Биография эрнеста резерфорда. Опыты Резерфорда Что показал опыт резерфорда

Документальные учебные фильмы. Серия «Физика».

В первой четверти 20-го века было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки. Линейные размеры ядра порядка 10“13- 10“12 см. Размеры самого атома* определяемые электронной оболочкой, примерно в 10 5 раз больше. Однако почти вся масса атома (не менее 99,95 %) сосредоточена в ядре. Это связано с тем, что ядро состоит из «тяжелых» протонов и нейтронов, а электронная оболочка - из одних только «легких» электронов (m p - 1836,15mе , mп = 1838,68mе ). Число электронов в оболочке нейтрального атома равно заряду ядра, если за единицу принять элементарный заряд (т. е. заряд электрона по абсолютной величине). Но электронная оболочка может терять или приобретать электроны. Тогда атом становится электрически заряженным, т. е. превращается в положительный или отрицательный ион.

Химические свойства атома определяются электронной оболочкой, точнее, её наружными электронами. Такие электроны сравнительно слабо связаны с атомом и поэтому наиболее подвержены электрическим воздействиям со стороны наружных электронов соседних атомов. То же относится к силам притяжения или отталкивания между нейтральными атомами и молекулами (к молекулярным силам). Напротив, протоны и нейтроны прочно связаны внутри ядра. Чтобы воздействовать на ядро, нужны силы, в миллионы раз превосходящие те силы, которые достаточны для отрыва наружных электронов атома. Однако строение и свойства электронной оболочки определяются в конце концов электрическим полем ядра атома.

Если изложенная модель атома соответствует действительности, то атом должен быть в высокой степени прозрачным для пронизывающих его частиц. Для пучка электронов это было установлено еще Ленардом. Однако окончательное экспериментальное доказательство этой модели атома было дано Резерфордом (1871-1937) в 1911 г. Поэтому она по справедливости называется моделью Резерфорда. По предложению и под руководством Резерфорда его ученики Гейгер и Марсден (1889- 1970) исследовали количественно рассеяние α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами. В их опытах параллельный пучок α-частиц направлялся в вакууме на тонкую металлическую фольгу и рассеивался ею. Применялся визуальный метод регистрации рассеянных α-частиц. При ударе о флуоресцирующий экран из сернистого цинка α-частица оставляла на нем вспышку (сциптилляцию). Отдельные сцинтилляции можно было наблюдать в темноте через лупу или микроскоп. И экспериментаторы производили подсчет таких сцинтилляций.

Оказалось, что подавляющее число α-частиц рассеивалось на небольшие углы порядка 1-3°. Угловое распределение таких частиц хорошо описывалось кривой случайных ошибок Гаусса (1777-1855). Однако наблюдались также отдельные α-частицы, отклоняющиеся на большие углы, доходившие до 150°. Относительное число таких частиц было ничтожно. Например, при прохождении через платиновую фольгу пучка α-частиц от RaC из 8000 падающих частиц в среднем только одна частица отклонялась на угол, превышавший 90°. Но и этого было бы слишком много, если бы большие отклонения возникали в результате накопления множества случайных отклонений.

Резерфорд сделал вывод, что каждое большое отклонение появляется в результате единичного акта взаимодействия какого-то практически точечного силового центра с близко пролетающей α-частицей. Таким силовым центром и является положительно заряженное ядро атома. Сама α-частица есть также атомное ядро, именно ядро атома гелия. Это подтверждается тем, что α-частица может быть получена в результате двукратной ионизации атома гелия, как это было уже ранее установлено тем же Резерфордом. Электростатическое взаимодействие между этими двумя ядрами и вызывает рассеяние α-частиц на большие углы.

Изложенное подтверждается снимками треков α-частиц в камере Вильсона. Обычно конец трека α-частицы никакими особенностями не отличается. Но изредка наблюдаются треки, заканчивающиеся изломами и «вилками». В результате столкновения направление движения α-частицы резко изменяется, а пришедшее в движение ядро оставило новый трек, который вместе с треком самой α-частицы образовал «вилку».

Резерфорд разработал и количественную теорию рассеяния α-частиц. В этой теории к взаимодействию α-частицы с ядром применяется закон Кулона. Это, конечно, гипотеза, так как α-частица может подходить к ядру на расстояния порядка 10~12 см, а на таких расстояниях закон Кулона не был проверен экспериментально. Разумеется, движение α-частицы в поле ядра Резерфордом рассматривалось классически. Наконец, масса ядра предполагается большой по сравнению с массой α-частицы, так что ядро может считаться неподвижным. От последнего предположения легко освободиться, заменив массу α-частицы приведенной массой.

В опытах Резерфорда применялись очень тонкие металлические фольги с толщиной порядка 10“5- 10"4 см. В таких случаях при рассеянии на большие углы можно было не учитывать многократные столкновения α-частицы с атомными ядрами. Вероятность двукратных, а тем более многократных столкновений с большими отклонениями ничтожна. Ничтожна вероятность рассеяния на большие углы и на электронах ввиду малости их масс. Многократные столкновения с ядрами и с электронами атомных оболочек играют роль только при очень малых углах рассеяния. Такие углы мы исключим из рассмотрения. Тогда, учитывая взаимодействие α-частицы только с одним ядром, к которому α-частица подходит наиболее близко, мы придем к задаче двух тел. От всех остальных ядер α-частица проходит много дальше, и поэтому взаимодействием с ними пренебрегается. Таким образом, теория Резерфорда применима для больших отклонений, когда отклонение вызывается только электрическим полем одного ядра, так что по сравнению с этим отклонением все прочие отклонения, вместе взятые, пренебрежимо малы. Соответствующее рассеяние называется резерфордовским. Оно является упругим в том смысле, что кинетическая энергия а-частицы в результате рассеяния не изменяется, т.е. не растрачивается на возбуждение атомов, а тем более атомных ядер.

