Страница 277 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

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

Открытие, сделанное французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году, заключалось в обнаружении явления естественной радиоактивности. Он установил, что соли урана самопроизвольно, без каких-либо внешних воздействий, испускают невидимое излучение, способное проникать через непрозрачные предметы и засвечивать фотопластинку.

Изначально Беккерель исследовал связь между фосфоресценцией (свечением некоторых веществ после облучения светом) и недавно открытыми рентгеновскими лучами. Он предполагал, что соли урана, которые фосфоресцируют на солнце, могут испускать и рентгеновские лучи. Для проверки гипотезы он брал кристалл урановой соли, клал его на фотопластинку, завернутую в плотную черную бумагу, и выставлял на солнечный свет. После проявки пластинка действительно оказывалась засвеченной.

Ключевой момент открытия произошел случайно. В один из пасмурных дней Беккерель не смог провести эксперимент на солнце и убрал подготовленную фотопластинку с кристаллом соли в темный ящик стола. Спустя несколько дней, 1 марта 1896 года, он все же решил проявить эту пластинку и, к своему удивлению, обнаружил на ней очень четкое изображение кристалла.

Это означало, что испускание проникающего излучения не связано ни с солнечным светом, ни с фосфоресценцией, а является внутренним свойством самого урана. Таким образом, было открыто совершенно новое физическое явление — спонтанное излучение атомными ядрами. Позже по предложению Марии Кюри это явление назвали радиоактивностью.

Ответ: Открытие Беккереля в 1896 году заключалось в обнаружении явления естественной радиоактивности — способности урана и его солей самопроизвольно испускать невидимое проникающее излучение без какого-либо внешнего влияния.

2. Расскажите, как проводился опыт, схема которого изображена на рисунке 201. Что выяснилось в результате этого опыта?

Поскольку изображение опыта (рисунок 201) не предоставлено, будем исходить из предположения, что на нём изображена схема классического опыта по исследованию состава радиоактивного излучения в магнитном поле, который был поставлен Э. Резерфордом.

Как проводился опыт:

Радиоактивный препарат (например, соль радия) помещали на дно узкого канала в куске свинца. Свинец поглощает излучение, поэтому из канала выходил узконаправленный пучок излучения. Этот пучок попадал в пространство между полюсами сильного электромагнита, где создавалось однородное магнитное поле, перпендикулярное пучку. На выходе из магнита располагалась фотопластинка, которая регистрировала частицы, попадающие на неё. Вся установка находилась в вакууме, чтобы исключить взаимодействие излучения с молекулами воздуха.

Что выяснилось в результате этого опыта:

После проявления фотопластинки было обнаружено три пятна вместо одного. Это означало, что исходный пучок излучения разделился в магнитном поле на три составляющие.

1. Одна составляющая отклонялась магнитным полем. По правилу левой руки было определено, что эти частицы заряжены положительно. Их назвали альфа-частицами ($\alpha$-частицы).

2. Вторая составляющая отклонялась в противоположную сторону и на гораздо больший угол. Это указывало на то, что частицы имеют отрицательный заряд и/или значительно меньшую массу (или больший заряд) по сравнению с альфа-частицами. Их назвали бета-частицами ($\beta$-частицы).

3. Третья составляющая не изменяла своего направления, то есть не отклонялась магнитным полем. Это означало, что она электрически нейтральна. Эту компоненту назвали гамма-излучением ($\gamma$-лучи).

Таким образом, опыт показал, что явление радиоактивности представляет собой не один, а несколько разных процессов, и что радиоактивное излучение имеет сложный состав.

Ответ: В ходе опыта пучок излучения от радиоактивного источника пропускался через сильное магнитное поле, в результате чего было обнаружено, что он разделяется на три компонента: положительно заряженные $\alpha$-частицы, отрицательно заряженные $\beta$-частицы и нейтральные $\gamma$-лучи. Это доказало сложный состав радиоактивного излучения.

