Documentaire educatieve films. Serie "Natuurkunde".

In het eerste kwart van de 20e eeuw werd vastgesteld dat een atoom bestaat uit een positief geladen kern en een elektronenschil eromheen. De lineaire afmetingen van de kern liggen in de orde van 10“13-10“12 cm. De afmetingen van het atoom zelf*, bepaald door de elektronenschil, zijn ongeveer 10 tot 5 keer groter. Bijna de gehele massa van een atoom (minstens 99,95%) is echter geconcentreerd in de kern. Dit komt door het feit dat de kern uit “zware” protonen en neutronen bestaat, en de elektronenschil alleen uit “lichte” elektronen bestaat (mp - 1836.15me, mp = 1838.68me). Het aantal elektronen in de schil van een neutraal atoom is gelijk aan de lading van de kern, als de elementaire lading als één wordt beschouwd (dat wil zeggen de lading van het elektron in absolute waarde). Maar de elektronenschil kan elektronen verliezen of winnen. Vervolgens wordt het atoom elektrisch geladen, dat wil zeggen dat het verandert in een positief of negatief ion.

De chemische eigenschappen van een atoom worden bepaald door de elektronenschil, of preciezer gezegd, door de buitenste elektronen. Dergelijke elektronen zijn relatief zwak aan het atoom gebonden en zijn daarom het meest gevoelig voor elektrische invloeden van de buitenste elektronen van aangrenzende atomen. Hetzelfde geldt voor de aantrekkings- of afstotingskrachten tussen neutrale atomen en moleculen (moleculaire krachten). Protonen en neutronen zijn daarentegen stevig gebonden in de kern. Om de kern te beïnvloeden zijn krachten nodig die miljoenen keren groter zijn dan de krachten die voldoende zijn om de buitenste elektronen van een atoom af te scheuren. De structuur en eigenschappen van de elektronenschil worden echter uiteindelijk bepaald door het elektrische veld van de atoomkern.

Als het gepresenteerde model van het atoom overeenkomt met de werkelijkheid, dan zou het atoom zeer transparant moeten zijn voor de deeltjes die het binnendringen. Voor een elektronenbundel werd dit vastgesteld door Lenard. Het laatste experimentele bewijs van dit atoommodel werd echter in 1911 door Rutherford (1871-1937) gegeven. Daarom wordt het terecht het Rutherford-model genoemd. Op voorstel en begeleiding van Rutherford bestudeerden zijn studenten Geiger en Marsden (1889-1970) kwantitatief de verstrooiing van α-deeltjes uitgezonden door radioactieve stoffen. In hun experimenten werd een evenwijdige straal van α-deeltjes in een vacuüm op een dunne metaalfolie gericht en daardoor verstrooid. Er werd een visuele methode gebruikt om verspreide α-deeltjes te registreren. Bij het raken van een fluorescerend scherm gemaakt van zinksulfide liet het α-deeltje een flits (sciptilatie) achter. Individuele scintillaties konden in het donker worden waargenomen door een vergrootglas of een microscoop. En de onderzoekers telden zulke scintillaties.

Het bleek dat het overweldigende aantal α-deeltjes verspreid was onder kleine hoeken in de orde van 1-3°. De hoekverdeling van dergelijke deeltjes werd goed beschreven door de Gaussiaanse willekeurige foutcurve (1777-1855). Er werden echter ook individuele α-deeltjes waargenomen, die onder grote hoeken afbuigden en tot 150° reikten. Het relatieve aantal van dergelijke deeltjes was verwaarloosbaar. Wanneer bijvoorbeeld een bundel α-deeltjes van RaC door platinafolie ging, werd van de 8000 invallende deeltjes gemiddeld slechts één deeltje afgebogen over een hoek groter dan 90°. Maar dit zou te veel zijn als er grote afwijkingen zouden ontstaan ​​als gevolg van de opeenstapeling van veel willekeurige afwijkingen.

Rutherford concludeerde dat elke grote afwijking het resultaat is van een enkele interactie tussen een praktisch puntkrachtcentrum en een nabijgelegen α-deeltje. De positief geladen kern van een atoom is zo’n krachtcentrum. Het alfadeeltje zelf is ook een atoomkern, namelijk de kern van een heliumatoom. Dit wordt bevestigd door het feit dat een α-deeltje kan worden verkregen als resultaat van dubbele ionisatie van een heliumatoom, zoals eerder werd vastgesteld door dezelfde Rutherford. De elektrostatische interactie tussen deze twee kernen zorgt ervoor dat α-deeltjes onder grote hoeken worden verspreid.

Het bovenstaande wordt bevestigd door foto's van α-deeltjessporen in een wolkenkamer. Meestal verschilt het einde van een α-deeltjesspoor op geen enkele manier. Maar af en toe worden er sporen waargenomen die eindigen in pauzes en ‘vorken’. Als gevolg van de botsing verandert de bewegingsrichting van het α-deeltje scherp, en de kern die in beweging kwam, liet een nieuw spoor achter, dat samen met het spoor van het α-deeltje zelf een ‘vork’ vormde.

Rutherford ontwikkelde ook een kwantitatieve theorie van de verstrooiing van α-deeltjes. In deze theorie wordt de wet van Coulomb toegepast op de interactie van een α-deeltje met een kern. Dit is uiteraard een hypothese, aangezien een α-deeltje de kern kan naderen op afstanden in de orde van 10-12 cm, en op zulke afstanden is de wet van Coulomb niet experimenteel getest. Natuurlijk werd de beweging van een alfadeeltje in het veld van een kern door Rutherford klassiek beschouwd. Ten slotte wordt aangenomen dat de massa van de kern groot is vergeleken met de massa van het α-deeltje, zodat de kern als stationair kan worden beschouwd. Het is gemakkelijk om van de laatste aanname af te komen door de massa van het α-deeltje te vervangen door de gereduceerde massa.

In de experimenten van Rutherford werden zeer dunne metaalfolies met een dikte in de orde van 10"5-10"4 cm gebruikt. In dergelijke gevallen was het bij verstrooiing onder grote hoeken mogelijk om meerdere botsingen van een α-deeltje met atoomkernen te negeren. De kans op dubbele, en vooral meervoudige botsingen met grote afwijkingen is verwaarloosbaar. De kans op verstrooiing onder grote hoeken en op elektronen is verwaarloosbaar vanwege de kleinheid van hun massa. Meerdere botsingen met kernen en elektronen van atoomschillen spelen een rol alleen bij zeer kleine verstrooiingshoeken, rekening houdend met de interactie van het α-deeltje, waar het α-deeltje het dichtst bij komt, komen we bij het tweelichamenprobleem α-deeltje reist veel verder, en daarom wordt de interactie ermee verwaarloosd. De theorie van Rutherford is dus van toepassing op grote afwijkingen wanneer de afwijking alleen wordt veroorzaakt door het elektrische veld van één kern, zodat in vergelijking met deze afwijking alle andere afwijkingen bij elkaar genomen zijn verwaarloosbaar. De overeenkomstige verstrooiing wordt Rutherford-verstrooiing genoemd. Het is elastisch in de zin dat de kinetische energie van het alfadeeltje niet verandert als gevolg van verstrooiing, d.w.z. wordt niet verspild aan de excitatie van atomen, en vooral van atoomkernen.

Het geformuleerde probleem komt formeel overeen met het probleem van Kepler (1571 -1630) over de beweging van een planeet rond de zon. En hier en daar staat de kracht van de interactie tussen lichamen centraal en varieert deze in omgekeerde verhouding tot het kwadraat van de afstand ertussen. In het geval van een planeet is dit de aantrekkingskracht, in het geval van een α-deeltje is dit de afstotingskracht. Dit komt tot uiting in het feit dat een planeet (afhankelijk van zijn totale energie) zowel langs een ellips als een hyperbool kan bewegen, maar een α-deeltje kan alleen langs een hyperbool bewegen. Maar bij wiskundige berekeningen doet dit er niet toe. De verstrooiingshoek van een α-deeltje û is gelijk aan de hoek tussen de asymptoten van zijn hyperbolische traject.

Er werd een formule voor verkregen:

Hier is m de massa van het α-deeltje, v is zijn snelheid bij “oneindig”, d.w.z. ver van de kern is Ze de lading van de kern, 2e is de lading van het α-deeltje, gelijk aan tweemaal de elementaire lading e (het getal Z wordt het ladingsgetal van de kern genoemd. Kortheidshalve: het wordt vaak eenvoudigweg de lading van de kern genoemd, wat impliceert dat de elementaire lading e als één wordt beschouwd.) B geeft de richtafstand aan, d.w.z. de lengte van de loodlijn verlaagd van de kern naar het onverstoorde rechtlijnige traject van het α-deeltje (of, wat hetzelfde is, naar de raaklijn aan het werkelijke traject wanneer het α-deeltje oneindig ver van de kern verwijderd was).