Сформулированная задача формально аналогична задаче Кеплера (1571 -1630) о движении планеты вокруг Солнца. И тут и там сила взаимодействия тел - центральная и меняется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. В случае планеты это сила притяжения, в случае α-частицы - сила отталкивания. Это проявляется в том, что планета (в зависимости от ее полной энергии) может двигаться и по эллипсу, и по гиперболе, а α-частица- только по гиперболе. Но в математических вычислениях это не имеет значения. Угол рассеяния α-частицы û равен углу между асимптотами ее гиперболической траектории.

Для него была получена формула:

Здесь m - масса α-частицы, v - ее скорость в «бесконечности», т.е. вдали от ядра, Ze- заряд ядра, 2е - заряд α-частицы, равный удвоенному элементарному заряду е. (Число Z называется зарядовьм числом ядра. Ради краткости его часто называют просто зарядом ядра, подразумевая, что за единицу принят элементарный заряд е.) Через b обозначено прицельное расстояние, т.е. длина перпендикуляра, опущенного из ядра на невозмущенную прямолинейную траекторию а-частицы (или, что то же самое, на касательную к реальной траектории, когда а-частица находилась бесконечно далеко от ядра).

Экспериментальной проверке в области атомных явлений, разумеется, доступна не сама формула, а статистические следствия из неё. Введем так называемое дифференциальное эффективное сечение рассеяния. Обозначим через I интенсивность плоскопараллельного пучка α-частиц, налетающих на ядро, т.е. число α-частиц пучка, проходящих в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к потоку. Из этого числа через элементарную площадку do, также перпендикулярную к потоку, проходит dN 1 =I do α-частиц. После рассеяния эти частицы попадают в элементарный телесный угол dΩ. Конечно, величина телесного угла dΩ и направление его оси определяются величиной и положением площадки do. Поэтому dN 1 имеет также смысл числа α-частиц, рассеиваемых ядром в единицу времени в телесный угол dΩ. Отношение dN1 к I равно do и имеет размерность площади. Оно и называется дифференциальным эффективным сечением ядра для рассеяния α-частиц в телесный угол dΩ. Это понятие применяется к рассеянию не только α-частиц, но и любых частиц, а также к другим процессам, происходящим с частицами. Таким образом, по определению т.е. дифференциальное эффективное сечение рассеяния есть отношение числа частиц, рассеянных атомом в единицу времени в телесный угол dΩ, к интенсивности I падающих частиц. Таким образом по определению т.е. дифференциальное эффективное сечение рассеяния есть отношение числа частиц, рассеянных атомов в единицу времени в телесный угол dΩ, к интенсивности I падающих частиц.

Определим теперь дифференциальное сечение для рассеяния α-частиц на отдельном ядре атома. Задача сводится к определению величины площадки do, пройдя через которую α-частица после рассеяния попадает внутрь заданного телесного угла dΩ. Возьмем за ось X прямолинейную траекторию той α-частицы, которой соответствует прицельное расстояние Ь= О (такая частица испытала бы с ядром лобовое столкновение). Используя цилиндрическую симметрию, для упрощения заменим do на кольцевую площадку do = 2πbdb, перпендикулярную к потоку. Внутренний радиус такой площадки равен Ь, наружный b + db, а центр расположен на оси X. Интервалу b, b + db соответствует интервал углов рассеяния û, û+ dû, причем по формуле

Введя телесный угол в который рассеиваются α-частицы, прошедшие через кольцевую площадку, нетрудно получить

В таком виде формула справедлива для любой элементарной площадки do, а не только для кольцевой. Она и называется формулой Резерфорда.

Введем понятие полного сечения рассеяния или какого-либо другого процесса. Оно определяется как отношение полного числа частиц, претерпевших рассматриваемый процесс в единицу времени, к интенсивности падающего пучка частиц. Полное сечение ð может быть получено из дифференциального сечения do путем интегрирования его по всем возможным значениям dΩ. В случае рассеяния α-частиц в формуле следует сначала положить dΩ = 2πsinðdð, а затем выполнить интегрирование в пределах от ð =0 до ð = п. Это дает ð = ∞. Результат этот понятен. Чем дальше площадка do удалена от оси X, тем меньше угол рассеяния ð. Частицы, проходящие через удаленные площадки, практически не отклоняются, т. е. проходят в окрестности угла рассеяния ð = 0. Суммарная площадь таких площадок, а с ней и полное число рассеянных частиц бесконечно велики. Бесконечно велико и полное поперечное сечение рассеяния. Впрочем, этот вывод имеет формальный характер, так как при малых углах рассеяния формула Резерфорда неприменима.

