Съществуването на почти точково, но много тежко, положително заредено ядро ​​в атома е доказано от английския физик Ърнест Къща Ръдърфорт.

През 1906-1912г. той изучава преминаването на α-частици с енергия от няколко MeV през тънки пластини (фолио) от злато и други метали. Повечето от частиците прелетяха през фолиото, практически без да променят посоката на движението си. Но някои от тях рязко се отклониха от пътя си. При дебелина на фолиото от 1 микрон средно само 1 на 10 000 частици се отклонява под ъгъл, по-голям от 90°. Това изглеждаше доста странно, тъй като, летейки през фолиото, една алфа частица трябва да премине през няколко хиляди атома.

Такива редки взаимодействия са принудени Ръдърфордприемете, че масата в веществото не е разпределена равномерно, а под формата на отделни, много малки бучки. По-голямата част от частиците летят между тези бучки и само онези, които попадат в тях, се разпръскват. Тъй като атомите в твърдото тяло са разположени доста близо един до друг, разстоянията между тях са приблизително същите като размерите на самия атом, те не могат да бъдат тези бучки. Ето защо РъдърфордСтигнах до извода, че веществото е концентрирано в центъра на атома, в неговото „ядро“.

По време на своите експерименти ученият вече е установил заряда и масата на α-частиците. Той знаеше, че алфа частиците носят положителен заряд, два пъти по-голям от заряда на електрона, и че са доста тежки, около 7000 пъти по-тежки от електроните. Ако алфа частиците се отклоняват от ядра, тогава ядрата също носят положителен заряд.

Ръдърфордизчислява фракциите от частици, които трябва да бъдат разпръснати в определени ъглови интервали от точкови ядра. Резултатите от изчисленията и експериментите са в отлично съответствие, ако поставим ядрения заряд равен на Z|д|,Където Зе атомният номер на елемента, от който е направено фолиото.

Интересно е да се отбележи, че данните Експериментите на Ръдърфордв сравнение с изчисленията, извършени в рамките на класическата физика. Въпреки това, както се оказа след създаването на квантовата механика, „класическата“ формула, която той получи, за да опише разсейването на α-частиците ( Формула на Ръдърфорд) е вярно и в квантовата физика. Той беше много горд от този факт. В края на краищата, за да направи сам изчисленията, Ръдърфорд специално взе курс по теория на вероятностите заедно със своите ученици, въпреки че по това време той вече беше Нобелов лауреат, директор на лаборатория и признат магистър по експериментална физика!

Въз основа на резултатите Експериментите на Ръдърфордвъзможно е да се оцени горната граница на размера на ядрото. За да направим това, намираме минималното разстояние R,към която α-частица с енергия д kin може да се доближи до ядрото. При максимално приближаване до ядрото кинетичната енергия на α частицата се трансформира в потенциалната енергия на кулоновото взаимодействие:

E kin = 2 keZe/Р.

При E kinот порядъка на няколко MeV и това са енергиите на α-частиците в Експериментите на Ръдърфорд, получаваме: R~ 10 -14 м. В своите изчисления Ръдърфорд приема, че ядрото е точково, така че може да се твърди, че размерите на ядрата не надвишават получената цифра и до разстояния от ~10 -14 м взаимодействието на α -частици с ядра е Кулон по природа. Вярно е, че за частици, които са претърпели челен сблъсък и са се отклонили почти на 180°, са наблюдавани леки разлики с разпределението, следващо закона на Кулон. Това показва, че на разстояния, по-малки от ~10 -14 m, започват да действат някои други, неелектростатични сили. Сега знаем, че на такива разстояния силно ( ядрен) взаимодействие. Материал от сайта

По този начин, Ръдърфордустановява през 1911 г. присъствието в атомите на ядра, чиито размери са най-малко 104 пъти по-малки от размерите на атомите и в които е концентрирана почти цялата маса на атома. След Експериментите на РъдърфордСтана ясно, че материята се състои основно от „празнота“. И за своите изследвания Ръдърфорд спечели титлата „баща на атомната теория“ в научния свят.

