpha$-частиц), теоретический метод (создание планетарной модели атома и вывод формулы рассеяния) и сравнение теоретических расчётов с экспериментальными данными.