МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ.

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

кафедра физики

РЕФЕРАТ

Опыты Резерфорда

Выполнил: Кузнецов И.А. (группа 226)

Проверил: Берхоер Л.Д.

Новосибирск 2000 г.

Эрнест Резерфорд – один из самых знаменитых физиков первой половины XX века. Когда-то Резерфорд первый анатомировал атом, обнаружив в нем ядро. Он исследовал сложные явления, протекающие в этой поразительно малой частице вещества, а затем в своей лаборатории расщепил ядра атомов.

Еще будучи студентом 2-го курса университета Резерфорд на одной из конференций выступил с докладом на тему «Эволюция элементов». Резерфорд высказал предположение, что все химические элементы представляют собой сложные химические системы, состоящие из одних и тех же элементарных частиц. В то время атом считался неделимым – в физике господствовала теория Дальтона о неделимости атомов.

Первая попытка создания на основе накопленных экспериментальных данных модели атома принадлежит ДЖ. ДЖ. Томсону. Электроны, как думал Томсон, вкраплены в сверхминиатюрную сферу диаметром 10 –8 см., в которой равномерно распределены положительные заряды. Вместе с отрицательно заряженными электронами сфера электрически нейтральна. Это и есть атом. В то время так думал и Резерфорд, работавший в одной лаборатории с Томсоном, и даже не мечтал, что сможет создать более совершенную модель, основанную на новых представлениях.

В 1896 г, изучая люминесценцию различных веществ, А.Беккерель случайно обнаружил, что соли урана излучают без предварительного их освещения. Это излучение обладает большой проникающей силой и способно воздействовать на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу. Резерфорд тотчас занялся изучением Беккерелиевых лучей. Он начал исследования рентгеновских лучей с проверки своего предположения о связи между рентгеновскими и беккерелиевыми лучами. Эта мысль пришла к нему в голову по очень простой причине: и те и другие производили ионизацию воздуха. Эта идея не увенчалась успехом.

Но наиболее важным результатом Резерфорда было открытие;-частиц в составе излучения, испускаемого ураном. Резерфорд поместил урановый источник в сильное магнитное поле и разделил излучение на три различных его вида. Иными словами, он открыл тогда состав радиоактивности: альфа– и бета–частицы и гамма-лучи.

Получив;-частицы, Резерфорд тотчас же сделал гениальное заключение, что именно они представляют собой мощный инструмент для проникновения в глубь атома. Как подтвердилось позднее, это было абсолютно правильно. В последующих работах Резерфорд широко использовал;-астицы в качестве снарядов, проникающих в сердце атома – атомное ядро.

Резерфорд открыл эманацию тория и доказал, что этот радиоактивный газ, выделяющийся из тория, представляет собой химический элемент, отличающийся от самого тория. Позднее он определил атомный вес эманации и показал, что она представляет собой благородный газ нулевой группы системы Д.И.Менделева.

Резерфорд и Фредерик Содди впервые объясняют радиоактивный распад как самопроизвольный переход одних элементов в другие. После эманации тория Резерфорд открыл эманацию радия – радон. Ученому было ясно, что радий, испуская;-частицы, превращается в новое активное вещество, подобно эманации тория. Это открытие окончательно подтверждало теорию радиоактивного распада.

В начале 1903 года Резерфорд опытным путем пытается определить химический состав;-частиц. Идея заключается в том, чтобы сравнить массу;-частицы с массами атомов известных элементов. Опыт позволил ему первому идентифицировать;-частицы с атомами гелия. Позднее это подтвердилось и спектрографически.

В 1908 году Резерфорд приступил к широким опытам по исследованию;-частиц методом подсчета их с помощью сцинтилляционного счетчика Гейгера.

