Теоретическая справка
Опыты Резерфорда по рассеянию $\alpha$ -частиц. Э. Резерфорд исследовал прохождение узкого пучка $\alpha$-частиц через очень тонкую золотую фольгу. $\alpha$-частицы испускались радиоактивным элементом, помещенным внутри свинцового цилиндра, он поглощал все $\alpha$-частицы, кроме тех, которые проходили через узкий канал. Узкий пучок $\alpha$-частиц попадал на фольгу из золота. Рассеянные после взаимодействия с золотом $\alpha$-частицы регистрировались визуально с помощью метода сцинтилляций.
Результаты опытов:
1) большая часть $\alpha$-частиц проходит сквозь тонкий слой вещества, почти не отклоняясь от первоначального направления;
2) очень небольшая доля $\alpha$-частиц отклонялась на большие углы.
Отклонение $\alpha$-частиц — результат действия большой кулоновской силы, которая является результатом лобового столкновения положительно заряженной $\alpha$-частицы с положительным зарядом в атоме. Отклонение небольшого числа $\alpha$-частиц говорят о том, что размеры этого заряда очень малы. Резерфорд назвал его «ядро атома» и в 1911 году предложил планетарную модель атома.
Планетарная модель атома. Резерфорд предположил, что атом представляет собой миниатюрную планетарную систему, в которой действуют электрические силы притяжения. В центре каждого атома находится положительно заряженное ядро. Вокруг ядра по эллиптическим орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны.
В ядре сосредоточена практически вся масса атома, но оно занимает ничтожно малую часть его объема. Электронная оболочка занимает большую часть объема атома, но ее масса мала. В целом атом нейтрален, т. к. суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду атомного ядра.
Планетарная модель атома Резерфорда не смогла объяснить ряд важнейших свойств атомов. В частности, атом, согласно классической механике, должен излучать электромагнитные волны, т. к. электроны движутся с ускорением (центростремительным). Это должно приводить к уменьшению энергии атома, а, следовательно, к падению электрона на ядро. Однако атомы обычно не излучают электромагнитные волны и устойчивы.
Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ
1. На рисунке изображены модели четырёх нейтральных атомов. Чёрными кружочками обозначены электроны. Атому изотопа кислорода $_{8}^{14}\textrm{O}$ соответствует модель
Зарядовое число кислорода равно 8. Это означает, что ядро атома кислорода содержит 8 протонов, а вокруг него расположены 8 электронов. Ответ: 3
2. В опыте Резерфорда бόльшая часть α-частиц свободно проходит сквозь фольгу, практически не отклоняясь от прямолинейных траекторий, потому что
1. ядро атома имеет положительный заряд
2. электроны имеют отрицательный заряд
3. ядро атома имеет малые (по сравнению с атомом) размеры
4. α-частицы имеют бóльшую (по сравнению с ядрами атомов) массу
Отклонение лишь небольшого числа $\alpha$-частиц говорят о том, что размеры ядра атома очень малы. Ответ: 3
3. Модель атома Резерфорда описывает атом как
1. однородное электрически нейтральное тело очень малого размера
2. шар из протонов, окруженный слоем электронов
3. сплошной однородный положительно заряженный шар с вкраплениями электронов
4. положительно заряженное малое ядро, вокруг которого движутся электроны
Согласно планетарной модели атома, он представляет собой положительно заряженное малое ядро, вокруг которого движутся электроны. Ответ: 4
4. Контейнер с радиоактивным веществом помещают в магнитное поле, в результате чего пучок радиоактивного излучения распадается на три компоненты (см. рисунок).
Компонента (3) соответствует
1. гамма-излучению
2. альфа-излучению
3. бета-излучению
4. нейтронному излучению
По условию магнитное поле направлено в плоскость рисунка, начальная скорость всех видов излучения направлена вверх в плоскости рисунка (из детектора). Компонента 3 соответствует излучению, отклоняющемуся в данном поле вправо в плоскости рисунка. Рассмотрим все варианты: 1. Гамма-излучение представляет собой электромагнитные волны и не отклоняется магнитным полем. 2. Альфа излучение представляет собой ионы гелия с зарядом +2 и будет отклоняться в данном магнитном поле влево в плоскости рисунка (по правилу левой руки). 3. Бета-излучение представляет собой поток электронов (заряд −1) и будет отклоняться в данном поле вправо в плоскости рисунка (по правилу левой руки). Ответ: 3
5. Результаты опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц позволяют сделать следующий вывод.
А. Ядро атома заряжено положительно.
Б. Размеры атома много больше размеров ядра.
