Страница 250 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. В чём заключалось открытие, сделанное Беккерелем в 1896 г.?

1. Открытие, сделанное французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году, заключалось в обнаружении явления естественной радиоактивности. Это открытие было сделано случайно в ходе изучения фосфоресценции солей урана.

Беккерель исследовал связь между фосфоресценцией (свечением некоторых веществ после облучения светом) и недавно открытыми рентгеновскими лучами. Он выдвинул гипотезу, что любое фосфоресцирующее вещество испускает рентгеновские лучи. Для проверки он использовал соли урана, которые обладают свойством фосфоресценции.

Схема его эксперимента была такова: он брал фотопластинку, тщательно заворачивал её в плотную чёрную бумагу (чтобы на неё не попал видимый свет), сверху клал кристалл урановой соли и выставлял всё это на яркий солнечный свет. После этого он проявлял пластинку и видел на ней тёмное пятно — отпечаток кристалла. Это, казалось бы, подтверждало его гипотезу: под действием солнечного света соль начинала испускать невидимые лучи, которые проходили сквозь бумагу и засвечивали фотопластинку.

Ключевой момент открытия произошёл благодаря случайности. В один из дней февраля 1896 года погода в Париже была пасмурной, и Беккерель не смог провести очередной эксперимент. Он убрал подготовленную фотопластинку с лежащей на ней солью урана в ящик стола, где она пролежала в полной темноте несколько дней. 1 марта он решил проявить эту пластинку, ожидая увидеть очень слабое изображение или не увидеть его вовсе. К его величайшему удивлению, на пластинке проявилось очень чёткое и интенсивное изображение кристалла соли.

Этот результат показал, что испускание проникающего излучения солью урана не имеет никакого отношения к фосфоресценции и не требует предварительного облучения солнечным светом. Вещество испускало лучи самопроизвольно, непрерывно и без какого-либо внешнего источника энергии. Беккерель понял, что открыл совершенно новое свойство вещества. Позже это явление, по предложению Марии Склодовской-Кюри, было названо радиоактивностью.

Ответ: Открытие Анри Беккереля в 1896 году заключалось в обнаружении явления самопроизвольного (спонтанного) испускания солями урана невидимого проникающего излучения, которое не зависело от внешних факторов (таких как облучение светом) и являлось внутренним свойством самого вещества. Это явление было названо естественной радиоактивностью.

2. Расскажите, как проводился опыт, схема которого изображена на рисунке 180. Что выяснилось в результате этого опыта?

Расскажите, как проводился опыт, схема которого изображена на рисунке 180.

Предполагается, что на рисунке изображен опыт Эрстеда. Этот опыт демонстрирует связь между электрическими и магнитными явлениями. Для его проведения собиралась установка, включающая в себя: прямой проводник, источник постоянного тока (например, аккумулятор), ключ для замыкания и размыкания цепи, а также магнитную стрелку на подставке, способную свободно вращаться.

Ход опыта был следующим. Во-первых, проводник располагали над магнитной стрелкой (или под ней) параллельно ее направлению в состоянии покоя, то есть вдоль линии север-юг. Изначально ключ был разомкнут, ток в цепи отсутствовал, и стрелка указывала на север. Во-вторых, ключ замыкали, в результате чего по проводнику начинал протекать электрический ток. В этот момент наблюдалось, что магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения и стремится расположиться перпендикулярно проводнику. В-третьих, для дополнительной проверки меняли направление тока в проводнике (например, поменяв местами клеммы у источника тока). Это приводило к отклонению стрелки в противоположную сторону. Наконец, при размыкании ключа ток в цепи прекращался, и магнитная стрелка под действием магнитного поля Земли возвращалась в свое исходное положение.

Ответ: В опыте, известном как опыт Эрстеда, над магнитной стрелкой (или под ней) располагали проводник. При пропускании по нему электрического тока стрелка отклонялась от своего первоначального положения. При изменении направления тока стрелка отклонялась в другую сторону, а при прекращении тока возвращалась в исходное положение.

Что выяснилось в результате этого опыта?

В результате опыта было сделано фундаментальное открытие: вокруг любого проводника, по которому течет электрический ток, существует магнитное поле. Именно это магнитное поле, созданное током, действует с силой на магнитную стрелку и заставляет ее поворачиваться. Таким образом, была установлена прямая причинно-следственная связь: электрический ток является источником (причиной) возникновения магнитного поля в окружающем пространстве. Кроме того, было выяснено, что направление силовых линий магнитного поля (и, следовательно, направление, в котором поворачивается северный полюс стрелки) зависит от направления тока в проводнике. Эта зависимость описывается правилом правой руки (или правилом буравчика).