Вместе с Гейгером и Ройдсом Резерфорд произвел серию опытов, подтверждавших, что;-частицы есть ничто иное как дважды ионизированные (т.е. потерявшие по 2 электрона) атомы гелия. Этот исторический опыт, благодаря которому уже ни у кого не могло остаться сомнения в правильности его теории распада, заключался в следующем:

в запаянную трубку 2 Резерфорд поместил некоторое количество радона – эманации радия. Толщина стенок этой трубки 0,01 мм. Они достаточно тонки, чтобы испускаемые радоном;-частицы могли проходить через них во внешнюю трубку 3. Перед опытом трубка 3 тщательно откачивалась, и в ней спектрографическим путем нельзя было обнаружить линий гелия. Через несколько дней в трубке 3 обнаружилось накопление газа. Повышая давление в приборе, накопившийся газ можно было сконцентрировать в трубке 1. Через трубку пропускался электрический заряд и тогда оказывалось, что в ней спектральный анализ показывает характерные линии гелия. В трубке был гелий. Но может быть он попал в трубку 2 по недосмотру вместе с радоном, а оттуда проник в трубки 3 и 1? Контрольный опыт дал на этот вопрос отрицательный ответ. Точно в такой же прибор (в трубку 2) Резерфорд помещал не радон, а чистый гелий. Однако через несколько дней в трубке 1 линии гелия не обнаруживались. Гелий не мог пройти через стеклянные стенки трубки 2 в трубку 3. ;-частицы же легко проходили через стекло и накапливались в трубке 3, а затем концентрировались в трубке 1, где и подвергались спектральному анализу, давая линии гелия.

После этого Резерфорд, вместе с Гейгером и Марсденом провели новую серию экспериментов. Результаты произвели переворот в физике. Это была наиболее драматическая глава в науке нашего времени. Резерфорд открыл атомное ядро и тем самым основал новую исключительно важную науку – ядерную физику.

Что это были за эксперименты? Резерфорд и Гейгер на первых порах продолжили наблюдения сцинтилляций, вызываемых;-частицами при ударе о люминесцентный экран из сернистого цинка. Прежде всего опыты привели Резерфорда к заключению, что каждая вспышка (сцинтилляция) вызывается одной;-частицей. Таким образом оправдалось предположение, выдвинутое им ранее. Резерфорд писал тогда, что наблюдение сцинтилляций на экране из сернистого цинка представляет собой очень удобный способ счета частиц, если каждая частица вызывает вспышку. Следовательно, если каждая вспышка вызвана одной;-частицей, то перед физиками открывается возможность наблюдать за поведением отдельных атомов.

Резерфорд и Гейгер визуально подсчитали, что в продолжение секунды из излучателя в одну тысячную грамма радия вылетает 130 000 ;-частиц. Точность подсчета была безукоризненна. Оба ученых, к которым позднее присоединился Марсден, помногу часов проводили в затемненной лаборатории за утомительным счетом сцинтилляций. Гейгер рассказывал, что ему одному пришлось подсчитать в общей сложности миллион;-частиц.

Свою работу начал ученик Резерфорда Марсден. Ему было поручено считать;-частицы, проходящие через тонкие металлические пластинки. Эти пластинки помещались в прибор между излучателем;-частиц и люминесцентным экраном.

Поручая Марсдену эту работу, Резерфорд не рассчитывал обнаружить что=либо любопытное. При условии, что модель атома Томсона правильна (а тогда не было никаких причин сомневаться в этом), опыт должен был показать, что;-частицы свободно проходят через металлические преграды. Однако что-то все-таки заставило Резерфорда пойти на этот новый эксперимент.

Марсдена поразило, что;-частицы в этом простом опыте ведут себя иначе, чем должны вести, если принять модель атома такой, какой ее предложил Томсон. Согласно модели Томсона положительный заряд распределен по всему объему атома и уравновешивается отрицательным зарядом электронов, каждый из которых имеет массу гораздо меньшую, чем масса;-частицы. Поэтому даже в редких случаях, когда;-частица столкнется с гораздо более легким по сравнению с ней электроном, она может лишь незначительно отклониться от своего прямолинейного пути. Но в опытах Марсдена;-частицы отнюдь не беспрепятственно проходили через металлическую пластинку. Нет, некоторые из них отклонялись после удара о пластинку на угол около 150 о, т.е. почти обратно возвращались к излучателю. Таких возвращавшихся частиц было, правда, очень мало. Когда экспериментатор преграждал путь;-частицам более толстой пластинкой, то в его поле зрения появлялось больше;-частиц, отклонившихся на большие углы. Это указывало, что замеченное Марсденом рассеяние;-частиц не представляет собой какого-то поверхностного эффекта, т.е. оно не связано с поверхностью пластинки. Но Марсден не мог высказать каких-либо соображений по поводу увиденного им странного поведения;-частиц. Он рассказал подробно о своих наблюдениях Резерфорду.

