Опыт Резерфорда.
РЕЗЕРФОРД Эрнст (1871-1937), английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, иностранный член-корреспондент РАН (1922) и почетный член АН СССР (1925). Директор Кавендишской лаборатории (с 1919). Открыл (1899) альфа- и бета-лучи и установил их природу. Создал (1903, совместно с Ф. Содди) теорию радиоактивности. Предложил (1911) планетарную модель атома. Осуществил (1919) первую искусственную ядерную реакцию. Предсказал (1921) существование нейтрона. Нобелевская премия (1908).
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 использовалисьб – 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 б – частиц (то есть изменение направления движения) может вызвать только положительно заряженная часть атома.
Опыты показали, что некоторая часть б – 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 104 – 105 раз превышает размер ядра. Таким образом, атом оказался “пустым”.
На основании опытов по рассеянию б – 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) б – частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеяниюб – частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 1. Испускаемый радиоактивным препаратом пучокб – частиц выделялся диафрагмой и после этого падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (в данном случае это золото). После рассеянияб – 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 пучкомб – частиц. Но когда на пути пучка помещалась фольга, б – частицы из-за рассеяния распределялись на большей площади экрана.
В нашем опыте нужно исследовать б – частицу, которая направлена на ядро золота при составлении угла 180° (рис. 2) и проследить за реакциейб – частицы, т. е. на какое минимальное расстояние б – частица приблизится к ядру золота (рис. 3). Рис. 2 Рис. 3 Дано: V0=1, 6*107 м/с – начальная скорость d = 10-13 = 180° rmin=? Вопрс:
Какое минимальное расстояние rmin между б – частицей и ядром удастся реализовать в данном эксперименте? (Рис. 4) Рис. 4 Решение: В нашем эксперименте б – частица представлена как атом mнейтркг Z=2 – протонов N = Au – Z = 4 – 2 = 2 нейтрона mp=кг Z=79 – число протонов N = Au – Z = 196 – 79 =117 (нейтронов) кг кг Кл2/H •м2 – электрическая постоянная m2=6, 6•10-27кг ZHe•2• — заряд ядра (He) ZAu•— заряд ядра (Au) — заряд б-частицы равен 2 элементарным. Ответ: rmin=4, 3·10-14 м
Вывод: При этом опыте удалось выяснить, что a-частица смогла приблизится к ядру атома на минимальное расстояние, которое составило rmin=4, 3·10-14 м и возвратится обратно, по той же траектории по которой она начинала движение.
Когда этот же опыт Резерфорд проделал в первые, при таком расположении a-частицы по отношению к углу составляющему 180° он удивленно сказал: “Это почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар”. И в правду, это не вероятно, дело в том, что проводя этот опыт на меньших углах, то а - частица обязательно отскочит в сторону, подобно тому как камушек несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не в состоянии заметно изменить его скорость (рис. 5). Так как их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скоростьб – частиц очень велика: она составляет 1/15скорости света. Следовательно, электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекториюб – частицы. Рис. 5