Опыт Резерфорда

Существование в атоме почти точеч­ного, но очень тяжелого положительно заряженного ядра было доказано английским физиком Эрнестом Резерфор­дом.

В 1906-1912 гг. он изучал прохождение α-частиц с энергией в несколько МэВ через тонкие пластины (фоль­гу) золота и других металлов. Большинство частиц пролета­ло сквозь фольгу, практически не меняя направления сво­его 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 каза­лось достаточно странным, так как, пролетая через фольгу, α-частица должна пройти мимо нескольких тысяч атомов.

Столь редкие взаимодействия заставили Резерфорда пред­положить, что масса в веществе распределена не равномер­но, а в виде отдельных, очень маленьких сгустков. Основ­ное 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 са­мого атома, они не могут быть этими сгустками. Поэтому Резерфорд при­шел к выводу, что вещество сконцен­трировано в центре атома, в его «яд­ре».

Прибор, с помощью которого Резерфорд исследовал рассеяние α-частиц: 1 — микроскоп; 2 — флуоресцирующий экран; 3 — препарат радия в свинцовой экранирующей оболочке; 4 — проволочка, используемая в качестве мишени; 5 — подвод вакуумного насоса; 6 — корпус

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

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.

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

Исходя из результатов опытов Резерфорда можно оценить верхнюю границу размеров ядра. Для этого найдем мини­мальное 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 потен­циальную энергию кулоновского взаимодействия:

E_кин = 2keZe / R.

При E_кин порядка нескольких МэВ, а имен­но такими были энергии α-частиц в опытах Резерфорда, по­лучим: R ~ 10^-14 м. Резерфорд в своих расчетах полагал яд­ро 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°, наблю­дались небольшие расхождения с распределением, следующим из закона Кулона. Это указывало на то, что на рас­стояниях, 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 http://worldof.school

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 прак­тически 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 гово­рил: «Smash the atom» — «Расшибить атом». До сих пор обстрел частицами вы­соких энергий остается главным методом изучения структуры микрообъектов, изменились только инстру­менты. Созданы более точ­ные регистрирующие при­боры, методы компью­терной обработки результа­тов, а главное, современные мощные ускорители, кото­рые позволяют получать бомбардирующие частицы очень высоких энергий.

На этой странице материал по темам:

• Ок строение атома опыт резерфорда шпора по физике

• Опыт резерфорда ясно и кратко

• Задачи по физике на радиоактивность