Існування в атомі майже точкового, але дуже важкого позитивно зарядженого ядра було доведено англійським фізиком Ернестом Резерфор-будинок.

У 1906-1912 pp. він вивчав проходження α-часток з енергією в кілька МеВ через тонкі пластини (фоль-гу) золота та інших металів. Більшість частинок пролітало крізь фольгу, практично не змінюючи напрямки свого руху. Але деякі їх різко відхилялися від свого шляху. При товщині фольги 1 мкм в середньому всього 1 з 10 000 частинок відхилялася на кут більше 90°. Це здавалося досить дивним, оскільки, пролітаючи через фольгу, α-частка повинна пройти повз кілька тисяч атомів.

Такі рідкісні взаємодії змусили Резерфордаприпустити, що маса в речовині розподілена не рівномірно, а у вигляді окремих, дуже маленьких згустків. Основна кількість частинок пролітає між цими згустками, а розсіюються тільки ті, які в них потрапляють. Оскільки атоми в твердому тілі розташовані досить близько один від одного, відстані між ними приблизно такі ж, як розміри самого атома, вони не можуть бути цими згустками. Тому Резерфорддійшов висновку, що речовина сконцентрована в центрі атома, в його «ядрі».

На момент проведення своїх дослідів учений уже встановив заряд та масу α-часток. Він знав, що α-частинки несуть позитивний заряд, що за величиною в два рази перевищує заряд електрона, і що вони досить важкі, приблизно в 7000 разів важче електронів. Якщо α-частинки відхиляються ядрами, отже, ядра теж несуть позитивний заряд.

Резерфордрозрахував частки частинок, які мають розсіюватись у певні інтервали кутів точковими ядрами. Результати розрахунків та експериментів чудово узгоджуються, якщо покласти заряд ядра рівним Z|e|,де Z- Атомний номер елемента, з якого зроблена фольга.

Цікаво відзначити, що дані дослідів Резерфордпорівнював з розрахунками, виконаними в рамках класичної фізики. Однак, як з'ясувалося після створення квантової механіки, отримана ним для опису розсіювання α-часток «класична» формула ( формула Резерфорда) справедлива і в квантовій фізиці. Цим фактом він дуже пишався. Адже щоб самому зробити обчислення, Резерфорд спеціально разом зі студентами прослухав курс теорії ймовірностей, хоча на той час він уже був нобелівським лауреатом, директором лабораторії, визнаним метром експериментальної фізики!

Виходячи з результатів дослідів Резерфордаможна оцінити верхню межу розмірів ядра. Для цього знайдемо мінімальну відстань R,на яке α-частка з енергією Eкін може підійти до ядра. При максимальному зближенні з ядром кінетична енергія α-частки переходить у потенційну енергію кулонівської взаємодії:

E кін = 2 keZe /R.

При E кінпорядку декількох МеВ, а саме такими були енергії α-часток дослідах Резерфорда, отримаємо: R ~ 10 -14 м. Резерфорд у своїх розрахунках вважав ядро ​​точковим, тому можна стверджувати, що розміри ядер не перевищують отриманої цифри і до відстаней ~10 -14 м взаємодія α-часток з ядрами носить кулоновський характер. Щоправда, для частинок, які зазнавали лобове зіткнення і відхилялися майже на 180 °, спостерігалися невеликі розбіжності з розподілом, що випливає із закону Кулона. Це вказувало те що, що у відстанях, менших ~10 -14 м, починають діяти якісь інші, не електростатичні сили. Тепер ми знаємо, що на таких відстанях набирає чинності ( ядерне) взаємодія. Матеріал із сайту

Таким чином, Резерфордвстановив в 1911 р. наявність в атомах ядер, розміри яких принаймні в 104 разів менше розмірів атомів і в яких зосереджена практично вся маса атома. Після дослідів Резерфордастало зрозуміло, що речовина переважно складається «з порожнечі». А за свої дослідження Резерфорд заслужив у науковому світі титул «батька атомної теорії».