Ответ: В результате опыта было выяснено, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, которое оказывает силовое действие на магнитную стрелку. Было установлено, что направление этого магнитного поля зависит от направления тока.

О чём свидетельствует этот опыт?

Опыт Эрстеда свидетельствует о наличии глубокой, фундаментальной связи между электричеством и магнетизмом. До этого эксперимента эти два вида явлений рассматривались в физике как независимые друг от друга. Опыт впервые наглядно и неопровержимо доказал, что движущиеся электрические заряды (то есть электрический ток) порождают магнитное поле. Это открытие стало отправной точкой для развития новой объединенной теории — теории электромагнетизма, которая была позже развита в работах Ампера, Фарадея и Максвелла. На практике это открытие легло в основу создания электродвигателей, генераторов, электромагнитов и множества других устройств, без которых невозможно представить современную технику и цивилизацию.

Ответ: Этот опыт свидетельствует о существовании неразрывной связи между электрическими и магнитными явлениями и доказывает, что источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (электрический ток).

3. О чём свидетельствовало явление радиоактивности?

Что выяснилось в результате этого опыта?

Этот вопрос относится к опыту по изучению состава радиоактивного излучения в магнитном поле, который, как правило, иллюстрируется подобными рисунками в учебниках физики. В результате этого опыта было установлено, что радиоактивное излучение, испускаемое радием, неоднородно и под действием сильного магнитного поля разделяется на три пучка (компоненты).

• Альфа-излучение ($\alpha$-излучение): одна из компонент представляет собой поток положительно заряженных частиц, которые отклоняются магнитным полем. Эти частицы получили название альфа-частиц. Позже было выяснено, что они являются ядрами атомов гелия ($^{4}_{2}\text{He}$). Они имеют низкую проникающую способность, но вызывают сильную ионизацию вещества.
• Бета-излучение ($\beta$-излучение): вторая компонента — это поток отрицательно заряженных частиц, которые отклоняются магнитным полем в сторону, противоположную альфа-частицам, и на значительно больший угол. Это указывает на то, что их масса гораздо меньше. Эти частицы, названные бета-частицами, являются быстрыми электронами ($e^{-}$). Их проникающая способность выше, чем у альфа-частиц.
• Гамма-излучение ($\gamma$-излучение): третья компонента не отклоняется в магнитном поле, что свидетельствует о её электрической нейтральности. Гамма-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение (поток фотонов) с очень высокой энергией и, как следствие, наибольшей проникающей способностью.

Ответ: В результате этого опыта было выяснено, что радиоактивное излучение имеет сложный состав и состоит из трёх видов излучений: положительно заряженных альфа-частиц, отрицательно заряженных бета-частиц и электрически нейтральных гамма-лучей.

3. О чём свидетельствовало явление радиоактивности?

Открытие и изучение явления радиоактивности в конце XIX – начале XX века привело к коренному пересмотру представлений о строении материи и свидетельствовало о следующем:

• О сложном строении атома. До открытия радиоактивности атом считался неделимой и простейшей частицей вещества. Сам факт испускания атомами различных частиц (альфа- и бета-частиц) неопровержимо доказывал, что атомы имеют сложную внутреннюю структуру.
• О превращении химических элементов. В процессе радиоактивного распада ядро исходного элемента изменяет свой заряд, что приводит к его превращению в ядро нового химического элемента. Таким образом, радиоактивность стала доказательством возможности трансмутации элементов, которую веками искали алхимики.
• Об огромных запасах энергии внутри атомов. Энергия, выделяющаяся при радиоактивном распаде, оказалась в миллионы раз больше энергии, выделяющейся в самых бурных химических реакциях (в расчёте на один атом). Это указывало на существование нового, неизвестного ранее мощного источника энергии — внутриядерной энергии.

Ответ: Явление радиоактивности свидетельствовало о том, что атом имеет сложное строение и является делимым, что химические элементы могут самопроизвольно превращаться друг в друга, и что внутри атомных ядер заключены колоссальные запасы энергии.

4. Что представлял собой атом согласно модели, предложенной Томсоном?

4. Что представлял собой атом согласно модели, предложенной Томсоном?

Модель атома, предложенная английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1904 году, стала одной из первых научных попыток описать внутреннее строение атома. Она появилась после открытия Томсоном электрона в 1897 году, которое доказало, что атом не является неделимой частицей, а имеет сложную структуру. Эту модель часто называют "пудинговой моделью" или "моделью кекса с изюмом" (plum pudding model) из-за её наглядного представления.