Приведем теперь формулу к виду, доступному для экспериментальной проверки. Акты рассеяния α-частиц различными атомами независимы. Отсюда следует, что если n - число ядер (атомов) в единице объема, то число α-частиц, рассеиваемых объемом V в единицу времени в телесный угол dΩ, определяется выражением

В таком виде формула Резерфорда и была подтверждена на опыте. В частности, на опыте было показано, что при постоянстве dΩ величина dN sin4 (ð/2) постоянна, т. е. не зависит от угла рассеяния ð, как это и должно быть согласно формуле.

Подтверждение формулы Резерфорда на опыте может рассматриваться как косвенное доказательство закона Кулона на таких малых расстояниях, на какие могут сближаться центры а-частицы и взаимодействующего с ней ядра. Другим доказательством могут служить опыты Блэкетта (1897-1974) по рассеянию α-частиц в газах. Фотографировалось большое количество треков α-частиц в камере Вильсона, измерялись угловые отклонения их и подсчитывалось, как часто встречаются определенные углы рассеяния. Эти опыты также подтвердили формулу Резерфорда. Но главной целью их была проверка закона Кулона. Оказалось, что при расстояниях между центрами α-частицы и взаимодействующего ядра в случае воздуха от до см, а в случае аргона от до см закон Кулона подтверждается экспериментально. Отсюда не следует, что этот закон справедлив на любых расстояниях между центрами взаимодействующих ядер. Опыты по упругому рассеянию легких ядер, ускоренных ускорителями, также на легких, но неподвижных ядрах показали, что наблюдаются резкие отступления от закона Кулона, когда указанное расстояние уменьшается до см и меньше. На таких расстояниях проявляют свое действие ядерные силы притяжения, перекрывающие кулоновские силы отталкивания ядер.

Формулу можно применить для измерения заряда ядра. Для этого надо измерить dN и I . После этого можно вычислить Z, так как все прочие величины в формуле могут считаться известными. Основная трудность состоит в том, что величины dN и I очень сильно отличаются друг от друга. В первых опытах они измерялись на различных установках, т. е. в разных условиях, что вносило значительные ошибки. В опытах Чэдвика (1891-1974) этот недостаток был устранен. Рассеивающая фольга имела форму кольца АА" (см. рис.), радиоактивный препарат R (источник α-частиц) и флуоресцирующий экран S из ZnS устанавливались на оси кольца на одинаковых расстояниях от него.

Для подсчета сцинтилляций от α-частиц, рассеянных фольгой, отверстие кольца AА" закрывалось экраном, непрозрачным для α-частиц. Наоборот, для измерения I производился подсчет сцинтилляций, когда отверстие было свободно, а кольцо АА" закрыто. Так как в этом случае число сцинтилляций было очень велико, то для его уменьшения перед экраном S устанавливался вращающийся диск с узким вырезом. Зная ширину выреза и сосчитав число сцинтилляций, можно вычислить I . Чэдвик нашел для платины Z = 77,4, серебра Z = 46,3, меди Z = 29,3. Атомные или порядковые номера этих элементов в периодической системе Менделеева равны соответственно 78, 47, 29. Тем самым был подтвержден уже известный результат, впервые установленный Мозли (1887-1915), что заряд ядра Z совпадает с атомным номером элемента.

Вернемся к модели атома, обоснованной опытами Резерфорда. Могут ли атомное ядро и окружающая его электронная оболочка образовать устойчивую систему, какой, несомненно, является атом? Если бы это было возможно, то эти частицы не могли бы находиться в покое. В противном случае получилась бы электростатическая система (практически) точечных зарядов, между которыми действуют кулоновы силы, а такая система, согласно теореме Ирншоу, неустойчива. Кулоновы силы меняются обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. Но так же меняются гравитационные силы между телами планетной системы. Устойчивость планетной системы обеспечивается вращением планет вокруг Солнца. Поэтому Резерфорд естественно пришел к планетарной модели атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра.

Однако, согласно классической электродинамике, при движении заряда меняется и электромагнитное поле, источником которого является заряд. В частности, электрический заряд, движущийся ускоренно, излучает электромагнитные волны. Вращающийся электрон имеет ускорение, а потому должен непрерывно излучать. Теряя энергию на излучение, электрон непрерывно приближался бы к ядру и в конце концов упал бы на него. Таким образом, и при наличии движения получается неустойчивая модель атома. Можно было бы предположить, что закон Кулона и прочие законы, определяющие электромагнитное поле в электродинамике, нарушаются в случае элементарных частиц и малых расстояний. Можно было бы учесть ядерные силы и ввести неизвестные нам гипотетические силы, обеспечивающие устойчивость атома. Но и это не спасает положения. Каковы бы ни были силы, согласно общим принципам классической механики спектр излучения атома должен состоять из нескольких основных частот и соответствующих им обертонов. Опыт приводит к совсем иной закономерности, выражаемой комбинационным принципом Ритца (1878-1909). Приходится констатировать, что классическая механика и электродинамика оказались не в состоянии объяснить существование атомов как устойчивых систем атомных ядер и электронов. Решение этой проблемы было получено только в рамках квантовой механики.

Опыт Резерфорда.

Опыт Резерфорда (1906 г.) по рассеянию быстрых заряженных частиц при прохождении через тонкие слои вещества позволили исследовать внутреннюю структуру атомов. В этих опытах для зондирования атомов использовались α – частица – полностью ионизированные атомы гелия, - возникающие при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых металлов.