Natuurlijk is het niet de formule zelf die toegankelijk is voor experimentele verificatie op het gebied van atomaire verschijnselen, maar de statistische gevolgen ervan. Laten we de zogenaamde differentiële effectieve verstrooiingsdwarsdoorsnede introduceren. Laten we aanduiden met I intensiteit van een vlak-parallelle bundel van α-deeltjes die op de kern valt, d.w.z. het aantal α-deeltjes van de bundel dat per tijdseenheid door een oppervlakte-eenheid loodrecht op de stroming gaat. Vanaf dit getal loopt d door het elementaire gebied do, ook loodrecht op de stroming N 1 =I doe α-deeltjes. Na verstrooiing vallen deze deeltjes in de elementaire ruimtehoek dΩ. Uiteraard worden de grootte van de ruimtehoek dΩ en de richting van zijn as bepaald door de grootte en positie van het gebied. Daarom d N 1 heeft ook de betekenis van het aantal α-deeltjes dat per tijdseenheid door een kern wordt verstrooid tot een ruimtehoek dΩ. Verhouding d N1 Naar I gelijk is, en heeft de dimensie van oppervlakte. Dit wordt de differentiële effectieve dwarsdoorsnede van de kern genoemd voor de verstrooiing van α-deeltjes in de ruimtehoek dΩ. Dit concept is niet alleen van toepassing op de verstrooiing van α-deeltjes, maar ook op alle deeltjes, evenals op andere processen die met deeltjes plaatsvinden. Dus per definitie, d.w.z. De differentiële effectieve verstrooiingsdwarsdoorsnede is de verhouding tussen het aantal deeltjes dat door een atoom per tijdseenheid per ruimtehoek dΩ wordt verstrooid, en de intensiteit I vallende deeltjes. Dus per definitie, d.w.z. De differentiële effectieve verstrooiingsdwarsdoorsnede is de verhouding tussen het aantal deeltjes, verstrooide atomen per tijdseenheid per ruimtehoek dΩ, en de intensiteit I vallende deeltjes.

Laten we nu de differentiële doorsnede bepalen voor de verstrooiing van α-deeltjes op een individuele atoomkern. Het probleem komt neer op het bepalen van de grootte van het gebied waar het α-deeltje doorheen gaat, na verstrooiing, binnen de gegeven ruimtehoek dΩ. Laten we als X-as het rechtlijnige traject nemen van dat α-deeltje waarmee de impactafstand b = O overeenkomt (een dergelijk deeltje zou een frontale botsing met de kern ervaren). Met behulp van cilindrische symmetrie vervangen we voor de eenvoud do door een ringkussentje do = 2πbdb, loodrecht op de stroming. De binnenstraal van een dergelijk gebied is gelijk aan b, de buitenstraal is b + db en het middelpunt bevindt zich op de X-as. Het interval b, b + db komt overeen met het interval van verstrooiingshoeken û, û + dû,. en volgens de formule

Door de ruimtehoek te introduceren waarin α-deeltjes die door het ringvormige gebied gaan, worden verstrooid, is het gemakkelijk om

In deze vorm is de formule geldig voor elk elementair gebied, en niet alleen voor een ringgebied. Het wordt de formule van Rutherford genoemd.

Laten we het concept van de totale verstrooiingsdwarsdoorsnede of een ander proces introduceren. Het wordt gedefinieerd als de verhouding van het totale aantal deeltjes dat het beschouwde proces per tijdseenheid heeft ondergaan, tot de intensiteit van de invallende deeltjesbundel. De totale doorsnede ð kan worden verkregen uit de differentiële doorsnede do door deze te integreren over alle mogelijke waarden van dΩ. In het geval van verstrooiing van α-deeltjes moet de formule eerst dΩ = 2πsinðdð invoeren en vervolgens integreren over het bereik van ð =0 tot ð = n. Dit resultaat is duidelijk. Hoe verder het gebied verwijderd is van de X-as, hoe kleiner de verstrooiingshoek ð. Deeltjes die door afgelegen gebieden gaan, worden praktisch niet afgebogen, dat wil zeggen dat ze in de buurt van de verstrooiingshoek ð = 0 passeren. Het totale oppervlak van dergelijke gebieden, en daarmee het totale aantal verstrooide deeltjes, is oneindig groot. De totale verstrooiingsdwarsdoorsnede is ook oneindig groot. Deze conclusie is echter formeel van aard, aangezien bij kleine verstrooiingshoeken de Rutherford-formule niet van toepassing is.

Laten we nu de formule terugbrengen tot een vorm die toegankelijk is voor experimentele verificatie. De verstrooiing van α-deeltjes door verschillende atomen is onafhankelijk. Hieruit volgt dat als n het aantal kernen (atomen) per volume-eenheid is, het aantal α-deeltjes dat door volume V per tijdseenheid in ruimtehoek dΩ wordt verspreid, wordt bepaald door de uitdrukking

In deze vorm werd de formule van Rutherford experimenteel bevestigd. In het bijzonder is experimenteel aangetoond dat wanneer dΩ constant is, de waarde van dN sin4 (ð/2) constant is, dat wil zeggen niet afhankelijk is van de verstrooiingshoek ð, zoals het zou moeten zijn volgens de formule.

Bevestiging van de formule van Rutherford op experimentele wijze kan worden beschouwd als een indirect bewijs van de wet van Coulomb op zulke kleine afstanden als de centra van het alfadeeltje en de kern die ermee interageert, kunnen naderen. Een ander bewijs kunnen de experimenten van Blackett (1897-1974) zijn met de verstrooiing van α-deeltjes in gassen. Een groot aantal sporen van α-deeltjes werd gefotografeerd in een wolkenkamer, hun hoekafwijkingen werden gemeten en de frequentie van bepaalde verstrooiingshoeken werd berekend. Deze experimenten bevestigden ook de formule van Rutherford. Maar hun voornaamste doel was het testen van de wet van Coulomb. Het bleek dat op afstanden tussen de centra van het α-deeltje en de interagerende kern in het geval van lucht tot cm, en in het geval van argon tot cm, de wet van Coulomb experimenteel wordt bevestigd. Hieruit volgt niet dat deze wet geldig is op elke afstand tussen de centra van op elkaar inwerkende kernen. Experimenten met de elastische verstrooiing van door versnellers versnelde lichtkernen, ook op lichte maar stationaire kernen, hebben aangetoond dat scherpe afwijkingen van de wet van Coulomb worden waargenomen wanneer de aangegeven afstand afneemt tot cm of minder. Op zulke afstanden manifesteren nucleaire aantrekkingskrachten hun effect, waarbij ze de afstotende krachten van kernen uit Coulomb overstijgen.

De formule kan worden toegepast om de nucleaire lading te meten. Om dit te doen, moet u dN en meten I. Hierna kan Z worden berekend, aangezien alle andere grootheden in de formule als bekend kunnen worden beschouwd. De grootste moeilijkheid is dat de waarden van dN en I zijn heel verschillend van elkaar. In de eerste experimenten werden ze gemeten op verschillende installaties, dat wil zeggen onder verschillende omstandigheden, wat aanzienlijke fouten met zich meebracht. In de experimenten van Chadwick (1891-1974) werd deze tekortkoming geëlimineerd. De verstrooiingsfolie had de vorm van een ring AA" (zie figuur), het radioactieve preparaat R (een bron van α-deeltjes) en het fluorescerende scherm S van ZnS werden op gelijke afstanden op de as van de ring geïnstalleerd. .

Om scintillaties van door folie verspreide α-deeltjes te tellen, werd het gat in de AA-ring bedekt met een scherm dat ondoorzichtig was voor α-deeltjes. Integendeel, om te meten I De scintillaties werden geteld toen het gat vrij was en de ring AA" gesloten was. Omdat in dit geval het aantal scintillaties erg groot was, werd er, om dit te verminderen, een roterende schijf met een smalle uitsparing voor het scherm S geïnstalleerd. breedte van de uitsparing en het aantal scintillaties tellen, kun je berekenen I. Chadwick vond Z = 77,4 voor platina, Z = 46,3 voor zilver en Z = 29,3 voor koper. De atoom- of serienummers van deze elementen in het periodieke systeem van Mendelejev zijn respectievelijk 78, 47, 29. Dit bevestigde het reeds bekende resultaat, voor het eerst vastgesteld door Moseley (1887-1915), dat de lading van de kern Z samenvalt met de atomaire nummer van het element.

Laten we terugkeren naar het model van het atoom, gebaseerd op de experimenten van Rutherford. Kunnen een atoomkern en de elektronenschil eromheen een stabiel systeem vormen, wat een atoom ongetwijfeld is? Als dit mogelijk zou zijn, zouden deze deeltjes niet in rust kunnen zijn. Anders zou het resultaat een elektrostatisch systeem van (praktisch) puntladingen zijn, waartussen Coulomb-krachten werken, en een dergelijk systeem is volgens de stelling van Earnshaw onstabiel. Coulomb-krachten variëren omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen op elkaar inwerkende deeltjes. Maar de zwaartekrachten tussen de lichamen van het planetenstelsel veranderen ook. De stabiliteit van het planetenstelsel wordt verzekerd door de rotatie van de planeten rond de zon. Daarom kwam Rutherford vanzelfsprekend tot het planetaire model van het atoom, waarin elektronen rond de kern draaien.