Основные положения модели Томсона:

• Атом представляет собой сплошную сферу.
• Весь объем этой сферы равномерно заполнен положительно заряженной материей ("пудинг" или "тесто кекса"). Основная масса атома также связана с этой положительно заряженной субстанцией.
• Внутри этой сферы находятся точечные, отрицательно заряженные частицы — электроны ("изюм"). Они распределены по всему объему так, чтобы их взаимное отталкивание и притяжение к положительному заряду сферы уравновешивали друг друга.
• Атом в целом электрически нейтрален. Это означает, что суммарный отрицательный заряд всех электронов в точности равен по модулю и противоположен по знаку распределенному положительному заряду сферы.

Эта модель могла объяснить такие факты, как электрическая нейтральность атома и его способность к ионизации (потере или приобретению электронов). Однако она оказалась неверной и была опровергнута знаменитыми опытами Эрнеста Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге в 1909-1911 годах. Результаты этих опытов показали, что положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в очень маленьком объеме в его центре — атомном ядре, что привело к созданию планетарной модели атома.

Ответ: Согласно модели Томсона, атом представляет собой положительно заряженную сферу, по всему объему которой равномерно распределен положительный заряд, а внутри этой сферы находятся отрицательно заряженные электроны, подобно изюминкам в кексе. Атом в целом электронейтрален, так как суммарный отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд сферы.

5. Используя рисунок 181, расскажите, как проводился опыт по рассеянию $ \alpha $-частиц.

5. Опыт по рассеянию α-частиц, проведенный под руководством Эрнеста Резерфорда в 1909-1911 годах, был направлен на исследование строения атома. Хотя рисунок 181 не представлен, можно описать классическую схему этого фундаментального эксперимента.

Установка и ход эксперимента:

Экспериментальная установка состояла из нескольких ключевых элементов, размещенных в вакуумной камере для предотвращения рассеяния частиц на молекулах воздуха:

• Источник α-частиц: Радиоактивный препарат (например, радий), испускающий α-частицы, помещался в толстостенный свинцовый контейнер с узким каналом. α-частицы — это ядра атомов гелия, имеющие положительный заряд $+2e$ ($He^{2+}$) и значительную массу. Контейнер позволял сформировать узконаправленный пучок таких частиц.
• Мишень: На пути пучка α-частиц располагалась мишень — очень тонкая фольга из золота. Золото было выбрано потому, что оно очень пластично и из него можно изготовить фольгу толщиной всего в несколько сотен атомных слоев (около $10^{-7}$ м).
• Детектор: Для регистрации α-частиц после их прохождения через фольгу использовался подвижный экран, покрытый слоем сульфида цинка ($ZnS$). При попадании на него α-частицы возникает слабая световая вспышка (сцинтилляция). Эти вспышки наблюдались и подсчитывались с помощью микроскопа.

В ходе опыта пучок α-частиц направлялся на золотую фольгу. Экран с микроскопом перемещали вокруг фольги, измеряя, какое количество частиц рассеивается на разные углы $ \phi $ по отношению к их первоначальному направлению.

Результаты и выводы:

Согласно модели атома Дж. Дж. Томсона, атом представлял собой «пудинг» с равномерно распределенным по всему объему положительным зарядом, в который «вкраплены» электроны. При прохождении через такое вещество массивные и быстрые α-частицы должны были отклоняться лишь на очень малые углы.

Однако результаты эксперимента оказались совершенно иными:

1. Подавляющее большинство α-частиц проходило через фольгу, не изменяя своего направления, что указывало на то, что атом в основном состоит из пустого пространства.
2. Небольшое количество частиц (примерно 1 из 2000) отклонялось на значительные углы.
3. Очень редкие частицы (примерно 1 из 8000) отклонялись на углы, близкие к $180^\circ$, то есть практически отбрасывались назад.

Такие результаты были несовместимы с моделью Томсона. Резерфорд пришел к выводу, что столь сильное отклонение возможно только в том случае, если почти вся масса и весь положительный заряд атома сосредоточены в очень малой области в его центре. Эту область он назвал атомным ядром. Электроны же, согласно его модели, вращаются вокруг этого ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Так родилась планетарная модель атома.

Ответ: Опыт по рассеянию α-частиц заключался в бомбардировке тонкой золотой фольги пучком α-частиц. С помощью подвижного экрана регистрировались траектории частиц после взаимодействия с фольгой. Было обнаружено, что, хотя большинство частиц проходит насквозь без существенного отклонения, некоторые рассеиваются на большие углы, а единичные отбрасываются назад. Это позволило сделать вывод о том, что атом имеет крошечное, массивное, положительно заряженное ядро, в котором сконцентрирована почти вся его масса.