Позднее Резерфорд признался, что сообщение Марсдена произвело на него потрясающее впечатление: «это было почти неправдоподобно, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в кусок папиросной бумаги и снаряд отскочил бы обратно и поразил вас».

Резерфорд сразу представил себе, что эффект, наблюдаемый Марсденом, мог быть только в одном случае: если;-частица, проникнув в атом, натыкалась на какую-нибудь массивную преграду, имеющуюся в нем, и отбрасывалась, получив при столкновении мощный удар.

На основании этих исследований Резерфорд предположил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно этой модели, вокруг положительного ядра, имеющего заряд ze (z – порядковый номер элемента в системе Менделеева, e – элементарный заряд), размер 10 -15 – 10 -14 м и массу, практически равную массе атома, в области с линейными размерами порядка 10 -10 м по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т.е. вокруг ядра должно вращаться z электронов.

Для простоты предположим, что электрон движется вокруг ядра по круговой орбите радиуса r. При этом кулоновская сила взаимодействия между электроном и ядром сообщает электрону центростремительное ускорение. Второй закон Ньютона для электрона, движущегося по окружности под действием кулоновской силы, имеет вид , где m e и v – масса и скорость электрона на орбите радиуса r, - электрическая постоянная.

Данное уравнение содержит два неизвестных: r и v. Следовательно, существует бесчисленное множество значений радиуса и соответствующих ему значений скорости (а значит и энергии), удовлетворяющих этому уравнению. Поэтому величины r, v (следовательно и E) могут меняться непрерывно, т.е. может испускаться любая, а не вполне определенная порция энергии. Тогда спектры атомов должны быть сплошными. В действительности же опыт показывает, что атомы имеют линейчатый спектр. Также из данного выражения следует, что при м скорость движения электронов м/с, а ускорение м/с 2 . Согласно классической электродинамике, ускоренно движущиеся электроны должны излучать электромагнитные волны и вследствие этого непрерывно терять энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него. Таким образом, атом Резерфорда оказывается неустойчивой системой, что опять-таки противоречит действительности.

Попытки построить модель атома в рамках классической физики не привели к успеху: модель Томсона была опровергнута опытами Резерфорда, ядерная же модель оказалась неустойчивой электродинамически и противоречила опытным данным. Преодоление возникших трудностей потребовало создания качественно новой – квантовой – теории атома.

В 1914 году началась первая мировая война и Резерфорду пришлось на время отложить свои исследования. Но периодически, работая на военную промышленность, он возвращался к своим собственным экспериментам. В своих следующих экспериментах Резерфорд планировал взломать атом.

Эти попытки увенчались полным и потрясающим успехом. Новый взлет Резерфордовского гения привел к открытию, которое впоследствии революционизировало всю науку и технику современности. Был дан первый сигнал к началу атомного века. Резерфорд расщепил атомное ядро.

Мысль об этом возникла у Резерфорда при наблюдении в камере Вильсона (к тому времени она была уже изобретена и усовершенствована) и в стинцилляционном счетчике загадочных треков (следов), гораздо более длинных, чем треки;-частиц, хорошо знакомых ему по бесчисленным опытам. Он подумал, что существуют какие-то неизвестные ему причины резкого удлинения пробега;-частиц. Другое предположение (оно оказалось правильным) заключается в том, что длинные следы оставляют другие неопознанные частицы. Перед исследователем возникла задача выяснить, какое из двух предположений истинно.

Для получения ответа на свои вопросы Резерфорд решил выполнить серию опытов по бомбардировке;-частицами различных веществ. Он построил прибор, который нам кажется теперь необыкновенно простым. Но мы должны признать также, что только он был наиболее пригоден для наглядного решения задачи. В нем мишенями для бомбардировки должны были быть газы (т.е. легкие атомы), а не металлические пластинки, обычно использовавшиеся Резерфордом во многих предыдущих опытах.

