Rutherfordi eksperiment 1911. Rutherfordi katsed. Elektroni avastamine. Thomsoni aatomimudel
Rutherford pakkus välja alfaosakeste abil aatomisondeerimise. α osakese mass on ligikaudu 7300 võrra suurem kui e mass ja laeng on absoluutväärtuses 2e. Rutherford pommitas nende osakestega raskmetallide aatomeid. Aatomisse sisenevad elektronid ei saa oma väikese massi tõttu osakese trajektoori oluliselt muuta. Hajumist saab põhjustada ainult aatomi raske, positiivselt laetud osa. Radioaktiivsest allikast kiirusega cm/s väljuva alfaosakese teele asetati õhuke kuldfoolium - 1 mikroni paksune võrk, mis võrdub 10 
aatomikihid. Mõnel kaugusel sihtmärgist on fluorestseeruv ekraan, millele salvestatakse α-osakeste välgud. Kogemused on näidanud, et valdav hulk α-osakesi kaldub kõrvale väikese nurga all (2–3 kraadi), kuid ligikaudu üks osake 10 kohta. 
langevad kaldusid suure nurga all ja isegi 180 kraadi. Selle põhjal tegi Rutherford ettepaneku, et aatom on laengute süsteem, mille keskel on Ze laenguga raske positiivne tuum, mille mõõtmed ei ületa 10 
α-osakeste hajumise Rutherfordi valemi tuletamine.
Hajumisest tingitud impulss, kus m on osakese mass ja v on algkiirus. Newtoni 2. seaduse järgi 
, kusf on jõu projektsioon Δp.F= 
, seejärel asendage see eelmisega ja hankige 
,;
;
;
;
;
;
;
;
Viimast avaldist nimetatakse Rutherfordi valemiks α-osakeste hajumise kohta.
Rutherfordi katsete tagajärjed.
Rutherford tegi oma katsete põhjal järeldused: aatom on laengute süsteem, mille keskel on raske positiivne tuum laenguga Ze, mille mõõtmed ei ületa 10 
cm ja tuuma ümber on kogu aatomi poolt hõivatud ruumala ulatuses jaotunud Z elektroni. Peaaegu kogu aatomi mass on koondunud tuuma.
Tuumalaengu eksperimentaalne määramine Chadwicki meetodil.
Hajumisfoolium oli rõnga A A kujuga", rõnga teljele paigaldati sellest võrdsel kaugusel radioaktiivne preparaat R (alfaosakeste allikas) ja ZnS-st fluorestsentsekraan S. Alfast stsintillatsioonide loendamiseks fooliumi poolt hajutatud osakesi kattis rõnga A A" auk ekraaniga, mis oli alfaosakestele läbipaistmatu. Vastupidi, I mõõtmiseks loeti stsintillatsioone siis, kui auk oli vaba ja rõngas A A" suletud. Kuna antud juhul oli stsintillatsioonide arv väga suur, siis selle vähendamiseks paigaldati ette kitsa väljalõikega pöörlev ketas. ekraan S. Teades väljalõike laiust ja loendades stsintillatsioonide arvu, saab arvutada I. Asendage andmed 
(vähendatud Rutherfordi valem). Chadwick leidis plaatina jaoks Z = 77,4, hõbeda jaoks Z = 46,3 ja vase jaoks Z = 29,3.
Rutherfordi aatomi planetaarmudel.
Aatom koosneb väikesest positiivselt laetud tuumast, mis sisaldab peaaegu kogu aatomi massi ja mille ümber elektronid liiguvad, nii nagu planeedid liiguvad ümber Päikese. Aatomi planetaarmudel vastab tänapäevastele ideedele aatomi ehituse kohta, võttes arvesse asjaolu, et elektronide liikumine on kvantloomuline ja seda ei kirjelda klassikalise mehaanika seadused, sest kui elektronid liiguvad ümber tuuma nagu planeedid ümber Päikese, siis nende liikumine kiireneb ja seetõttu peaksid nad klassikalise elektrodünaamika seaduste kohaselt kiirgama elektromagnetlaineid, kaotama energiat ja kukkuma tuumale.
Pärast Curies'd hakkas inglise teadlane Ernest Rutherford uurima radioaktiivsust. Ja 1899. aastal viis ta läbi eksperimendi, et uurida radioaktiivse kiirguse koostist. Milline oli E. Rutherfordi kogemus?
Pliisilindrisse pandi uraanisool. Läbi selle silindri väga kitsa augu tabas kiir selle silindri kohal asuvat fotoplaati.
Eksperimendi alguses puudus magnetväli. Seetõttu valgustati fotoplaat, nii nagu Curie'de katsetes, nii nagu ka A. Becquereli katsetes, ühel hetkel. Seejärel lülitati magnetväli sisse ja nii, et selle magnetvälja suurus võiks muutuda. Selle tulemusena jaotati väikese magnetvälja korral kiir kaheks komponendiks. Ja kui magnetväli muutus veelgi tugevamaks, tekkis kolmas tume laik. Neid fotoplaadile tekkinud laike nimetati a-, b- ja g-kiirteks.
Radioaktiivsete kiirte omadused
Inglise keemik nimega Soddy töötas koos Rutherfordiga radioaktiivsuse uurimise probleemi kallal. Soddy ja Rutherford korraldasid nende kiirguste keemiliste omaduste uurimiseks katse. Selgeks sai, et:
a-kiired – heeliumi aatomite üsna kiirete tuumade voog,
b-kiired on tegelikult kiirete elektronide voog,
g-kiired – kõrgsageduslik elektromagnetkiirgus.
