Досвід резерфорда 1911. Досвіди Резерфорда. Відкриття електрона. Модель атома Томсона

Резерфорд запропонував застосувати зондування атома за допомогою α-часток. Маса α – частки приблизно 7300 більше маси e, а заряд дорівнює по модулю 2e. Цими частинками Резерфорд бомбардував атоми важких металів. Електрони, що входять в атом, через малу масу не можуть сильно змінити траєкторію частки. Розсіювання може викликати лише важка позитивно заряджена частина атома. На шляху α-частки, що вилітає з радіоактивного джерела зі швидкістю см/c, ставилася тонка золота фольга – мішень завтовшки 1 мкм, що дорівнює 10 атомних верств. На деякій відстані від мішені флуоресціюючий екран, на якому реєструються спалахи від α-часток. Досвід показав, що переважна кількість α-часток відхиляється на малі кути (2-3 гр), однак приблизно одна частка на 10 падаючих відхилялася на великий кут, і навіть на 180 грн. На підставі цього Резерфорд висловив припущення: атом є системою зарядів, в центрі якої розташоване важке позитивне ядро ​​з зарядом Ze, що має розміри, що не перевищують 10

1. Висновок формули Резерфорда для розсіювання α-часток.

Імпульс в результаті розсіювання , де-маса частинки-початкова швидкість. Згідно з 2-м законом Ньютона , Деf-проекція сили на Δp.F= тоді підставимо в попереднє і отримаємо
,;
;
;
;
; ; ;

;
Останній вираз називається формулою Резерфорда для розсіювання α-часток.

1. Наслідки із дослідів Резерфорда.

На підставі своїх дослідів Резерфорд зробив висновки: атом є системою зарядів, в центрі якої розташоване важке позитивне ядро ​​з зарядом Ze, що має розміри, що не перевищують 10
см, а навколо ядра розташовані Zелектронів, розподілених по всьому об'єму, який займає атом. Майже вся маса атома зосереджена у ядрі.

1. Експериментальне визначення заряду ядра методом Чедвіка.

Розсіювальна фольга мала форму кільця А А", радіоактивний препарат R (джерело а-часток) і флуоресцентний екран S із ZnS встановлювалися на осі кільця на однакових відстанях від нього. Для підрахунку сцинтиляцій від а-часток, розсіяних фольгою, отвір кільця А А" закривалося екраном, непрозорим для а-часток. Навпаки, для вимірювання I проводився підрахунок сцинтиляцій, коли отвір було вільно, а кільце А А" закрито. Так як в цьому випадку число сцинтиляцій було дуже велике, то для його зменшення перед екраном S встановлювався диск з вузьким вирізом, що обертається. Знаючи ширину вирізу і порахувавши число сцинтиляцій, можна обчислити I. Підставити дані в
(Наведена формула Резерфорда). Чедвік знайшов для платини Z=77,4, срібла Z=46,3, міді Z=29,3.

1. Планетарна модель атома Резерфорд.

Атом складається з невеликого позитивно зарядженого ядра, в якому зосереджена майже вся маса атома, навколо якого рухаються електрони, - подібно до того, як планети рухаються навколо Сонця. Планетарна модель атома відповідає сучасним уявленням про будову атома з урахуванням того, що рух електронів має квантовий характер і не описується законами класичної механіки, адже якщо електрони рухаються навколо ядра як планети навколо Сонця, то їхній рух прискорений, і, отже, за законами класичної електродинаміки вони мали б випромінювати електромагнітні хвилі, втрачати енергію і падати на ядро.

Після подружжям Кюрі вивченням радіоактивності став займатися англійський вчений Ернест Резерфорд. І в 1899 році він провів експеримент із вивчення складу радіоактивного випромінювання. У чому полягав досвід Е. Резерфорда?

У свинцевий циліндр було поміщено сіль урану. Через дуже вузький отвір у цьому циліндрі промінь потрапляв на фотопластинку, розташовану над цим циліндром.

На початку експерименту магнітного поля був. Тому фотопластинка так само, як і в дослідах подружжя Кюрі, так само, як у дослідах А. Беккереля, засвічувалася в одній точці. Потім було включено магнітне поле, причому отже величина цього магнітного поля могла змінюватися. У результаті за малого значення магнітного поля промінь розділився на дві складові. А коли магнітне поле стало ще більше, з'явилася третя темна пляма. Ось ці плями, які утворилися на фотопластинці, назвали a-, b-, та g-променями.

Властивості радіоактивних променів

Разом із Резерфордом над проблемою вивчення радіоактивності працював англійський хімік на прізвище Содді. Соді разом із Резерфордом поставили експеримент із вивчення хімічних властивостей цих випромінювань. Стало ясно, що:

a-промені - потік досить швидких ядер атомів гелію,

b-промені - насправді потік швидких електронів,

g-промені - електромагнітне випромінювання високої частоти.