Собственно построенный Резерфордом прибор, с помощью которого ему удалось впервые расщепить ядра атомов легких элементов, схематически изображен на рисунке.

Латунная трубка 6 длиной 20 см с двумя кранами наполняется газом. Внутри трубки находится диск радиоактивного излучателя 7, испускающего;-частицы. Диск этот укреплен на стойке, двигающейся по рельсу 4. Во время опыта один конец трубки закрывается матовой стеклянной пластинкой, а другой конец – стеклянной пластинкой (прикрепляемой воском). Маленькое прямоугольное отверстие в латунной пластинке закрывалось серебряной пластинкой 3. Серебряная пластинка обладала способностью задерживать;-частицы, эквивалентные слою воздуха толщиной примерно 5 см. Против отверстия помещался люминесцирующий экран из цинковой обманки. Для счета сцинтилляций исследователь пользовался зрительной трубой 1.

Когда Резерфорд наполнил трубку азотом, то в поле зрения появились частицы, оставляющие очень длинный след, подобно тому, что он уже наблюдал. Конечно, Резерфорд, прежде чем прийти к окончательным выводам, проделал еще много опытов. Но окончательное заключение было таково: при столкновении;-частиц с ядрами азота, некоторые из этих ядер разрушаются, испуская ядра водорода – протоны, а затем происходит образование ядра кислорода.

Колоссальное значение этого открытия было с самого начала ясно самому Резерфорду и его сотрудникам. Впервые осуществилось расщепление атомных ядер. Непоколебимые, как казалось до этого, представления о «неразложимости» химических элементов были наглядно опровергнуты. Открывались совершенно новые и удивительные возможности искусственного получения одних элементов из других, выделения огромной энергии, содержащейся в ядрах, и т.д.

Продолжая исследования, он получает экспериментальное подтверждение ранее уже установленного им положения – что небольшое количество атомов азота при бомбардировке распадается, испуская быстрые протоны – ядра водорода. В свете позднейших исследований, писал Резерфорд, «общий механизм этого превращения вполне ясен. Время от времени;-частицы действительно проникают в ядро азота, образуя на мгновение новое ядро типа ядра фтора с массой 18 и зарядом 9. Это ядро, которое в природе не существует, чрезвычайно неустойчиво и сразу же распадается, выбрасывая протон и превращаясь в устойчивое ядро кислорода с массой 17 …»

В результате длительных экспериментов Резерфорду удалось вызвать ядерные реакции в 17 легких элементах.

Продолжая опыты по расщеплению ядер, Резерфорд пришел к следующему выводу: хотя;-частицы и обладают большой энергией, но для проникновения в ядра элементов они все же являются недостаточно мощными снарядами. Он решил повысить энергию частиц, разгоняя их в высоковольтной установке. Так был сделан первый шаг в развитии ускорительной техники.

-

Список литературы:

1) Ф.Федоров. «Цепная реакция идеи», изд. «Знание», М., 1975г.

2) Т.И.Трофимова. «Курс физики», изд. «Высшая школа», М., 1999г.

3) «Курс общей физики», Г.А.Зисман, О.М.Тодес, изд. «Эдельвейс», Киев, 1994г.

Открытие сложного строения атома - важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц - законы квантовой механики.

Модель Томсона

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом - атом водорода - представляет собой положительно заряженный шар радиусом около 10 -8 см, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны.

Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распределения положительного заряда в атоме. Эти опыты, проведенные впервые Э. Резерфордом, сыграли решающую роль в понимании строения атома.

Опыты Резерфорда

Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью α -частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. 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. Скорость α -частиц очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию α -частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не в состоянии заметно изменить его скорость. Рассеяние (изменение направления движения) α -частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α -частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 1.