Aatomi keeruline struktuur
Selgus, et tuuma sees, aatomi sees toimuvad teatud keerulised protsessid, mis viivad sellise kiirguseni. Pidagem meeles, et sõna "aatom" ise tähendab kreeka keelest tõlgituna "jagamatut". Ja Vana-Kreeka aegadest peale uskusid kõik, et aatom on keemilise elemendi väikseim osake koos kõigi oma omadustega ja sellest väiksemat osakest looduses ei eksisteeri. Avastuse tulemusena radioaktiivsus, erinevate elektromagnetlainete ja aatomituumade uute osakeste spontaanne emissioon, võib öelda, et ka aatom on jagatav. Ka aatom koosneb millestki ja sellel on keeruline struktuur.
Järeldus
Lisakirjanduse loetelu
1. Bronshtein M.P. Aatomid ja elektronid. "Raamatukogu "Kvant"". Vol. 1. M.: Nauka, 1980
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Füüsika: Õpik gümnaasiumi 9. klassile. M.: "Valgustumine"
3. Kitaygorodsky A.I. Füüsika kõigile. Footonid ja tuumad. Raamat 4. M.: Teadus
4. Curie P. Valitud teadustööd. M.: Teadus
5. Myakishev G.Ya., Sinyakova A.Z. Füüsika. Optika Kvantfüüsika. 11. klass: õpik füüsika süvaõppeks. M.: Bustar
6. Newton I. Loodusfilosoofia matemaatilised põhimõtted. M.: Nauka, 1989
7. Rutherford E. Valitud teaduslikud tööd. Radioaktiivsus. M.: Teadus
8. Rutherford E. Valitud teaduslikud tööd. Aatomi ehitus ja elementide kunstlik muundamine. M.: Teadus
9. Slobodyanyuk A.I. Füüsika 10. Osa 1. Mehaanika. Elekter
10. Filatov E.N. Füüsika 9. Osa 1. Kinemaatika. VShMF "Avangard"
11. Einstein A., Infeld L. Füüsika evolutsioon. Ideede arendamine algkontseptsioonidest relatiivsusteooriani ja kvantiteooriani. M.: Nauka, 1965
Teema: Aatomi ja aatomituuma ehitus
Tund 52. Aatomite mudelid. Rutherfordi kogemus
Erjutkin Jevgeni Sergejevitš
Eelmises tunnis arutasime, et radioaktiivsus tekitab erinevat tüüpi kiirgust: a-, b- ja g-kiirgust. Ilmus tööriist, millega oli võimalik aatomi ehitust uurida.
Thomsoni mudel
Pärast seda, kui selgus, et aatomil on ka keeruline struktuur, see on kuidagi eriliselt üles ehitatud, tuli uurida aatomi ehitust, selgitada, kuidas see on üles ehitatud, millest see koosneb. Ja nii alustasid teadlased seda uuringut.
Esimesed ideed keeruka struktuuri kohta väljendas Thomson, kes avastas elektroni 1897. aastal. 1903. aastal pakkus Thomson esimest korda välja aatomi mudeli. Tomsoni teooria kohaselt oli aatom kera, mille kogu ruumala ulatuses oli positiivne laeng “määrdunud”. Ja sees olid nagu ujuvad elemendid elektronid. Üldiselt oli aatom Thomsoni järgi elektriliselt neutraalne, s.t. sellise aatomi laeng oli võrdne 0. Elektronide negatiivsed laengud kompenseerisid aatomi enda positiivse laengu. Aatomi suurus oli ligikaudu 10-10 m. Thomsoni mudelit nimetati "rosinatega pudinguks": "puding" ise on aatomi positiivselt laetud "keha" ja "rosinad" on elektronid.
Riis. 1. Thomsoni aatomimudel (“rosinapuding”)
Rutherfordi mudel
Esimese usaldusväärse katse aatomi struktuuri määramiseks viis läbi E. Rutherford. Tänapäeval teame kindlalt, et aatom on planeedi päikesesüsteemi meenutav struktuur. Keskel on massiivne keha, mille ümber planeedid tiirlevad. Seda aatomimudelit nimetatakse planeedimudeliks.
Rutherfordi kogemus
Vaatame Rutherfordi eksperimentaalset disaini ja arutame tulemusi, mis viisid planeedimudeli loomiseni.
Riis. 2. Rutherfordi katse skeem
Raadium asetati kitsa auguga pliisilindri sisse. Diafragma abil tekkis kitsas a-osakeste kiir, mis läbi diafragma ava lennates tabas spetsiaalse koostisega kaetud ekraani, tabamisel tekkis mikrosähvatus. Sellist sära, kui osakesed ekraani tabavad, nimetatakse "stsintillatsioonivälguks". Selliseid sähvatusi jälgiti ekraani pinnal mikroskoobi abil. Seejärel, kuni vooluringis polnud kuldplaati, tabasid kõik silindrist välja lennanud osakesed ühte punkti. Kui ekraani sisse pandi väga õhuke kuldplaat lendavate a-osakeste teele, hakkasid silma täiesti arusaamatud asjad. Niipea kui kuldplaat pandi, hakkasid a-osakesed kõrvale kalduma. Märgati osakesi, mis kaldusid oma esialgsest lineaarsest liikumisest kõrvale ja sattusid sellel ekraanil juba täiesti erinevatesse punktidesse.
