физика на примерах · теория через практику · 9–11 класс

Как узнали, из чего состоит атом

Две с половиной тысячи лет учёные спорили, как устроен атом. Пройди их путь: раздели вещество «до конца», собери молекулы Дальтона, подвигай электроны в «пудинге» Томсона, посмотри, почему «падает» атом Резерфорда, и повтори опыт с α-частицами и золотой фольгой, который всё изменил.

Модель

—

Делим вещество

делений0
размер—

Атомы Дальтона

собранные молекулы—

«Пудинг с изюмом»

электронов в атоме—
заряд атома—

Планетарная модель

состояние атома—

Атом водорода по Бору

уровень—
длина волны—
линий Бальмера0 из 4
последний переход—

Электронное облако

зарегистрировано положений0

Собери атом

протоны
нейтроны
электроны
элемент—
обозначение—
массовое число A—
заряд—
ядро—

Установка Гейгера — Марсдена

Модель атома
Фольга
сближение с ядром d—
отражаются назад—

Измерения: проверка формулы Резерфорда

по графикунужно ≥ 2 измерения
№θN вспышек1/sin⁴(θ/2)условия

Ход работы

Цель: повторить опыт Гейгера — Марсдена и проверить, какая модель атома согласуется с опытом.

  1. Модель «Резерфорд», золотая фольга, 5 МэВ. Поставь микроскоп на θ = 20° и нажми «Измерить».
  2. Повтори для 30°, 45°, 60°, 90°, 120° и 150°. Сколько частиц отлетает назад?
  3. Посмотри на график N(1/sin⁴(θ/2)): точки ложатся на прямую через начало координат — это и есть формула Резерфорда.
  4. Переключи модель на «Томсон» и измерь на 20° и 90°. Что показал бы опыт, будь Томсон прав?
  5. Верни модель Резерфорда. Как меняется число вспышек при замене золота на алюминий? При увеличении энергии α-частиц?
  6. Нажми «📄 Отчёт» — таблица и график попадут в отчёт.

Вывод: большие углы рассеяния возможны только если положительный заряд и масса атома собраны в очень малом ядре.

Вопросы для самопроверки

Почему большинство α-частиц пролетало сквозь фольгу почти без отклонения?

Атом почти «пустой»: ядро в десятки тысяч раз меньше атома. Большинство частиц пролетает далеко от ядер, а лёгкие электроны почти не меняют движение тяжёлой α-частицы.

Почему модель Томсона не объясняет отражение частиц назад?

В «пудинге» положительный заряд размазан по всему атому, поле внутри слабое, и каждая встреча с атомом отклоняет α-частицу лишь на сотые доли градуса. Сложение тысяч таких отклонений даёт единицы градусов, но не отскок назад.

Чем не устраивала физиков планетарная модель?

Электрон на орбите движется с ускорением и по классической электродинамике должен излучать, терять энергию и за ~10⁻¹¹ с упасть на ядро. Устойчивость атома объяснили постулаты Бора, а затем квантовая механика.

Что такое изотопы?

Атомы одного элемента (одинаковое число протонов Z) с разным числом нейтронов. Например, водород: протий ¹H, дейтерий ²H и тритий ³H.

Откуда берутся линии в спектре водорода?

При переходе электрона с уровня m на уровень n излучается фотон с энергией hν = Em − En. Видимые линии (серия Бальмера) — переходы на n = 2: 656, 486, 434 и 410 нм.

Для учителя

Работа закрывает темы «Строение атома», «Опыт Резерфорда», «Постулаты Бора» и «Состав ядра» (9 и 11 класс). Удобно идти по вкладкам слева направо как по истории открытия. В опыте числа вспышек получены моделированием: на модели фольги примерно одна частица из ~10 000 отлетает назад — как у Гейгера и Марсдена. Ссылка на нужную вкладку: atom.html?m=exp (demo, dalton, thomson, planet, bohr, quantum, build, exp).

Резерфорд вспоминал: это было так же невероятно, как если бы артиллерийский снаряд отскочил от листа папиросной бумаги. Повтори опыт сам!