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок α -частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния α -частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α -частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, α -частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади. Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α -частиц на большие углы. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число α -частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам эксперимент по наблюдению рассеяния α -частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат. «Это почти столь же невероятно, - говорил Резерфорд, - как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар». В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя. При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно интенсивное электрическое поле, способное отбросить а-частицу назад. Максимальная сила отталкивания определяется по закону Кулона\[~a(1 + e^2 / 2)\]

где q α - заряд α -частицы; q - положительный заряд атома; r - его радиус; k - коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому, чем меньше радиус r, тем больше сила, отталкивающаяα -частицы.

\(~F = k \dfrac{|q_\alpha| |q|}{r^2}\) , (1)

Определение размеров атомного ядра. Резерфорд понял, что α -частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра - тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

На рисунке 2 показаны траектории а-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.

Подсчитывая число α -частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10 -12 -10 -13 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10 -8 см, т. е. в 10 - 100 тыс. раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Планетарная модель атома

Из опытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоится электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил со стороны ядра. В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома - это радиус орбиты его электрона (рис. 3). Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию а-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10 -8 с) должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование.

В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.

Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение - это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы.

Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атома.

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.

Выше мы дали общие определения величин, определяемых в опытах по рассеянию.

Теперь мы вернемся к основной нашей проблеме, к рассеянию a-частиц и еще раз опишем исторический опыт Резерфорда.

Итак, пучок a-частиц, вылетающих из радиоактивного источника со скоростью ~ 10 9 см/с направлялся на мишень, представляющую собой тонкую золотую фольгу толщиной в 1 мкм, что составляет примерно 10 4 атомных слоев. Флуоресцирующий экран, поставленный за мишенью, вспышками отсчитывал число a-частиц, прошедших через мишень и рассеившихся на угол q. Как уже раньше отмечалось, подавляющее число a-частиц отклонялось на малые углы, в среднем 2 о -3 о.

Однако, примерно одна a-частица на 10 4 падающих на мишень, отклонялась на большой угол, в том числе были и такие, которые рассеивались назад, почти на 180 о. Было также замечено, что рассеяние на малые углы происходит в соответствии с законом нормального распределения случайных величин.

Теперь, следуя рассуждениям Резерфорда, объясним полученные закономерности и, в частности, ответим на вопрос о том, какая модель соответствует действительности, Томсона или Резерфорда.

Ясно, что если бы мишень состояла из твердых шариков, то ни одна из a-частиц не могла бы пройти через 10 4 слоев такого вещества.

Рассмотрим два случая: а) мишень построена из атомов Томсона, б) мишень построена из атомов Резерфорда.

Модель Томсона . Атом Томсона - это положительно заряженная "капелька" в которую вкраплены электроны, поэтому эта система уже на небольшом расстоянии от нее нейтральна, как и положено атому, a-частицы могут проникнуть в такую каплю. Они могут рассеяться как на положительном заряде капли, с максимумом электрической напряженности на ее поверхности, так и на электронах внутри этой "капли". Каждая "капля" имеет радиус R~10 -8 см.

Расчеты показывают, что средний угол рассеяния a-частицы с энергией 5 МэВ на атоме Томсона составит очень малую величину ~ (0,02 - 0,03) о.

Если в мишень из 10 4 слоев атомов Томсона пустить a-частицу, то в результате многократных столкновений (в каждом слое она будет испытывать столкновения, равновероятно отклоняющие ее вправо и влево, вверх и вниз), по вылете из мишени a-частица "наберет" средний угол >> угла рассеяния в одном столкновении. Большая часть пучка a-частиц будет вылетать под углами (2-3) о.

Резерфорд вычислил вероятность рассеяния a-частицы в такой среде на угол 180 о (т.е. учел столь невероятный случай, когда почти при каждом столкновении a-частица отклоняется все время в одну сторону). Вероятность такого случая составляет величину ~ 10 -3000 . Т.о. ожидать хотя бы и редких, но больших углов в мишени Томсона бессмысленно.

Модель Резерфорда . Атом Резерфорда представляет собой малый тяжелый керн (ядро), окруженный облаком электронов. Следует подчеркнуть, что на момент постановки эксперимента постулаты Бора еще не были сформулированы, поэтому такая модель вызывала определенные сомнения.