Резерфорд вивчав будову атомів, бомбардуючи їх α-частинками. Він часто говорив: «Smashtheatom»"Розбити атом". Досі обстріл частинками високих енергій залишається головним методом вивчення структури мікрооб'єктів, змінилися тільки інструменти. Створені більш точні реєструючі прилади, методи комп'ютерної обробки результатів, а головне, сучасні потужні прискорювачі, які дозволяють отримувати бомбардуючі частинки дуже високих енергій.

На цій сторінці матеріал за темами:

Резерфорд запропонував застосувати зондування атома за допомогою α-часток. Маса α – частки приблизно 7300 більше маси e, а заряд дорівнює по модулю 2e. Цими частинками Резерфорд бомбардував атоми важких металів. Електрони, що входять в атом, через малу масу не можуть сильно змінити траєкторію частки. Розсіювання може викликати лише важка позитивно заряджена частина атома. На шляху α-частки, що вилітає з радіоактивного джерела зі швидкістю см/c, ставилася тонка золота фольга – мішень завтовшки 1 мкм, що дорівнює 10 атомних верств. На деякій відстані від мішені флуоресціюючий екран, на якому реєструються спалахи від α-часток. Досвід показав, що переважна кількість α-часток відхиляється на малі кути (2-3 гр), однак приблизно одна частка на 10 падаючих відхилялася на великий кут, і навіть на 180 грн. На підставі цього Резерфорд висловив припущення: атом є системою зарядів, в центрі якої розташоване важке позитивне ядро ​​з зарядом Ze, що має розміри, що не перевищують 10

1. Висновок формули Резерфорда для розсіювання α-часток.

Імпульс в результаті розсіювання , де-маса частинки-початкова швидкість. Згідно з 2-м законом Ньютона , Деf-проекція сили на Δp.F= тоді підставимо в попереднє і отримаємо
,;
;
;
;
; ; ;

;
Останній вираз називається формулою Резерфорда для розсіювання α-часток.

1. Наслідки із дослідів Резерфорда.

На підставі своїх дослідів Резерфорд зробив висновки: атом є системою зарядів, в центрі якої розташоване важке позитивне ядро ​​з зарядом Ze, що має розміри, що не перевищують 10
см, а навколо ядра розташовані Zелектронів, розподілених по всьому об'єму, який займає атом. Майже вся маса атома зосереджена у ядрі.

1. Експериментальне визначення заряду ядра методом Чедвіка.

Розсіювальна фольга мала форму кільця А А", радіоактивний препарат R (джерело а-часток) і флуоресцентний екран S із ZnS встановлювалися на осі кільця на однакових відстанях від нього. Для підрахунку сцинтиляцій від а-часток, розсіяних фольгою, отвір кільця А А" закривалося екраном, непрозорим для а-часток. Навпаки, для вимірювання I проводився підрахунок сцинтиляцій, коли отвір було вільно, а кільце А А" закрито. Так як в цьому випадку число сцинтиляцій було дуже велике, то для його зменшення перед екраном S встановлювався диск з вузьким вирізом, що обертається. Знаючи ширину вирізу і порахувавши число сцинтиляцій, можна обчислити I. Підставити дані в
(Наведена формула Резерфорда). Чедвік знайшов для платини Z=77,4, срібла Z=46,3, міді Z=29,3.

1. Планетарна модель атома Резерфорд.

Атом складається з невеликого позитивно зарядженого ядра, в якому зосереджена майже вся маса атома, навколо якого рухаються електрони, - подібно до того, як планети рухаються навколо Сонця. Планетарна модель атома відповідає сучасним уявленням про будову атома з урахуванням того, що рух електронів має квантовий характер і не описується законами класичної механіки, адже якщо електрони рухаються навколо ядра як планети навколо Сонця, то їхній рух прискорений, і, отже, за законами класичної електродинаміки вони мали б випромінювати електромагнітні хвилі, втрачати енергію і падати на ядро.