6. Какой вывод был сделан Резерфордом на основании того, что некоторые $\alpha$-частицы при взаимодействии с фольгой рассеялись на большие углы?

6. Наблюдение, что некоторые альфа-частицы ($\alpha$-частицы), которые являются положительно заряженными ядрами атомов гелия, при прохождении через тонкую золотую фольгу рассеивались на большие углы (некоторые почти на 180°), было несовместимо с моделью атома Дж. Дж. Томсона («пудинг с изюмом»). Модель Томсона предполагала, что положительный заряд и масса атома равномерно распределены по всему его объему. Такое «рыхлое» распределение заряда могло бы вызывать лишь очень малые отклонения $\alpha$-частиц.

Резкое отклонение тяжелой и быстрой $\alpha$-частицы могло произойти только в результате ее столкновения с чем-то очень массивным и имеющим сильный положительный заряд, сконцентрированный в малом объеме. Сила кулоновского отталкивания между положительно заряженной $\alpha$-частицей и этим объектом должна быть огромной, чтобы вызвать такое рассеяние.

На основании этих экспериментальных данных Эрнест Резерфорд сделал следующий вывод: в центре атома существует очень маленькая, но массивная структура, в которой сосредоточен весь положительный заряд и практически вся масса атома. Эту центральную часть он назвал атомным ядром. Тот факт, что большинство частиц пролетало сквозь фольгу без отклонений, свидетельствовал о том, что атом по большей части состоит из пустого пространства.

Ответ: Резерфорд сделал вывод о том, что атом не является сплошным, а имеет центральное массивное положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть объема атома.

7. Согласно ядерной модели, также известной как планетарная модель Резерфорда, атом представляет собой систему, устроенную следующим образом:

• В центре атома расположено положительно заряженное ядро.
• Размеры ядра чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома (радиус ядра составляет порядка $10^{-15}$ м, а радиус атома — $10^{-10}$ м).
• В ядре сконцентрирована практически вся масса атома (более 99.9%).
• Вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, по определенным орбитам движутся отрицательно заряженные электроны.
• Атом в целом электрически нейтрален, так как суммарный отрицательный заряд электронов по абсолютной величине равен положительному заряду ядра.
• Основную часть объема атома составляет пустое пространство.

Эта модель кардинально изменила представления о строении вещества и стала фундаментом для современной ядерной физики.

Ответ: Согласно ядерной модели, атом состоит из находящегося в центре положительно заряженного массивного ядра и вращающихся вокруг него по орбитам отрицательно заряженных электронов.

7. Что представляет собой атом согласно ядерной модели?

Ядерная модель атома, также известная как планетарная модель, была предложена Эрнестом Резерфордом в 1911 году на основе его опытов по рассеянию альфа-частиц. Согласно этой модели, атом имеет следующее строение:

1. В центре атома расположено положительно заряженное ядро, размеры которого чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома. Диаметр атома составляет порядка $10^{-10}$ м, в то время как диаметр ядра — около $10^{-15} - 10^{-14}$ м.
2. В ядре сконцентрирована практически вся масса атома (более 99,9%) и весь его положительный заряд.
3. Вокруг ядра по замкнутым орбитам, подобно планетам вокруг Солнца, движутся отрицательно заряженные частицы — электроны.
4. Атом в целом электрически нейтрален, так как суммарный отрицательный заряд всех электронов по модулю равен положительному заряду ядра. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре.
5. Электроны удерживаются на своих орбитах за счет силы электростатического притяжения (кулоновской силы) со стороны положительно заряженного ядра.
6. Так как ядро и электроны занимают ничтожно малую часть общего объема атома, основная часть атома представляет собой пустое пространство.

Эта модель стала революционной для своего времени, так как она впервые ввела понятие атомного ядра и объяснила результаты экспериментов по рассеянию альфа-частиц. Однако она имела и свои недостатки, например, не могла объяснить устойчивость атома с точки зрения классической электродинамики (движущийся с ускорением электрон должен был бы излучать энергию и падать на ядро). Эти противоречия были позже разрешены в рамках квантовой механики и модели атома Бора.

Ответ: Согласно ядерной модели, атом состоит из очень маленького, плотного, положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса, и вращающихся вокруг него по орбитам отрицательно заряженных электронов. Атом в целом электронейтрален, а большая его часть является пустым пространством.

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.