Ръдърфорд изучава структурата на атомите, като ги бомбардира с алфа частици. Той често казваше: „Разбийтенаатом" -„Разбийте атома“. Досега бомбардирането с високоенергийни частици остава основният метод за изследване на структурата на микрообектите, само инструментите са се променили. Създадени са по-точни инструменти за запис, методи за компютърна обработка на резултатите и най-важното - модерни мощни ускорители, които позволяват получаването на бомбардиращи частици с много високи енергии.

На тази страница има материали по следните теми:

Ръдърфорд предложи използването на атомно сондиране с помощта на алфа частици. Масата на α частицата е приблизително 7300 по-голяма от масата на e, а зарядът е равен по абсолютна стойност на 2e. Ръдърфорд бомбардира атоми на тежки метали с тези частици. Електроните, влизащи в атома, поради ниската си маса, не могат значително да променят траекторията на частицата. Разсейването може да бъде причинено само от тежката, положително заредена част на атома. По пътя на алфа частица, излизаща от радиоактивен източник със скорост cm/s, е поставено тънко златно фолио - мрежа с дебелина 1 микрон, което е равно на 10 атомни слоеве. На известно разстояние от целта има флуоресцентен екран, на който се записват проблясъци от α-частици. Опитът показва, че по-голямата част от α-частиците се отклоняват под малки ъгли (2-3 градуса), но приблизително една частица на 10 падащите се отклоняваха под голям ъгъл и дори на 180 градуса. Въз основа на това Ръдърфорд предположи, че атомът е система от заряди, в центъра на която има тежко положително ядро ​​със заряд Ze, имащо размери не повече от 10

1. Извеждане на формулата на Ръдърфорд за разсейване на α-частици.

Импулс, дължащ се на разсейване, където m е масата на частицата, а v е началната скорост. Според 2-ри закон на Нютон , къдетоf е проекцията на силата върху Δp.F= , след това го заменете в предишния и вземете
,;
;
;
;
; ; ;

;
Последният израз се нарича формула на Ръдърфорд за разсейване на α-частици.

1. Последици от експериментите на Ръдърфорд.

Въз основа на своите експерименти Ръдърфорд направи изводи: атомът е система от заряди, в центъра на която има тежко положително ядро ​​със заряд Ze, което има размери не повече от 10
cm, а около ядрото има Z електрони, разпределени в целия обем, зает от атома. Почти цялата маса на атома е концентрирана в ядрото.

1. Експериментално определяне на ядрения заряд по метода на Чадуик.

Разсейващото фолио имаше формата на пръстен A A", радиоактивният препарат R (източник на алфа частици) и флуоресцентният екран S, изработен от ZnS, бяха монтирани по оста на пръстена на еднакви разстояния от него. За да се броят сцинтилациите от алфа частици, разпръснати от фолиото, отворът на пръстена A A" беше покрит с екран, който беше непрозрачен за алфа частици. Напротив, за измерване на I, сцинтилациите бяха преброени, когато дупката беше свободна и пръстен A A" беше затворен. Тъй като в този случай броят на сцинтилациите беше много голям, за да се намали, отпред беше монтиран въртящ се диск с тесен изрез на екрана S. Знаейки ширината на изреза и преброявайки броя на сцинтилациите, може да се изчисли I. Заместете данните в
(редуцирана формула на Ръдърфорд). Чадуик намери Z = 77,4 за платина, Z = 46,3 за сребро и Z = 29,3 за мед.

1. Планетарният модел на атома на Ръдърфорд.

Атомът се състои от малко, положително заредено ядро, което съдържа почти цялата маса на атома, около което се движат електрони, точно както планетите се движат около Слънцето. Планетарният модел на атома съответства на съвременните представи за структурата на атома, като се отчита фактът, че движението на електроните има квантово естество и не се описва от законите на класическата механика, тъй като ако електроните се движат около ядрото подобно на планетите около Слънцето, тогава тяхното движение се ускорява и следователно според законите на класическата електродинамика те трябва да излъчват електромагнитни вълни, да губят енергия и да падат върху ядрото.