Освіта

Досвід Резерфорда з розсіювання альфа-часток (коротко)

2 квітня 2017

Ернест Резерфорд - це один із засновників фундаментального вчення про внутрішню будову атома. Народився вчений в Англії, в сім'ї емігрантів із Шотландії. Резерфорд був четвертою дитиною у своїй сім'ї, при цьому виявився найталановитішим. Особливий внесок йому вдалося зробити теорію будови атома.

Початкові уявлення про будову атома

Потрібно відзначити, що до того, як було проведено знаменитий досвід Резерфорда з розсіяння альфа-часток, що панувала на той час ідеєю про будову атома, була модель Томпсона. Цей учений був упевнений, що позитивний заряд поступово заповнював весь обсяг атома повністю. Негативно заряджені електрони, вважав Томпсон, були ніби вкраплення в нього.

Передумови до наукового перевороту

Після закінчення школи Резерфорд як найталановитіший учень отримав грант у 50 фунтів для подальшого навчання. Завдяки цьому він зумів вступити до коледжу у Новій Зеландії. Далі молодий вчений складає іспити в Кентерберійському університеті і починає серйозно займатися фізикою та хімією. 1891 року Резерфорд зробив свою першу доповідь на тему «Еволюція елементів». У ньому вперше в історії була позначена ідея про те, що атоми є складними структурами.

Тоді в наукових колах панувала ідея Дальтона про те, що атоми неподільні. Всім, хто оточував Резерфорда, його ідеї видалися досконалим безумством. Молодому вченому доводилося постійно вибачатися колегам за свою «нісенітницю». Але через 12 років Резерфорд все ж таки зумів довести свою правоту. У Резерфорда з'явився шанс продовжити свої дослідження в лабораторії Кавенді в Англії, де він почав вивчати процеси іонізації повітря. Першим відкриттям Резерфорда були альфа-і бета-промені.

Досвід Резерфорда

Коротко про відкриття можна розповісти так: у 1912 році Резерфорд разом зі своїми помічниками провів свій знаменитий досвід – альфа-частинки випускалися зі свинцевого джерела. Усі частинки, крім тих, що виявлялися поглиненими свинцем, рухалися вздовж встановленого каналу. Їхній вузький потік потрапляв на тонкий шар фольги. Ця лінія була перпендикулярна до листа. Досвід Резерфорда щодо розсіяння альфа-часток довів: ті частинки, які проходили крізь аркуш фольги наскрізь, викликали так звані сцинтиляції на екрані.

Цей екран був покритий особливою речовиною, яка починала світитися при попаданні на нього альфа-частинок. Простір між шаром золотої фольги та екраном був заповнений вакуумом для того, щоб альфа-частинки не розсіювалися в повітрі. Такий прилад дозволив дослідникам спостерігати частинки, що розсіюються під кутом 150°.

Якщо фольгу не використовували як перешкоди перед пучком з альфа-частинок, то на екрані утворювався світлий гурток із сцинтиляцій. Але як тільки перед їхнім променем ставили бар'єр із золотої фольги, то картина дуже змінювалася. Спалахи з'являлися не лише поза цим гуртком, а й на протилежному боці фольги. Досвід Резерфорда щодо розсіяння альфа-частинок показав, що більшість частинок проходить через фольгу без помітних змін у траєкторії руху.

При цьому деякі частинки відхилялися під чималим кутом і навіть відкидалися назад. На кожні 10 000 частинок, що вільно проходять через шар золотої фольги, лише одна відхилялася на кут, що перевищував 10° - як виняток одна з частинок відхилялася на такий кут.