Volgens de klassieke elektrodynamica verandert echter ook het elektromagnetische veld, waarvan de bron de lading is, wanneer een lading beweegt. In het bijzonder zendt een elektrische lading die met een versnelde snelheid beweegt elektromagnetische golven uit. Een roterend elektron heeft versnelling en moet daarom continu uitstralen. Het elektron verliest energie door straling en nadert voortdurend de kern en valt er uiteindelijk op. Zo wordt zelfs in de aanwezigheid van beweging een onstabiel model van het atoom verkregen. Je zou kunnen aannemen dat de wet van Coulomb en andere wetten die het elektromagnetische veld in de elektrodynamica bepalen, worden geschonden in het geval van elementaire deeltjes en kleine afstanden. Het zou mogelijk zijn om rekening te houden met nucleaire krachten en hypothetische krachten te introduceren die ons onbekend zijn en die de stabiliteit van het atoom garanderen. Maar dit redt de situatie niet. Wat de krachten ook mogen zijn, volgens de algemene principes van de klassieke mechanica moet het stralingsspectrum van een atoom bestaan ​​uit verschillende fundamentele frequenties en de bijbehorende boventonen. Ervaring leidt tot een heel ander patroon, uitgedrukt in het combinatieprincipe van Ritz (1878-1909). We moeten toegeven dat de klassieke mechanica en elektrodynamica het bestaan ​​van atomen als stabiele systemen van atoomkernen en elektronen niet konden verklaren. De oplossing voor dit probleem werd alleen verkregen binnen het kader van de kwantummechanica.

MINISTERIE VAN HOGER EN SECUNDAIR SPECIAAL ONDERWIJS VAN DE RF.

NOVOSIBIRSK STAATS ARCHITECTURALE EN BOUW UNIVERSITEIT

Afdeling Natuurkunde

ABSTRACT

Rutherfords experimenten

Voltooid: Kuznetsov I.A. (groep 226)

Gecontroleerd: Berkhoer L.D.

Novosibirsk 2000

Ernest Rutherford is een van de beroemdste natuurkundigen van de eerste helft van de 20e eeuw. Er was eens Rutherford die als eerste een atoom ontleedde en er een kern in ontdekte. Hij onderzocht de complexe verschijnselen die zich voordoen in dit verbazingwekkend kleine deeltje materie, en vervolgens splitste hij in zijn laboratorium de kernen van atomen.

Terwijl hij nog een tweedejaars student aan de universiteit was, gaf Rutherford een presentatie op een van de conferenties over het onderwerp ‘Evolutie van de Elementen’. Rutherford suggereerde dat alle chemische elementen complexe chemische systemen zijn die uit dezelfde elementaire deeltjes bestaan. In die tijd werd het atoom als ondeelbaar beschouwd; Daltons theorie over de ondeelbaarheid van atomen domineerde in de natuurkunde.

De eerste poging om een ​​atoommodel te creëren op basis van verzamelde experimentele gegevens werd gedaan door J. J. Thomson. Elektronen zijn, zoals Thomson dacht, ingebed in een subminiatuurbol met een diameter van 10-8 cm, waarin positieve ladingen gelijkmatig verdeeld zijn. Samen met negatief geladen elektronen is de bol elektrisch neutraal. Dit is het atoom. In die tijd dacht Rutherford, die met Thomson in hetzelfde laboratorium werkte, dat ook, en hij droomde er niet eens van dat hij een geavanceerder model kon creëren op basis van nieuwe ideeën.

In 1896 ontdekte A. Becquerel, terwijl hij de luminescentie van verschillende stoffen bestudeerde, per ongeluk dat uraniumzouten vrijkomen zonder voorafgaande verlichting. Deze straling heeft een groot doordringend vermogen en kan een in zwart papier gewikkelde fotografische plaat beïnvloeden. Rutherford begon onmiddellijk Becquereliaanse roggen te bestuderen. Hij begon zijn onderzoek naar röntgenstraling met het testen van zijn hypothese over het verband tussen röntgenstraling en becquereliumstraling. Dit idee kwam om een ​​heel eenvoudige reden bij hem op: beide veroorzaakten ionisatie van de lucht. Dit idee was niet succesvol.

Maar het belangrijkste resultaat van Rutherford was de ontdekking van deeltjes in de straling die door uranium wordt uitgezonden. Rutherford plaatste een uraniumbron in een sterk magnetisch veld en scheidde de straling in drie verschillende typen. Met andere woorden, hij ontdekte toen de samenstelling van radioactiviteit: alfa- en bètadeeltjes en gammastraling.

Nadat hij de deeltjes had ontvangen, kwam Rutherford onmiddellijk tot de briljante conclusie dat ze een krachtig hulpmiddel vormden om tot in de diepten van het atoom door te dringen. Zoals later werd bevestigd, was dit volkomen juist. In latere werken maakte Rutherford uitgebreid gebruik van -astica, waarbij projectielen het hart van het atoom, de atoomkern, doordringen.

Rutherford ontdekte de emanatie van thorium en bewees dat dit radioactieve gas dat vrijkwam uit thorium een ​​ander chemisch element was dan thorium zelf. Later bepaalde hij het atoomgewicht van de emanatie en toonde aan dat het een edelgas is van de nulgroep van het Mendelev-systeem.

Rutherford en Frederick Soddy waren de eersten die radioactief verval uitlegden als de spontane overgang van het ene element naar het andere. Na de emanatie van thorium ontdekte Rutherford de emanatie van radium-radon. Het was de wetenschapper duidelijk dat radium, dat deeltjes uitzendt, verandert in een nieuwe werkzame stof, zoals de uitstraling van thorium. Deze ontdekking bevestigde uiteindelijk de theorie van radioactief verval.

Begin 1903 probeerde Rutherford experimenteel de chemische samenstelling van deeltjes te bepalen. Het idee is om de massa van een deeltje te vergelijken met de massa van atomen van bekende elementen. Ervaring stelde hem in staat de eerste te zijn die deeltjes met heliumatomen identificeerde. Dit werd later spectrografisch bevestigd.

In 1908 begon Rutherford met uitgebreide experimenten in de studie van deeltjes door ze te tellen met behulp van een Geiger-scintillatieteller.

Samen met Geiger en Royds voerde Rutherford een reeks experimenten uit die bevestigden dat -deeltjes niets anders zijn dan dubbel geïoniseerde heliumatomen (dat wil zeggen dat ze twee elektronen hebben verloren). Deze historische ervaring, waardoor niemand enige twijfel kon hebben over de juistheid van zijn vervaltheorie, bestond uit het volgende:

Rutherford plaatste een bepaalde hoeveelheid radon, een emanatie van radium, in een afgesloten buis 2. De wanddikte van deze buis bedraagt ​​0,01 mm. Ze zijn dun genoeg zodat de door radon uitgezonden deeltjes er doorheen kunnen gaan in de buitenste buis 3. Vóór het experiment werd buis 3 zorgvuldig geëvacueerd en konden er spectrografisch geen heliumlijnen in worden gedetecteerd. Enkele dagen later werd gasophoping in buis 3 ontdekt. Door de druk in het apparaat te verhogen kon het opgehoopte gas in buis 1 worden geconcentreerd. Er werd een elektrische lading door de buis geleid en toen bleek dat spectrale analyse daarin karakteristieke heliumlijnen liet zien. Er zat helium in de buis. Maar misschien is het door een vergissing samen met radon in buis 2 terechtgekomen, en van daaruit in buis 3 en 1 terechtgekomen? Het controle-experiment gaf een negatief antwoord op deze vraag. In precies hetzelfde apparaat (in buis 2) plaatste Rutherford geen radon, maar puur helium. Na enkele dagen werden echter geen heliumlijnen meer gedetecteerd in buis 1. Helium kon niet door de glazen wanden van buis 2 naar buis 3 gaan. -deeltjes gingen gemakkelijk door het glas en verzamelden zich in buis 3, en concentreerden zich vervolgens in buis 1, waar ze werden onderworpen aan spectrale analyse, waardoor heliumlijnen ontstonden.

Hierna voerde Rutherford samen met Geiger en Marsden een nieuwe reeks experimenten uit. De resultaten zorgden voor een revolutie in de natuurkunde. Het was het meest dramatische hoofdstuk in de wetenschap van onze tijd. Rutherford ontdekte de atoomkern en stichtte daarmee een nieuwe en uiterst belangrijke wetenschap: kernfysica.

Wat voor experimenten waren dit? Rutherford en Geiger zetten hun observaties van scintillaties veroorzaakt door γ-deeltjes bij een botsing aanvankelijk voort met een luminescerend scherm gemaakt van zinksulfide. Allereerst brachten experimenten Rutherford tot de conclusie dat elke flits (scintillatie) wordt veroorzaakt door één deeltje. De veronderstelling die hij eerder maakte was dus gerechtvaardigd. Rutherford schreef toen dat het observeren van scintillaties op een zinksulfidescherm een ​​zeer handige manier was om deeltjes te tellen als elk deeltje een flits veroorzaakte. Als elke uitbarsting wordt veroorzaakt door een enkel deeltje, hebben natuurkundigen dus de mogelijkheid om het gedrag van individuele atomen te observeren.

Rutherford en Geiger berekenden visueel dat in de loop van een seconde 130.000 α-deeltjes worden uitgestoten door een emitter van een duizendste gram radium. De nauwkeurigheid van de telling was onberispelijk. Beide wetenschappers, die later gezelschap kregen van Marsden, brachten vele uren door in een verduisterd laboratorium om vervelende scintillatieberekeningen te maken. Geiger zei dat hij alleen in totaal een miljoen deeltjes moest tellen.