Резерфорду было известно, что атомы состоят из легких отрицательно заряженных частиц – электронов и тяжелой положительно заряженной частицы. Основная цель опытов – выяснить, как распределен положительный заряд внутри атома. Рассеяние α – частиц (то есть изменение направления движения) может вызвать только положительно заряженная часть атома.

Опыты показали, что некоторая часть α – частиц рассеивается на большие углы, близки к 180˚, то есть отбрасывается назад. Это возможно только в том случае, если положительный заряд атома сосредоточен в очень малой центральной части атома – атомном ядре. В ядре сосредоточена также почти вся масса атома.

Оказалось, что ядра различных атомов имеют диаметры порядка 10 -14 – 10 -15 см, в то время как размер самого атома ≈10 -8 см, то есть в 10 4 – 10 5 раз превышает размер ядра.

Таким образом, атом оказался «пустым».

На основании опытов по рассеянию α – частиц на ядрах атомов Резерфорд пришел к планетарной модели атома . Согласно этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра и обращающихся вокруг него электронов.

С точки зрения классической физики такой атом должен быть неустойчив, так как электроны движущиеся по орбитам с ускорением, должны непрерывно излучать электромагнитную энергию.

Дальнейшее развитие представлений о строении атомов было сделано Н. Бором (1913 г.) на основе квантовых представлений.

Лабораторная работа.

Данный опыт возможно провести при помощи специального прибора, чертеж которого изображен на рисунке 1. Этот прибор представляет собой свинцовую коробочку с полным вакуумом внутри её и микроскопом.

Рассеяние (изменение направления движения) α – частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α – частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 1. Испускаемый радиоактивным препаратом пучок α – частиц выделялся диафрагмой и после этого падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (в данном случае это золото). После рассеяния α – частицы попадали на экран, покрытый сернистым цинком. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникала полоска света, состоящая из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α – частиц. Но когда на пути пучка помещалась фольга, α – частицы из-за рассеяния распределялись на большей площади экрана.

В нашем опыте нужно исследовать α – частицу, которая направлена на ядро золота при составлении угла 180° (рис. 2) и проследить за реакцией α – частицы, т.е. на какое минимальное расстояние α – частица приблизится к ядру золота (рис. 3).

Дано:

V 0 =1,6*10 7 м / с – начальная скорость

d = 10 -13

r min =?

Вопрс:

Какое минимальное расстояние r min между α – частицей и ядром удастся реализовать в данном эксперименте? (Рис. 4)

Решение:

В нашем эксперименте α – частица представлена как атом

Z=2 – протонов

N = Au – Z = 4 – 2 = 2 нейтрона

m p = кг

Z=79 – число протонов

N = Au – Z = 196 – 79 =117 (нейтронов)

Кл 2 / H ∙м 2 – электрическая постоянная

Существование в атоме почти точеч-ного, но очень тяжелого положительно заряженного ядра было доказано английским физиком Эрнестом Резерфор-дом .

В 1906-1912 гг. он изучал прохождение α-частиц с энергией в несколько МэВ через тонкие пластины (фоль-гу) золота и других металлов. Большинство частиц пролета-ло сквозь фольгу, практически не меняя направления сво-его движения. Но некоторые из них резко отклонялись от своего пути. При толщине фольги в 1 мкм в среднем всего 1 из 10 000 частиц отклонялась на угол больше 90°. Это каза-лось достаточно странным, так как, пролетая через фольгу, α-частица должна пройти мимо нескольких тысяч атомов.

Столь редкие взаимодействия заставили Резерфорда пред-положить, что масса в веществе распределена не равномер-но, а в виде отдельных, очень маленьких сгустков. Основ-ное количество частиц пролетает между этими сгустками, а рассеиваются только те, которые в них попадают. Поскольку атомы в твердом теле расположены достаточно близко друг от друга, расстояния между ними примерно такие же, как размеры са-мого атома, они не могут быть этими сгустками. Поэтому Резерфорд при-шел к выводу, что вещество сконцен-трировано в центре атома, в его «яд-ре».

К моменту проведения своих опытов ученый уже установил заряд и массу α-частиц. Он знал, что α-час-тицы несут положительный заряд, по величине в два раза превышаю-щий заряд электрона, и что они дос-таточно тяжелые, примерно в 7000 раз тяжелее электронов. Если α-частицы отклоняются ядрами, значит, ядра тоже несут положительный за-ряд.

Резерфорд рассчитал доли частиц, которые должны рассеиваться в определенные интервалы углов точечными ядрами. Результаты расчетов и экспериментов прекрасно согласуются, если положить заряд ядра равным Z| e|, где Z — атомный номер элемента, из которого сделана фольга.

Ин-тересно отметить, что данные опытов Резерфорд сравнивал с расчетами, выполненными в рамках классической физи-ки. Однако, как выяснилось после создания квантовой ме-ханики, полученная им для описания рассеяния α-частиц «классическая» формула (формула Резерфорда ) справед-лива и в квантовой физике. Этим фактом он очень гордил-ся. Ведь чтобы самому проделать вычисления, Резерфорд специально вместе со студентами прослушал курс теории вероятностей, хотя к тому времени он уже был нобелев-ским лауреатом, директором лаборатории, признанным мэтром экспериментальной физики!