Aatom koosneb kompaktsest ja massiivsest positiivselt laetud tuumast ja seda ümbritsevatest negatiivselt laetud kergetest elektronidest.
Ernest Rutherford on ainulaadne teadlane selles mõttes, et ta oli oma peamised avastused juba teinud pärast saades Nobeli preemia. 1911. aastal õnnestus tal katsetada, mis mitte ainult ei võimaldanud teadlastel sügavale aatomisse piiluda ja selle struktuurist aru saada, vaid sai ka disaini graatsilisuse ja sügavuse mudeliks.
Kasutades looduslikku radioaktiivse kiirguse allikat, ehitas Rutherford kahuri, mis tekitas suunatud ja fokusseeritud osakeste voo. Püstol oli kitsa piluga pliikarp, mille sisse oli paigutatud radioaktiivne materjal. Tänu sellele neeldusid osakesed (antud juhul alfaosakesed, mis koosnevad kahest prootonist ja kahest neutronist), mida radioaktiivne aine eraldus kõikides suundades, välja arvatud üks, pliisõela ja läbi pilu eraldus ainult suunatud alfaosakeste kiir. . Edasi piki kiirteed olid veel mitmed kitsaste piludega pliisõelad, mis lõikasid ära rangelt määratud suunast kõrvale kalduvad osakesed. Selle tulemusena lendas sihtmärgi poole täiuslikult fokusseeritud alfaosakeste kiir ja sihtmärk ise oli õhuke kuldfoolium. See oli alfakiir, mis teda tabas. Pärast kokkupõrget fooliumiaatomitega jätkasid alfaosakesed oma teed ja tabasid sihtmärgi taha paigaldatud luminestsentsekraani, millele salvestati sähvatused, kui alfaosakesed seda tabasid. Nende järgi sai eksperimenteerija hinnata, millises koguses ja kui palju alfaosakesed fooliumiaatomitega kokkupõrgete tagajärjel sirgjoonelise liikumise suunast kõrvale kalduvad.
Selliseid katseid on tehtud ka varem. Nende põhiidee oli koguda osakeste läbipaindenurkade põhjal piisavalt teavet, et aatomi ehituse kohta saaks midagi kindlat öelda. Kahekümnenda sajandi alguses teadsid teadlased juba, et aatom sisaldab negatiivselt laetud elektrone. Kuid valitsev idee oli, et aatom oli midagi positiivselt laetud peenvõre, mis oli täidetud negatiivselt laetud rosina elektronidega - mudel, mida nimetatakse "rosinavõrgu mudeliks". Selliste katsete tulemuste põhjal suutsid teadlased õppida aatomite mõningaid omadusi - eelkõige hinnata nende geomeetriliste suuruste järjekorda.
Rutherford märkis aga, et ükski tema eelkäijatest polnud isegi proovinud katseliselt testida, kas mõned alfaosakesed on väga suurte nurkade all kõrvale kaldunud. Rosinavõre mudel lihtsalt ei võimaldanud aatomis nii tihedate ja raskete struktuurielementide olemasolu, et need suudaksid kiireid alfaosakesi oluliste nurkade all kõrvale suunata, nii et keegi ei vaevunud seda võimalust katsetama. Rutherford palus ühel oma õpilasel installatsioon ümber varustada nii, et oleks võimalik jälgida alfaosakeste hajumist suurte läbipaindenurkade juures – lihtsalt südametunnistuse puhastamiseks, et see võimalus täielikult välistada. Detektor oli naatriumsulfiidiga kaetud ekraan, materjal, mis tekitab alfaosakese tabamisel fluorestseeruvat välku. Kujutage ette mitte ainult katse läbiviija õpilase üllatust, vaid ka Rutherfordi enda üllatust, kui selgus, et mõned osakesed kaldusid kõrvale kuni 180° nurga all!
Väljakujunenud aatomimudeli raames ei saanud tulemust tõlgendada: rosinavõres pole lihtsalt midagi, mis võiks peegeldada võimsat, kiiret ja rasket alfaosakest. Rutherford oli sunnitud järeldama, et suurem osa aatomi massist on koondunud uskumatult tihedasse ainesse, mis asub aatomi keskel. Ja ülejäänud aatom osutus mitu suurusjärku vähem tihedaks, kui seni arvati. Hajutatud alfaosakeste käitumisest tulenes ka see, et nendes aatomi ülitihedates tsentrites, mida Rutherford nimetas südamikud, on kontsentreeritud ka kogu aatomi positiivne elektrilaeng, kuna ainult elektrilised tõukejõud võivad põhjustada osakeste hajumist nurga all, mis on suurem kui 90°.
Aastaid hiljem meeldis Rutherfordile seda analoogiat oma avastuse kohta kasutada. Ühes Lõuna-Aafrika riigis hoiatati tolliametnikke, et riiki tuuakse mässuliste jaoks salakaubana suur relvasaadetis ning relvad peidetakse puuvillapallidesse. Ja nüüd, pärast mahalaadimist, seisab tolliametnik silmitsi terve laoga, mis on täidetud puuvillapakkidega. Kuidas ta saab kindlaks teha, millised pallid sisaldavad vintpüsse? Tolliametnik lahendas probleemi lihtsalt: hakkas pallide pihta tulistama ja kui kuulid mõnest pallist rikošetisid, tuvastas ta selle märgi järgi pallid salarelvadega. Nii mõistis Rutherford, nähes, kuidas alfaosakesed kuldfooliumilt maha paiskusid, et aatomi sees on peidetud oodatust palju tihedam struktuur.