Складна будова атома

З'ясувалося, що всередині ядра, всередині атома відбуваються складні процеси, які призводять до такого випромінювання. Згадаймо, що саме слово «атом» у перекладі з грецької означає «неподільний». І з часів Стародавньої Греції всі вважали, що атом – це найдрібніша частка хімічного елемента з усіма його властивостями, і менше цієї частки у природі немає. Внаслідок відкриття радіоактивності, Мимовільного випромінювання різних електромагнітних хвиль і нових частинок ядер атомів можна говорити про те, що і атом теж є ділимим. Атом також складається з чогось і має складну структуру.

Висновок

Список додаткової літератури

1. Бронштейн М.П. Атоми та електрони. "Бібліотечка "Квант"". Вип. 1. М: Наука, 1980

2. Кікоїн І.К., Кікоїн А.К. Фізика: Підручник для 9 класу середньої школи. М.: «Освіта»

3. Китайгородський А.І. Фізика всім. Фотони та ядра. Книга 4. М: Наука

4. Кюрі П. Вибрані наукові праці. М: Наука

5. Мякішев Г.Я., Синякова А.З. фізика. Квантова фізика. 11 клас: підручник для поглибленого вивчення фізики. М.: Дрофа

6. Ньютон І. Математичні засади натуральної філософії. М: Наука, 1989

7. Резерфорд Еге. Вибрані наукові праці. Радіоактивність. М: Наука

8. Резерфорд Еге. Вибрані наукові праці. Будова атома та штучне перетворення елементів. М: Наука

9. Слободянюк О.І. Фізика 10. Частина 1. Механіка. Електрика

10. Філатов Є.М. Фізика 9. Частина 1. Кінематіка. ВШМФ «Авангард»

11. Ейнштейн А., Інфельд Л. Еволюція фізики. Розвиток ідей від початкових понять до теорії відносності та квантів. М: Наука, 1965

Тема: Будова атома та атомного ядра

Урок 52. Моделі атомів. Досвід Резерфорда

Єрюткін Євген Сергійович

На попередньому уроці ми обговорили, що в результаті радіоактивності утворюються різні види випромінювань: a-, b- та g-промені. З'явився інструмент, з якого можна було вивчати будову атома.

Модель Томсона

Після того, як стало ясно, що атом теж має складну структуру, якось по-особливому влаштований, необхідно було дослідити саму будову атома, пояснити, як він влаштований, з чого складається. І ось вчені розпочали це вивчення.

Перші ідеї про складну будову висловили Томсон, який у 1897 році відкрив електрон. 1903 року Томсон вперше запропонував модель атома. По теорії Томсона атом являв собою кулю, по всьому об'єму якої розмазаний позитивний заряд. А всередині як плаваючі елементи знаходилися електрони. У цілому нині, за Томсоном, атом був електронейтральний, тобто. заряд такого атома дорівнював 0. Негативні заряди електронів компенсували позитивний заряд самого атома. Розмір атома становив приблизно 10 -10 м. Модель Томсона отримала назву "пудинг з родзинками": сам "пудинг" - це позитивно заряджене "тіло" атома, а "родзинки" - це електрони.

Мал. 1. Модель атома Томсона («пудинг із ізюмом»)

Модель Резерфорда

Перший достовірний досвід визначення будови атома вдалося провести Е. . Резерфорду. На сьогоднішній день ми твердо знаємо, що атом є структурою, що нагадує планетну сонячну систему. У центрі знаходиться потужне тіло, навколо якого обертаються планети. Така модель атома дістала назву планетарної моделі.

Досвід Резерфорда

Давайте звернемося до схеми досвіду Резерфорда та обговоримо результати, що призвели до створення планетарної моделі.

Мал. 2. Схема досвіду Резерфорда

Всередину свинцевого циліндра з вузьким отвором було закладено радій. За допомогою діафрагми створювався вузький пучок a-часток, які, пролітаючи через отвір діафрагми, потрапляли на екран, покритий спеціальним складом, при попаданні виникав мікро-спалах. Таке свічення при попаданні частинок на екран називається "сцинтиляційний спалах". Такі спалахи спостерігалися на поверхні екрана мікроскопом. Надалі до того часу, поки у схемі був золотої пластини, всі частинки, які вилітали з циліндра, потрапляли у одну точку. Коли ж всередину екрану на шляху a-часток, що летять, була поставлена ​​дуже тонка платівка із золота, стали спостерігатися зовсім незрозумілі речі. Щойно було поставлено золоту пластину, почалися відхилення a-частинок. Були помічені частинки, які відхилялися від свого первісного прямолінійного руху і вже потрапляли в інші точки цього екрану.