3. Явление радиоактивности, то есть способность атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных частиц, свидетельствует о следующем:

1. Атомы и, в частности, их ядра имеют сложную структуру. До открытия радиоактивности атом считался неделимой частицей. Возможность испускания из него других частиц (таких как $\alpha$- и $\beta$-частицы) неопровержимо доказала, что атом делим и состоит из более мелких составляющих.

2. Возможно превращение одних химических элементов в другие. При радиоактивном распаде изменяется количество протонов в ядре, что означает изменение заряда ядра ($Z$) и, следовательно, превращение атома одного элемента в атом другого. Например, при $\alpha$-распаде ядро урана ($^{238}_{92}\text{U}$) превращается в ядро тория ($^{234}_{90}\text{Th}$): $ ^{238}_{92}\text{U} \rightarrow ^{234}_{90}\text{Th} + ^4_2\text{He} $.

3. Внутри атомных ядер заключены колоссальные запасы энергии. Частицы, испускаемые при радиоактивном распаде, обладают очень большой кинетической энергией. Эта энергия на много порядков превосходит энергию, выделяемую в ходе химических реакций. Это указывает на существование внутриядерных сил (сильного взаимодействия), которые удерживают частицы в ядре и являются источником этой огромной энергии.

Ответ: Явление радиоактивности свидетельствует о сложном строении атома и его ядра, о возможности превращения одних химических элементов в другие и о наличии огромных запасов энергии внутри атомных ядер.

3. О чём свидетельствовало явление радиоактивности?

О чём свидетельствовало явление радиоактивности?

Явление радиоактивности, открытое в конце XIX века, стало одним из первых и наиболее убедительных доказательств того, что атомы не являются неделимыми частицами, а имеют сложную внутреннюю структуру. Основные выводы, которые последовали из этого открытия:

• Сложность строения атома: Радиоактивность показала, что атомы могут самопроизвольно распадаться, испуская различные частицы (альфа-частицы, бета-частицы) и излучение (гамма-кванты). Это означало, что атом состоит из более мелких компонентов.

• Делимость атома и превращение элементов: В процессе радиоактивного распада ядро одного химического элемента превращается в ядро другого. Например, при альфа-распаде урана ($^{238}_{92}\text{U}$) образуется торий ($^{234}_{90}\text{Th}$). Это опровергло представление о неизменности атомов.

• Существование атомного ядра: Исследование природы радиоактивного излучения и опыты по рассеянию альфа-частиц привели Эрнеста Резерфорда к выводу о существовании в центре атома массивного положительно заряженного тела — атомного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома.

Таким образом, явление радиоактивности свидетельствовало о сложном строении и делимости атома, что послужило толчком к развитию ядерной физики и созданию современных моделей атома.

Ответ: Явление радиоактивности свидетельствовало о том, что атом имеет сложное внутреннее строение и является делимой частицей, способной к самопроизвольным превращениям.

4. Что представлял собой ... (предположительно, атом согласно планетарной модели Резерфорда)?

Исходя из результатов опытов по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге, которые были бы невозможны без использования радиоактивных источников, Эрнест Резерфорд в 1911 году предложил планетарную (или ядерную) модель строения атома. Согласно этой модели:

• В центре атома находится очень маленькое по сравнению с размерами самого атома, но массивное положительно заряженное ядро.

• В ядре сосредоточена практически вся масса атома (более $99,9\%$).

• Вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны.

• Атом в целом электронейтрален, так как суммарный отрицательный заряд всех электронов равен положительному заряду ядра.

• Большая часть объёма атома представляет собой пустое пространство, так как размеры ядра и электронов ничтожно малы по сравнению с размерами их орбит.

Эта модель стала основой для дальнейшего развития представлений о строении атома, хотя и имела свои недостатки (например, не объясняла устойчивость атома с точки зрения классической электродинамики), которые были разрешены позже в рамках квантовой механики.

Ответ: Планетарная модель Резерфорда представляла атом как систему, состоящую из крошечного, массивного, положительно заряженного ядра в центре и вращающихся вокруг него по орбитам отрицательно заряженных электронов.

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

О чем свидетельствовало явление радиоактивности?