Если рассмотреть рассеяние a-частицы на атоме Резерфорда, то следует учесть возможность рассеяния как на внешних электронах, так и на ядре. Рассеяние на электронах столь же мало, что и на атоме Томсона, т.е. составляет (0,02-0,03) о на отдельном атоме. Рассеяние на ядре (если масса ядра >> массы a-частицы) может привести к большим углам, в том числе и 180 о.

Проследим движение a-частицы в мишени из атомов Резерфорда. Поскольку размеры атома составляют величину ~ 10 -8 см, то мишень из 104 слоев должна быть полностью перекрыта атомами. Однако, поскольку a-частица движется с большой скоростью, то она испытывает лишь еле заметные отклонения в электронной оболочке атома. Таким образом, если a-частица случайно не натолкнулась на ядро, то она движется также, как и в мишени Томсона, многократно рассеиваясь и набирая средний по вылету из мишени угол рассеяния (2-3) о. Однако, в отличие от мишени Томсона, a-частица может столкнуться с тяжелым ядром. Такое столкновение значительно менее вероятно, чем столкновение с атомом в целом, потому что ядро (как выяснилось) на 4-5 порядков меньше атома. В то же самое время вероятность столкновения с ядром и отклонение на большой угол значительно больше, чем вероятность отклонения на большой угол в мишени Томсона. Таким образом, все экспериментальные результаты полностью объяснились с позиций модели Резерфорда.

Мы рассмотрели качественно свойства модели Резерфорда, и уже из этого описания видно, что доказательства правильности этой модели не столь просты, как кажется на первый взгляд. Ниже мы весьма кратко обсудим математическую модель рассеяния быстрой a-частицы, поскольку эти задачи подробно описываются в ряде книг .

Рассеяние на одном центре. Формула Резерфорда. Важным условием проведения эксперимента является требование на толщину L мишени. Мишень должна быть "тонкой". Это означает, что средняя длина свободного пробега l при рассеянии на ядрах должна удовлетворять требованиям:

Это условие обеспечивает однократность столкновения a-частицы с ядрами мишени (хотя в мишени имеется 10 4 атомных слоев).

Следует подчеркнуть, что величина дифференциального сечения I(q), как подчеркивалось ранее, не зависит от числа рассеивающих центров, поэтому эту величину мы будем рассматривать в случае рассеяния a-частицы на одном рассеивающем центре. Важнейшим элементом в теории рассеяния является выбор потенциала рассеяния U(r). Эта величина является характеристикой свойств вещества мишени и не зависит от условий эксперимента. Резерфорд выбрал кулоновский потенциал, положив U(r)=Ze/r. Для простоты в качестве рассеивающего центра мы примем ядро золота, масса которого много больше массы a-частицы, поэтому отдачей ядра можно будет пренебречь.

На рис.2 изображены две близкие траектории a-частицы в поле ядра (заряд +Ze), находящегося в начале координат. Траектории отличаются значениями прицельного параметра b - расстояния до оси слева на рисунке, соответствующего положению a-частицы, когда она находится вдали от ядра. q - угол рассеяния. Задача имеет цилиндрическую симметрию с азимутальным углом j.

Рис.2 Схема рассеяния a-частицы на ядре.

Расчет траектории движения a-частицы в кулоновском поле показывает, что ее траектория - гипербола, при этом прицельный параметр b связан с углом рассеяния q формулой:

(7)

где Z 2 e - заряд частицы-мишени (неподвижный рассеивающий центр), Z 1 e - заряд a-частицы (Z 1 =2), Е - энергия a-частицы.

Минимальное расстояние при сближении a-частицы с рассеивающей частицей (рис.2):

(8)

Теперь вернемся к определению дифференциального сечения (3) и преобразуем его к виду рассеяния на одном центре:

, (9)

где , т.е. число рассеянных a-частиц в единицу времени на одном центре. Такое представление нам удобно для того, чтобы связать измеренный макроскопический параметр - угол рассеяния q с микроскопическим (неизмеряемым) параметром - прицельным параметром b.