Причина, через яку відхилялися альфа-частинки

Те, що детально розглянув та довів досвід Резерфорда – будова атома. Таке положення свідчило про те, що атом не є суцільною освітою. Більшість частинок вільно проходили через фольгу завтовшки один атом. І оскільки маса альфа-частинки практично у 8 000 разів більша за масу електрона, то останній не міг би суттєво вплинути на траєкторію альфа-частинки. Це могло б бути зробленим лише атомним ядром - тілом малих розмірів, що володіє майже всією масою та всім електричним зарядом атома. Тоді це стало значним проривом англійського фізика. Досвід Резерфорда вважається одним із найважливіших ступенів у становленні науки про внутрішню будову атома.

Інші відкриття, отримані у процесі вивчення атома

Ці дослідження стали прямим доказом, що позитивний заряд атома перебуває усередині його ядра. Ця область займає дуже малий простір проти його цілісними розмірами. У такому малому обсязі розсіювання альфа-часток виявилося дуже малоймовірним. А ті частинки, які проходили поблизу області атомного ядра, зазнавали різких відхилень від траєкторії, адже сили, що відштовхують між альфа-часткою і ядром атома, були дуже потужними. Досвід Резерфорда з розсіяння альфа-частинок довів ймовірність того, що альфа-частка потрапить прямо в ядро. Правда, ймовірність була дуже мала, але все ж таки не дорівнює нулю.

То справді був не єдиний факт, який довів досвід Резерфорда. Коротко будову атома вивчали та її колеги, які зробили низку інших важливих відкриттів. Крім вчення про те, що альфа-частинки являють собою ядра гелію, що швидко рухаються.

Вчений зміг описати будову атома, де ядро ​​займає незначну частину всього обсягу. Його досліди довели, що майже весь заряд атома зосереджений усередині його ядра. При цьому відбуваються як випадки відхилення альфа-часток, так і випадки їхнього зіткнення з ядром.

Досліди Резерфорда: ядерна модель атома

1911 року Резерфорд після численних досліджень запропонував модель будови атома, яку назвав планетарною. Згідно з цією моделлю, всередині атома розташоване ядро, яке містить у собі практично всю масу частинки. Електрони рухаються навколо ядра подібно до того, як це роблять планети навколо Сонця. З їхньої сукупності утворюється так звана електронна хмара. Атом має нейтральний заряд, як показав досвід Резерфорда.

Будова атома надалі зацікавила вченого на ім'я Нільс Бор. Саме він доопрацював вчення Резерфорда, адже до Бора планетарна модель атома почала стикатися з труднощами пояснення. Так як електрон рухається навколо ядра певною орбітою з прискоренням, рано чи пізно він повинен впасти на ядро ​​атома. Проте Нільс Бор зміг довести, що всередині атома закони класичної механіки не діють.

α-частки – це повністю іонізовані атоми гелію. Вони були відкриті Резерфордом у 1899 році при вивченні явища радіоактивності. Цими частинками Резерфорд бомбардував атоми важких елементів (золото, срібло, мідь та інших.). Електрони, що входять до складу атомів, внаслідок малої маси не можуть помітно змінити траєкторію α-частинки. Розсіювання, тобто зміна напрямку руху α-часток, може спричинити лише важку позитивно заряджену частину атома.

Від радіоактивного джерела, укладеного в свинцевий контейнер, α-частинки прямували на тонку металеву фольгу. Розсіяні частинки потрапляли на екран, покритий шаром кристалів сульфіду цинку, здатних світитися під ударами швидких заряджених частинок. Сцинтиляції на екрані спостерігалися оком за допомогою мікроскопа. Спостереження розсіяних α-часток у досвіді Резерфорда можна було проводити під різними кутами φ до початкового напрямку пучка. Було виявлено, що більшість -частинок проходить через тонкий шар металу, практично не відчуваючи відхилення. Однак невелика частина частинок відхиляється на значні кути, що перевищують 30 °. Дуже рідкісні α-частинки (приблизно одна на десять тисяч) зазнавали відхилень на кути, близькі до 180°.

Ці міркування привели Резерфорда до висновку, що атом майже порожній, і його позитивний заряд зосереджений у малому обсязі. Цю частину атома Резерфорд назвав атомним ядром. Так виникла ядерна модель атома.