образование

Експериментът на Ръдърфорд за разсейване на алфа частици (накратко)

2 април 2017 г

Ърнест Ръдърфорд е един от основателите на фундаменталното учение за вътрешната структура на атома. Ученият е роден в Англия, в семейство на емигранти от Шотландия. Ръдърфорд беше четвъртото дете в семейството си и се оказа най-талантливото. Той успя да направи специален принос в теорията на структурата на атома.

Първоначални представи за строежа на атома

Трябва да се отбележи, че преди да бъде извършен известният експеримент на Ръдърфорд за разсейването на алфа частици, доминиращата идея по това време за структурата на атома беше моделът на Томпсън. Този учен беше сигурен, че положителният заряд равномерно запълва целия обем на атома. Отрицателно заредените електрони, според Томпсън, са сякаш осеяни с него.

Предпоставки за научна революция

След като завършва училище, Ръдърфорд, като най-талантлив ученик, получава стипендия от 50 паунда за по-нататъшно образование. Благодарение на това той успя да отиде в колеж в Нова Зеландия. След това младият учен полага изпити в университета в Кентърбъри и започва сериозно да учи физика и химия. През 1891 г. Ръдърфорд изнася първата си беседа върху "Еволюцията на елементите". За първи път в историята тя очертава идеята, че атомите са сложни структури.

По това време в научните среди доминира идеята на Далтън, че атомите са неделими. На всички около Ръдърфорд идеята му изглеждала напълно безумна. Младият учен трябваше постоянно да се извинява на колегите си за своите „глупости“. Но след 12 години Ръдърфорд все пак успя да докаже, че е прав. Ръдърфорд има шанса да продължи изследванията си в Кавендишката лаборатория в Англия, където започва да изучава процесите на йонизация на въздуха. Първото откритие на Ръдърфорд са алфа и бета лъчите.

Опитът на Ръдърфорд

Откритието може да се опише накратко по следния начин: през 1912 г. Ръдърфорд, заедно със своите помощници, провежда своя знаменит експеримент - алфа частици се излъчват от оловен източник. Всички частици, с изключение на тези, които бяха абсорбирани от олово, се движеха по инсталирания канал. Тесната им струйка падаше върху тънък слой фолио. Тази линия беше перпендикулярна на листа. Експериментът на Ръдърфорд върху разсейването на алфа частици доказа, че онези частици, които преминават точно през лист фолио, причиняват така наречените сцинтилации на екрана.

Този екран беше покрит със специално вещество, което започваше да свети, когато алфа частици го удариха. Пространството между слоя златно фолио и екрана беше изпълнено с вакуум, за да се предотврати разпръскването на алфа частици във въздуха. Такова устройство позволи на изследователите да наблюдават разпръскване на частици под ъгъл от около 150°.

Ако фолиото не се използва като препятствие пред лъча от алфа частици, тогава на екрана се образува светъл кръг от сцинтилации. Но щом пред лъча им беше поставена бариера от златно фолио, картината се промени значително. Светкавици се появиха не само извън този кръг, но и от противоположната страна на фолиото. Експериментът на Ръдърфорд върху разсейването на алфа частици показа, че повечето частици преминават през фолиото без забележими промени в траекторията си.

В този случай някои частици бяха отклонени под доста голям ъгъл и дори бяха изхвърлени назад. На всеки 10 000 частици, свободно преминаващи през слой златно фолио, само една се отклонява под ъгъл над 10° - по изключение една от частиците се отклонява под такъв ъгъл.