Атом складається з компактного та масивного позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених легких електронів навколо нього.

Ернест Резерфорд - унікальний вчений у тому плані, що свої головні відкриття він зробив уже післяздобуття Нобелівської премії. У 1911 році йому вдався експеримент, який не тільки дозволив вченим заглянути вглиб атома і отримати уявлення про його будову, а й став взірцем витонченості та глибини задуму.

Використовуючи природне джерело радіоактивного випромінювання, Резерфорд побудував гармату, що давала спрямований і сфокусований потік частинок. Гармата була свинцевою скринькою з вузьким прорізом, всередину якого був поміщений радіоактивний матеріал. Завдяки цьому частинки (у даному випадку альфа-частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів), що випускаються радіоактивною речовиною у всіх напрямках, крім одного, поглиналися свинцевим екраном, і лише через проріз вилітав спрямований пучок альфа-частинок. Далі на шляху пучка стояло ще кілька свинцевих екранів з вузькими прорізами, що відсікали частинки, що відхиляються від заданого напрямку. В результаті до мішені підлітав ідеально сфокусований пучок альфа-часток, а сама мішень була найтоншим листом золотої фольги. У неї й ударяв альфа-промінь. Після зіткнення з атомами фольги альфа-частинки продовжували свій шлях і потрапляли на люмінесцентний екран, встановлений за мішені, на якому при попаданні на нього альфа-частинок реєструвалися спалахи. За ними експериментатор міг судити, скільки і наскільки альфа-частинки відхиляються від напряму прямолінійного руху внаслідок зіткнень з атомами фольги.

Експерименти такого роду проводилися і раніше. Основна їх ідея полягала в тому, щоб по кутах відхилення частинок накопичити достатньо інформації, за якою можна було б сказати певне про будову атома. На початку ХХ століття вчені вже знали, що атом містить негативно заряджені електрони. Однак переважало уявлення, що атом є чимось схожим на позитивно заряджену тонку сітку, заповнену негативно зарядженими електронами-родзинками, — модель так і називалася «модель сітки з родзинками». За результатами подібних дослідів вченим вдалося дізнатися про деякі властивості атомів — зокрема, оцінити порядок їх геометричних розмірів.

Резерфорд, однак, зауважив, що ніхто з його попередників навіть не пробував перевірити експериментально, чи не відхиляються деякі альфа-частинки під дуже великими кутами. Модель сітки із родзинками просто не допускала існування в атомі настільки щільних і важких елементів структури, що вони могли б відхиляти швидкі альфа-частинки на значні кути, тому ніхто й не переймався тим, щоб перевірити таку можливість. Резерфорд попросив одного зі своїх студентів переобладнати установку таким чином, щоб можна було спостерігати розсіювання альфа-частинок під великими кутами відхилення, просто для очищення совісті, щоб остаточно виключити таку можливість. Як детектор використовувався екран з покриттям з сульфіду натрію - матеріалу, що дає флуоресцентний спалах при попаданні в нього альфа-частинки. Яке ж було здивування не лише студента, який безпосередньо проводив експеримент, а й самого Резерфорда, коли з'ясувалося, що деякі частинки відхиляються на кути аж до 180°!

В рамках усталеної моделі атома отриманий результат не міг бути витлумачений: у сітці із родзинками просто немає нічого такого, що могло б відобразити потужну, швидку та важку альфа-частку. Резерфорд змушений був зробити висновок, що в атомі більша частина маси зосереджена в неймовірно щільному речовині, розташованому в центрі атома. А решта атома виявлялася на багато порядків менш щільною, ніж це уявлялося раніше. З поведінки розсіяних альфа-часток випливало також, що у цих надщільних центрах атома, які Резерфорд назвав ядрами, зосереджений також весь позитивний електричний заряд атома, оскільки тільки силами електричного відштовхування може бути обумовлено розсіювання частинок під кутами більше 90°.

Через роки Резерфорд любив наводити з приводу свого відкриття таку аналогію. В одній південноафриканській країні митницю попередили, що в країну збираються провезти велику партію контрабандної зброї для повстанців, і зброя буде захована в тюках бавовни. І ось перед митником після розвантаження виявляється цілий склад, забитий тюками з бавовною. Як йому визначити, в яких саме пакунках сховані гвинтівки? Митник вирішив завдання просто: він став стріляти по пакунках, і, якщо кулі рикошетили від якогось пакунка, він за цією ознакою і виявляв пакунки з контрабандною зброєю. Так і Резерфорд, побачивши, як альфа-частинки рикошетують від золотої фольги, зрозумів, що всередині атома прихована набагато щільніша структура, ніж передбачалося.

