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:

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.

Образование

Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц (кратко)

2 апреля 2017

Эрнест Резерфорд - это один из основателей фундаментального учения о внутреннем строении атома. Родился ученый в Англии, в семье эмигрантов из Шотландии. Резерфорд был четвертым ребенком в своей семье, при этом оказался самым талантливым. Особый вклад ему удалось внести в теорию строения атома.

Первоначальные представления о строении атома

Нужно отметить, что до того, как был проведен знаменитый опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц, господствующей на то время идеей о строении атома была модель Томпсона. Этот ученый был уверен, что положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома целиком. Отрицательно заряженные электроны, считал Томпсон, были будто бы вкраплениями в него.

Предпосылки к научному перевороту

После окончании школы Резерфорд как самый талантливый ученик получил грант в 50 фунтов для дальнейшего обучения. Благодаря этому он сумел поступить в колледж в Новой Зеландии. Далее молодой ученый сдает экзамены в Кентерберийском университете и начинает серьезно заниматься физикой и химией. В 1891 году Резерфорд сделал свой первый доклад на тему «Эволюция элементов». В нем впервые в истории была обозначена идея о том, что атомы представляют собой сложнейшие структуры.

Тогда в научных кругах господствовала идея Дальтона о том, что атомы неделимы. Всем, кто окружал Резерфорда, его идее показались совершенным безумием. Молодому ученому приходилось постоянно приносить извинения коллегам за свою «чепуху». Но через 12 лет Резерфорд все же сумел доказать свою правоту. У Резерфорда появился шанс продолжить свои исследования в Кавендишской лаборатории в Англии, где он начал изучать процессы ионизации воздуха. Первым открытием Резерфорда были альфа- и бета-лучи.

Опыт Резерфорда

Кратко об открытиии можно рассказать так: в 1912 году Резерфорд вместе со своими помощниками провел свой знаменитый опыт - альфа-частицы испускались из свинцового источника. Все частицы, кроме тех, что оказывались поглощенными свинцом, двигались вдоль установленного канала. Их узкий поток попадал на тонкий слой фольги. Эта линия была перпендикулярна листу. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц доказал: те частицы, которые проходили сквозь лист фольги насквозь, вызывали так называемые сцинтилляции на экране.

Этот экран был покрыт особым веществом, которое начинало светиться при попадании на него альфа-частиц. Пространство между слоем золотой фольги и экраном было заполнено вакуумом для того, чтобы альфа-частицы не рассеивались в воздухе. Такой прибор позволил исследователям наблюдать частицы, рассеивающиеся под углом порядка 150°.

Если же фольгу не использовали в качестве препятствия перед пучком из альфа-частиц, то на экране образовывался светлый кружок из сцинтилляций. Но как только перед их лучом ставили барьер из золотой фольги, то картина сильно менялась. Вспышки появлялись не только вне этого кружка, но и на противоположной стороне фольги. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц показал, что большинство частиц проходит через фольгу без заметных изменений в траектории движения.

При этом некоторые частицы отклонялись под довольно большим углом и даже отбрасывались назад. На каждые 10 000 свободно проходящих через слой золотой фольги частиц лишь одна отклонялась на угол, превышавший 10° - в виде исключения одна из частиц отклонялась на такой угол.

Причина, по которой отклонялись альфа-частицы

То, что детально рассмотрел и доказал опыт Резерфорда - строение атома. Такое положение свидетельствовало о том, что атом не представляет собой сплошное образование. Большинство частиц свободно проходили через фольгу толщиной в один атом. И поскольку масса альфа-частицы практически в 8 000 раз больше массы электрона, то последний не мог бы существенно повлиять на траекторию альфа-частицы. Это могло бы быть сделанным лишь атомным ядром - телом малых размеров, обладающим почти всей массой и всем электрическим зарядом атома. На тот момент это стало значительным прорывом английского физика. Опыт Резерфорда считается одной из важнейших ступеней в становлении науки о внутреннем строении атома.

Другие открытия, полученные в процессе изучения атома

Эти исследования стали прямым доказательством того, что положительный заряд атома находится внутри его ядра. Эта область занимает весьма малое пространство по сравнению с его целостными размерами. В таком малом объеме рассеяние альфа-частиц оказалось очень маловероятным. А те частицы, которые проходили вблизи области атомного ядра, испытывали резкие отклонения от траектории, ведь отталкивающие силы между альфа-частицей и ядром атома были очень мощными. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц доказал вероятность того, что альфа-частица попадет прямо в ядро. Правда, вероятность была очень мала, но все же не равна нулю.

Это был не единственный факт, который доказал опыт Резерфорда. Кратко строение атома изучали и его коллеги, которые сделали ряд других важных открытий. Кроме учения о том, что альфа-частицы представляют собой быстро движущиеся ядра гелия.

Ученый смог описать строение атома, в котором ядро занимает незначительную часть всего объема. Его опыты доказали, что практически весь заряд атома сосредоточен внутри его ядра. При этом происходят как случаи отклонения альфа-частиц, так и случаи их столкновения с ядром.

Опыты Резерфорда: ядерная модель атома

В 1911 году Резерфорд после многочисленных исследований предложил модель строения атома, которую назвал планетарной. Согласно данной модели, внутри атома расположено ядро, которое содержит в себе практически всю массу частицы. Электроны движутся вокруг ядра подобно тому, как это делают планеты вокруг Солнца. Из их совокупности образуется так называемое электронное облако. Атом же имеет нейтральный заряд, как показал опыт Резерфорда.

Строение атома в дальнейшем заинтересовало ученого по имени Нильс Бор. Именно он доработал учение Резерфорда, ведь до Бора планетарная модель атома стала сталкиваться с трудностями объяснения. Так как электрон движется вокруг ядра по определенной орбите с ускорением, рано или поздно он должен упасть на ядро атома. Однако Нильс Бор смог доказать, что внутри атома законы классической механики уже не действуют.

α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома.

Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10 –14 –10 –15 м. Это ядро занимает только 10 –12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 10 15 г/см 3 . Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 6.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Атом состоит из компактного и массивного положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных легких электронов вокруг него.

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 (см. Атом Бора), но началось всё с простого эксперимента с маленьким образцом радиоактивного материала и куском золотой фольги.

См. также:

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

Новозеландский физик. Родился в Нельсоне, в семье фермера-ремесленника. Выиграл стипендию для получения образования в Кембриджском университете в Англии. После его окончания получил назначение в канадский университет Мак-Гилл (McGill University), где совместно с Фредериком Содди (Frederick Soddy, 1877-1966) установил основные закономерности явления радиоактивности, за что в 1908 году был удостоен Нобелевской премии по химии. Вскоре ученый перебрался в Манчестерский университет, где под его руководством Ханс Гейгер (Hans Geiger, 1882-1945) изобрел свой знаменитый счетчик Гейгера, занялся исследованиями строения атома и в 1911 году открыл существование атомного ядра. В годы Первой мировой войны занимался разработкой сонаров (акустических радаров) для обнаружения подводных лодок противника. В 1919 году был назначен профессором физики и директором Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и в том же году открыл распад ядра в результате бомбардировки тяжелыми частицами высоких энергий. На этом посту Резерфорд оставался до конца жизни, одновременно являясь на протяжении многих лет президентом Королевского научного общества. Похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с Ньютоном, Дарвином и Фарадеем.