Явление радиоактивности, открытое Анри Беккерелем в 1896 году и детально изученное Марией и Пьером Кюри, стало фундаментальным открытием, которое свидетельствовало о сложной внутренней структуре атомов. До этого момента в науке господствовала теория о том, что атомы являются неделимыми и неизменными основными «кирпичиками» материи.

Открытие радиоактивности показало, что:

• Атомы являются делимыми. Сам факт того, что некоторые атомы могут самопроизвольно испускать частицы (альфа- и бета-частицы) и излучение (гамма-лучи), доказывал, что они состоят из более мелких компонентов.
• Атомы имеют сложную структуру. Радиоактивный распад — это процесс, происходящий внутри атома, а значит, атом обладает внутренним устройством. Это открытие стало толчком к созданию моделей атома, которые бы описывали это устройство.
• Химические элементы могут превращаться друг в друга. В процессе радиоактивного распада изменяется состав атомного ядра (количество протонов и нейтронов), что приводит к превращению атома одного химического элемента в атом другого. Это разрушило алхимическую мечту и одновременно подтвердило ее возможность на субатомном уровне.

Таким образом, радиоактивность стала прямым экспериментальным доказательством того, что атом — это сложная и изменяемая система, а не простая неделимая частица.

Ответ: Явление радиоактивности свидетельствовало о том, что атом имеет сложную структуру, является делимым и что атомы одних химических элементов могут самопроизвольно превращаться в атомы других элементов.

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

После открытия электрона в 1897 году физик Джозеф Джон Томсон в 1904 году предложил одну из первых моделей строения атома, чтобы объяснить его свойства, в частности, его электрическую нейтральность. Эта модель известна как «модель пудинга с изюмом» (англ. plum pudding model).

Основные положения модели Томсона:

• Атом представляет собой сплошной шар (сферу), равномерно заполненный положительным зарядом. Этот положительный заряд распределен по всему объему атома.
• Внутри этой положительно заряженной сферы находятся отрицательно заряженные частицы — электроны. Они вкраплены в положительный заряд подобно изюминкам в пудинге.
• Атом в целом электронейтрален. Это достигается за счет того, что суммарный отрицательный заряд всех электронов в точности компенсирует общий положительный заряд сферы.
• Электроны не статичны, они могут совершать колебательные движения около своих положений равновесия. Томсон предполагал, что именно эти колебания являются причиной испускания света атомами при нагревании или другом возбуждении.

Модель Томсона была важным шагом вперед, так как она впервые представила атом как сложную систему, имеющую внутреннюю структуру. Однако эта модель не смогла объяснить результаты знаменитых опытов Эрнеста Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге и была заменена его планетарной моделью атома.

Ответ: Согласно модели Томсона, атом — это сфера, по всему объему которой равномерно распределен положительный заряд, а внутри этой сферы находятся отрицательно заряженные электроны, число которых таково, что атом в целом электрически нейтрален.

5. Используя рисунок 202, расскажите, как проводился опыт по рассеянию α-частиц.

Решение

Опыт по рассеянию $\alpha$-частиц, проведенный Эрнестом Резерфордом, Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом в 1909–1911 годах, был ключевым экспериментом, который привел к открытию атомного ядра и созданию планетарной модели атома. Схема установки для этого опыта и его ход были следующими:

1. Устройство экспериментальной установки:

• Источник $\alpha$-частиц: В качестве источника использовался радиоактивный элемент (например, радий), помещенный в толстостенный свинцовый контейнер. В контейнере было проделано узкое отверстие (коллиматор), которое позволяло получить узконаправленный пучок положительно заряженных $\alpha$-частиц (ядер атома гелия).
• Мишень: На пути пучка $\alpha$-частиц размещалась очень тонкая фольга из золота. Золото было выбрано из-за его пластичности, что позволяло изготовить фольгу толщиной всего в несколько сотен атомных слоев. Тонкость фольги была важна, чтобы минимизировать вероятность многократного рассеяния одной и той же частицы.
• Детектор: Для регистрации рассеянных частиц использовался подвижный экран, покрытый слоем сульфида цинка ($ZnS$). При попадании $\alpha$-частицы на такой экран в точке попадания происходила крошечная световая вспышка (сцинтилляция). Эти вспышки наблюдали и подсчитывали в затемненной комнате с помощью микроскопа.
• Вакуумная камера: Вся установка — источник, фольга и экран — помещалась в герметичную камеру, из которой откачивался воздух. Это было необходимо для того, чтобы $\alpha$-частицы не рассеивались на молекулах воздуха на своем пути.