Нетрудно видеть, что частицы, попавшие в площадку dS, обязательно пройдут через элемент площади bdb кольца, расположенного на расстоянии b от оси, на которой находится рассеивающий центр. Число частиц, прошедших через этот элемент площади в единицу времени, равно

(10)

(11)

Если проинтегрировать по j от 0 до 2p, то ds будет представлять собой площадь пояса, изображенного слева на рис.2. Поскольку b - микроскопический, неизмеряемый параметр, воспользуемся формулой (7) и выразим ds через измеряемую величину - угол рассеяния q. В результате будем иметь:

(12)

где dW=dS/R 2 =sinq dq dj, а R - расстояние до площадки dS. Здесь учтено, что Z 1 =2, Z 2 =Z – атомный номер ядра мишени. Соотношение (12) есть известная формула Резерфорда.

Полученная формула определяет зависимость дифференциального сечения от угла рассеяния. Качественные рассуждения о роли многократных столкновений дают возможность восстановить картину движения a-частицы в веществе мишени. a-частица всегда испытывает многократные столкновения, приводящие к разбросу в среднем в 2 о -3 о. В этой области углов рассеяние по Резерфорду практически не дает вклада. Начиная с углов рассеяния в 5 о -6 о, наоборот, резерфордовское рассеяние становится превалирующим. Таким образом, до столкновения с ядром и после столкновения a-частица двигается практически прямолинейно. Поскольку ядра очень малы, то мишень почти прозрачна для a-частиц, которые лишь изредка (и в силу условия l>>L однократно) сталкиваются с ядрами.

Опыт Резерфорда

Учебный лабораторный комплекс представляет собой действующую модель, функционально не отличающуюся от своего базового прототипа. Конструктивно УЛК ОР предоставляет возможность пользователю работать с использованием и без использования компьютера.

Базовая установка.

Базовая установка представляет собой вакуумированную камеру (камера рассеяния), в которой находится в соответствии со схемой (рис.1) источник a-частиц (Pu 238), энергетический спектр которого состоит из двух тесно расположенных линий 5491 кэВ и 5450 кэВ. Первая по интенсивности составляет ~ 65%, а вторая - 35 % . Средневзвешенное значение Е a » 5,48 МэВ (рис.3).

Поскольку при столкновении a-частиц с молекулами воздуха a-частицы заметно теряют свою энергию, то камера рассеяния должна быть откачана до давления ~ 1 мм ртутного столба.

Мишенью служит золотая пленка толщиной » 1 мкм.

Подвижный полупроводниковый детектор регистрирует попадающие в него a-частицы. Сигналы с детектора через зарядо-чувствительный усилитель попадают либо на пересчетную схему, либо на специальную спектрометрическую плату, вмонтированную в системный блок компьютера. На экран компьютера выводится спектр рассеянных частиц.

Рис. 3. Спектр альфа-линий Pu 238 .

Вслед за супругами Кюри изучением радиоактивности стал заниматься английский ученый Эрнест Резерфорд. И в 1899 году он провел эксперимент по изучению состава радиоактивного излучения. В чем заключался опыт Э.Резерфорда?

В свинцовый цилиндр была помещена соль урана. Через очень узкое отверстие в этом цилиндре луч попадал на фотопластинку, расположенную над этим цилиндром.

В самом начале эксперимента магнитного поля не было. Поэтому фотопластинка так же, как и в опытах супругов Кюри, так же, как в опытах А. Беккереля, засвечивалась в одной точке. Затем было включено магнитное поле, причем так, что величина этого магнитного поля могла изменяться. В результате при малом значении магнитного поля луч разделился на две составляющие. А когда магнитное поле стало еще больше, появилось третье темное пятно. Вот эти пятна, которые образовались на фотопластинке, назвали a-, b-, и g-лучами.

Свойства радиоактивных лучей

Вместе с Резерфордом над проблемой изучения радиоактивности работал английский химик по фамилии Содди. Содди вместе с Резерфордом поставили эксперимент по изучению химических свойств этих излучений. Стало ясно, что:

a -лучи – поток достаточно быстрых ядер атомов гелия,

b -лучи – на самом деле поток быстрых электронов,

g -лучи – электромагнитное излучение высокой частоты.