Rutherfordi oma katse tulemuste põhjal joonistatud aatomipilt on meile tänapäeval hästi teada. Aatom koosneb ülitihedast kompaktsest tuumast, mis kannab positiivset laengut, ja selle ümber negatiivselt laetud kergetest elektronidest. Hiljem andsid teadlased sellele pildile usaldusväärse teoreetilise aluse ( cm. Bohr Atom), kuid see kõik sai alguse lihtsast katsest väikese radioaktiivse materjali proovi ja kuldfooliumitükiga.
Vaata ka:
Ernest Rutherford, Nelsoni esimene parun Rutherford, 1871–1937
Uus-Meremaa füüsik. Sündis Nelsonis käsitöölise taluniku pojana. Võitis stipendiumi Inglismaal Cambridge'i ülikoolis õppimiseks. Pärast lõpetamist määrati ta Kanada McGilli ülikooli, kus koos Frederick Soddyga (1877-1966) pani paika radioaktiivsuse fenomeni põhiseadused, mille eest pälvis ta 1908. aastal Nobeli keemiaauhinna. Peagi kolis teadlane Manchesteri ülikooli, kus tema juhtimisel leiutas Hans Geiger (1882-1945) oma kuulsa Geigeri loenduri, asus uurima aatomi ehitust ja avastas 1911. aastal aatomituuma olemasolu. Esimese maailmasõja ajal tegeles ta sonarite (akustiliste radarite) väljatöötamisega vaenlase allveelaevade tuvastamiseks. Aastal 1919 määrati ta Cambridge'i ülikooli füüsikaprofessoriks ja Cavendishi laboratooriumi direktoriks ning samal aastal avastas ta tuumalagunemise kõrge energiaga raskete osakeste pommitamise tagajärjel. Rutherford jäi sellele ametikohale kuni oma elu lõpuni, olles samal ajal aastaid Royal Scientific Society president. Ta maeti Westminster Abbeysse Newtoni, Darwini ja Faraday kõrvale.
Dokumentaalfilmid õppefilmid. Sari "Füüsika".
20. sajandi esimesel veerandil tehti kindlaks, et aatom koosneb positiivselt laetud tuumast ja seda ümbritsevast elektronkihist. Tuuma lineaarsed mõõtmed on suurusjärgus 10“13-10“12 cm Aatomi enda* elektronkihiga määratud mõõtmed on ligikaudu 10 5 korda suuremad. Peaaegu kogu aatomi mass (vähemalt 99,95%) on aga koondunud tuuma. Selle põhjuseks on asjaolu, et tuum koosneb "rasketest" prootonitest ja neutronitest ning elektronkiht koosneb ainult "kergetest" elektronidest (mp - 1836,15 me, mp = 1838,68 me). Neutraalse aatomi kestas olevate elektronide arv on võrdne tuuma laenguga, kui võtta elementaarlaeng üheks (ehk elektroni laeng absoluutväärtuses). Kuid elektronkiht võib elektrone kaotada või juurde võtta. Siis saab aatom elektriliselt laetud, st muutub positiivseks või negatiivseks iooniks.
Aatomi keemilised omadused määrab elektronkiht ehk täpsemalt selle väliselektronid. Sellised elektronid on aatomiga suhteliselt nõrgalt seotud ja seetõttu kõige vastuvõtlikumad naaberaatomite väliselektronide elektrilistele mõjudele. Sama kehtib neutraalsete aatomite ja molekulide vaheliste külgetõmbe- või tõukejõudude (molekulaarsete jõudude) kohta. Seevastu prootonid ja neutronid on tuuma sees tihedalt seotud. Tuuma mõjutamiseks on vaja jõudu, mis on miljoneid kordi suuremad kui need, mis on piisavad aatomi väliste elektronide rebimiseks. Elektronkihi struktuuri ja omadused määrab aga lõpuks aatomituuma elektriväli.
Kui esitatud aatomimudel vastab tegelikkusele, siis peaks aatom olema seda tungivatele osakestele väga läbipaistev. Elektronkiire jaoks kehtestas selle Lenard. Selle aatomimudeli lõpliku eksperimentaalse tõestuse andis aga Rutherford (1871-1937) aastal 1911. Seetõttu nimetatakse seda õigusega Rutherfordi mudeliks. Rutherfordi ettepanekul ja juhendamisel uurisid tema õpilased Geiger ja Marsden (1889-1970) kvantitatiivselt radioaktiivsete ainete poolt eralduvate α-osakeste hajumist. Nende katsetes suunati paralleelne α-osakeste kiir vaakumis õhukesele metallfooliumile ja hajutati selle kaudu. Hajunud α osakeste registreerimiseks kasutati visuaalset meetodit. Tsinksulfiidist valmistatud fluorestsentsekraani tabamisel jättis α-osake sellele välgu (stsitilatsiooni). Üksikuid stsintillatsioone võis jälgida pimedas läbi luubi või mikroskoobi. Ja katsetajad lugesid sellised stsintillatsioonid kokku.
Selgus, et valdav arv α-osakesi olid hajutatud väikeste nurkade all, suurusjärgus 1–3°. Selliste osakeste nurkjaotust kirjeldas hästi Gaussi juhusliku vea kõver (1777-1855). Siiski täheldati ka üksikuid α-osakesi, mis kaldusid suurte nurkade all, ulatudes kuni 150°-ni. Selliste osakeste suhteline arv oli tühine. Näiteks kui RaC-st pärit α-osakeste kiir läbis plaatinafooliumi, kaldus 8000 langevast osakesest keskmiselt ainult üks osake nurga võrra, mis oli suurem kui 90°. Kuid isegi see oleks liiga palju, kui paljude juhuslike kõrvalekallete kuhjumise tagajärjel tekiksid suured kõrvalekalded.