2. Проведение опыта:

Пучок $\alpha$-частиц, вылетающих из источника, направлялся на золотую фольгу. Проходя через фольгу, частицы взаимодействовали с атомами золота и отклонялись от своего первоначального направления на различные углы (рассеивались).

С помощью подвижного микроскопа с экраном исследователи систематически измеряли количество частиц, рассеянных на разные углы. Экран вместе с микроскопом можно было перемещать по дуге окружности вокруг фольги, что позволяло регистрировать частицы, отклонившиеся как на малые, так и на очень большие углы.

3. Наблюдаемые результаты и их значение:

• Подавляющее большинство $\alpha$-частиц проходило через фольгу, практически не отклоняясь или отклоняясь на очень малые углы (менее 1°).
• Небольшая часть частиц рассеивалась на значительные углы.
• Крайне малое, но обнаружимое количество частиц (примерно 1 из 8000) рассеивалось на углы, превышающие 90°, то есть фактически отбрасывалось назад.

Эти результаты кардинально противоречили модели атома Томсона («пудинг с изюмом»), согласно которой положительный заряд и масса были равномерно распределены по всему объему атома. На основании полученных данных Резерфорд сделал вывод, что почти вся масса атома и весь его положительный заряд сконцентрированы в очень малом объеме в его центре — ядре. Большинство $\alpha$-частиц пролетало сквозь «пустое» пространство атома, а те немногие, что пролетали вблизи массивного положительно заряженного ядра, испытывали сильное электрическое отталкивание и рассеивались на большие углы.

Ответ:

В опыте по рассеянию $\alpha$-частиц узкий пучок этих частиц от радиоактивного источника, помещенного в свинцовый контейнер, направлялся на тончайшую золотую фольгу. Вся установка находилась в вакуумной камере. Рассеянные частицы регистрировались по вспышкам (сцинтилляциям) на подвижном экране, покрытом сульфидом цинка. Подсчитывая количество вспышек при разных углах рассеяния, было установлено, что подавляющее большинство частиц проходит сквозь фольгу без заметного отклонения, но незначительная часть рассеивается на большие углы, вплоть до 180°. Этот результат привел к созданию ядерной (планетарной) модели атома.

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

В начале XX века Эрнест Резерфорд со своими сотрудниками Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом провел знаменитый эксперимент по рассеянию альфа-частиц (положительно заряженных ядер атомов гелия) на тонкой золотой фольге. В то время доминировала модель атома Дж. Дж. Томсона, известная как «пудинг с изюмом», согласно которой атом представлял собой шар с равномерно распределенным по всему объему положительным зарядом, в который вкраплены отрицательные электроны. При такой структуре атома ожидалось, что быстрые и тяжелые альфа-частицы будут проходить через фольгу, отклоняясь на очень незначительные углы из-за слабого и распределенного электрического поля.

Результаты эксперимента оказались неожиданными. Хотя подавляющее большинство альфа-частиц действительно проходило сквозь фольгу практически без отклонения, небольшая их часть (примерно 1 из 8000) рассеивалась на большие углы (более 90°), а некоторые частицы даже отлетали назад, в сторону источника.

Резерфорд так описал свое удивление: «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, и он вернулся бы назад и попал в вас».

Такое сильное отклонение положительно заряженных альфа-частиц можно было объяснить только их столкновением с чем-то очень массивным и обладающим мощным концентрированным положительным зарядом. Кулоновское отталкивание было бы слишком слабым, чтобы вызвать такой эффект, если бы масса и заряд были «размазаны» по всему атому.

