Ответьте на вопросы, страница 212 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему весь положительный заряд атома Резерфорд расположил в его центре?

2. Почему в опыте по рассеянию $\alpha$-частиц Резерфорд использовал золотую фольгу?

3. Почему большая часть $\alpha$-частиц в опыте Резерфорда не изменила направление движения?

1. Почему весь положительный заряд атома Резерфорд расположил в его центре?

Эрнест Резерфорд пришел к выводу о расположении положительного заряда в центре атома на основе результатов своего знаменитого опыта по рассеянию альфа-частиц (α-частиц). В ходе эксперимента наблюдалось, что подавляющее большинство α-частиц, которые являются положительно заряженными ядрами атомов гелия, проходило через тонкую золотую фольгу практически без отклонения. Однако очень небольшая часть частиц (примерно 1 из 8000) отклонялась на большие углы, а некоторые даже отбрасывались назад, в сторону источника.

Такое поведение α-частиц можно было объяснить только наличием очень сильной отталкивающей силы. Согласно закону Кулона, сила электростатического взаимодействия $F = k \frac{q_1 q_2}{r^2}$ обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами. Если бы положительный заряд был равномерно распределен по всему объему атома, как предполагала модель Томсона ("пудинг с изюмом"), то создаваемое им электрическое поле было бы слишком слабым, чтобы вызвать столь сильное отклонение.

Резкое отклонение на большие углы указывало на то, что α-частица сталкивалась с чем-то очень массивным и обладающим большим положительным зарядом, сконцентрированным в чрезвычайно малом объеме. Чтобы отбросить α-частицу назад, этот центр должен быть намного массивнее самой частицы, иначе он бы сам пришел в движение. Основываясь на этих наблюдениях, Резерфорд предложил планетарную модель атома, в которой почти вся масса и весь положительный заряд сосредоточены в крошечном ядре в центре атома, а электроны вращаются вокруг него на значительном расстоянии. Именно такая концентрация заряда и массы в ядре создаёт достаточно мощное электрическое поле для рассеяния α-частиц на большие углы.

Ответ: Резерфорд расположил весь положительный заряд в центре атома (в ядре), потому что только такая модель могла объяснить наблюдаемое в его эксперименте рассеяние некоторых α-частиц на очень большие углы, что требовало наличия чрезвычайно сильного электрического поля, создаваемого малым по размеру, но массивным и сильно заряженным объектом.

2. Почему в опыте по рассеянию α-частиц Резерфорд использовал золотую фольгу?

Выбор золотой фольги в качестве мишени был обусловлен несколькими ключевыми свойствами золота, которые делали его идеальным материалом для данного эксперимента:

1. Пластичность и ковкость. Золото — чрезвычайно пластичный металл. Из него можно изготовить очень тонкую фольгу (сусальное золото) толщиной всего в несколько сотен атомных слоев (около 400 нм). Тонкость мишени была критически важна для чистоты эксперимента, так как она минимизировала вероятность того, что α-частица будет взаимодействовать с несколькими ядрами на своем пути. Это позволило рассматривать рассеяние как результат единичного столкновения, что значительно упростило интерпретацию результатов.

2. Большая масса и заряд ядра. Атом золота (Au) имеет большой порядковый номер (Z=79) и, соответственно, большой заряд ядра ($+79e$), а также большую атомную массу.
Большая масса ядра означала, что при столкновении с гораздо более легкой α-частицей ядро золота оставалось практически неподвижным. Это упрощало теоретические расчеты, так как ядро можно было считать статичным рассеивающим центром.
Большой положительный заряд ядра создавал сильное электрическое поле вокруг себя. Это приводило к более заметным и легко измеримым отклонениям α-частиц, делая эффект рассеяния более выраженным.

3. Химическая инертность. Золото — благородный металл, он не окисляется и не вступает в реакции с компонентами воздуха. Это гарантировало, что поверхность фольги была чистой и состояла именно из атомов золота, а не из его оксидов или других соединений, которые могли бы исказить результаты эксперимента.

Ответ: Резерфорд использовал золотую фольгу из-за её уникальных свойств: высокой пластичности, позволяющей создать очень тонкую мишень; большой массы и заряда ядер золота, что обеспечивало сильное рассеяние и неподвижность ядер; а также химической инертности, гарантирующей чистоту эксперимента.

3. Почему большая часть α-частиц в опыте Резерфорда не изменила направление движения?

Тот факт, что подавляющее большинство α-частиц проходило через фольгу без какого-либо заметного отклонения, стал одним из ключевых доказательств в пользу планетарной модели атома, предложенной Резерфордом. Согласно этой модели, атом устроен следующим образом:

- В центре находится очень маленькое, но массивное и положительно заряженное ядро. - Вокруг ядра на значительном расстоянии вращаются легкие отрицательно заряженные электроны.

Размеры ядра чрезвычайно малы по сравнению с общим размером атома. Радиус атома составляет порядка $10^{-10}$ м, в то время как радиус ядра — всего лишь $10^{-15}$ – $10^{-14}$ м. Это означает, что ядро занимает ничтожно малую часть объема атома. Таким образом, атом по своей структуре является в основном "пустым" пространством.

Когда пучок α-частиц направляется на фольгу, большинство из них пролетает через это "пустое" пространство, не приближаясь к ядрам на достаточно близкое расстояние, чтобы испытать значительную силу отталкивания. Электростатическая сила отталкивания, действующая со стороны ядра, быстро убывает с расстоянием. Поэтому частицы, пролетающие далеко от ядер, практически не отклоняются от своей прямолинейной траектории. Влиянием электронов на траекторию α-частиц можно пренебречь из-за их очень малой массы.

Лишь те немногие α-частицы, которые случайно оказываются на траектории, проходящей очень близко к ядру, испытывают сильное кулоновское отталкивание и отклоняются на большие углы.

Ответ: Большая часть α-частиц не изменяла направление движения, потому что атом по большей части состоит из пустого пространства. Положительно заряженное ядро, способное отклонить α-частицы, занимает ничтожно малый объем в центре атома, и большинство частиц пролетало на значительном удалении от ядер, не испытывая существенного влияния их электрического поля.