Rutherford jõudis järeldusele, et iga suur kõrvalekalle ilmneb mõne praktiliselt punktjõukeskuse ja lähedalasuva α-osakese ühekordse interaktsiooni tulemusena. Aatomi positiivselt laetud tuum on selline jõukeskus. Alfaosake ise on samuti aatomituum, nimelt heeliumi aatomi tuum. Seda kinnitab tõsiasi, et heeliumi aatomi topeltioniseerimise tulemusena on võimalik saada alfaosake, nagu oli varem kindlaks teinud sama Rutherford. Nende kahe tuuma vaheline elektrostaatiline interaktsioon põhjustab α-osakeste hajumist suurte nurkade all.
Ülaltoodut kinnitavad fotod α-osakeste jälgedest pilvekambris. Tavaliselt ei erine α-osakeste raja lõpp millegi poolest. Kuid aeg-ajalt täheldatakse jälgi, mis lõpevad katkestuste ja "kahvlitega". Kokkupõrke tagajärjel muutub α-osakese liikumissuund järsult ning liikuma hakanud tuum jättis uue jälje, mis koos α-osakese enda rajaga moodustas “hargi”.
Rutherford töötas välja ka α-osakeste hajumise kvantitatiivse teooria. Selles teoorias rakendatakse Coulombi seadust α-osakese ja tuuma vastasmõju suhtes. See on muidugi hüpotees, kuna α-osake võib tuumale läheneda suurusjärgus 10–12 cm ja sellistel vahemaadel pole Coulombi seadust katseliselt testitud. Muidugi käsitles Rutherford klassikaliselt alfaosakese liikumist tuuma väljas. Lõpuks eeldatakse, et tuuma mass on α osakese massiga võrreldes suur, nii et tuuma võib pidada liikumatuks. Viimasest eeldusest on lihtne vabaneda, asendades α-osakese massi vähendatud massiga.
Rutherfordi katsetes kasutati väga õhukesi metallfooliume paksusega suurusjärgus 10"5-10"4 cm. Sellistel juhtudel oli suurte nurkade all hajumisel võimalik ignoreerida α-osakese korduvat kokkupõrget aatomituumadega. Kahekordsete ja veelgi enam mitmekordsete kokkupõrgete tõenäosus suurte kõrvalekalletega on tühine. Suurte nurkade ja elektronide hajumise tõenäosus on nende masside väiksuse tõttu tühine Mitmekordne kokkupõrge tuumade ja aatomikestade elektronidega mängib rolli ainult väga väikeste hajuvusnurkade juures. Jätame sellised nurgad vaatlusest välja. Seejärel, võttes arvesse α-osakese vastastikmõju Ainult ühe tuumaga, millele α osake on kõige lähemal, jõuame kahe keha probleemini. kõigis teistes tuumades liigub α osake palju kaugemale ja seetõttu jäetakse vastastikmõju nendega tähelepanuta.Seega on Rutherfordi teooria rakendatav suurte kõrvalekallete korral, kui kõrvalekalde on põhjustatud ainult ühe tuuma elektriväljast, nii et võrreldes selle hälbega kõik muud kõrvalekalded kokku on tühised. Vastavat hajumist nimetatakse Rutherfordi hajutuseks. See on elastne selles mõttes, et alfaosakese kineetiline energia ei muutu hajumise tulemusena, s.t. ei raisata aatomite ja eriti aatomituumade ergastamisele.
Sõnastatud probleem on formaalselt sarnane Kepleri (1571 -1630) probleemiga planeedi liikumisest ümber Päikese. Ja siin-seal on kehade vastasmõju jõud kesksel kohal ja varieerub pöördvõrdeliselt nendevahelise kauguse ruuduga. Planeedi puhul on see tõmbejõud, α-osakese puhul tõukejõud. See väljendub selles, et planeet (olenevalt tema koguenergiast) võib liikuda nii mööda ellipsi kui ka hüperbooli, kuid α-osake saab liikuda ainult mööda hüperbooli. Kuid matemaatilistes arvutustes pole sellel tähtsust. α-osakese û hajumise nurk on võrdne tema hüperboolse trajektoori asümptootide vahelise nurgaga.
Selle jaoks saadi valem:
Siin m on α-osakese mass, v selle kiirus “lõpmatuses”, s.o. tuumast kaugel Ze on tuuma laeng, 2e on α-osakese laeng, mis võrdub kahekordse elementaarlaenguga e. (Arvu Z nimetatakse tuuma laengunumbriks. Lühiduse huvides sageli nimetatakse seda lihtsalt tuuma laenguks, mis tähendab, et elementaarlaeng e võetakse üheks.) B tähistab sihtimiskaugust, s.o. tuumast α-osakese häirimatule sirgjoonelisele trajektoorile (või, mis on sama asi, tegeliku trajektoori puutujale, kui α-osake oli tuumast lõpmatult kaugel) langetatud risti pikkus.