На основании этих наблюдений Резерфорд сделал революционный вывод: в центре атома должно находиться очень маленькое, но массивное положительно заряженное ядро, в котором сконцентрирована почти вся масса и весь положительный заряд атома. Остальная часть атома — это в основном пустое пространство, в котором движутся электроны.

Ответ: На основании того, что некоторые α-частицы рассеивались на большие углы, Резерфорд сделал вывод, что почти вся масса и весь положительный заряд атома сконцентрированы в очень малом объеме в его центре, который он назвал атомным ядром.

7. Согласно ядерной (или планетарной) модели атома, предложенной Резерфордом в 1911 году, атом устроен подобно Солнечной системе. Основные положения этой модели следующие:

1. В центре атома расположено положительно заряженное ядро.
2. В ядре сосредоточена практически вся масса атома (более 99.9%).
3. Размер ядра чрезвычайно мал по сравнению с полным размером атома. Диаметр атома примерно в $10^4 - 10^5$ раз больше диаметра ядра.
4. Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны, подобно тому как планеты вращаются вокруг Солнца.
5. Атом в целом электрически нейтрален: суммарный отрицательный заряд всех электронов по модулю равен положительному заряду ядра.
6. Большая часть объема атома представляет собой пустое пространство.

Движение электронов по орбитам обеспечивается силами кулоновского притяжения между ними и положительно заряженным ядром. Эта модель успешно объяснила результаты опытов по рассеянию альфа-частиц и стала основой для дальнейшего развития представлений о строении атома.

Ответ: Согласно ядерной модели, атом состоит из положительно заряженного, массивного и очень маленького ядра, расположенного в центре, и вращающихся вокруг него по орбитам отрицательно заряженных электронов. Атом в целом электрически нейтрален, и большая часть его объема — это пустое пространство.

7. Что представляет собой атом согласно ядерной модели?

Ядерная модель атома, также известная как планетарная модель, была предложена британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1911 году. Эта модель была создана на основе результатов его знаменитого опыта по рассеянию альфа-частиц при их прохождении через тонкую золотую фольгу.

Согласно ядерной модели, строение атома можно описать следующими ключевыми положениями:

1. Центральное ядро. В центре атома находится очень маленькое, но массивное положительно заряженное ядро. Его размеры составляют примерно $10^{-15} - 10^{-14}$ м, что в 10 000 – 100 000 раз меньше размеров самого атома (порядка $10^{-10}$ м).
2. Концентрация массы и заряда. В ядре сосредоточена практически вся масса атома (более 99,9%) и весь его положительный заряд. Ядро состоит из положительно заряженных частиц — протонов, и нейтральных частиц — нейтронов.
3. Электронная оболочка. Вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, по замкнутым орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Пространство, в котором движутся электроны, составляет основную часть объема атома.
4. Электронейтральность. Атом в целом электрически нейтрален. Это означает, что суммарный отрицательный заряд всех его электронов равен по абсолютной величине положительному заряду ядра. Следовательно, число электронов в атоме равно числу протонов в его ядре.
5. Пустота. Поскольку ядро и электроны занимают ничтожно малый объем по сравнению с общим объемом атома, можно сказать, что атом по большей части состоит из пустого пространства.

Таким образом, ядерная модель представляет атом как миниатюрную планетарную систему, где роль Солнца выполняет массивное ядро, а роль планет — легкие электроны.

Ответ: согласно ядерной модели, атом состоит из находящегося в центре положительно заряженного ядра, в котором сконцентрирована почти вся его масса, и движущихся вокруг ядра по орбитам отрицательно заряженных электронов. Атом в целом электрически нейтрален, а большая часть его объема представляет собой пустое пространство.

1. Как вы думаете, почему модель атома Томсона иногда называют «пудинг с изюмом»?

Модель атома, предложенная английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1904 году, получила неофициальное название «пудинг с изюмом» (plum pudding model) из-за её наглядного сходства с этим традиционным английским десертом.