Rutherfords leerling Marsden begon zijn werk. Hij kreeg de taak om deeltjes te tellen die door dunne metalen platen gingen. Deze platen werden in het apparaat geplaatst tussen de deeltjesemitter en het luminescerende scherm.

Toen Rutherford dit werk aan Marsden toevertrouwde, had hij niet verwacht iets interessants te vinden. Op voorwaarde dat Thomsons model van het atoom correct was (en er geen reden was om daaraan te twijfelen), had het experiment moeten aantonen dat deeltjes vrijelijk door metalen barrières heen kunnen gaan. Er was echter nog steeds iets dat Rutherford dwong dit nieuwe experiment uit te voeren.

Marsden werd getroffen door het feit dat de deeltjes in dit eenvoudige experiment zich anders gedroegen dan ze zouden moeten doen als we het model van het atoom zouden aanvaarden zoals voorgesteld door Thomson. Volgens het model van Thomson is de positieve lading verdeeld over het gehele volume van het atoom en wordt deze gecompenseerd door de negatieve lading van elektronen, die elk een massa hebben die veel kleiner is dan de massa van het deeltje. Daarom kan het, zelfs in zeldzame gevallen waarin een deeltje botst met een elektron dat veel lichter is in vergelijking met zichzelf, slechts een klein beetje afwijken van zijn rechte pad. Maar in de experimenten van Marsden gingen de deeltjes niet ongehinderd door de metalen plaat. Nee, sommigen van hen weken af ​​nadat ze de plaat raakten onder een hoek van ongeveer 150 o, d.w.z. bijna terug naar de zender. Er waren echter maar heel weinig van dergelijke terugkerende deeltjes. Toen de onderzoeker de baan van de deeltjes blokkeerde met een dikkere plaat, verschenen er meer deeltjes die onder grote hoeken werden afgebogen in zijn gezichtsveld. Dit gaf aan dat de door Marsden waargenomen verstrooiing van deeltjes niet een of ander oppervlakte-effect vertegenwoordigde, d.w.z. het is niet verbonden met het oppervlak van de plaat. Maar Marsden kon geen enkele gedachte uiten over het vreemde gedrag van de deeltjes die hij zag. Hij rapporteerde zijn observaties gedetailleerd aan Rutherford.

Rutherford gaf later toe dat het rapport van Marsden een verbazingwekkende invloed op hem had: 'Het was bijna ongelooflijk, alsof je een granaat van vijftien pond op een stuk vloeipapier had afgevuurd en de granaat was teruggekaatst en jou had geraakt.'

Rutherford stelde zich onmiddellijk voor dat het door Marsden waargenomen effect slechts in één geval kon optreden: als het deeltje, nadat het in het atoom was doorgedrongen, een groot obstakel daarin tegenkwam en werd teruggeworpen, waarbij het bij een botsing een krachtige klap kreeg.

Op basis van deze studies stelde Rutherford een nucleair (planetair) model van het atoom voor. Volgens dit model is rond een positieve kern met lading ze (z is het atoomnummer van het element in het Mendelejev-systeem, e is de elementaire lading) 10 -15 - 10 -14 m groot en is de massa bijna gelijk aan de massa van het atoom, in een gebied met lineaire afmetingen in de orde van 10 - 10 m bewegen elektronen in gesloten banen en vormen de elektronenschil van het atoom. Omdat atomen neutraal zijn, is de lading van de kern gelijk aan de totale lading van de elektronen, d.w.z. z elektronen moeten rond de kern draaien.

Voor de eenvoud nemen we aan dat het elektron rond de kern beweegt in een cirkelvormige baan met straal r. In dit geval verleent de Coulomb-interactiekracht tussen het elektron en de kern een centripetale versnelling aan het elektron. De tweede wet van Newton voor een elektron dat in een cirkel beweegt onder invloed van de Coulomb-kracht heeft de vorm , waarbij me en v de massa en snelheid zijn van het elektron in een baan met straal r, en de elektrische constante zijn.

Deze vergelijking bevat twee onbekenden: r en v. Bijgevolg zijn er talloze waarden van straal en overeenkomstige waarden van snelheid (en dus energie) die aan deze vergelijking voldoen. Daarom kunnen de waarden van r, v (en dus E) continu veranderen, d.w.z. Elk, en niet een heel specifiek deel van de energie kan worden uitgestoten. Dan moeten de spectra van atomen continu zijn. In werkelijkheid leert de ervaring dat atomen een lijnenspectrum hebben. Uit deze uitdrukking volgt ook dat bij m de snelheid van de elektronen m/s is, en de versnelling m/s 2. Volgens de klassieke elektrodynamica moeten versnelde elektronen elektromagnetische golven uitzenden en als gevolg daarvan voortdurend energie verliezen. Als gevolg hiervan zullen elektronen dichter bij de kern komen en er uiteindelijk op vallen. Het atoom van Rutherford blijkt dus een onstabiel systeem te zijn, wat opnieuw in tegenspraak is met de werkelijkheid.

Pogingen om een ​​model van het atoom te bouwen binnen het raamwerk van de klassieke natuurkunde leidden niet tot succes: het model van Thomson werd weerlegd door de experimenten van Rutherford, terwijl het nucleaire model elektrodynamisch onstabiel bleek te zijn en experimentele gegevens tegensprak. Om de moeilijkheden die zich voordeden te overwinnen, was het creëren van een kwalitatief nieuwe – kwantum – theorie van het atoom nodig.

In 1914 brak de Eerste Wereldoorlog uit en moest Rutherford zijn onderzoek een tijdje uitstellen. Maar terwijl hij voor de militaire industrie werkte, keerde hij af en toe terug naar zijn eigen experimenten. Bij zijn volgende experimenten was Rutherford van plan het atoom te hacken.

Deze pogingen werden met volledig en verbluffend succes bekroond. De nieuwe opkomst van Rutherfords genialiteit leidde tot een ontdekking die vervolgens een revolutie teweegbracht in de hele wetenschap en technologie van onze tijd. Het eerste signaal werd gegeven voor het begin van het atoomtijdperk. Rutherford splitste de atoomkern.

Het idee hiervan ontstond in Rutherford tijdens observaties in een wolkenkamer (tegen die tijd was het al uitgevonden en verbeterd) en in een stintillatieteller van mysterieuze sporen (sporen), veel langer dan de sporen van deeltjes, bekend bij hem uit talloze experimenten. Hij dacht dat er een aantal hem onbekende redenen waren voor de scherpe toename van het pad van de deeltjes. Een andere mogelijkheid (die juist bleek te zijn) is dat de lange sporen worden achtergelaten door andere ongeïdentificeerde deeltjes. De onderzoeker stond voor de taak om uit te vinden welke van de twee veronderstellingen waar is.

Om antwoord te krijgen op zijn vragen besloot Rutherford een reeks experimenten uit te voeren met het bombarderen van verschillende stoffen met deeltjes. Hij bouwde een apparaat dat voor ons nu ongelooflijk eenvoudig lijkt. Maar we moeten ook toegeven dat alleen hij het meest geschikt was voor een visuele oplossing van het probleem. Daarin moesten de doelwitten voor bombardementen gassen zijn (dat wil zeggen lichte atomen), in plaats van de metalen platen die Rutherford gewoonlijk in veel eerdere experimenten gebruikte.

Het daadwerkelijke apparaat van Rutherford, waarmee hij voor het eerst de kernen van atomen van lichte elementen kon splitsen, is schematisch weergegeven in de figuur.

Messing buis 6 lengtes oh 20 cm met twee kranen is gevuld met gas. In de buis bevindt zich een schijf van een radioactieve zender 7, die deeltjes uitzendt. Deze schijf is gemonteerd op een standaard die langs rail 4 beweegt. Tijdens het experiment is het ene uiteinde van de buis bedekt met een matglasplaat en het andere uiteinde met een glasplaat (bevestigd met was). Een klein rechthoekig gat in de koperen plaat werd afgesloten met een zilveren plaat 3. De zilveren plaat had het vermogen deeltjes tegen te houden die equivalent waren aan een luchtlaag van ongeveer 5 cm dik. Tegen het gat werd een luminescerend scherm van zinkblende geplaatst. Om scintillaties te tellen gebruikte de onderzoeker telescoop 1.

Toen Rutherford de buis met stikstof vulde, verschenen er deeltjes in het gezichtsveld die een heel lang spoor achterlieten, vergelijkbaar met wat hij al had waargenomen. Natuurlijk deed Rutherford nog veel meer experimenten voordat hij tot definitieve conclusies kwam. Maar de uiteindelijke conclusie was deze: wanneer β-deeltjes botsen met stikstofkernen, worden sommige van deze kernen vernietigd, waarbij waterstofkernen - protonen worden uitgestoten, en dan vindt de vorming van zuurstofkernen plaats.

De enorme betekenis van deze ontdekking was vanaf het allereerste begin duidelijk voor Rutherford zelf en zijn medewerkers. Voor het eerst werden atoomkernen gesplitst. De voorheen onwrikbare ideeën over de ‘onafbreekbaarheid’ van chemische elementen werden duidelijk weerlegd. Er zijn compleet nieuwe en verbazingwekkende mogelijkheden ontstaan ​​om sommige elementen kunstmatig van andere te verkrijgen, waarbij enorme energie in kernen vrijkomt, enz.