Muidugi pole aatominähtuste valdkonnas eksperimentaalseks kontrollimiseks kättesaadav mitte valem ise, vaid sellest tulenevad statistilised tagajärjed. Tutvustame nn diferentsiaalset efektiivset hajumise ristlõiget. Tähistagem poolt I tuumale langeva tasapinnalise paralleelse α-osakeste kiire intensiivsus, st. vooluga risti olevat pindalaühikut ajaühikus läbivate kiire α-osakeste arv. Sellest arvust läbib d elementaarala do, samuti vooluga risti N 1 =I teha α osakesi. Pärast hajumist langevad need osakesed elementaarsesse ruuminurka dΩ. Loomulikult määrab ruuminurga dΩ suuruse ja selle telje suuna ala do suurus ja asukoht. Seetõttu d N 1 tähendab ka α-osakeste arvu, mis on hajutatud tuuma poolt ajaühikus ruuminurgaks dΩ. Suhe d N1 To I võrdub teha ja sellel on pindala mõõde. Seda nimetatakse tuuma diferentsiaalseks efektiivseks ristlõikeks α-osakeste hajutamiseks ruuminurka dΩ. See kontseptsioon kehtib mitte ainult α-osakeste, vaid ka mis tahes osakeste hajumise kohta, aga ka muude osakestega toimuvate protsesside kohta. Seega definitsiooni järgi st. Diferentsiaalne efektiivne hajumise ristlõige on aatomi poolt hajutatud osakeste arvu suhe ruuminurga dΩ kohta ajaühikus ja intensiivsuses I langevad osakesed. Seega definitsiooni järgi st. Diferentsiaalne efektiivne hajumise ristlõige on osakeste arvu, hajutatud aatomite ajaühikus ruuminurga dΩ ja intensiivsuse suhe. I langevad osakesed.
Määrame nüüd α-osakeste hajumise diferentsiaalristlõige üksikul aatomituumas. Probleem taandub pindala do suuruse määramisele, mille läbimisel α-osake pärast hajumist satub etteantud ruuminurga dΩ sisse. Võtame X-teljeks selle α-osakese sirgjoonelise trajektoori, millele vastab löögikaugus b = O (selline osake kogeks laupkokkupõrget tuumaga). Kasutades silindrilist sümmeetriat, asendame lihtsuse huvides vooluga risti oleva rõngakujulise pindalaga do = 2πbdb. Sellise ala siseraadius on võrdne b-ga, välimine raadius b + db ja keskpunkt asub X-teljel Intervall b, b + db vastab hajuvusnurkade intervallile û, û + dû, ja valemi järgi
Sisestades ruuminurga, millesse rõngakujulist ala läbivad α-osakesed hajuvad, on lihtne saada
Sellisel kujul kehtib valem mis tahes elementaarse ala do jaoks, mitte ainult rõnga jaoks. Seda nimetatakse Rutherfordi valemiks.
Tutvustame kogu hajumise ristlõike või mõne muu protsessi mõistet. See on määratletud kui vaadeldava protsessi läbinud osakeste koguarvu suhe ajaühiku kohta langeva osakeste kiire intensiivsusse. Kogu ristlõike ð saab diferentsiaalristlõikest do, integreerides selle kõigi võimalike dΩ väärtustega. α-osakeste hajumise korral peaks valem esmalt panema dΩ = 2πsinðdð ja seejärel integreerima vahemikus ð =0 kuni ð = n. See annab ð = ∞. See tulemus on selge. Mida kaugemale jääv ala X-teljest eemaldatakse, seda väiksem on hajumise nurk ð. Kaugemaid piirkondi läbivad osakesed praktiliselt ei paindu, st nad läbivad hajumise nurga ð = 0 lähedusest. Selliste alade kogupindala ja koos sellega hajutatud osakeste koguarv on lõpmatult suur. Ka kogu hajumise ristlõige on lõpmatult suur. See järeldus on aga olemuselt formaalne, kuna väikeste hajuvusnurkade korral Rutherfordi valem ei ole rakendatav.
Vähendame nüüd valemit eksperimentaalseks kontrollimiseks kättesaadavaks vormiks. α-osakeste hajumise aktid erinevate aatomite poolt on sõltumatud. Sellest järeldub, et kui n on tuumade (aatomite) arv ruumalaühiku kohta, siis ruumala V ajaühiku kohta ruuminurga dΩ hajutatud α-osakeste arv määratakse avaldisega.
Sellisel kujul kinnitati Rutherfordi valem eksperimentaalselt. Eelkõige on katseliselt näidatud, et kui dΩ on konstantne, on dN sin4 (ð/2) väärtus konstantne, s.t ei sõltu hajumise nurgast ð, nagu see valemi järgi peaks olema.
Rutherfordi valemi eksperimentaalset kinnitamist võib pidada Coulombi seaduse kaudseks tõestuseks nii väikestel vahemaadel, kui alfaosakese ja sellega interakteeruva tuuma keskpunktid võivad läheneda. Teiseks tõestuseks võivad olla Blacketti (1897-1974) katsed α-osakeste hajumise kohta gaasides. Pilvekambris pildistati suur hulk α-osakeste jälgi, mõõdeti nende nurkhälbed ja arvutati välja teatud hajumise nurkade sagedus. Need katsed kinnitasid ka Rutherfordi valemit. Kuid nende peamine eesmärk oli katsetada Coulombi seadust. Selgus, et vahekaugustel α-osakese ja interakteeruva tuuma tsentrite vahel õhu puhul kuni cm ja argooni puhul kuni cm kinnitatakse katseliselt Coulombi seadus. Sellest ei järeldu, et see seadus kehtiks interakteeruvate tuumade tsentrite vahelisel mistahes kaugusel. Kiirenditega kiirendatud kergete tuumade elastse hajumise katsed, ka kergetel, kuid statsionaarsetel tuumadel, on näidanud, et Coulombi seadusest ilmnevad teravad kõrvalekalded, kui näidatud kaugus väheneb cm-ni või alla selle. Sellistel vahemaadel avaldavad tuumatõmbejõud oma mõju, ületades tuumade Coulombi tõukejõud.
