Номер 906, страница 261 - гдз по физике 11 класс сборник задач Дорофейчик, Силенков

906. В начале XX века Э. Резерфорд вместе со своими сотрудниками провел серию экспериментов, в которых облучал тонкую золотую фольгу потоком $\alpha$-частиц и наблюдал, что $\alpha$-частицы рассеиваются на разные углы, при этом некоторые частицы даже отклоняются назад, в сторону источника излучения. Какие выводы были сделаны по результатам этих экспериментов:

1) размеры атомов золота гораздо меньше размеров $\alpha$-частиц;

2) размеры ядра атома золота гораздо меньше размеров самого атома;

3) масса $\alpha$-частицы много больше массы электрона;

4) при радиоактивном распаде выделяется огромная энергия;

5) ядро атома золота и $\alpha$-частица взаимодействуют друг с другом по закону Кулона?

П р и м е ч а н и е. Зависимость удельной энергии связи ядер от массового числа (рис. 219): $\varepsilon$ — удельная энергия связи ядра; $A$ — массовое число.

$\varepsilon$, $\frac{\text{МэВ}}{\text{нуклон}}$

$A$

$^{16}_{8}\text{O}$

$^{4}_{2}\text{He}$

$^{56}_{26}\text{Fe}$

$^{10}_{5}\text{B}$

$^{6}_{3}\text{Li}$

$^{3}_{2}\text{He}$

$^{2}_{1}\text{H}$

$^{188}_{76}\text{Os}$

$^{238}_{92}\text{U}$

Рис. 219

Эксперименты Эрнеста Резерфорда и его сотрудников по рассеянию $ \alpha $-частиц на тонкой золотой фольге привели к созданию планетарной модели атома и позволили сделать ряд фундаментальных выводов о строении вещества. Проанализируем предложенные в вопросе утверждения.

1) размеры атомов золота гораздо меньше размеров α-частиц

Этот вывод является неверным. Результаты опыта, в которых подавляющее большинство $ \alpha $-частиц пролетало сквозь фольгу практически без отклонений, показали обратное. Атом в основном состоит из пустого пространства, и его размеры значительно превышают размеры как $ \alpha $-частицы (которая является ядром атома гелия), так и массивного атомного ядра, вызывающего рассеяние.

Ответ: вывод неверный.

2) размеры ядра атома золота гораздо меньше размеров самого атома

Это один из главных и революционных выводов эксперимента Резерфорда. Наблюдаемые редкие случаи рассеяния $ \alpha $-частиц на большие углы (вплоть до отражения назад) можно было объяснить только их взаимодействием с очень маленьким, плотным и положительно заряженным центром атома. Этот центр получил название ядра. Расчеты, основанные на данных эксперимента, показали, что характерный размер ядра составляет порядка $ 10^{-15} $ – $ 10^{-14} $ м, в то время как размер самого атома — около $ 10^{-10} $ м. Таким образом, ядро в десятки тысяч раз меньше атома.

Ответ: вывод верный.

3) масса α-частицы много больше массы электрона

Данный вывод также подтверждается результатами эксперимента. $ \alpha $-частицы, пролетая сквозь облако легких электронов, не испытывали заметного отклонения. Это свидетельствует о том, что столкновение тяжелой $ \alpha $-частицы с очень легким электроном не может существенно изменить ее траекторию. Таким образом, эксперимент наглядно продемонстрировал, что масса электрона пренебрежимо мала по сравнению с массой $ \alpha $-частицы. Хотя этот факт был установлен и ранее, опыт Резерфорда послужил его убедительным подтверждением.

Ответ: вывод верный.

4) при радиоактивном распаде выделяется огромная энергия

Это утверждение верно по своей сути, но не является выводом, сделанным на основе эксперимента по рассеянию частиц. В данном опыте радиоактивный распад использовался лишь как источник $ \alpha $-частиц. Целью эксперимента было исследование структуры атома-мишени, а не изучение самого процесса радиоактивного распада и его энергетических характеристик.

Ответ: вывод неверный.

5) ядро атома золота и α-частица взаимодействуют друг с другом по закону Кулона

Это еще один ключевой вывод, сделанный на основе количественного анализа результатов. Резерфорд вывел формулу, которая описывала зависимость числа рассеянных частиц от угла рассеяния. В основе этой формулы лежало предположение, что сила отталкивания между положительно заряженным ядром золота и положительно заряженной $ \alpha $-частицей является электростатической (кулоновской) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Поскольку экспериментальные данные идеально совпали с теоретическими расчетами, это доказало справедливость закона Кулона для взаимодействий на субатомном уровне.

Ответ: вывод верный.