Причината, поради която алфа частиците са били отклонени

Това, което експериментът на Ръдърфорд изследва и доказва в детайли, е структурата на атома. Тази ситуация показва, че атомът не е непрекъснато образувание. Повечето частици преминават свободно през фолиото с дебелина един атом. И тъй като масата на алфа-частицата е почти 8000 пъти по-голяма от масата на електрона, последният не би могъл да повлияе значително на траекторията на алфа-частицата. Това би могло да се направи само от атомното ядро ​​- тяло с малки размери, притежаващо почти цялата маса и целия електрически заряд на атома. По това време това се превърна в значителен пробив за английския физик. Опитът на Ръдърфорд се счита за една от най-важните стъпки в развитието на науката за вътрешната структура на атома.

Други открития, направени в процеса на изучаване на атома

Тези изследвания предоставиха пряко доказателство, че положителният заряд на атома се намира вътре в неговото ядро. Тази зона заема много малко пространство в сравнение с общите си размери. В такъв малък обем разсейването на алфа частици се оказа много малко вероятно. И онези частици, които преминават близо до областта на атомното ядро, изпитват резки отклонения от траекторията, тъй като силите на отблъскване между алфа-частицата и атомното ядро ​​са много мощни. Експериментът на Ръдърфорд за разсейване на алфа частици доказа вероятността алфа частица да удря директно ядрото. Вярно, че вероятността беше много малка, но все пак не беше нулева.

Това не беше единственият факт, който опитът на Ръдърфорд доказа. Структурата на атома е изследвана за кратко от неговите колеги, които правят редица други важни открития. С изключение на учението, че алфа частиците са бързо движещи се хелиеви ядра.

Ученият успя да опише структурата на атом, в който ядрото заема малка част от общия обем. Неговите експерименти доказват, че почти целият заряд на атома е концентриран вътре в неговото ядро. В този случай възникват както случаи на отклонение на алфа частици, така и случаи на сблъсък с ядрото.

Експериментите на Ръдърфорд: ядрен модел на атома

През 1911 г. Ръдърфорд, след многобройни изследвания, предлага модел на структурата на атома, който той нарича планетарен. Според този модел вътре в атома има ядро, което съдържа почти цялата маса на частицата. Електроните се движат около ядрото по начин, подобен на начина, по който планетите се движат около Слънцето. От тяхната комбинация се образува т. нар. електронен облак. Атомът има неутрален заряд, както показа експериментът на Ръдърфорд.

Структурата на атома по-късно се интересува от учен на име Нилс Бор. Именно той финализира учението на Ръдърфорд, защото преди Бор планетарният модел на атома започва да среща трудности при обяснението. Тъй като електронът се движи около ядрото по определена орбита с ускорение, рано или късно той трябва да падне върху ядрото на атома. Но Нилс Бор успява да докаже, че вътре в атома законите на класическата механика вече не важат.

α частиците са напълно йонизирани хелиеви атоми. Те са открити от Ръдърфорд през 1899 г., докато изучават явлението радиоактивност. Ръдърфорд бомбардира атоми на тежки елементи (злато, сребро, мед и др.) с тези частици. Електроните, които изграждат атомите, поради ниската си маса не могат да променят забележимо траекторията на α частицата. Разсейването, тоест промяната в посоката на движение на α-частиците, може да бъде причинено само от тежката, положително заредена част на атома.

От радиоактивен източник, затворен в оловен контейнер, алфа частиците се насочват върху тънко метално фолио. Разпръснатите частици падаха върху екран, покрит със слой от кристали от цинков сулфид, способни да светят, когато бъдат ударени от бързо заредени частици. Сцинтилации (светкавици) на екрана се наблюдават с око с помощта на микроскоп. Наблюденията на разпръснати α частици в експеримента на Ръдърфорд могат да се извършват под различни ъгли φ спрямо първоначалната посока на лъча. Установено е, че повечето α частици преминават през тънък слой метал с малко или никакво отклонение. Но малка част от частиците се отклоняват под значителни ъгли, надвишаващи 30°. Много редки алфа частици (около една на десет хиляди) са били отклонени под ъгли, близки до 180°.