Правильным является ответ
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Так как альфа-частицы – это положительно заряженные частицы, то при прохождении через фольгу они отклонялись за счет действия электрических сил отталкивания. В связи с этим был сделан вывод, что ядра атомов, из которых состояла фольга, имеют положительный заряд. Кроме того, было замечено, что большинство альфа-частиц проходили через фольгу без отклонений. Отсюда сделали вывод, что ядра атомов имеют малые размеры. Ответ: 3
6. Планетарной модели атома соответствует утверждение
1. ядро – в центре, оно электрически нейтрально, практически вся масса атома сосредоточена в электронной оболочке
2. ядро – в центре, заряд ядра положителен, практически вся масса атома сосредоточена в электронной оболочке
3. ядро – в центре, заряд ядра положителен, практически вся масса атома сосредоточена в ядре
4. ядро – в центре, заряд ядра отрицателен, практически вся масса атома сосредоточена в ядре
Согласно планетарной модели атома, он состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома, а вокруг ядра по эллиптическим орбитам вращаются электроны. Ответ: 3
7. В нейтральном атоме число электронов равно
1. числу нейтронов в ядре
2. числу протонов в ядре
3. суммарному числу нейтронов и протонов в ядре
4. разности между числом протонов и нейтронов в ядре
В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов в ядре. Ответ: 2
8. Атом становится отрицательно заряженным ионом. Как при этом изменяется заряд его ядра?
1. ядро остается положительно заряженным
2. ядро было положительно заряженным, а приобрело отрицательный заряд
3. ядро было отрицательно заряженным, а приобрело положительный заряд
4. ядро атома становится электрически нейтральным.
Атом становится отрицательно заряженным ионом, если он присоединяет один или несколько электронов. При этом состав атомного ядра не меняется. Ответ: 1
9. Почему в опыте Резерфорда очень небольшая часть α-частиц при прохождении сквозь фольгу отклоняется от прямолинейной траектории на углы, большие 90°?
1. атом представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого находятся электроны
2. отрицательно заряженное ядро атома имеет малые размеры
3. атом состоит из положительно заряженных частиц, расположенных на больших расстояниях друг от друга
4. положительно заряженное ядро атома имеет малые размеры
Отклонение небольшого числа $\alpha$-частиц при прохождении сквозь фольгу говорят о том, что положительно заряженное ядро атома имеет малые размеры. Ответ: 4
10. Ядра атомов
А. состоят из более мелких частиц
Б. не имеют электрического заряда
Какое утверждение является верным:
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Согласно современным представлениям ядро атома имеет сложный состав и состоит положительно заряженных протонов и нейтральных частиц — нейтронов. Ответ: 1
11. Атом станет положительно заряженным ионом, если
1. он потеряет электроны
2. к нему присоединятся электроны
3. он потеряет протоны
4. к нему присоединятся нейтроны
Атом становится положительно заряженным ионом, если он отдает один или несколько электронов. Ответ: 1
12. Установите соответствие между физическими понятиями и их определениями. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
| ФИЗИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ | ОПРЕДЕЛЕНИЯ |
| А) молекула
Б) электрон В) атом |
1. отрицательно заряженная элементарная частица
2. частица, имеющая нулевую массу 3. наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами 4. электрически нейтральная и химически неделимая частица 5. частица, входящая в состав ядра углерода |
А) молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами; Б) электрон — отрицательно заряженная элементарная частица; В) атом — электрически нейтральная и химически неделимая частица. Ответ:
13. Сколько электронов содержит нейтральный атом изотопа неона $_{10}^{24}\textrm{Ne}$?
Зарядовое число неона равно 10. Это означает, что ядро атома неона содержит 10 протонов, а вокруг него вращаются (согласно планетарной модели) 10 электронов. Ответ: 10
14. Сколько электронов содержит нейтральный атом изотопа кислорода $_{8}^{15}\textrm{O}$?
Зарядовое число кислорода равно 8. Это означает, что ядро атома кислорода содержит 8 протонов, а вокруг него вращаются (согласно планетарной модели) 8 электронов. Ответ: 8
15. Известно, что в электронной оболочке нейтрального атома изотопа Х содержится 30 электронов, а в атомном ядре содержится 36 нейтронов. Каков порядковый номер элемента X в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева?
Количество электронов в электронной оболочке нейтрального атома равно количеству протонов в ядре атома. Количество протонов в ядре атома, в свою очередь, равно порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева. Поэтому порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева равен 30 (цинк). Ответ: 30
16. Сколько электронов содержится в электронной оболочке нейтрального атома, в ядре которого содержится 3 протона и 4 нейтрона?
Количество электронов в электронной оболочке нейтрального атома равно количеству протонов в ядре атома. Ответ: 3
17. В ядре нейтрального атома с массовым числом А = 58 содержится 32 нейтрона. Сколько электронов содержится в электронной оболочке этого атома?
Количество электронов в электронной оболочке нейтрального атома равно количеству протонов в ядре атома. Количество протонов в ядре атома равно: $58-32=26$. Ответ: 26