ГДЗ по физике, 11 класс, Мякишев, номер p284.2: Планетарная модель атома. Ядро атома

План рассуждения:

Для ответа на этот вопрос необходимо сравнить два предположения о структуре атома: модель Томсона («пудинг»), где положительный заряд равномерно распределён по объёму, и ядерная модель Резерфорда. Мы проанализируем силу кулоновского отталкивания, действующую на альфа-частицу в обоих случаях, и оценим возможное изменение импульса частицы.

Физическое обоснование:

Альфа-частица (α) имеет положительный заряд +2e и значительную массу. Если бы положительный заряд атома был равномерно распределён по всему его объёму (радиусом порядка 10^-10 м), то электрическое поле внутри такого заряженного шара было бы слабым и менялось бы линейно с расстоянием от центра. При прохождении альфа-частицы сквозь такой «размытый» заряд силы отталкивания со всех сторон практически компенсировались бы или были бы очень малы. Максимальная сила взаимодействия была бы недостаточна для того, чтобы за время пролёта через атом существенно изменить направление движения тяжёлой и быстрой альфа-частицы.

В отличие от этого, если весь положительный заряд сосредоточен в крошечном ядре (радиусом порядка 10^-15 м), то при близком подходе к центру атома напряжённость поля возрастает обратно пропорционально квадрату расстояния (E∼1/r²). Это создаёт огромную кулоновскую силу отталкивания, способную резко затормозить частицу и развернуть её на большой угол, вплоть до обратного отражения.

Проверка и вывод:

Эксперимент Резерфорда показал, что некоторые альфа-частицы рассеиваются на углы более 90^°. Это невозможно объяснить моделью с равномерным распределением заряда, так как для получения большого угла отклонения требуется большая сила, действующая на малом расстоянии. Следовательно, только наличие компактного массивного ядра позволяет объяснить наблюдаемое сильное рассеяние.