Исходя из результатов опытов Резерфорда можно оценить верхнюю границу размеров ядра. Для этого найдем мини-мальное расстояние R, на которое α-частица с энергией E кин может подойти к ядру. При максимальном сближении с ядром кинетическая энергия α-частицы переходит в потен-циальную энергию кулоновского взаимодействия:

E кин = 2 keZe / R.

При E кин порядка нескольких МэВ, а имен-но такими были энергии α-частиц в опытах Резерфорда , по-лучим: R ~ 10 -14 м. Резерфорд в своих расчетах полагал яд-ро точечным, поэтому можно утверждать, что размеры ядер не превышают полученной цифры и до расстояний ~10 -14 м взаимодействие α-частиц с ядрами носит кулоновский характер. Правда, для частиц, которые испытывали лобовое столкновение и отклонялись почти на 180°, наблю-дались небольшие расхождения с распределением, следующим из закона Кулона. Это указывало на то, что на рас-стояниях, меньших ~10 -14 м, начинают действовать какие-то другие, не электростатические силы. Теперь мы знаем, что на таких расстояниях вступает в действие сильное (ядерное ) взаимодействие. Материал с сайта

Таким образом, Резерфорд установил в 1911 г. наличие в атомах ядер, размеры которых по крайней мере в 104 раз меньше размеров атомов и в которых сосредоточена прак-тически вся масса атома. После опытов Резерфорда стало ясно, что вещество в основном состоит «из пустоты». А за свои исследования Резерфорд заслужил в научном мире титул «отца атомной теории».

Резерфорд изучал строение атомов, бомбардируя их α-частицами. Он часто гово-рил: « Smash the atom» — «Расшибить атом». До сих пор обстрел частицами вы-соких энергий остается главным методом изучения структуры микрообъектов, изменились только инстру-менты. Созданы более точ-ные регистрирующие при-боры, методы компью-терной обработки результа-тов, а главное, современные мощные ускорители, кото-рые позволяют получать бомбардирующие частицы очень высоких энергий.

На этой странице материал по темам:

«Опыт Резерфорда».

Вот уже без малого сто лет "учёные" с завидным упорством, которому может позавидовать любой фанатик, пытаются сочинить законы и формулы, что бы заставить электроны крутиться вокруг ядра. Не допуская даже мысли о том, что атомы материи имеют совершенно другое строение. А начало этой истории в 1911 году положил Эрнест Резерфорд, который по результатам серии опытов с альфа-частицами, сделал заключение о «планетарном строении атома». Как при проведении самого опыта, так и при анализерезультатов эксперимента Резерфорд допустил серьёзные ошибки, и как следствие сделал абсолютно неверный вывод о строении атома. Но армия «учёных» физиков не только не заметила совершенно очевидных промахов, анаоборот в лице Нильса Бора теоретически обосновала. А сам опыт и выводы о «планетарном строении атома» сделанные Резерфордом превратила в «священную корову». И вот уже почти целый век «опыт Резерфорда» является «образцом изящества и глубины замысла» , и входят в обязательный курс физики средней школы. И сейчас в любом учебнике физики посвящённой данному вопросу мы можем прочесть следующее…

«Опыт Резерфорда» с сайта « elementy . ru ».

«Эрнест Резерфорд — уникальный ученый в том плане, что свои главные открытия он сделал уже после получения Нобелевской премии. В 1911 году ему удался эксперимент, который не только позволил ученым заглянуть вглубь атома и получить представление о его строении, но и стал образцом изящества и глубины замысла.

Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд построил пушку, дававшую направленный и сфокусированный поток частиц. Пушка представляла собой свинцовый ящик с узкой прорезью, внутрь которого был помещен радиоактивный материал. Благодаря этому частицы (в данном случае альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемые радиоактивным веществом во всех направлениях, кроме одного, поглощались свинцовым экраном, и лишь через прорезь вылетал направленный пучок альфа-частиц. Далее на пути пучка стояло еще несколько свинцовых экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от строго заданного направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный пучок альфа-частиц, а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги. В нее-то и ударял альфа-луч. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании на него альфа-частиц регистрировались вспышки. По ним экспериментатор мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы отклоняются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги.

Эксперименты подобного рода проводились и раньше. Основная их идея состояла в том, чтобы по углам отклонения частиц накопить достаточно информации, по которой можно было бы сказать что-либо определенное о строении атома. В начале ХХ века ученые уже знали, что атом содержит отрицательно заряженные электроны. Однако преобладало представление, что атом представляет собой что-то похожее на положительно заряженную тонкую сетку, заполненную отрицательно заряженными электронами-изюминами, — модель так и называлась «модель сетки с изюмом». По результатам подобных опытов ученым удалось узнать некоторые свойства атомов — в частности, оценить порядок их геометрических размеров.