Картина атома, намальована Резерфордом за наслідками досвіду, нам сьогодні добре знайома. Атом складається із надщільного, компактного ядра, що несе на собі позитивний заряд, і негативно заряджених легких електронів навколо нього. Пізніше вчені підвели під цю картину надійну теоретичну базу. див.Атом (Бора), але почалося все з простого експерименту з маленьким зразком радіоактивного матеріалу і шматком золотої фольги.

Див. також:

Ernest Rutherford, First Baron Rutherford of Nelson, 1871-1937

Новозеландський фізик. Народився у Нельсоні, у сім'ї фермера-ремісника. Виграв стипендію для здобуття освіти у Кембриджському університеті в Англії. Після його закінчення отримав призначення до канадського університету Мак-Гілл (McGill University), де спільно з Фредеріком Содді (Frederick Soddy, 1877-1966) встановив основні закономірності явища радіоактивності, за що в 1908 році був удостоєний Нобелівської премії з хімії. Невдовзі вчений перебрався до Манчестерського університету, де під його керівництвом Ганс Гейгер (Hans Geiger, 1882-1945) винайшов свій знаменитий лічильник Гейгера, зайнявся дослідженнями будови атома і в 1911 відкрив існування атомного ядра. У роки Першої світової війни займався розробкою сонарів (акустичних радарів) виявлення підводних човнів противника. У 1919 році був призначений професором фізики та директором Кавендіської лабораторії Кембриджського університету і в тому ж році відкрив розпад ядра внаслідок бомбардування важкими частинками високих енергій. На цій посаді Резерфорд залишався до кінця життя, одночасно будучи впродовж багатьох років президентом Королівського наукового товариства. Похований у Вестмінстерському абатстві поряд із Ньютоном, Дарвіном та Фарадеєм.

Документальні учбові фільми. Серія "Фізика".

У першій чверті 20 століття було встановлено, що атом складається з позитивно зарядженого ядра і навколишнього його електронної оболонки. Лінійні розміри ядра порядку 10“13-10“12 см. Розміри самого атома* обумовлені електронною оболонкою, приблизно 10 5 разів більше. Однак майже вся маса атома (не менше 99,95%) зосереджена у ядрі. Це з тим, що ядро ​​складається з «важких» протонів і нейтронів, а електронна оболонка - лише з «легких» електронів (m p - 1836,15mе , mп = 1838,68mе ). Число електронів в оболонці нейтрального атома дорівнює заряду ядра, якщо за одиницю прийняти елементарний заряд (тобто заряд електрона за абсолютною величиною). Але електронна оболонка може втрачати або купувати електрони. Тоді атом стає електрично зарядженим, тобто перетворюється на позитивний або негативний іон.

Хімічні властивості атома визначаються електронною оболонкою, точніше її зовнішніми електронами. Такі електрони порівняно слабо пов'язані з атомом і тому найбільш схильні до електричних впливів з боку зовнішніх електронів сусідніх атомів. Те саме стосується сил тяжіння або відштовхування між нейтральними атомами і молекулами (до молекулярних сил). Навпаки, протони та нейтрони міцно пов'язані всередині ядра. Щоб впливати на ядро, потрібні сили, що в мільйони разів перевершують ті сили, які достатні для відриву зовнішніх електронів атома. Однак будова та властивості електронної оболонки визначаються зрештою електричним полем ядра атома.

Якщо викладена модель атома відповідає дійсності, то атом має бути високою мірою прозорим для пронизують його частинок. Для пучка електронів це встановлено ще Ленардом. Однак остаточний експериментальний доказ цієї моделі атома було дано Резерфордом (1871-1937) у 1911 р. Тому вона справедливо називається моделлю Резерфорда. На пропозицію і під керівництвом Резерфорда його учні Гейгер і Марсден (1889-1970) досліджували кількісно розсіювання α-часток, що випускаються радіоактивними речовинами. У їхніх дослідах паралельний пучок α-часток прямував у вакуумі на тонку металеву фольгу та розсіювався нею. Застосовувався візуальний метод реєстрації розсіяних α-часток. При ударі про флуоресціюючий екран із сірчистого цинку α-частка залишала на ньому спалах (сциптиляцію). Окремі сцинтиляції можна було спостерігати у темряві через лупу чи мікроскоп. І експериментатори робили підрахунок таких сцинтиляцій.