Valemit saab rakendada tuumalaengu mõõtmiseks. Selleks peate mõõtma dN ja I. Pärast seda saab arvutada Z, kuna kõiki teisi valemi suurusi võib lugeda teadaolevateks. Peamine raskus seisneb selles, et dN väärtused ja I on üksteisest väga erinevad. Esimestel katsetel mõõdeti neid erinevatel paigaldustel, st erinevates tingimustes, mis tõi kaasa olulisi vigu. Chadwicki (1891-1974) katsetes see puudus kõrvaldati. Hajumisfoolium oli rõngakujuline AA" (vt joonis), radioaktiivne preparaat R (α-osakeste allikas) ja ZnS-st valmistatud fluorestsentsekraan S paigaldati rõnga teljele sellest võrdsel kaugusel. .
Fooliumiga hajutatud α-osakeste stsintillatsioonide loendamiseks kaeti AA" rõngas olev auk ekraaniga, mis oli α-osakestele läbipaistmatu. Vastupidi, mõõtmiseks I Stsintillatsioone loeti siis, kui auk oli vaba ja rõngas AA" suletud. Kuna antud juhul oli stsintillatsioonide arv väga suur, siis selle vähendamiseks paigaldati ekraani S ette kitsa väljalõikega pöörlev ketas. Teades väljalõike laiust ja stsintillatsioonide arvu loendamist saate arvutada I. Chadwick leidis plaatina jaoks Z = 77,4, hõbeda jaoks Z = 46,3 ja vase jaoks Z = 29,3. Nende elementide aatom- või seerianumbrid Mendelejevi perioodilises süsteemis on vastavalt 78, 47, 29. See kinnitas juba teadaolevat tulemust, mille esmakordselt kehtestas Moseley (1887-1915), et tuuma Z laeng langeb kokku aatomi omaga. elemendi number.
Tuleme tagasi Rutherfordi katsete põhjal aatomi mudeli juurde. Kas aatomituum ja seda ümbritsev elektronkiht võivad moodustada stabiilse süsteemi, mida aatom kahtlemata on? Kui see oleks võimalik, ei saaks need osakesed puhata. Vastasel juhul oleks tulemuseks (praktiliselt) punktlaengute elektrostaatiline süsteem, mille vahel toimivad Coulombi jõud, ja selline süsteem on Earnshaw teoreemi kohaselt ebastabiilne. Coulombi jõud varieeruvad pöördvõrdeliselt interakteeruvate osakeste vahelise kauguse ruuduga. Kuid muutuvad ka planeedisüsteemi kehade vahelised gravitatsioonijõud. Planeedisüsteemi stabiilsuse tagab planeetide pöörlemine ümber Päikese. Seetõttu jõudis Rutherford loomulikult aatomi planeedimudelini, kus elektronid tiirlevad ümber tuuma.
Klassikalise elektrodünaamika järgi aga muutub laengu liikumisel ka elektromagnetväli, mille allikaks on laeng. Eelkõige kiirgab kiirendatud kiirusega liikuv elektrilaeng elektromagnetlaineid. Pöörleval elektronil on kiirendus ja seetõttu peab see pidevalt kiirgama. Kaotades energiat kiirgusele, läheneb elektron pidevalt tuumale ja langeb lõpuks sellele. Seega saadakse isegi liikumise juuresolekul aatomi ebastabiilne mudel. Võib eeldada, et elementaarosakeste ja väikeste vahemaade puhul rikutakse Coulombi seadust ja teisi elektrodünaamikas elektromagnetvälja määravaid seadusi. Võimalik oleks arvestada tuumajõududega ja juurutada meile tundmatuid hüpoteetilisi jõude, mis tagavad aatomi stabiilsuse. Kuid see ei päästa olukorda. Olgu jõud millised tahes, klassikalise mehaanika üldpõhimõtete kohaselt peab aatomi kiirgusspekter koosnema mitmest põhisagedusest ja neile vastavatest ülemtoonidest. Kogemus toob kaasa hoopis teistsuguse mustri, mida väljendab Ritzi (1878-1909) kombineerimisprintsiip. Peame tunnistama, et klassikaline mehaanika ja elektrodünaamika ei suutnud seletada aatomite kui aatomituumade ja elektronide stabiilsete süsteemide olemasolu. Sellele probleemile saadi lahendus ainult kvantmehaanika raames.
Üksikasjad Kategooria: Aatomi ja aatomituuma füüsika Avaldatud 10.03.2016 18:27 Vaatamisi: 4673
Vana-Kreeka ja Vana-India teadlased ja filosoofid uskusid, et kõik meid ümbritsevad ained koosnevad pisikestest osakestest, mida ei saa jagada.
Nad olid kindlad, et maailmas pole midagi väiksemat kui need osakesed, mida nad nimetasid aatomid . Ja tõepoolest, aatomite olemasolu tõestasid hiljem sellised kuulsad teadlased nagu Antoine Lavoisier, Mihhail Lomonosov, John Dalton. Aatomit peeti jagamatuks kuni 19. sajandi lõpuni ja 20. sajandi alguseni, mil selgus, et see pole nii.