Terwijl hij zijn onderzoek voortzette, kreeg hij experimentele bevestiging van het standpunt dat hij eerder had ingenomen - dat een klein aantal stikstofatomen tijdens bombardementen uiteenvalt en snelle protonen uitstraalt - waterstofkernen. In het licht van later onderzoek, schreef Rutherford, “is het algemene mechanisme van deze transformatie vrij duidelijk. Van tijd tot tijd dringen deeltjes daadwerkelijk de stikstofkern binnen en vormen tijdelijk een nieuwe kern, zoals een fluorkern met een massa van 18 en een lading van 9. Deze kern, die in de natuur niet bestaat, is uiterst onstabiel en onmiddellijk valt uiteen, stoot een proton uit en verandert in een stabiele kern van zuurstof met een massa van 17 ..."

Als resultaat van langdurige experimenten slaagde Rutherford erin kernreacties te veroorzaken in 17 lichte elementen.

Terwijl hij zijn experimenten met kernsplijting voortzette, kwam Rutherford tot de volgende conclusie: hoewel γ-deeltjes een grote energie hebben, zijn ze nog steeds niet krachtig genoeg projectielen om de kernen van elementen te penetreren. Hij besloot de energie van de deeltjes te vergroten door ze in een hoogspanningsinstallatie te versnellen. Dit was de eerste stap in de ontwikkeling van versnellertechnologie.

-

Referenties:

1) F. Fedorov. "Kettingreactie van een idee", uitg. “Kennis”, M., 1975.

2) T.I. "Natuurkundecursus", uitg. "Hogere school", M., 1999.

3) “Cursus Algemene Natuurkunde”, G.A.Zisman, O.M.Todes, ed. "Edelweiss", Kiev, 1994.

"Rutherfords ervaring".

Al bijna honderd jaar proberen ‘wetenschappers’, met een benijdenswaardige vasthoudendheid waar elke fanaticus jaloers op kan zijn, wetten en formules te bedenken om elektronen rond de kern te laten draaien. Zonder zelfs maar de gedachte toe te staan ​​dat de atomen van de materie een totaal andere structuur hebben. En het begin van dit verhaal werd in 1911 gelegd door Ernest Rutherford, die op basis van de resultaten van een reeks experimenten met alfadeeltjes een conclusie trok over de ‘planetaire structuur van het atoom’. Zowel tijdens het experiment zelf als bij het analyseren van de resultaten van het experiment maakte Rutherford ernstige fouten en trok als gevolg daarvan een volkomen verkeerde conclusie over de structuur van het atoom. Maar het leger van ‘wetenschappelijke’ natuurkundigen merkte niet alleen de volkomen voor de hand liggende fouten niet op, ze rechtvaardigden theoretisch het tegenovergestelde in de persoon van Niels Bohr. En de ervaring zelf en de conclusies over de ‘planetaire structuur van het atoom’ van Rutherford veranderden in een ‘heilige koe’. En dat is al bijna een eeuw het geval met ‘Rutherfords ervaring’ “een voorbeeld van gratie en diepgang in design” , en zijn opgenomen in de verplichte natuurkundecursus op de middelbare school. En nu kunnen we in elk natuurkundeboek dat aan dit onderwerp is gewijd het volgende lezen...

“De Rutherford Experience” van de site “ elementair. Ru".

“Ernest Rutherford is een unieke wetenschapper in de zin dat hij zijn belangrijkste ontdekkingen deed nadat hij de Nobelprijs had ontvangen. In 1911 slaagde hij in een experiment dat wetenschappers niet alleen in staat stelde diep in het atoom te kijken en inzicht te krijgen in de structuur ervan, maar dat ook een toonbeeld werd van gratie en diepgang in het ontwerp.

Met behulp van een natuurlijke bron van radioactieve straling bouwde Rutherford een kanon dat een gerichte en gerichte stroom deeltjes produceerde. Het kanon was een loden doos met een smalle gleuf, waarin radioactief materiaal werd geplaatst. Hierdoor werden deeltjes (in dit geval alfadeeltjes, bestaande uit twee protonen en twee neutronen) die door de radioactieve stof in alle richtingen behalve één werden uitgezonden, geabsorbeerd door het loodscherm en kwam er alleen een gerichte straal alfadeeltjes vrij door de sleuf. . Verderop langs het pad van de straal bevonden zich nog een aantal loden schermen met smalle spleten die deeltjes afsneden die van een strikt gespecificeerde richting afweken. Als resultaat vloog een perfect gerichte straal alfadeeltjes richting het doel, en het doel zelf was een dun vel goudfolie. Het was de alfastraal die haar trof. Nadat ze met de folie-atomen waren gebotst, vervolgden de alfadeeltjes hun weg en raakten ze een lichtgevend scherm dat achter het doel was geïnstalleerd, waarop flitsen werden geregistreerd wanneer alfadeeltjes het raakten. Hieruit kon de onderzoeker beoordelen in welke hoeveelheid en hoeveel alfadeeltjes afwijken van de richting van de rechtlijnige beweging als gevolg van botsingen met folie-atomen.

Dit soort experimenten zijn al eerder uitgevoerd. Hun belangrijkste idee was om voldoende informatie te verzamelen vanuit de hoeken van de deeltjesafbuiging, zodat er iets definitiefs kon worden gezegd over de structuur van het atoom. Aan het begin van de twintigste eeuw wisten wetenschappers al dat het atoom negatief geladen elektronen bevat. Het heersende idee was echter dat het atoom zoiets was als een positief geladen fijn rooster gevuld met negatief geladen rozijnenelektronen – een model dat het ‘rozijnenrastermodel’ wordt genoemd. Op basis van de resultaten van dergelijke experimenten konden wetenschappers enkele eigenschappen van atomen leren, in het bijzonder de volgorde van hun geometrische afmetingen schatten.

Rutherford merkte echter op dat geen van zijn voorgangers zelfs maar experimenteel had geprobeerd te testen of sommige alfadeeltjes onder zeer grote hoeken werden afgebogen. Het rozijnenrastermodel hield simpelweg geen rekening met het bestaan ​​van structurele elementen in het atoom die zo dicht en zwaar waren dat ze snelle alfadeeltjes onder aanzienlijke hoeken konden afbuigen, dus niemand nam de moeite om deze mogelijkheid te testen. Rutherford vroeg een van zijn studenten om de installatie zo opnieuw uit te rusten dat het mogelijk was de verstrooiing van alfadeeltjes onder grote afbuighoeken waar te nemen - alleen maar om zijn geweten te zuiveren, om deze mogelijkheid volledig uit te sluiten. De detector was een scherm bedekt met natriumsulfide, een materiaal dat een fluorescerende flits produceert wanneer er een alfadeeltje op botst. Stel je de verrassing eens voor, niet alleen van de student die het experiment rechtstreeks uitvoerde, maar ook van Rutherford zelf toen bleek dat sommige deeltjes onder hoeken van wel 180° werden afgebogen!

Binnen het raamwerk van het gevestigde model van het atoom kon het resultaat niet worden geïnterpreteerd: er is eenvoudigweg niets in het rozijnenraster dat een krachtig, snel en zwaar alfadeeltje zou kunnen weerspiegelen. Rutherford werd gedwongen te concluderen dat in een atoom het grootste deel van de massa geconcentreerd is in een ongelooflijk dichte substantie die zich in het centrum van het atoom bevindt. En de rest van het atoom bleek vele ordes van grootte minder dicht te zijn dan eerder werd gedacht. Uit het gedrag van verstrooide alfadeeltjes volgde ook dat in deze superdichte centra van het atoom, die Rutherford kernen noemde, ook de gehele positieve elektrische lading van het atoom geconcentreerd is, aangezien alleen de krachten van elektrische afstoting de verstrooiing van deeltjes kunnen veroorzaken. hoeken groter dan 90°.

Jaren later gebruikte Rutherford deze analogie over zijn ontdekking graag. In een zuidelijk Afrikaans land werden douanebeambten gewaarschuwd dat een grote lading gesmokkelde wapens op het punt stond het land binnen te worden gesmokkeld voor rebellen, en dat de wapens verborgen zouden zijn in balen katoen. En nu, na het lossen, staat de douanebeambte voor een heel pakhuis vol balen katoen. Hoe kan hij bepalen welke balen geweren bevatten? De douanebeambte loste het probleem eenvoudig op: hij begon op de balen te schieten, en als de kogels uit een baal afketsten, identificeerde hij de balen met gesmokkelde wapens op basis van dit bord. Dus toen Rutherford zag hoe alfadeeltjes van goudfolie afketsten, realiseerde hij zich dat er een veel dichtere structuur in het atoom verborgen zat dan verwacht.

Het beeld van het atoom dat Rutherford heeft getekend op basis van de resultaten van zijn experiment is ons tegenwoordig goed bekend. Een atoom bestaat uit een superdichte, compacte kern die een positieve lading draagt, en negatief geladen lichte elektronen eromheen. Later hebben wetenschappers een betrouwbare theoretische basis voor dit beeld gegeven, maar het begon allemaal met een eenvoudig experiment met een klein monster radioactief materiaal en een stukje goudfolie.”