Виявилося, що переважна кількість -частинок розсіювалася на невеликі кути порядку 1-3°. Кутове розподілення таких частинок добре описувалося кривою випадкових помилок Гауса (1777-1855). Однак спостерігалися також окремі α-частки, що відхиляються на великі кути, що сягали 150°. Відносне число таких частинок було незначним. Наприклад, при проходженні через платинову фольгу пучка α-часток від RaC з 8000 падаючих частинок в середньому тільки одна частка відхилялася на кут, що перевищував 90°. Але й цього було б надто багато, якби великі відхилення виникали внаслідок накопичення безлічі випадкових відхилень.

Резерфорд зробив висновок, що кожне велике відхилення з'являється в результаті одиничного акту взаємодії якогось практично точкового силового центру з α-частинкою, що близько пролітає. Таким силовим центром є позитивно заряджене ядро ​​атома. Сама -частка є також атомне ядро, саме ядро ​​атома гелію. Це підтверджується тим, що α-частка може бути отримана в результаті дворазової іонізації атома гелію, як це було раніше встановлено тим же Резерфордом. Електростатична взаємодія між цими двома ядрами викликає розсіювання α-частинок на великі кути.

Викладене підтверджується знімками треків частинок α в камері Вільсона. Зазвичай кінець треку -частинки ніякими особливостями не відрізняється. Але зрідка спостерігаються треки, що закінчуються зламами та «вилками». В результаті зіткнення напрямок руху α-частинки різко змінюється, а ядро, що прийшло в рух, залишило новий трек, який разом з треком самої α-частинки утворив «вилку».

Резерфорд розробив і кількісну теорію розсіювання α-часток. У цій теорії взаємодії α-частки з ядром застосовується закон Кулона. Це, звичайно, гіпотеза, тому що α-частка може підходити до ядра на відстані близько 10-12 см, а на таких відстанях закон Кулона не був перевірений експериментально. Зрозуміло, рух α-частинки у полі ядра Резерфордом розглядався класично. Нарешті, маса ядра передбачається великою проти масою α-частинки, отже ядро ​​може вважатися нерухомим. Від останнього припущення легко звільнитися, замінивши масу α-частинки наведеною масою.

У дослідах Резерфорда застосовувалися дуже тонкі металеві фольги з товщиною порядку 10“5-10”4 см. У таких випадках при розсіянні на великі кути можна було не враховувати багаторазові зіткнення α-частки з атомними ядрами. Незначна ймовірність розсіювання на великі кути і на електронах з огляду на невелику кількість їх мас. тільки з одним ядром, до якого α-частка підходить найближче, ми прийдемо до задачі двох тіл, від усіх інших ядер α-частка проходить набагато далі, і тому взаємодія з ними нехтується, таким чином теорія Резерфорда застосовна для великих відхилень, коли відхилення викликається тільки електричним полем одного ядра, так що в порівнянні з цим відхиленням всі інші відхилення, разом узяті, дуже малі. Відповідне розсіювання називається резерфордівським. Воно є пружним тому, що кінетична енергія а-частки внаслідок розсіювання не змінюється, тобто. не витрачається на збудження атомів, а тим паче атомних ядер.

Сформульована задача формально аналогічна задачі Кеплера (1571-1630) про рух планети навколо Сонця. І тут і там сила взаємодії тіл – центральна і змінюється обернено пропорційно квадрату відстані між ними. У разі планети це сила тяжіння, у разі α-частинки – сила відштовхування. Це проявляється в тому, що планета (залежно від її повної енергії) може рухатися і еліпсом, і гіперболем, а α-частинка-тільки гіперболем. Але в математичних обчисленнях це не має значення. Кут розсіювання α-частинки дорівнює куту між асимптотами її гіперболічної траєкторії.

Для нього була отримана формула:

Тут m – маса α-частки, v – її швидкість у «нескінченності», тобто. далеко від ядра, Ze-заряд ядра, 2е - заряд α-частки, рівний подвоєному елементарному заряду е. (Кількість Z називається зарядовим числом ядра. Заради стислості його часто називають просто зарядом ядра, маючи на увазі, що за одиницю прийнятий елементарний заряд е). Через b позначено прицільне відстань, тобто. довжина перпендикуляра, опущеного з ядра на непорушену прямолінійну траєкторію а-частки (або, що те саме, на дотичну до реальної траєкторії, коли а-частка знаходилася нескінченно далеко від ядра).