Резерфорд, однако, заметил, что никто из его предшественников даже не пробовал проверить экспериментально, не отклоняются ли некоторые альфа-частицы под очень большими углами. Модель сетки с изюмом просто не допускала существования в атоме столь плотных и тяжелых элементов структуры, что они могли бы отклонять быстрые альфа-частицы на значительные углы, поэтому никто и не озабочивался тем, чтобы проверить такую возможность. Резерфорд попросил одного из своих студентов переоборудовать установку таким образом, чтобы можно было наблюдать рассеяние альфа-частиц под большими углами отклонения, — просто для очистки совести, чтобы окончательно исключить такую возможность. В качестве детектора использовался экран с покрытием из сульфида натрия — материала, дающего флуоресцентную вспышку при попадании в него альфа-частицы. Каково же было удивление не только студента, непосредственно проводившего эксперимент, но и самого Резерфорда, когда выяснилось, что некоторые частицы отклоняются на углы вплоть до 180°!

В рамках устоявшейся модели атома полученный результат не мог быть истолкован: в сетке с изюмом попросту нет ничего такого, что могло бы отразить мощную, быструю и тяжелую альфа-частицу. Резерфорд вынужден был заключить, что в атоме большая часть массы сосредоточена в невероятно плотном веществе, расположенном в центре атома. А вся остальная часть атома оказывалась на много порядков менее плотной, нежели это представлялось раньше. Из поведения рассеянных альфа-частиц вытекало также, что в этих сверхплотных центрах атома, которые Резерфорд назвал ядрами , сосредоточен также и весь положительный электрический заряд атома, поскольку только силами электрического отталкивания может быть обусловлено рассеяние частиц под углами больше 90°.

Годы спустя Резерфорд любил приводить по поводу своего открытия такую аналогию. В одной южноафриканской стране таможню предупредили, что в страну собираются провезти крупную партию контрабандного оружия для повстанцев, и оружие будет спрятано в тюках хлопка. И вот перед таможенником после разгрузки оказывается целый склад, забитый тюками с хлопком. Как ему определить, в каких именно тюках спрятаны винтовки? Таможенник решил задачу просто: он стал стрелять по тюкам, и, если пули рикошетили от какого-либо тюка, он по этому признаку и выявлял тюки с контрабандным оружием. Так и Резерфорд, увидев, как альфа-частицы рикошетируют от золотой фольги, понял, что внутри атома скрыта гораздо более плотная структура, чем предполагалось.

Картина атома, нарисованная Резерфордом по результатам опыта, нам сегодня хорошо знакома. Атом состоит из сверхплотного, компактного ядра, несущего на себе положительный заряд, и отрицательно заряженных легких электронов вокруг него. Позже ученые подвели под эту картину надежную теоретическую базу, но началось всё с простого эксперимента с маленьким образцом радиоактивного материала и куском золотой фольги».

Л. Купер «Физика для всех» Изд. 1973г.

«В то время уже было известно, что масса альфа-частицы порядка 6.62*10 -24 г., т. е. близка к массе атома гелия. Кроме того, было известно, что она обладает положительным зарядом, величина которого вдвое больше заряда электрона. Было известно также, что альфа-частицы, излучённые радиоактивным полонием, летят со скоростью 1.6*10 9 см/с. Можно было предположить (и такое предположение делалось), что альфа-частицы представляют собой атомы гелия, из которых в процессе излучения были каким-то образом вырваны электроны. Это предположение подтвердилось, когда Резерфорду и Ройдсу удалось обнаружить гелий в сосуде, в который они направляли альфа-частицы. Гейрер пропускал эти альфа-частицы через золотую фольгу толщиной 4*10 -4 мм (Через фольгу примерно в десять раз толще не проникала ни одна частица.) и наблюдал их отклонения на сернисто-цинковом экране…» «В ранних экспериментах, в которых в качестве мишени использовалась золотая фольга, а в качестве бомбардирующих частиц – альфа частицы, было прежде всего обнаружено, что практически все частицы, несмотря на то, что на пластинке золота укладывалось 400 слоёв атомов, проходили через мишень, не отклоняясь, как если бы атомы мишени были совершенно прозрачны для бомбардирующих частиц. – Резерфорд писал: «Я наблюдал рассеяние альфа-частиц, а д-р Гейгер исследовал в моей лаборатории это явление подробно. Он обнаружил, что в тонких металлических пластинах это рассеяние очень мало, порядка одного градуса. Однажды Гейгер пришёл ко мне и сказал: «Не думаете ли Вы, что молодому Марсдену, которого я обучаю радиоактивным методам, пора приступить к небольшому исследованию?» Я тоже считал, что пора, поэтому сказал: «Почему бы не поручить ему выяснить вопрос о том, могут ли альфа-частицы рассеиваться на большие углы?» По секрету могу вам сказать, что сам я не верил, что такой эффект возможен, так как мы знали, что альфа-частица представляет собой очень быструю, тяжёлую частицу с огромным запасом кинетической энергии, так что вероятность рассеяния назад для неё была чрезвычайно мала, если считать, что суммарное рассеяние альфа-частицы слагается из нескольких рассеяний на малые углы. Далее я помню, что через несколько дней ко мне пришёл крайне возбуждённый Гейгер и заявил: «Нам удалось наблюдать несколько альфа-частиц, рассеянных назад…» Это было самым невероятным событием в моей жизни. Оно было столь же невероятным, как если бы 15-дюймовый снаряд, выпущенный в кусок папиросной бумаги, отскочил от неё и ударил бы в стреляющего.»