L. Cooper “Natuurkunde voor iedereen” Ed. 1973

“Destijds was al bekend dat de massa van een alfadeeltje ongeveer 6,62 * 10-24 g bedraagt, dat wil zeggen dicht bij de massa van een heliumatoom. Bovendien was bekend dat het een positieve lading heeft, waarvan de waarde tweemaal zo groot is als die van een elektron. Het was ook bekend dat alfadeeltjes uitgezonden door radioactief polonium vliegen met een snelheid van 1,6 * 10 9 cm/s. Er zou kunnen worden aangenomen (en een dergelijke veronderstelling is gemaakt) dat alfadeeltjes heliumatomen zijn waaruit op de een of andere manier elektronen zijn afgescheurd tijdens het stralingsproces. Deze veronderstelling werd bevestigd toen Rutherford en Royds erin slaagden helium te detecteren in het vat waarin ze alfadeeltjes stuurden. Geyrer liet deze alfadeeltjes door goudfolie van 4*10-4 mm dik gaan (Geen enkel deeltje drong door folie die ongeveer tien keer dikker was.) en observeerden hun afbuigingen op een zink-sulfidescherm...' 'In vroege experimenten waarbij goudfolie als doelwit werd gebruikt en alfadeeltjes als bombarderende deeltjes, werd voor het eerst ontdekt dat bijna alle deeltjes, ondanks het feit dat 400 lagen van atomen werden op een gouden plaat gestapeld en door het doel gevoerd zonder af te buigen, alsof de doelatomen volledig transparant waren voor bombarderende deeltjes. – Rutherford schreef: “Ik observeerde de verstrooiing van alfadeeltjes, en Dr. Geiger bestudeerde dit fenomeen in detail in mijn laboratorium. Hij ontdekte dat deze verstrooiing in dunne metalen platen heel klein is, in de orde van één graad. Op een dag kwam Geiger naar me toe en zei: ‘Vind je niet dat het tijd is dat de jonge Marsden, die ik les geef in radioactieve methoden, een beetje onderzoek gaat doen?’ Ik vond ook dat het tijd was, dus zei ik: “Waarom geef je hem niet de opdracht om uit te zoeken of alfadeeltjes onder grote hoeken kunnen worden verspreid?” Ik kan je een geheim vertellen dat ik zelf niet geloofde dat een dergelijk effect mogelijk was, omdat we wisten dat het alfadeeltje een zeer snel, zwaar deeltje is met een enorme reserve aan kinetische energie, dus de kans om terug te verstrooien was extreem klein, als we aannemen dat de totale verstrooiing van een alfadeeltje bestaat uit meerdere verstrooiingen onder kleine hoeken. Vervolgens herinner ik me dat een paar dagen later een extreem opgewonden Geiger naar me toe kwam en zei: "We konden verschillende alfadeeltjes waarnemen die verspreid waren ..." Dit was de meest ongelooflijke gebeurtenis in mijn leven. Het was net zo ongelooflijk alsof een 15-inch granaat afgevuurd werd op een stuk vloeipapier dat er vanaf stuiterde en de schutter raakte.”

1). Wat heeft meneer Rutherford hier eigenlijk mee te maken? “...Geiger liet deze alfadeeltjes door goudfolie van 4*10-4 mm dik gaan en observeerde hun afbuigingen op een zinksulfidescherm...” “…Op een dag kwam Geiger naar mij toe en zei: “Niet waar Denk je dat de jonge Marsden, aan wie ik les geef in radioactieve methoden, het tijd is om wat onderzoek te beginnen?..." "...een paar dagen later kwam een ​​extreem opgewonden Geiger naar me toe en zei: "We zijn erin geslaagd verschillende alfadeeltjes te observeren die verspreid lagen rug..." Stel je deze situatie voor: Coach Dr. Geiger neemt de atleet “Mardsen Royds” mee naar de Olympische Spelen, de voorzitter van het Nationaal Olympisch Comité “E. Rutherford” gelooft niet in de atleet en het resultaat, maar er is geen andere kandidaat, en hij is het daar gracieus mee eens. Maar onverwachts voor iedereen, en vooral voor de voorzitter van het Nationaal Olympisch Comité, wint de atleet de competitie met een wereldrecord. Tijdens de prijsuitreiking werd de voorzitter van het Nationaal Olympisch Comité “E.” aangekondigd als de winnaar van de competitie en de auteur van het wereldrecord. Rutherford”, en bevelen en medailles, diploma’s en prijzen, enz., enz. beginnen op hem af te stromen... Ondanks het feit dat de heer Rutherford het planetaire model van het atoom heeft gestolen van de Franse natuurkundige Jean Baptiste Perin (1870). - 1942), die zich nog in 1901 bevond na het bestuderen van de elektronenstroom in een kathodebuis door verschillende materie, suggereerde de nucleair-planetaire structuur van het atoom.

2) . Lezing “Met behulp van een natuurlijke bron van radioactieve straling bouwde Rutherford een kanon dat een gerichte en gerichte stroom deeltjes produceerde... en het doel zelf was een dun vel goudfolie... Hun belangrijkste idee was om voldoende informatie vanuit de hoeken te verzamelen. van de afbuiging van deeltjes, waardoor je iets definitiefs zou kunnen zeggen over de structuur van het atoom.” Dit is hoe het, beste lezer, eenvoudig uitpakt voor Rutherford en andere wetenschappers. Ze gingen ervan uit dat materie uit atomen bestaat, namen een dunner laagje materie en het bleek dat ze al individuele atomen in hun handen hadden. Een vel bladgoud, beste heren, dit is materie, en Door het te bombarderen met alfadeeltjes bestudeer je de structuur van de materie, maar niet het atoom.

3). Voordat Mardsen Royds alfadeeltjes ontdekte die terugstuiterden, stelde de wetenschappelijke wereld zich voor dat materie uit bepaalde bouwstenen bestond: atomen, onderling verbonden door de zwaartekracht, zonder enige opening ertussen. Maar de aanwezigheid van alfadeeltjes die in de tegenovergestelde richting worden weerspiegeld, weerlegt deze theorie over de structuur van materie volledig, en laat duidelijk zien dat materie verschilt van niet-materie door de aanwezigheid daarin van kleine deeltjes (atomen) die een klein volume innemen van het totale volume. van materie. De heer Rutherford en andere ‘wetenschappers’ konden zich dit feit niet realiseren en vergrootten willekeurig de geometrische afmetingen van atomen, door er elektronen aan te hechten die zogenaamd rond de kern draaien. Wanneer geen van de experimentele resultaten aangeeft dat er iets rond deze deeltjes (atomen) draait. Het nucleaire planetaire model van het atoom is dus de vrucht van de zieke verbeeldingskracht van Rutherford en degenen hieronder die met hem hebben getekend.

Laten we nog eens lezen wat Rutherford zelf in het rapport schreef. “Ik observeerde de verstrooiing van alfadeeltjes en Dr. Geiger bestudeerde dit fenomeen in detail in mijn laboratorium. Hij ontdekte dat deze verstrooiing in dunne metalen platen heel klein is, in de orde van één graad...’ In de resultaten van de experimenten bedroeg de verstrooiing van alfadeeltjes niet meer dan één graad, maar de illustraties voor het experiment tonen een bundel deeltjes die 20 - 30 graden verstrooid zijn. En later, in werken gewijd aan de ervaring van Rutherford, zien we het volgende beeld:

“Resultaten van de experimenten van Rutherford:
1. De meeste deeltjes passeren de atomen van een stof. zonder te verdwijnen (zoals door “leegte”);
2. bij toenemende verstrooiingshoek neemt het aantal deeltjes dat afwijkt van de oorspronkelijke richting sterk af;
3. Er zijn individuele deeltjes die door atomen worden teruggeworpen, tegen hun aanvankelijke beweging in (zoals een bal van een muur).”

Voordat Royds de achterwaartse afbuiging van deeltjes ontdekte, was er geen enkel deeltje geregistreerd dat meer dan één graad afbuigde. Deze experimenten werden vele malen uitgevoerd en de assistenten van Rutherford keken naar alles, maar ze registreerden nooit deeltjes die meer dan één graad afweken. Daarnaast werden soortgelijke experimenten uitgevoerd door andere onderzoekers, waarbij ook afwijkingen van alfadeeltjes binnen één graad werden geregistreerd. Heren, “wetenschappers” en niet zozeer, de resultaten van de experimenten registreerden geen deeltjes die verschillende graden afweken en het is niet nodig om ze uit te vinden. De experimentele resultaten bevatten alleen deeltjes die binnen één graad afweken en terugstuiterden (ongeveer één op de achtduizend). Maar in alle werken die aan dit onderwerp zijn gewijd, verschijnen alfadeeltjes in de resultaten van het experiment, afwijkend met: 5, 10, 20 of meer graden, zulke verbazingwekkende metamorfoses.

5). Maar volgens de logica der dingen zouden er afwijkingen van deeltjes onder andere hoeken moeten zijn, maar dergelijke afwijkingen van alfadeeltjes werden niet geregistreerd, wat op het eerste gezicht volkomen onwaarschijnlijk lijkt. Maar alleen op het eerste gezicht is alles natuurlijk.