Експериментальної перевірки області атомних явищ, зрозуміло, доступна не сама формула, а статистичні наслідки з неї. Введемо так званий диференціальний ефективний переріз розсіювання. Позначимо через Iінтенсивність плоскопаралельного пучка -частинок, що налітають на ядро, тобто. число α-частинок пучка, що проходять в одиницю часу через одиничний майданчик, перпендикулярний до потоку. З цього числа через елементарний майданчик do, також перпендикулярний до потоку, проходить d N 1 =I do α-часток. Після розсіювання ці частинки потрапляють до елементарного тілесного кута dΩ. Звичайно, величина тілесного кута dΩ та напрямок його осі визначаються величиною та положенням майданчика do. Тому d N 1 має сенс значення α-частинок, що розсіюються ядром в одиницю часу в тілесний кут dΩ. Відношення d N1до Iі має розмірність площі. Воно називається диференціальним ефективним перетином ядра для розсіювання α-частинок у тілесний кут dΩ. Це поняття застосовується до розсіювання не тільки α-часток, але й будь-яких частинок, а також інших процесів, що відбуваються з частинками. Отже, за визначенням тобто. диференціальний ефективний переріз розсіювання є відношення числа частинок, розсіяних атомом в одиницю часу в тілесний кут dΩ, до інтенсивності Iпадаючих частинок. Отже за визначенням тобто. диференціальний ефективний переріз розсіювання є відношення числа частинок, розсіяних атомів в одиницю часу в тілесний кут dΩ, до інтенсивності Iпадаючих частинок.

Визначимо тепер диференціальний переріз для розсіювання α-часток окремому ядрі атома. Завдання зводиться до визначення величини майданчика do, пройшовши через яку α-частка після розсіювання потрапляє всередину заданого тілесного кута dΩ. Візьмемо за вісь X прямолінійну траєкторію тієї α-частинки, якій відповідає прицільна відстань Ь=О (така частка випробувала б з ядром лобове зіткнення). Використовуючи циліндричну симетрію, для спрощення замінимо do на кільцеву площадку do = 2πbdb, перпендикулярну до потоку. Внутрішній радіус такого майданчика дорівнює Ь, зовнішній b + db, центр розташований на осі X. Інтервалу b, b + db відповідає інтервал кутів розсіювання û, û+ dû, причому за формулою

Ввівши тілесний кут, у який розсіюються α-частки, що пройшли через кільцевий майданчик, неважко отримати

У такому вигляді формула справедлива для будь-якого елементарного майданчика do, а не лише кільцевої. Вона називається формулою Резерфорда.

Введемо поняття повного перерізу розсіювання чи будь-якого іншого процесу. Воно визначається як відношення повного числа частинок, що зазнали аналізований процес в одиницю часу, до інтенсивності падаючого пучка частинок. Повний переріз може бути отриманий з диференціального перерізу do шляхом інтегрування його за всіма можливими значеннями dΩ. У разі розсіювання α-часток у формулі слід спочатку покласти dΩ = 2πsinðdð, а потім виконати інтегрування в межах від ð =0 до ð = п. Це дає ð = ∞. Результат цей зрозумілий. Чим далі площа do видалена від осі X, тим менше кут розсіювання ð. Частинки, що проходять через віддалені майданчики, практично не відхиляються, тобто проходять в околиці кута розсіювання = 0. Сумарна площа таких майданчиків, а з нею і повне число розсіяних частинок нескінченно великі. Нескінченно великий і повний поперечний переріз розсіювання. Втім, цей висновок має формальний характер, оскільки при малих кутах розсіювання формула Резерфорда не застосовується.

Наведемо формулу до виду, доступного для експериментальної перевірки. Акти розсіювання α-часток різними атомами є незалежними. Звідси випливає, що якщо n - число ядер (атомів) в одиниці об'єму, то число α-часток, що розсіюються об'ємом V в одиницю часу в тілесний кут dΩ, визначається виразом

У такому вигляді формула Резерфорда і була підтверджена досвідом. Зокрема, на досвіді було показано, що при сталості dΩ величина dN sin4 (ð/2) постійна, тобто не залежить від кута розсіювання ð, як це має бути згідно з формулою.

Підтвердження формули Резерфорда на досвіді може розглядатися як опосередкований доказ закону Кулона на таких малих відстанях, на які можуть зближуватися центри а-частки та ядра, що взаємодіє з нею. Іншим доказом можуть бути досліди Блекетта (1897-1974) щодо розсіювання α-часток у газах. Фотографувалася велика кількість треків α-часток у камері Вільсона, вимірювалися кутові відхилення їх та підраховувалося, як часто трапляються певні кути розсіювання. Ці досліди також підтвердили формулу Резерфорда. Але головною метою їх була перевірка закону Кулону. Виявилося, що при відстанях між центрами α-частинки та взаємодіючого ядра у разі повітря від до см, а у разі аргону від до см закон Кулона підтверджується експериментально. Звідси не випливає, що цей закон справедливий на будь-яких відстанях між центрами ядер, що взаємодіють. Досліди щодо пружного розсіювання легких ядер, прискорених прискорювачами, також на легких, але нерухомих ядрах показали, що спостерігаються різкі відступи від закону Кулона, коли вказана відстань зменшується до см і менше. На таких відстанях виявляють свою дію ядерні сили тяжіння, що перекривають кулонівські сили відштовхування ядер.