Согласно этой модели, атом представляет собой сферу, состоящую из положительно заряженного вещества, подобно тесту пудинга. Внутри этой сферы распределены отрицательно заряженные электроны, подобно изюминкам, вкрапленным в пудинг. Общий положительный заряд «пудинга» равен по модулю суммарному отрицательному заряду «изюминок»-электронов, поэтому атом в целом является электрически нейтральным.

Таким образом, аналогия заключается в следующем:

• «Пудинг» — это сплошная сфера положительного заряда, в которой заключена основная масса атома.

• «Изюм» — это маленькие, точечные отрицательно заряженные электроны, которые «плавают» внутри этой положительно заряженной сферы.

Эта модель была первой, в которой учитывалось наличие электронов в составе атома, и она оставалась общепринятой до тех пор, пока эксперименты Эрнеста Резерфорда по рассеянию альфа-частиц не доказали, что положительный заряд атома сконцентрирован в очень маленьком и плотном ядре, что привело к созданию планетарной модели атома.

Ответ: Модель атома Томсона называют «пудинг с изюмом», потому что она представляет атом как положительно заряженную сферу («пудинг»), в которую, подобно изюму, вкраплены отрицательно заряженные электроны.

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

Почему результаты опытов по рассеянию α-частиц находятся в противоречии с моделью Томсона?

Модель атома, предложенная Дж. Дж. Томсоном, представляла атом в виде положительно заряженной сферы, внутри которой, подобно изюму в пудинге, находились отрицательно заряженные электроны. В этой модели положительный заряд и основная масса атома были равномерно "размазаны" по всему его объему.

В опытах Резерфорда пучок быстрых положительно заряженных $\alpha$-частиц направлялся на тонкую золотую фольгу. Экспериментальные наблюдения показали, что:

• подавляющее большинство $\alpha$-частиц пролетало сквозь фольгу практически без отклонения;
• некоторые частицы отклонялись на небольшие углы;
• очень редкие частицы (примерно одна на 8000) отклонялись на большие углы, превышающие $90^\circ$, а некоторые даже отскакивали назад.

Последнее наблюдение оказалось в резком противоречии с моделью Томсона. Если бы положительный заряд был распределен по всему атому, то создаваемое им электрическое поле было бы слишком слабым, чтобы отклонить быструю и массивную $\alpha$-частицу на большой угол. Рассеяние назад было бы совершенно невозможным, так как для этого $\alpha$-частица должна была бы столкнуться с объектом, обладающим огромной концентрацией массы и положительного заряда. Именно этот результат заставил Резерфорда предположить, что почти вся масса и весь положительный заряд атома сосредоточены в очень малом объеме в его центре — ядре.

Ответ: Результаты опытов по рассеянию $\alpha$-частиц противоречат модели Томсона, поскольку наблюдалось рассеяние отдельных частиц на очень большие углы ($>90^\circ$). Это явление невозможно объяснить в рамках модели, где положительный заряд и масса равномерно распределены по всему объему атома и не могут создать достаточно сильного поля для такого значительного отклонения.

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

Если бы модель Томсона была верна, то пролетающие через фольгу $\alpha$-частицы взаимодействовали бы с множеством атомов, представляющих собой "рыхлые" сферы с равномерно распределенным положительным зарядом. Каждое отдельное взаимодействие было бы очень слабым и приводило бы к ничтожно малому отклонению. Суммарный эффект от прохождения через множество слоев таких атомов привел бы к небольшому размытию пучка.

Таким образом, на опыте наблюдалась бы следующая картина: абсолютно все $\alpha$-частицы пролетали бы сквозь фольгу. Их траектории отклонялись бы от первоначального направления, но только на очень малые углы (не более одного-двух градусов). Рассеяние на большие углы, и тем более отражение частиц в обратном направлении, было бы полностью исключено. Весь пучок частиц после прохождения фольги регистрировался бы в виде небольшого пятна на экране.

Ответ: Если бы модель Томсона была верна, на опыте наблюдалось бы прохождение всех $\alpha$-частиц сквозь фольгу с отклонением только на очень малые углы; рассеяние на большие углы отсутствовало бы.