1). А при чём здесь вообще господин Резерфорд? «…Гейгер пропускал эти альфа-частицы через золотую фольгу толщиной 4*10 -4 мм и наблюдал их отклонения на сернисто-цинковом экране…» «…Однажды Гейгер пришёл ко мне и сказал: «Не думаете ли Вы, что молодому Марсдену, которого я обучаю радиоактивным методам, пора приступить к небольшому исследованию?...» «…через несколько дней ко мне пришёл крайне возбуждённый Гейгер и заявил: «Нам удалось наблюдать несколько альфа-частиц, рассеянных назад…» Представьте такую ситуацию: Тренер д-р Гейгер выставляет на олимпийские игры спортсмена «Мардсена Ройдса», президент национального олимпийского комитета «Э. Резерфорд» в спортсмена и результат не верит, но другой кандидатуры нет, и он милостиво соглашается. Но неожиданно для всех и особеннодля президента национального олимпийского комитета спортсмен выигрывает соревнование с мировым рекордом. На церемонии награждения победителем соревнований и автором мирового рекорда объявляют президента национального олимпийского комитета «Э. Резерфорда», и начинают на него сыпаться ордена и медали, грамоты и премии и т. д. и т. п… При том что саму планетарную модель атома господин Резерфорд спёр у французского физика Жана Батиста Перена (1870 - 1942), который ещё в 1901 г. после исследования прохождения потока электронов в катодной трубке через различную материю, высказал предположение о ядерно-планетарном устройстве атома.

2) . Читаем «Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд построил пушку, дававшую направленный и сфокусированный поток частиц... а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги... Основная их идея состояла в том, чтобы по углам отклонения частиц накопить достаточно информации, по которой можно было бы сказать что-либо определенное о строении атома.» Вот так уважаемый читатель, как у Резерфорда и других учёных всё просто получается, предположили что материя состоит из атомов, взяли лист материи потоньше, и оказывается уже держат в руках отдельные атомы. Лист золотой фольги, господа хорошие, это есть материя, и бомбардируя её альфа-частицами вы будете изучать строение материи, но никак не атома.

3). До того как Мардсен Ройдс обнаружил альфа-частицы отскочившие назад учёный мир представлял, что материя состоит из неких кирпичиков-атомов, связанных между собой силой гравитации, без каких либо промежутков между ними. Но наличие альфа-частиц отражённых в обратную сторону эту теорию строения материи полностью опровергают, и ясно показывают, чтоматерия отличается от не материи присутствием в ней небольших частиц (атомов) занимающих небольшой объём, от общего объёма материи. Данный факт господин Резерфорд и другие «учёные» не смогли осознать и произвольно увеличили геометрические размеры атомов, приплетя к ним электроны которые якобы вращаются вокруг ядра. Когда ни один из результатов опыта не указывает на то, что вокруг этих частиц (атомов), что-то вращается. Так что ядерно-планетарная модель атома плод больного воображения Резерфорда и ниже с ним подписавшихся.

Давайте ещё раз прочитаем, что писал в отчёте сам Резерфорд. «Я наблюдал рассеяние альфа-частиц, а д-р Гейгер исследовал в моей лаборатории это явление подробно. Он обнаружил, что в тонких металлических пластинах это рассеяние очень мало, порядка одного градуса…» В результатах опытов рассеяние альфа частиц не превышало одного градуса, но на иллюстрациях к опыту показывается пучок частиц рассеянный на 20 – 30 градусов. А в дальнейшем в работах посвящённых опыту Резерфорда мы наблюдаем следующую картину:

«Результаты опытов Резерфорда:
1. большинство частиц проходит через атомы вещества. не рассеиваясь (как через "пустоту");
2. с увеличением угла рассеяния число отклонившихся от первоначального направления частиц резко уменьшается;
3. имеются отдельные частицы, отбрасываемые атомами назад, против их первоначального движения (как мяч от стенки).»

До того как Ройдс открыл отклонение частиц назад, не было зафиксировано ни одной частицы отклонившейся более чем на один градус. Эти опыты проводились многократно, и помощники Резерфорда все глаза проглядели, но так и не зафиксировали частиц отклонившиеся более чем на один градус. Кроме того, подобные эксперименты проводились и другими исследователями, где так же были зафиксированы отклонения альфа-частиц в пределах одного градуса. Господа «учёные» и не очень, в результатах опытов не было зафиксировано частиц отклонившихся на несколько градусов и не нужно их придумывать. В результатах опытов есть только частицы, отклонившиеся в пределах одного градуса и отскочившие назад (примерно одна на восемь тысяч). Но во всех работах посвящённых данной теме в результатах опыта появляются альфа-частицы, отклонившиеся на: 5, 10, 20 и более градусов, вот такие удивительные метаморфозы.

5). А ведь по логике вещей должны быть отклонения частиц на другие углы, но таких отклонений альфа-частиц зафиксировано не было, что на первый взгляд кажется совершенно не вероятным. Но только на первый взгляд, на самом деле всё закономерно.

Для начала разберёмся, почему при попадании на сернисто-цинковый экран возникает вспышка.