Laten we eerst eens kijken waarom er een flits optreedt wanneer deze een zinkzwavelscherm raakt.

Tijdens het experiment werd ontdekt dat het alfadeeltje niets meer is dan een heliumatoom, dit wordt direct aangegeven door het feit dat helium werd gedetecteerd in het vat waarin de stroom alfadeeltjes werd geleid. Helium is een inert gas. Wanneer een alfadeeltje een zinkzwavelscherm raakt, kan er dus geen sprake zijn van een chemische reactie. Tegelijkertijd zien we echter een flits, de vraag is waarom? Wanneer alfadeeltjes een zinksulfidescherm raken, veroorzaken ze trillingen van de atomen van het scherm, die op hun beurt worden doorgegeven aan de atomen van de ether en elektromagnetische golven van het zichtbare spectrum verschijnen in de ether, die onze ogen zien. Vliegsnelheid van alfadeeltjes≈16.000 km/s, en het is redelijk om aan te nemen dat bij een lagere vliegsnelheid de kinetische energie van de deeltjes niet voldoende zal zijn om trillingen van de schermatomen te veroorzaken. Om precies te zijn, er zullen trillingen in de lucht zijn, maar niet in het zichtbare spectrum, maar in het infraroodbereik, dat niet zichtbaar is voor het blote oog. Om deze flitsen te kunnen zien, heb je een infrarooddetector nodig.

Uit de grootte en ruimtelijke ordening van atomen onderling kunnen we concluderen dat naast de kracht van wederzijdse aantrekkingskracht, er ook een tegenwerkende kracht op de atomen inwerkt, waardoor wordt voorkomen dat ze op elkaar vallen. Tijdens een frontale botsing van een alfadeeltje met een goudatoom wordt het atoom verplaatst, waarna deze krachten in actie komen, waardoor het atoom terugkeert naar zijn rechtmatige plaats, en het alfadeeltje bijna 100% omgekeerd momentum krijgt en het alfadeeltje het deeltje vliegt in de tegenovergestelde richting met een snelheid van minimaal 15.000 km/s, wat voldoende is om een ​​flits te veroorzaken op een zinksulfidescherm in het zichtbare spectrum. En zelfs bij een kleine tangentiële botsing wordt minstens tien procent van de energie van het deeltje overgedragen aan het atoom, maar het ontvangt het niet meer terug, het is voorbijgevlogen. De vliegsnelheid daalt tot onder de 14.000 - 15.000 km/s en de kinetische energie is niet langer voldoende om een ​​flits op het zink-zwavelscherm te veroorzaken. Preciezer gezegd, de impact van een alfadeeltje met een snelheid onder de 14.000 - 15.000 km/s veroorzaakt een flits op het scherm, alleen de frequentie van de elektromagnetische golven die worden gegenereerd door de impact van het deeltje ligt in het infrarode bereik, onder het zichtbare spectrum van elektromagnetische golven, niet zichtbaar voor het blote oog. Dit is precies de reden waarom afwijkingen van alfadeeltjes naar andere hoeken niet werden geregistreerd. Tijdens het experiment werd de gevoeligheidsdrempel van het opnameapparaat (zinkzwavelscherm) niet bepaald. Hoewel ik me misschien vergis en het bekend is, werd er in alle bronnen die ik las waarin dit experiment werd beschreven, met geen woord over gesproken, en dit feit is niet onbelangrijk in de uiteindelijke conclusies van de resultaten van het experiment. (Voor zover ik weet zijn dergelijke experimenten niet uitgevoerd; iedereen die de mogelijkheid heeft om een ​​soortgelijk experiment uit te voeren, ga ervoor, het onderwerp is open...)

Onderwijs

Rutherford's alf(kort)

Ernest Rutherford is een van de grondleggers van de fundamentele leer van de interne structuur van het atoom. De wetenschapper werd geboren in Engeland, in een familie van immigranten uit Schotland. Rutherford was het vierde kind in zijn gezin en bleek het meest getalenteerde. Hij slaagde erin een bijzondere bijdrage te leveren aan de theorie van de atomaire structuur.

Eerste ideeën over de structuur van het atoom

Opgemerkt moet worden dat voordat Rutherfords beroemde experiment over de verstrooiing van alfadeeltjes werd uitgevoerd, het toenmalige Thompson-model het dominante idee over de structuur van het atoom was. Deze wetenschapper was er zeker van dat de positieve lading het gehele volume van het atoom gelijkmatig vulde. Negatief geladen elektronen waren, zo meende Thompson, alsof ze ermee werden afgewisseld.

Voorwaarden voor een wetenschappelijke revolutie

Na het verlaten van school ontving Rutherford, als de meest getalenteerde student, een beurs van 50 pond voor vervolgonderwijs. Dankzij dit kon hij naar de universiteit in Nieuw-Zeeland gaan. Vervolgens slaagt de jonge wetenschapper voor examens aan de Universiteit van Canterbury en begint hij serieus natuurkunde en scheikunde te studeren. In 1891 hield Rutherford zijn eerste lezing over ‘De evolutie van de elementen’. Voor het eerst in de geschiedenis werd het idee geschetst dat atomen complexe structuren zijn.

In die tijd domineerde Daltons idee dat atomen ondeelbaar waren de wetenschappelijke kringen. Voor iedereen in de omgeving van Rutherford leek zijn idee volkomen krankzinnig. De jonge wetenschapper moest zich voortdurend bij zijn collega’s verontschuldigen voor zijn ‘onzin’. Maar na twaalf jaar slaagde Rutherford er nog steeds in te bewijzen dat hij gelijk had. Rutherford kreeg de kans om zijn onderzoek voort te zetten in het Cavendish Laboratory in Engeland, waar hij de processen van luchtionisatie begon te bestuderen. Rutherfords eerste ontdekking was alfa- en bètastraling.

Rutherfords ervaring

De ontdekking kan als volgt kort worden beschreven: in 1912 voerde Rutherford samen met zijn assistenten zijn beroemde experiment uit: alfadeeltjes werden uitgezonden door een leidende bron. Alle deeltjes, behalve die welke door lood werden geabsorbeerd, bewogen langs het geïnstalleerde kanaal. Hun smalle stroom viel op een dunne laag folie. Deze lijn stond loodrecht op het vel. Rutherfords experiment met de verstrooiing van alfadeeltjes bewees dat de deeltjes die dwars door een vel folie gingen zogenaamde scintillaties op het scherm veroorzaakten.

Dit scherm was bedekt met een speciale substantie die begon te gloeien als alfadeeltjes erop terechtkwamen. De ruimte tussen de goudfolielaag en het scherm werd gevuld met een vacuüm om te voorkomen dat alfadeeltjes de lucht in zouden vliegen. Met zo'n apparaat konden onderzoekers deeltjes observeren die zich verspreidden onder een hoek van ongeveer 150 °.

Als de folie niet als obstakel voor de bundel alfadeeltjes werd gebruikt, vormde zich een lichte cirkel van schitteringen op het scherm. Maar zodra er een barrière van goudfolie voor hun balk werd geplaatst, veranderde het beeld enorm. Flitsen verschenen niet alleen buiten deze cirkel, maar ook aan de andere kant van de folie. Rutherfords experiment met de verstrooiing van alfadeeltjes toonde aan dat de meeste deeltjes door de folie gingen zonder merkbare veranderingen in hun traject.

In dit geval werden sommige deeltjes onder een vrij grote hoek afgebogen en zelfs teruggeworpen. Van elke 10.000 deeltjes die vrij door een laag goudfolie gingen, werd er slechts één afgebogen over een hoek groter dan 10°. Bij wijze van uitzondering werd één van de deeltjes over een dergelijke hoek afgebogen.

De reden waarom alfadeeltjes werden afgebogen

Wat het experiment van Rutherford in detail onderzocht en bewees, is de structuur van het atoom. Deze situatie gaf aan dat het atoom geen continue formatie is. De meeste deeltjes gingen vrij door de folie van één atoom dik. En aangezien de massa van een alfadeeltje bijna 8.000 keer groter is dan de massa van een elektron, zou dit laatste de baan van het alfadeeltje niet significant kunnen beïnvloeden. Dit zou alleen gedaan kunnen worden door de atoomkern - een lichaam van kleine omvang, dat bijna de gehele massa en alle elektrische lading van het atoom bezit. In die tijd werd dit een belangrijke doorbraak voor de Engelse natuurkundige. Rutherfords ervaring wordt beschouwd als een van de belangrijkste stappen in de ontwikkeling van de wetenschap van de interne structuur van het atoom.

Andere ontdekkingen gedaan tijdens het bestuderen van het atoom

Deze onderzoeken leverden direct bewijs dat de positieve lading van een atoom zich in de kern bevindt. Dit gebied neemt een zeer kleine ruimte in beslag in vergelijking met de totale afmetingen. In zo'n klein volume bleek verstrooiing van alfadeeltjes zeer onwaarschijnlijk. En de deeltjes die dichtbij het gebied van de atoomkern passeerden, ondervonden scherpe afwijkingen van het traject, omdat de afstotende krachten tussen het alfadeeltje en de atoomkern zeer krachtig waren. Het alfvan Rutherford bewees de waarschijnlijkheid dat een alfadeeltje rechtstreeks de kern zou raken. Toegegeven, de kans was erg klein, maar nog steeds niet nul.