Таким чином, досліди Резерфорда та його співробітників привели до висновку, що в центрі атома знаходиться щільне позитивно заряджене ядро, діаметр якого не перевищує 10 -14 -10 -15 м. Це ядро ​​займає лише 10 -12 частина повного об'єму атома, але містить весь позитивний заряд і щонайменше 99,95 % його маси. Речовини, яка становить ядро ​​атома, слід приписати колосальну щільність порядку ρ ≈ 10 15 г/см 3 . Заряд ядра повинен дорівнювати сумарному заряду всіх електронів, що входять до складу атома. Згодом вдалося встановити, що якщо заряд електрона прийняти за одиницю, то заряд ядра точно дорівнює номеру даного елемента в таблиці Менделєєва.

Радикальні висновки про будову атома, які випливали з дослідів Резерфорда, змушували багатьох учених сумніватися у справедливості. Не був винятком і сам Резерфорд, який опублікував результати своїх досліджень лише 1911 р. через два роки після виконання перших експериментів. Маючи класичні уявлення про рух мікрочастинок, Резерфорд запропонував планетарну модель атома. Згідно з цією моделлю, в центрі атома розташовується позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома. Атом загалом нейтральний. Навколо ядра, подібно до планет, під дією кулонівських сил з боку ядра обертаються електрони (рис. 6.1.4). Перебувати у стані спокою електрони що неспроможні, оскільки вони впали на ядро.

Атом складається з компактного та масивного позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених легких електронів навколо нього.

Ернест Резерфорд - унікальний вчений у тому плані, що свої головні відкриття він зробив уже післяздобуття Нобелівської премії. У 1911 році йому вдався експеримент, який не тільки дозволив вченим заглянути вглиб атома і отримати уявлення про його будову, а й став взірцем витонченості та глибини задуму.

Використовуючи природне джерело радіоактивного випромінювання, Резерфорд побудував гармату, що давала спрямований і сфокусований потік частинок. Гармата була свинцевою скринькою з вузьким прорізом, всередину якого був поміщений радіоактивний матеріал. Завдяки цьому частинки (у даному випадку альфа-частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів), що випускаються радіоактивною речовиною у всіх напрямках, крім одного, поглиналися свинцевим екраном, і лише через проріз вилітав спрямований пучок альфа-частинок. Далі на шляху пучка стояло ще кілька свинцевих екранів з вузькими прорізами, що відсікали частинки, що відхиляються від заданого напрямку. В результаті до мішені підлітав ідеально сфокусований пучок альфа-часток, а сама мішень була найтоншим листом золотої фольги. У неї й ударяв альфа-промінь. Після зіткнення з атомами фольги альфа-частинки продовжували свій шлях і потрапляли на люмінесцентний екран, встановлений за мішені, на якому при попаданні на нього альфа-частинок реєструвалися спалахи. За ними експериментатор міг судити, скільки і наскільки альфа-частинки відхиляються від напряму прямолінійного руху внаслідок зіткнень з атомами фольги.

Експерименти такого роду проводилися і раніше. Основна їх ідея полягала в тому, щоб по кутах відхилення частинок накопичити достатньо інформації, за якою можна було б сказати певне про будову атома. На початку ХХ століття вчені вже знали, що атом містить негативно заряджені електрони. Однак переважало уявлення, що атом є чимось схожим на позитивно заряджену тонку сітку, заповнену негативно зарядженими електронами-родзинками, — модель так і називалася «модель сітки з родзинками». За результатами подібних дослідів вченим вдалося дізнатися про деякі властивості атомів — зокрема, оцінити порядок їх геометричних розмірів.