Elektroni avastamine. Thomsoni aatomimudel
Joseph John Thomson
1897. aastal avastas inglise füüsik Joseph John Thomson, uurides katseliselt katoodkiirte käitumist magnet- ja elektriväljades, et need kiired on negatiivselt laetud osakeste voog. Nende osakeste liikumiskiirus oli väiksem kui valguse kiirus. Seetõttu oli neil mass. Kust nad tulid? Teadlane väitis, et need osakesed on osa aatomist. Ta helistas neile kehakesed . Hiljem hakati neid kutsuma elektronid . Seega tegi elektroni avastamine lõpu aatomi jagamatuse teooriale.
Thomsoni aatomimudel
Thomson pakkus välja aatomi esimese elektroonilise mudeli. Selle järgi on aatom pall, mille sees on laetud aine, mille positiivne laeng on kogu ruumala ulatuses ühtlaselt jaotunud. Ja elektronid on sellesse ainesse segatud nagu rosinad kuklisse. Üldiselt on aatom elektriliselt neutraalne. Seda mudelit on nimetatud "ploomipudingi mudeliks".
Kuid Thomsoni mudel osutus valeks, mida tõestas Briti füüsik Sir Ernest Rutherford.
Rutherfordi kogemus
Ernest Rutherford
Kuidas on aatom ikkagi üles ehitatud? Rutherford vastas sellele küsimusele pärast oma 1909. aastal koos saksa füüsiku Hans Geigeri ja Uus-Meremaa füüsiku Ernst Marsdeniga tehtud katset.
Rutherfordi kogemus
Katse eesmärk oli uurida aatomit alfaosakeste abil, mille tohutul kiirusel lendav fokuseeritud kiir oli suunatud kõige õhemale kuldfooliumile. Fooliumi taga oli fluorestseeruv ekraan. Kui osakesed sellega kokku põrkasid, tekkisid sähvatused, mida oli võimalik jälgida läbi mikroskoobi.
Kui Thomsonil on õigus ja aatom koosneb elektronide pilvest, peaksid osakesed kergesti lendama läbi fooliumi, ilma et need kõrvale kalduksid. Kuna alfaosakese mass ületas elektroni massi umbes 8000 korda, ei saanud elektron seda mõjutada ja oma trajektoori suure nurga võrra kõrvale pöörata, nii nagu 10 g kaaluv kivike ei suutnud muuta liikuva auto trajektoori.
Kuid praktikas kujunes kõik teisiti. Suurem osa osakestest lendas tegelikult läbi fooliumi vähese või üldse mitte. Kuid mõned osakesed kaldusid üsna oluliselt kõrvale või isegi põrkasid tagasi, justkui tekiks nende teele mingi takistus. Nagu Rutherford ise ütles, oli see nii uskumatu, nagu põrkas 15-tolline kest pehme paberitüki küljest lahti.
Miks muutsid mõned alfaosakesed nii palju suunda? Teadlane pakkus, et selle põhjuseks oli aatomi osa, mis oli kontsentreeritud väga väikeses mahus ja millel on positiivne laeng. Ta helistas talle aatomi tuum.
Rutherfordi aatomi planetaarmudel
Rutherfordi aatomimudel
Rutherford jõudis järeldusele, et aatom koosneb tihedast positiivselt laetud tuumast, mis asub aatomi keskel, ja elektronidest, millel on negatiivne laeng. Peaaegu kogu aatomi mass on koondunud tuuma. Üldiselt on aatom neutraalne. Tuuma positiivne laeng on võrdne aatomi kõigi elektronide negatiivsete laengute summaga. Kuid elektronid ei ole tuumas, nagu Thomsoni mudelis, vaid tiirlevad selle ümber nagu planeedid, mis tiirlevad ümber Päikese. Elektronide pöörlemine toimub tuumast neile mõjuva Coulombi jõu mõjul. Elektronide pöörlemiskiirus on tohutu. Südamiku pinna kohal moodustavad nad omamoodi pilve. Igal aatomil on oma elektronpilv, mis on negatiivselt laetud. Sel põhjusel nad ei "kleepu kokku", vaid tõrjuvad üksteist.
Selle sarnasuse tõttu päikesesüsteemiga nimetati Rutherfordi mudelit planetaarseks.
Miks aatom eksisteerib?
Rutherfordi aatomimudel ei suutnud aga selgitada, miks aatom nii stabiilne oli. Klassikalise füüsika seaduste kohaselt liigub orbiidil pöörlev elektron ju kiirendusega, kiirgab seetõttu elektromagnetlaineid ja kaotab energiat. Lõpuks peab see energia otsa saama ja elektron tuumasse kukkuma. Kui see nii oleks, võiks aatom eksisteerida vaid 10–8 sekundit. Aga miks seda ei juhtu?
Selle nähtuse põhjuse selgitas hiljem Taani füüsik Niels Bohr. Ta tegi ettepaneku, et aatomis olevad elektronid liiguksid ainult fikseeritud orbiitidel, mida nimetatakse "lubatud orbiitideks". Nende peal olles nad energiat ei eralda. Ja energia emissioon või neeldumine toimub ainult siis, kui elektron liigub ühelt lubatud orbiidilt teisele. Kui see on üleminek kaugelt orbiidilt tuumale lähemale, siis kiirgatakse energiat ja vastupidi. Kiirgus toimub osadena nn kvantid.
Kuigi Rutherfordi kirjeldatud mudel ei suutnud seletada aatomi stabiilsust, võimaldas see oluliselt edasi liikuda selle struktuuri uurimisel.