Формулу можна застосувати для виміру заряду ядра. Для цього треба виміряти dN та I. Після цього можна обчислити Z, тому що всі інші величини формули можуть вважатися відомими. Основна складність у тому, що величини dN і Iдуже сильно відрізняються один від одного. У перших дослідах вони вимірювалися різних установках, т. е. за різних умов, що вносило значні помилки. У дослідах Чедвіка (1891-1974) цей недолік був усунений. Розсіювальна фольга мала форму кільця АА" (див. рис.), радіоактивний препарат R (джерело α-часток) і флуоресцентний екран S із ZnS встановлювалися на осі кільця на однакових відстанях від нього.

Для підрахунку сцинтиляцій від α-часток, розсіяних фольгою, отвір кільця AА" закривався екраном, непрозорим для α-часток. Навпаки, для вимірювання Iпроводився підрахунок сцинтиляцій, коли отвір було вільно, а кільце АА" закрито. Так як в цьому випадку число сцинтиляцій було дуже велике, то для його зменшення перед екраном S встановлювався диск з вузьким вирізом, що обертається. Знаючи ширину вирізу і порахувавши число сцинтиляцій, можна обчислити I. Чедвік знайшов для платини Z=77,4, срібла Z=46,3, міді Z=29,3. Атомні чи порядкові номери цих елементів у періодичній системі Менделєєва рівні відповідно 78, 47, 29. Тим самим було підтверджено вже відомий результат, вперше встановлений Мозлі (1887-1915), що заряд ядра Z збігається з атомним номером елемента.

Повернемося до моделі атома, обґрунтованої дослідами Резерфорда. Чи можуть атомне ядро ​​і навколишня електронна оболонка утворити стійку систему, який, безсумнівно, є атом? Якби це було можливо, то ці частинки не могли б перебувати у спокої. А якщо ні, то вийшла б електростатична система (практично) точкових зарядів, між якими діють кулонові сили, а така система, згідно з теоремою Ірншоу, нестійка. Кулонові сили змінюються обернено пропорційно квадрату відстані між взаємодіючими частинками. Але також змінюються гравітаційні сили між тілами планетної системи. Стійкість планетної системи забезпечується обертанням планет навколо Сонця. Тому Резерфорд природно дійшов планетарної моделі атома, у якій електрони обертаються навколо ядра.

Однак, згідно з класичною електродинамікою, під час руху заряду змінюється і електромагнітне поле, джерелом якого є заряд. Зокрема, електричний заряд, що прискорено рухається, випромінює електромагнітні хвилі. Електрон, що обертається, має прискорення, а тому повинен безперервно випромінювати. Втрачаючи енергію на випромінювання, електрон безперервно наближався б до ядра і зрештою впав би на нього. Таким чином, і за наявності руху виходить нестійка модель атома. Можна було б припустити, що закон Кулона та інші закони, що визначають електромагнітне поле в електродинаміці, порушуються у разі елементарних частинок та малих відстаней. Можна було б врахувати ядерні сили та запровадити невідомі нам гіпотетичні сили, що забезпечують стійкість атома. Але це не рятує положення. Якими б не були сили, відповідно до загальних принципів класичної механіки, спектр випромінювання атома повинен складатися з декількох основних частот і відповідних їм обертонів. Досвід призводить до зовсім іншої закономірності, що виражається комбінаційним принципом Ритца (1878-1909). Доводиться констатувати, що класична механіка та електродинаміка виявилися неспроможними пояснити існування атомів як стійких систем атомних ядер та електронів. Вирішення цієї проблеми було отримано лише в рамках квантової механіки.

Подробиці Категорія: Фізика атома та атомного ядра Розміщено 10.03.2016 18:27 Переглядів: 4673

Давньогрецькі та давньоіндійські вчені та філософи вважали, що всі навколишні речовини складаються з найдрібніших частинок, які не діляться.

Вони були впевнені, що у світі не існує нічого, що було б менше від цих частинок, які вони назвали атомами . І справді, згодом існування атомів було доведено такими відомими вченими, як Антуан Лавуазьє, Михайло Ломоносов, Джон Дальтон. Неподільним атом вважали до кінця ХІХ – початку ХХ століття, коли з'ясувалося, що це не так.