В процессе проведения опыта было выяснено, что альфа-частица представляет собой не что иное, как атом гелия, на это прямо указывает факт обнаружения гелия в сосуде, в который был направлен поток альфа-частиц. Гелий является инертным газом, следовательно при попадании альфа-частицы на сернисто-цинковый экран, ни о какой химической реакции, речи быть не может. Однако при этом мы видим вспышку, вопрос почему? Альфа-частицы при попадании в сернисто-цинковый экран, вызывают колебания атомов экрана, которые в свою очередь передаются атомам эфира и в эфире возникают электромагнитные волны видимого спектра, которые и видят наши глаза. Скорость полёта альфа-частицы ≈ 16000 км/с, и разумно будет предположить, что при меньшей скорости полёта кинетической энергии частиц не хватит, чтобы вызвать колебания атомов экрана. Точнее колебания в эфире будут, но только уже не в видимом спектре, а в инфракрасном диапазоне, который не видим простому глазу. Для того, что бы увидеть эти вспышки, нужен инфракрасный детектор.

Из размера и пространственного расположения атомов между собой можно заключить, что помимо силы взаимного притяжения, на атомы действует противодействующая сила, не дающая им упасть друг на друга. При лобовом столкновении альфа-частицы с атомом золота, атом смещается, после чего в действие вступают эти силы возвращая атом на его законное место, а альфа-частице дают почти 100% обратный импульс и альфа-частица летит в противоположную сторону со скоростью не менее 15000 км/с, коей хватает, что вызвать вспышку на сернисто-цинковом экране в видимом спектре. А даже при небольшом касательном столкновении как минимум процентов десять энергии частицы передаётся атому, а обратно она их уже не получает, пролетела. Скорость её полёта падает ниже14000 - 15000 км/с и кинетической энергии уже не достаточно, что бы вызвать вспышку на сернисто-цинковом экране. Точнее попадание альфа частицы при скорости ниже14000 - 15000 км/с вызывает вспышку на экране, только частота электромагнитных волн образующихся от попадания частицы лежит в инфракрасном диапазоне, ниже видимого спектра электромагнитных волн, не видимому простому глазу. Вот именно поэтому и не были зафиксированы отклонения альфа-частиц на другие углы. При проведении опыта не был выяснен порог чувствительности регистрирующего прибора (сернисто-цинкового экрана). Хотя может я ошибаюсь и он известен, но во всех источниках описывающих данный опыт которые я читал, про это не было сказано ни слова, а это факт не маловажен при окончательных выводах результатов эксперимента. (Насколько мне известно подобных экспериментов не проводилось, у кого есть возможность провести подобный опыт дерзайте, тема открыта...)

Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц. Масса α – частицы приблизительно в 7300 больше массы e, а заряд равен по модулю 2e. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжёлых металлов. Электроны, входящие в атом, из-за малой массы не могут сильно изменить траекторию частицы. Рассеяние может вызывать только тяжёлая положительно заряженная часть атома. На пути α-частицы, вылетающей из радиоактивного источника со скоростьюсм/c, ставилась тонкая золотая фольга – мешень толщиной 1 мкм, что равняется 10атомных слоев. На некотором расстоянии от мишени флуоресцирующий экран, на котором регистрируются вспышки от α-частиц. Опыт показал, что подавляющее число α-частиц отклоняется на малые углы (2-3 гр), однако, примерно одна частица на 10падающих отклонялась на большой угол, и даже на 180 гр. На основании этого Резерфорд высказал предположение: атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжёлое положительное ядро с зарядомZe, имеющее размеры, не превышающие 10

1. Вывод формулы Резерфорда для рассеяния α-частиц.

Импульс в результате рассеяния , гдеm-масса частицыv-начальная скорость. Согласно 2-ому закону Ньютона, гдеf-проекция силы на Δp.F= , тогда, подставим в предыдущее и получим
,;
;
;
;
; ; ;

;
Последнее выражение называется формулой Резерфорда для рассеяния α-частиц.

1. Следствия из опытов Резерфорда.

На основании своих опытов Резерфорд сделал выводы: атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжёлое положительное ядро с зарядом Ze, имеющее размеры, не превышающие 10
см, а вокруг ядра расположеныZэлектронов, распределённых по всему объёму, занимаемому атомом. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.

1. Экспериментальное определение заряда ядра по методу Чедвика.

Рассеивающая фольга имела форму кольца А А", радиоактивный препарат R (источник а-частиц) и флуоресцирующий экран S из ZnS устанавливались на оси кольца на одинаковых расстояниях от него. Для подсчета сцинтилляций от а-частиц, рассеянных фольгой, отверстие кольца А А" закрывалось экраном, непрозрачным для а-частиц. Наоборот, для измерения Iпроизводился подсчет сцинтилляций, когда отверстие было свободно, а кольцо А А" закрыто. Так как в этом случае число сцинтилляций было очень велико, то для его уменьшения перед экраном S устанавливался вращающийся диск с узким вырезом. Зная ширину выреза и сосчитав число сцинтилляций, можно вычислитьI. Подставить данные в
(приведённая формула Резерфорда). Чедвик нашел для платины Z = 77,4, серебра Z = 46,3, меди Z = 29,3.

1. Планетарная модель атома Резерфорда.

Атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого движутся электроны, - подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с учётом того, что движение электронов имеет квантовый характер и не описывается законами классической механики, ведь если электроны движутся вокруг ядра как планеты вокруг Солнца, то их движение ускоренное, и, следовательно, по законам классической электродинамики они должны были бы излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро.