Глава 4. § 56. Радиоактивность. Модели атомов — с. 277
§ 56. Вопрос 1. В чём заключалось открытие, сделанное Беккерелем в 1896 г.?
Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно, без какого-либо внешнего воздействия (без света, нагревания и т. п.), испускают невидимое излучение. Оно проходит сквозь плотную чёрную бумагу и засвечивает фотопластинку. Так было открыто явление радиоактивности.
§ 56. Вопрос 2. Расскажите, как проводился опыт, схема которого изображена на рисунке 201. Что выяснилось в результате этого опыта?
Радий помещали на дно толстостенного свинцового сосуда; излучение выходило только через узкое отверстие и попадало на фотопластинку. Без магнитного поля после проявления на пластинке было одно тёмное пятно. Затем на пучок подействовали сильным магнитным полем, и на пластинке появилось три пятна: центральное (на прежнем месте) и два по разные стороны от него.
Вывод: радиоактивное излучение имеет сложный состав. Два потока отклонились в магнитном поле, значит, это потоки заряженных частиц; отклонение в разные стороны показывает, что заряды у них противоположных знаков (α-частицы положительные, β-частицы отрицательные). Центральный поток (γ-излучение) не отклонился, так как не имеет электрического заряда.
Вывод: радиоактивное излучение имеет сложный состав. Два потока отклонились в магнитном поле, значит, это потоки заряженных частиц; отклонение в разные стороны показывает, что заряды у них противоположных знаков (α-частицы положительные, β-частицы отрицательные). Центральный поток (γ-излучение) не отклонился, так как не имеет электрического заряда.
§ 56. Вопрос 3. О чём свидетельствовало явление радиоактивности?
Самопроизвольное излучение α-, β- и γ-частиц веществом показало, что атомы имеют сложный состав. Так как атом в целом нейтрален, в его состав должны входить и положительно, и отрицательно заряженные частицы.
§ 56. Вопрос 4. Что представлял собой атом согласно модели, предложенной Томсоном?
По модели Томсона (1903 г.) атом — это шар, по всему объёму которого равномерно распределён положительный заряд. Внутри шара находятся электроны, каждый из которых может колебаться около положения равновесия. Положительный заряд шара равен по модулю суммарному заряду электронов, поэтому атом в целом электрически нейтрален.
§ 56. Вопрос 5. Используя рисунок 202, расскажите, как проводился опыт по рассеянию α-частиц.
Радиоактивное вещество Р, излучающее α-частицы, помещали в свинцовый сосуд С с узким каналом. Вылетающие частицы падали на стеклянный экран Э, покрытый слоем вещества, которое вспыхивает в местах попадания частиц; вспышки наблюдали в микроскоп М (метод сцинтилляций). Установку помещали в сосуд, из которого откачан воздух, чтобы частицы не рассеивались на молекулах воздуха.
Без препятствия частицы давали на экране одно небольшое пятно (рис. 202, а). На пути пучка ставили тонкую фольгу из исследуемого металла Ф: частицы рассеивались на разные углы φ (рис. 202, б). Перемещая экран с микроскопом вокруг фольги (положения 1, 2, 3), подсчитывали число вспышек при разных углах рассеяния.
Без препятствия частицы давали на экране одно небольшое пятно (рис. 202, а). На пути пучка ставили тонкую фольгу из исследуемого металла Ф: частицы рассеивались на разные углы φ (рис. 202, б). Перемещая экран с микроскопом вокруг фольги (положения 1, 2, 3), подсчитывали число вспышек при разных углах рассеяния.
§ 56. Вопрос 6. Какой вывод был сделан Резерфордом на основании того, что некоторые α-частицы при взаимодействии с фольгой рассеялись на большие углы?
Опыт показал, что подавляющее большинство частиц проходит сквозь фольгу почти без отклонения, а очень малое число отбрасывается на углы, близкие к 90° и даже 180°. Резерфорд заключил, что такое сильное отклонение возможно только при наличии внутри атома очень сильного электрического поля. Его может создавать заряд, сосредоточенный в очень малом объёме по сравнению с объёмом атома. Электроны (их масса примерно в 8000 раз меньше массы α-частицы) заметно изменить направление движения α-частицы не могут.
§ 56. Вопрос 7. Что представляет собой атом согласно ядерной модели?
В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее очень малый объём (диаметр ядра 10⁻¹⁴–10⁻¹⁵ м, диаметр атома около 10⁻¹⁰ м). Вокруг ядра движутся электроны, масса которых значительно меньше массы ядра. Атом электрически нейтрален, так как заряд ядра равен модулю суммарного заряда электронов.
§ 56. Вопрос для обсуждения.
1. Как вы думаете, почему модель атома Томсона иногда называют «пудинг с изюмом»?
В модели Томсона положительный заряд равномерно «размазан» по всему объёму атома, как тесто пудинга, а маленькие отрицательные электроны вкраплены в него, как изюминки. Отсюда и шуточное название модели.
§ 56. Вопрос для обсуждения.
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?
По модели Томсона положительный заряд распределён по всему атому равномерно, поэтому электрическое поле внутри атома слабое. Масса электронов мала, и они не могут заметно отклонить тяжёлую α-частицу. Значит, при прохождении фольги все α-частицы должны были бы отклоняться лишь на очень малые углы, а на большие углы (90° и тем более 180°) не рассеивалась бы ни одна частица. В опыте же некоторые частицы отбрасывались назад. Это возможно лишь при очень сильном поле заряда, сосредоточенного в малом объёме, то есть в ядре; модель Томсона этого объяснить не может.