Dit was niet het enige feit dat de ervaring van Rutherford bewees. De structuur van het atoom werd kort bestudeerd door zijn collega's, die nog een aantal andere belangrijke ontdekkingen deden. Behalve de leer dat alfadeeltjes snel bewegende heliumkernen zijn.

De wetenschapper kon de structuur van een atoom beschrijven waarin de kern een klein deel van het totale volume in beslag neemt. Zijn experimenten bewezen dat vrijwel de gehele lading van een atoom geconcentreerd is in de kern. In dit geval komen zowel gevallen van afbuiging van alfadeeltjes als gevallen van hun botsing met de kern voor.

Experimenten van Rutherford: nucleair model van het atoom

In 1911 stelde Rutherford, na talrijke studies, een model voor van de structuur van het atoom, dat hij planetair noemde. Volgens dit model bevindt zich in het atoom een ​​kern die bijna de gehele massa van het deeltje bevat. Elektronen bewegen rond de kern op een vergelijkbare manier als planeten rond de zon bewegen. Uit hun combinatie wordt een zogenaamde elektronenwolk gevormd. Het atoom heeft een neutrale lading, zoals het experiment van Rutherford aantoonde.

De structuur van het atoom werd later interessant voor een wetenschapper genaamd Niels Bohr. Hij was het die de leer van Rutherford afrondde, omdat vóór Bohr het planetaire model van het atoom op moeilijkheden van verklaring begon te stuiten. Omdat het elektron met versnelling in een bepaalde baan rond de kern beweegt, moet het vroeg of laat op de kern van het atoom vallen. Niels Bohr kon echter bewijzen dat binnen het atoom de wetten van de klassieke mechanica niet langer van toepassing zijn.

Een atoom bestaat uit een compacte en massieve positief geladen kern en negatief geladen lichte elektronen daaromheen.

Ernest Rutherford is een unieke wetenschapper in de zin dat hij zijn belangrijkste ontdekkingen al heeft gedaan na het ontvangen van de Nobelprijs. In 1911 slaagde hij in een experiment dat wetenschappers niet alleen in staat stelde diep in het atoom te kijken en inzicht te krijgen in de structuur ervan, maar dat ook een toonbeeld werd van gratie en diepgang in het ontwerp.

Met behulp van een natuurlijke bron van radioactieve straling bouwde Rutherford een kanon dat een gerichte en gerichte stroom deeltjes produceerde. Het kanon was een loden doos met een smalle gleuf, waarin radioactief materiaal werd geplaatst. Hierdoor werden deeltjes (in dit geval alfadeeltjes, bestaande uit twee protonen en twee neutronen) die door de radioactieve stof in alle richtingen behalve één werden uitgezonden, geabsorbeerd door het loodscherm en kwam er alleen een gerichte straal alfadeeltjes vrij door de sleuf. . Verderop langs het pad van de straal bevonden zich nog een aantal loden schermen met smalle spleten die deeltjes afsneden die van een strikt gespecificeerde richting afweken. Als resultaat vloog een perfect gerichte straal alfadeeltjes richting het doel, en het doel zelf was een dun vel goudfolie. Het was de alfastraal die haar trof. Nadat ze met de folie-atomen waren gebotst, vervolgden de alfadeeltjes hun weg en raakten ze een lichtgevend scherm dat achter het doel was geïnstalleerd, waarop flitsen werden geregistreerd wanneer alfadeeltjes het raakten. Hieruit kon de onderzoeker beoordelen in welke hoeveelheid en hoeveel alfadeeltjes afwijken van de richting van de rechtlijnige beweging als gevolg van botsingen met folie-atomen.

Dit soort experimenten zijn al eerder uitgevoerd. Hun belangrijkste idee was om voldoende informatie te verzamelen vanuit de hoeken van de deeltjesafbuiging, zodat er iets definitiefs kon worden gezegd over de structuur van het atoom. Aan het begin van de twintigste eeuw wisten wetenschappers al dat het atoom negatief geladen elektronen bevat. Het heersende idee was echter dat het atoom zoiets was als een positief geladen fijn rooster gevuld met negatief geladen rozijnenelektronen – een model dat het ‘rozijnenrastermodel’ wordt genoemd. Op basis van de resultaten van dergelijke experimenten konden wetenschappers enkele eigenschappen van atomen leren, in het bijzonder de volgorde van hun geometrische afmetingen schatten.

Rutherford merkte echter op dat geen van zijn voorgangers zelfs maar experimenteel had geprobeerd te testen of sommige alfadeeltjes onder zeer grote hoeken werden afgebogen. Het rozijnenrastermodel hield simpelweg geen rekening met het bestaan ​​van structurele elementen in het atoom die zo dicht en zwaar waren dat ze snelle alfadeeltjes onder aanzienlijke hoeken konden afbuigen, dus niemand nam de moeite om deze mogelijkheid te testen. Rutherford vroeg een van zijn studenten om de installatie zo opnieuw uit te rusten dat het mogelijk was de verstrooiing van alfadeeltjes onder grote afbuighoeken waar te nemen - alleen maar om zijn geweten te zuiveren, om deze mogelijkheid volledig uit te sluiten. De detector was een scherm bedekt met natriumsulfide, een materiaal dat een fluorescerende flits produceert wanneer er een alfadeeltje op botst. Stel je de verrassing eens voor, niet alleen van de student die het experiment rechtstreeks uitvoerde, maar ook van Rutherford zelf toen bleek dat sommige deeltjes onder hoeken van wel 180° werden afgebogen!

Binnen het raamwerk van het gevestigde model van het atoom kon het resultaat niet worden geïnterpreteerd: er is eenvoudigweg niets in het rozijnenraster dat een krachtig, snel en zwaar alfadeeltje zou kunnen weerspiegelen. Rutherford werd gedwongen te concluderen dat in een atoom het grootste deel van de massa geconcentreerd is in een ongelooflijk dichte substantie die zich in het centrum van het atoom bevindt. En de rest van het atoom bleek vele ordes van grootte minder dicht te zijn dan eerder werd gedacht. Het volgde ook uit het gedrag van verspreide alfadeeltjes in deze superdichte centra van het atoom, dat Rutherford noemde kernen, is de gehele positieve elektrische lading van het atoom ook geconcentreerd, aangezien alleen de krachten van elektrische afstoting de verstrooiing van deeltjes onder hoeken groter dan 90° kunnen veroorzaken.

Jaren later gebruikte Rutherford deze analogie over zijn ontdekking graag. In een zuidelijk Afrikaans land werden douanebeambten gewaarschuwd dat een grote lading gesmokkelde wapens op het punt stond het land binnen te worden gesmokkeld voor rebellen, en dat de wapens verborgen zouden zijn in balen katoen. En nu, na het lossen, staat de douanebeambte voor een heel pakhuis vol balen katoen. Hoe kan hij bepalen welke balen geweren bevatten? De douanebeambte loste het probleem eenvoudig op: hij begon op de balen te schieten, en als de kogels uit een baal afketsten, identificeerde hij de balen met gesmokkelde wapens op basis van dit bord. Dus toen Rutherford zag hoe alfadeeltjes van goudfolie afketsten, realiseerde hij zich dat er een veel dichtere structuur in het atoom verborgen zat dan verwacht.

Het beeld van het atoom dat Rutherford heeft getekend op basis van de resultaten van zijn experiment is ons tegenwoordig goed bekend. Een atoom bestaat uit een superdichte, compacte kern die een positieve lading draagt, en negatief geladen lichte elektronen eromheen. Later verschaften wetenschappers een betrouwbare theoretische basis voor dit beeld ( cm. Bohr Atom), maar het begon allemaal met een eenvoudig experiment met een klein monster radioactief materiaal en een stukje goudfolie.

Zie ook:

Ernest Rutherford, eerste baron Rutherford van Nelson, 1871-1937

Nieuw-Zeelandse natuurkundige. Geboren in Nelson, de zoon van een ambachtelijke boer. Won een beurs om te studeren aan de Universiteit van Cambridge in Engeland. Na zijn afstuderen werd hij benoemd tot lid van de Canadese McGill University, waar hij samen met Frederick Soddy (1877-1966) de basiswetten van het fenomeen radioactiviteit opstelde, waarvoor hij in 1908 de Nobelprijs voor de Scheikunde ontving. Al snel verhuisde de wetenschapper naar de Universiteit van Manchester, waar Hans Geiger (1882-1945) onder zijn leiding zijn beroemde Geigerteller uitvond, de structuur van het atoom begon te onderzoeken en in 1911 het bestaan ​​van de atoomkern ontdekte. Tijdens de Eerste Wereldoorlog was hij betrokken bij de ontwikkeling van sonars (akoestische radars) om vijandelijke onderzeeërs te detecteren. In 1919 werd hij benoemd tot hoogleraar natuurkunde en directeur van het Cavendish Laboratory aan de Universiteit van Cambridge en in hetzelfde jaar ontdekte hij nucleair verval als gevolg van bombardementen door hoogenergetische zware deeltjes. Rutherford bleef tot het einde van zijn leven in deze functie en was tegelijkertijd jarenlang president van de Royal Scientific Society. Hij werd begraven in Westminster Abbey naast Newton, Darwin en Faraday.