Резерфорд, однак, зауважив, що ніхто з його попередників навіть не пробував перевірити експериментально, чи не відхиляються деякі альфа-частинки під дуже великими кутами. Модель сітки із родзинками просто не допускала існування в атомі настільки щільних і важких елементів структури, що вони могли б відхиляти швидкі альфа-частинки на значні кути, тому ніхто й не переймався тим, щоб перевірити таку можливість. Резерфорд попросив одного зі своїх студентів переобладнати установку таким чином, щоб можна було спостерігати розсіювання альфа-частинок під великими кутами відхилення, просто для очищення совісті, щоб остаточно виключити таку можливість. Як детектор використовувався екран з покриттям з сульфіду натрію - матеріалу, що дає флуоресцентний спалах при попаданні в нього альфа-частинки. Яке ж було здивування не лише студента, який безпосередньо проводив експеримент, а й самого Резерфорда, коли з'ясувалося, що деякі частинки відхиляються на кути аж до 180°!

В рамках усталеної моделі атома отриманий результат не міг бути витлумачений: у сітці із родзинками просто немає нічого такого, що могло б відобразити потужну, швидку та важку альфа-частку. Резерфорд змушений був зробити висновок, що в атомі більша частина маси зосереджена в неймовірно щільному речовині, розташованому в центрі атома. А решта атома виявлялася на багато порядків менш щільною, ніж це уявлялося раніше. З поведінки розсіяних альфа-часток випливало також, що у цих надщільних центрах атома, які Резерфорд назвав ядрами, зосереджений також весь позитивний електричний заряд атома, оскільки тільки силами електричного відштовхування може бути обумовлено розсіювання частинок під кутами більше 90°.

Через роки Резерфорд любив наводити з приводу свого відкриття таку аналогію. В одній південноафриканській країні митницю попередили, що в країну збираються провезти велику партію контрабандної зброї для повстанців, і зброя буде захована в тюках бавовни. І ось перед митником після розвантаження виявляється цілий склад, забитий тюками з бавовною. Як йому визначити, в яких саме пакунках сховані гвинтівки? Митник вирішив завдання просто: він став стріляти по пакунках, і, якщо кулі рикошетили від якогось пакунка, він за цією ознакою і виявляв пакунки з контрабандною зброєю. Так і Резерфорд, побачивши, як альфа-частинки рикошетують від золотої фольги, зрозумів, що всередині атома прихована набагато щільніша структура, ніж передбачалося.

Картина атома, намальована Резерфордом за наслідками досвіду, нам сьогодні добре знайома. Атом складається із надщільного, компактного ядра, що несе на собі позитивний заряд, і негативно заряджених легких електронів навколо нього. Пізніше вчені підвели під цю картину надійну теоретичну базу. див.Атом (Бора), але почалося все з простого експерименту з маленьким зразком радіоактивного матеріалу і шматком золотої фольги.

Див. також:

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

Новозеландський фізик. Народився у Нельсоні, у сім'ї фермера-ремісника. Виграв стипендію для здобуття освіти у Кембриджському університеті в Англії. Після його закінчення отримав призначення до канадського університету Мак-Гілл (McGill University), де спільно з Фредеріком Содді (Frederick Soddy, 1877-1966) встановив основні закономірності явища радіоактивності, за що в 1908 році був удостоєний Нобелівської премії з хімії. Невдовзі вчений перебрався до Манчестерського університету, де під його керівництвом Ганс Гейгер (Hans Geiger, 1882-1945) винайшов свій знаменитий лічильник Гейгера, зайнявся дослідженнями будови атома і в 1911 відкрив існування атомного ядра. У роки Першої світової війни займався розробкою сонарів (акустичних радарів) виявлення підводних човнів противника. У 1919 році був призначений професором фізики та директором Кавендіської лабораторії Кембриджського університету і в тому ж році відкрив розпад ядра внаслідок бомбардування важкими частинками високих енергій. На цій посаді Резерфорд залишався до кінця життя, одночасно будучи впродовж багатьох років президентом Королівського наукового товариства. Похований у Вестмінстерському абатстві поряд із Ньютоном, Дарвіном та Фарадеєм.