Сложное строение атома

Выяснилось, что внутри ядра, внутри атома происходят некие сложные процессы, которые приводят к такому излучению. Вспомним, что само слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». И со времен Древней Греции все считали, что атом – это мельчайшая частица химического элемента со всеми его свойствами, и уже меньше этой частицы в природе не существует. В результате открытиярадиоактивности , самопроизвольного излучения различных электромагнитных волн и новых частиц ядер атомов можно говорить о том, что и атом тоже является делимым. Атом тоже состоит из чего-то и имеет сложную структуру.

Заключение

Список дополнительной литературы

1. Бронштейн М.П. Атомы и электроны. «Библиотечка “Квант”». Вып. 1. М.: Наука, 1980

2. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»

3. Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука

4. Кюри П. Избранные научные труды. М.: Наука

5. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа

6. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. М.: Наука, 1989

7. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Радиоактивность. М.: Наука

8. Резерфорд Э. Избранные научные труды. Строение атома и искусственное превращение элементов. М.: Наука

9. Слободянюк А.И. Физика 10. Часть 1. Механика. Электричество

10. Филатов Е.Н. Физика 9. Часть 1. Кинематика. ВШМФ «Авангард»

11. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. Развитие идей от первоначальных понятий до теории относительности и квантов. М.: Наука, 1965

Тема: Строение атома и атомного ядра

Урок 52. Модели атомов. Опыт Резерфорда

Ерюткин Евгений Сергеевич

На предыдущем уроке мы обсудили, что в результате радиоактивности образуются различные виды излучений: a-, b-, и g-лучи. Появился инструмент, при помощи которого можно было изучать строение атома.

Модель Томсона

После того как стало ясно, что атом тоже имеет сложную структуру, как-то по-особенному устроен, необходимо было исследовать само строение атома, объяснить, как он устроен, из чего состоит. И вот ученые приступили к этому изучению.

Первые идеи о сложном строении были высказаны Томсоном, который в 1897 году открыл электрон. В 1903 году Томсон впервые предложил модель атома. По теории Томсона атом представлял собой шар, по всему объему которого «размазан» положительный заряд. А внутри, как плавающие элементы, находились электроны. В целом, по Томсону, атом был электронейтрален, т.е. заряд такого атома был равен 0. Отрицательные заряды электронов компенсировали положительный заряд самого атома. Размер атома составлял приблизительно 10 -10 м. Модель Томсона получила название «пудинг с изюмом»: сам «пудинг» – это положительно заряженное «тело» атома, а «изюм» – это электроны.

Рис. 1. Модель атома Томсона («пудинг с изюмом»)

Модель Резерфорда

Первый достоверный опыт по определению строения атома удалось провести Э.Резерфорду . На сегодняшний день мы твердо знаем, что атом представляет собой структуру, напоминающую планетную солнечную систему. В центре находится массивное тело, вокруг которого вращаются планеты. Такая модель атома получила название планетарной модели.

Опыт Резерфорда

Давайте обратимся к схеме опыта Резерфорда и обсудим результаты, которые привели к созданию планетарной модели.

Рис. 2. Схема опыта Резерфорда

Внутрь свинцового цилиндра с узким отверстием был заложен радий. При помощи диафрагмы создавался узкий пучок a-частиц, которые, пролетая через отверстие диафрагмы, попадали на экран, покрытый специальным составом, при попадании возникала микро-вспышка. Такое свечение при попадании частиц на экран называется «сцинтиляционная вспышка». Такие вспышки наблюдались на поверхности экрана при помощи микроскопа. В дальнейшем до тех пор, пока в схеме не было золотой пластины, все частицы, которые вылетали из цилиндра, попадали в одну точку. Когда же внутрь экрана на пути летящих a-частиц была поставлена очень тонкая пластинка из золота, стали наблюдаться совершенно непонятные вещи. Как только была поставлена золотая пластина, начались отклонения a-частиц. Были замечены частицы, которые отклонялись от своего первоначального прямолинейного движения и уже попадали в совершенно другие точки этого экрана.