Номер 1, страница 250 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Почему результаты опытов по рассеянию $\alpha$-частиц находятся в противоречии с моделью Томсона? Что наблюдалось бы на опыте, если бы модель Томсона была верна?

Почему результаты опытов по рассеянию $\alpha$-частиц находятся в противоречии с моделью Томсона?

Модель атома, предложенная Дж. Дж. Томсоном в 1904 году, известная как «пудинг с изюмом», представляла атом в виде сферы, равномерно заполненной положительным зарядом, внутри которой находились отрицательно заряженные электроны. Согласно этой модели, масса и положительный заряд распределены по всему объему атома, что делает его похожим на рыхлое, электрически «прозрачное» для частиц образование.

Опыты по рассеянию $\alpha$-частиц, проведенные под руководством Эрнеста Резерфорда, заключались в бомбардировке тонкой золотой фольги пучком положительно заряженных $\alpha$-частиц (ядер атома гелия с зарядом $q_{\alpha} = +2e$). Если бы модель Томсона была верна, то массивные и быстрые $\alpha$-частицы, пролетая сквозь атомы фольги, не должны были бы встречать на своем пути значительных препятствий. Электростатическое отталкивание со стороны распределенного по большому объему положительного заряда было бы слишком слабым, чтобы существенно изменить траекторию $\alpha$-частицы. Ожидалось, что все частицы либо пролетят сквозь фольгу без отклонения, либо отклонятся на очень малые углы (не более 1–2 градусов).

Однако результаты эксперимента оказались совершенно иными. Большинство $\alpha$-частиц действительно проходило сквозь фольгу, почти не отклоняясь, но небольшая их часть (примерно 1 из 8000) рассеивалась на большие углы, превышающие 90°, а некоторые даже отбрасывались назад (угол рассеяния близок к 180°).

Такое поведение $\alpha$-частиц было абсолютно невозможно объяснить в рамках модели Томсона. Рассеяние на большой угол означает, что $\alpha$-частица испытала очень сильное отталкивающее взаимодействие. Это могло произойти только в том случае, если почти вся масса и весь положительный заряд атома сконцентрированы в очень малом объеме, который Резерфорд назвал ядром. Именно это противоречие между предсказаниями модели Томсона и экспериментальными данными привело к отказу от нее и созданию планетарной модели атома Резерфорда.

Ответ: Результаты опытов по рассеянию $\alpha$-частиц противоречат модели Томсона, потому что в эксперименте наблюдалось рассеяние небольшого числа $\alpha$-частиц на большие углы (более 90°), что невозможно, если положительный заряд и масса атома распределены равномерно по всему его объему, как предполагала модель Томсона. Такое сильное отклонение могло быть вызвано только взаимодействием с очень маленьким, массивным и положительно заряженным центром — ядром.

Что наблюдалось бы на опыте, если бы модель Томсона была верна?

Если бы модель атома Томсона была верна, то атом представлял бы собой сферу с равномерно распределенным по объему положительным зарядом. Пролетая через такой атом, $\alpha$-частица испытывала бы множество слабых электростатических взаимодействий как с распределенным положительным зарядом, так и с легкими электронами.

Поскольку $\alpha$-частица значительно массивнее электрона ($m_{\alpha} \approx 7300 m_e$), столкновения с электронами не могли бы существенно изменить ее траекторию. Взаимодействие с «размазанным» положительным зарядом также приводило бы лишь к незначительным отклонениям. Расчеты, основанные на модели Томсона, показывали, что максимальный угол отклонения даже после прохождения через всю фольгу должен был составлять доли градуса.

Таким образом, на опыте наблюдалась бы следующая картина: абсолютно все $\alpha$-частицы проходили бы сквозь фольгу, отклоняясь от первоначального направления на очень малые углы. Не было бы зарегистрировано ни одной частицы, рассеянной на большой угол. Весь пучок $\alpha$-частиц после прохождения фольги лишь немного бы «расплылся», но сохранил бы свое прямолинейное направление.

Ответ: Если бы модель Томсона была верна, все $\alpha$-частицы проходили бы сквозь фольгу, отклоняясь на очень малые углы (не более нескольких градусов). Не наблюдалось бы рассеяния частиц на большие углы и, тем более, назад.