Тези съображения доведоха Ръдърфорд до заключението, че атомът е почти празен и целият му положителен заряд е концентриран в малък обем. Ръдърфорд нарича тази част от атома атомно ядро. Така възниква ядреният модел на атома.

Така експериментите на Ръдърфорд и неговите колеги доведоха до заключението, че в центъра на атома има плътно, положително заредено ядро, чийто диаметър не надвишава 10–14–10–15 м. Това ядро ​​заема само 10 –12 от общия обем на атома, но съдържа целия положителен заряд и поне 99,95% от масата му. Веществото, съставляващо ядрото на атома, трябваше да получи колосална плътност от порядъка на ρ ≈ 10 15 g/cm 3 . Зарядът на ядрото трябва да бъде равен на общия заряд на всички електрони, които изграждат атома. Впоследствие беше възможно да се установи, че ако зарядът на електрона се приеме за единица, тогава зарядът на ядрото е точно равен на номера на даден елемент в периодичната таблица.

Радикалните заключения за структурата на атома, произтичащи от експериментите на Ръдърфорд, принудиха много учени да се усъмнят в тяхната валидност. Самият Ръдърфорд не е изключение, публикувайки резултатите от своите изследвания едва през 1911 г., две години след провеждането на първите експерименти. Въз основа на класическите идеи за движението на микрочастиците Ръдърфорд предлага планетарен модел на атома. Според този модел в центъра на атома има положително заредено ядро, в което е съсредоточена почти цялата маса на атома. Атомът като цяло е неутрален. Електроните се въртят около ядрото, подобно на планетите, под въздействието на кулонови сили от ядрото (фиг. 6.1.4). Електроните не могат да бъдат в покой, тъй като биха паднали върху ядрото.

Атомът се състои от компактно и масивно положително заредено ядро ​​и отрицателно заредени леки електрони около него.

Ърнест Ръдърфорд е уникален учен в смисъл, че вече е направил основните си открития следполучаване на Нобелова награда. През 1911 г. той успява в експеримент, който не само позволява на учените да надникнат дълбоко в атома и да получат представа за структурата му, но също така се превръща в модел на изящество и дълбочина на дизайна.

Използвайки естествен източник на радиоактивно лъчение, Ръдърфорд построява оръдие, което произвежда насочен и фокусиран поток от частици. Пистолетът представляваше оловна кутия с тесен процеп, вътре в който беше поставен радиоактивен материал. Поради това частиците (в този случай алфа частици, състоящи се от два протона и два неутрона), излъчени от радиоактивното вещество във всички посоки с изключение на една, се абсорбират от оловния екран и само насочен лъч от алфа частици се освобождава през процепа . По-нататък по пътя на лъча имаше още няколко оловни екрана с тесни процепи, които отрязваха частици, отклоняващи се от строго определена посока. В резултат на това идеално фокусиран лъч от алфа частици полетя към целта, а самата цел беше тънък лист златно фолио. Това беше алфа лъчът, който я удари. След като се сблъскат с атомите на фолиото, алфа частиците продължават пътя си и удрят луминисцентен екран, монтиран зад мишената, на който се записват проблясъци, когато алфа частици го ударят. По тях експериментаторът би могъл да прецени в какво количество и колко алфа частиците се отклоняват от посоката на праволинейно движение в резултат на сблъсъци с атоми на фолиото.

Експерименти от този вид са провеждани и преди. Основната им идея беше да натрупат достатъчно информация от ъглите на отклонение на частиците, за да може да се каже нещо определено за структурата на атома. В началото на двадесети век учените вече знаеха, че атомът съдържа отрицателно заредени електрони. Въпреки това, преобладаващата идея беше, че атомът е нещо като положително заредена фина решетка, пълна с отрицателно заредени стафидени електрони – модел, наречен „модел на стафидена решетка“. Въз основа на резултатите от такива експерименти учените успяха да научат някои свойства на атомите - по-специално да оценят реда на техните геометрични размери.