Відкриття електрона. Модель атома Томсона

Джозеф Джон Томсон

У 1897 р. англійський фізик Джозеф Джон Томсон, вивчаючи експериментально поведінку катодних променів у магнітному і електричному полях, з'ясував, що це промені є потік негативно заряджених частинок. Швидкість руху цих частинок була нижчою за швидкість світла. Отже, вони мали багато. Звідки вони з'являлися? Вчений припустив, що ці частки входять до складу атома. Він назвав їх корпускулами . Пізніше вони стали називатися електронами . Так відкриття електрона поклало край теорії про неподільність атома.

Модель атома Томсона

Томсон запропонував першу електронну модель атома. Відповідно до неї атом являє собою кулю, всередині якої знаходиться заряджена речовина, позитивний заряд якої рівномірно розподілений по всьому об'єму. А в цю речовину, як родзинки у булочці, вкраплені електрони. Загалом атом електрично нейтральний. Цю модель назвали "моделлю сливового пудингу".

Але модель Томсона виявилася невірною, що було доведено британським фізиком сером Ернестом Резерфордом.

Досвід Резерфорда

Ернест Резерфорд

Як же все-таки влаштований атом? На це питання Резерфорд дав відповідь після свого експерименту, проведеного у 1909 р. спільно з німецьким фізиком Гансом Гейгером та новозеландським фізиком Ернстом Марсденом.

Досвід Резерфорда

Метою досвіду було дослідження атома за допомогою альфа-часток, сфокусований пучок яких, що летить з величезною швидкістю, прямував на найтоншу золоту фольгу. За фольгою розміщувався люмінесцентний екран. При зіткненні з ним часток виникали спалахи, які можна було спостерігати мікроскоп.

Якщо Томсон правий, і атом складається з хмари з електронами, то частки мали легко пролітати через фольгу, не відхиляючись. Так як маса альфа-частинки перевищувала масу електрона приблизно в 8000 разів, то електрон не міг впливати на неї і відхиляти її траєкторію на великий кут, подібно до того, як камінчик вагою в 10 г не зміг би змінити траєкторію автомобіля, що рухається.

Але на практиці все виявилося інакше. Більшість частинок дійсно пролітали через фольгу, практично не відхиляючись чи відхиляючись на невеликий кут. Але частина часток відхилялася досить значно або навіть відскакувала назад, наче на їхньому шляху виникала якась перешкода. Як сказав сам Резерфорд, це було так само неймовірно, ніби 15-дюймовий снаряд відскочив від шматка цигаркового паперу.

Що ж змусило деякі альфа-частинки так сильно змінити напрямок руху? Вчений припустив, що причиною цього стала частина атома, яка зосереджена в дуже малому обсязі і має позитивний заряд. Її він назвав ядром атома.

Планетарна модель атома Резерфорда

Модель атома Резерфорду

Резерфорд дійшов висновку, що атом складається з щільного зарядженого ядра, розташованого в центрі атома, і електронів, що мають негативний заряд. У ядрі зосереджена майже вся маса атома. У цілому нині атом нейтральний. Позитивний заряд ядра дорівнює сумі негативних зарядів електронів атома. Але електрони не вкраплені в ядро, як у моделі Томсона, а обертаються навколо нього подібно до планет, що обертаються навколо Сонця. Обертання електронів відбувається під дією кулонівської сили, що діє на них з боку ядра. Швидкість обертання електронів величезна. Над поверхнею ядра вони утворюють подобу хмари. Кожен атом має свою електронну хмару, заряджену негативно. Тому вони не «злипаються», а відштовхуються один від одного.

Через свою схожість із Сонячною системою модель Резерфорда була названа планетарною.

Чому атом існує

Однак модель атома Резерфорда не змогла пояснити, чому атом такий стійкий. Адже, згідно із законами класичної фізики, електрон, обертаючись на орбіті, рухається з прискоренням, отже, випромінює електромагнітні хвилі та втрачає енергію. Зрештою, ця енергія повинна вичерпатися, а електрон повинен впасти на ядро. Якби це було так, атом зміг би існувати лише 10 -8 с. Але чому цього немає?

Причину цього явища пізніше пояснив датський фізик Нільс Бор. Він припустив, що електрони в атомі рухаються тільки фіксованими орбітами, які називаються «дозволеними орбітами». Перебуваючи на них, вони не випромінюють енергії. А випромінювання чи поглинання енергії відбувається лише за переході електрона з однієї дозволеної орбіти в іншу. Якщо це перехід з дальньої орбіти на ближчу до ядра, то енергія випромінюється і навпаки. Випромінювання відбувається порціями, які назвали квантами.

Хоча описана Резерфордом модель не змогла пояснити стійкість атома, вона дозволила значно просунутися вперед до вивчення його будови.