Ръдърфорд обаче отбеляза, че никой от неговите предшественици дори не се е опитал да тества експериментално дали някои алфа частици се отклоняват под много големи ъгли. Моделът на решетката със стафиди просто не позволяваше съществуването на структурни елементи в атома, толкова плътни и тежки, че да могат да отклоняват бързите алфа частици под значителни ъгли, така че никой не си направи труда да тества тази възможност. Ръдърфорд помоли един от своите ученици да преоборудва инсталацията по такъв начин, че да е възможно да се наблюдава разсейването на алфа частици при големи ъгли на отклонение - просто за да изчисти съвестта си, за да изключи напълно тази възможност. Детекторът беше екран, покрит с натриев сулфид, материал, който произвежда флуоресцентна светкавица, когато алфа частица го удари. Представете си изненадата не само на студента, който директно е извършил експеримента, но и на самия Ръдърфорд, когато се оказа, че някои частици се отклоняват под ъгъл до 180°!

В рамките на установения модел на атома резултатът не може да бъде интерпретиран: просто няма нищо в решетката със стафиди, което да отразява мощна, бърза и тежка алфа частица. Ръдърфорд беше принуден да заключи, че в атома по-голямата част от масата е концентрирана в невероятно плътно вещество, разположено в центъра на атома. А останалата част от атома се оказа с много порядъци по-малка плътност, отколкото се смяташе преди. От поведението на разпръснатите алфа частици също следва, че в тези свръхплътни центрове на атома, които Ръдърфорд нарича ядра, целият положителен електрически заряд на атома също е концентриран, тъй като само силите на електрическо отблъскване могат да причинят разсейване на частици под ъгли, по-големи от 90°.

Години по-късно Ръдърфорд обичаше да използва тази аналогия за своето откритие. В една южноафриканска държава митническите служители са били предупредени, че голяма пратка оръжие ще бъде внесена контрабандно в страната за бунтовниците и оръжията ще бъдат скрити в бали памук. И сега, след разтоварването, митничарят се изправя пред цял склад, пълен с бали памук. Как може да определи кои бали съдържат пушки? Митничарят реши проблема просто: той започна да стреля по балите и ако куршумите рикошираха от някоя бала, той идентифицира балите с контрабандно оръжие по този знак. Така Ръдърфорд, виждайки как алфа частиците рикошират от златното фолио, осъзнава, че вътре в атома е скрита много по-плътна структура от очакваното.

Картината на атома, начертана от Ръдърфорд въз основа на резултатите от неговия експеримент, ни е добре известна днес. Атомът се състои от свръхплътно, компактно ядро, което носи положителен заряд, и отрицателно заредени леки електрони около него. По-късно учените предоставиха надеждна теоретична основа за тази картина ( см. Bohr Atom), но всичко започна с прост експеримент с малка проба от радиоактивен материал и парче златно фолио.

Вижте също:

Ърнест Ръдърфорд, първи барон Ръдърфорд от Нелсън, 1871-1937 г.

новозеландски физик. Роден в Нелсън, син на занаятчия фермер. Печели стипендия за обучение в университета Кеймбридж в Англия. След дипломирането си е назначен в канадския университет Макгил, където заедно с Фредерик Соди (1877-1966) установява основните закономерности на явлението радиоактивност, за което получава Нобелова награда за химия през 1908 г. Скоро ученият се премества в университета в Манчестър, където под негово ръководство Ханс Гайгер (1882-1945) изобретява своя прочут брояч на Гайгер, започва да изследва структурата на атома и през 1911 г. открива съществуването на атомното ядро. По време на Първата световна война той участва в разработването на сонари (акустични радари) за откриване на вражески подводници. През 1919 г. той е назначен за професор по физика и директор на Кавендишката лаборатория в университета в Кеймбридж и през същата година открива ядрен разпад в резултат на бомбардиране от високоенергийни тежки частици. Ръдърфорд остава на тази позиция до края на живота си, като в същото време е дълги години президент на Кралското научно общество. Погребан е в Уестминстърското абатство до Нютон, Дарвин и Фарадей.