Dokumentalne filmy edukacyjne. Seria „Fizyka”.

W pierwszej ćwierci XX wieku ustalono, że atom składa się z dodatnio naładowanego jądra i otaczającej go powłoki elektronowej. Liniowe wymiary jądra są rzędu 10–13–10–12 cm. Wymiary samego atomu*, określone przez powłokę elektronową, są około 10-5 razy większe. Jednak prawie cała masa atomu (co najmniej 99,95%) jest skoncentrowana w jądrze. Wynika to z faktu, że rdzeń składa się z „ciężkich” protonów i neutronów, a powłoka elektronowa składa się wyłącznie z „lekkich” elektronów (mp - 1836,15me, mp = 1838,68me). Liczba elektronów w powłoce neutralnego atomu jest równa ładunkowi jądra, jeśli ładunek elementarny przyjmiemy jako jeden (tj. Ładunek elektronu w wartości bezwzględnej). Ale powłoka elektronowa może stracić lub zyskać elektrony. Następnie atom zostaje naładowany elektrycznie, to znaczy zamienia się w jon dodatni lub ujemny.

O właściwościach chemicznych atomu decyduje powłoka elektronowa, a dokładniej jego zewnętrzne elektrony. Takie elektrony są stosunkowo słabo związane z atomem i dlatego są najbardziej podatne na wpływy elektryczne z zewnętrznych elektronów sąsiednich atomów. To samo dotyczy sił przyciągania lub odpychania pomiędzy neutralnymi atomami i cząsteczkami (siły molekularne). Natomiast protony i neutrony są ściśle związane w jądrze. Aby oddziaływać na jądro, potrzebne są siły miliony razy większe niż siły wystarczające do oderwania zewnętrznych elektronów atomu. Jednakże o strukturze i właściwościach powłoki elektronowej ostatecznie decyduje pole elektryczne jądra atomowego.

Jeżeli przedstawiony model atomu odpowiada rzeczywistości, wówczas atom powinien być wysoce przezroczysty dla penetrujących go cząstek. Dla wiązki elektronów zostało to ustalone przez Lenarda. Jednakże ostateczny dowód eksperymentalny tego modelu atomu przedstawił Rutherford (1871-1937) w 1911 roku. Dlatego słusznie nazywa się go modelem Rutherforda. Zgodnie z sugestią i wskazówkami Rutherforda jego uczniowie Geiger i Marsden (1889-1970) ilościowo badali rozpraszanie cząstek α ​​emitowanych przez substancje radioaktywne. W ich eksperymentach równoległą wiązkę cząstek α ​​skierowano w próżni na cienką metalową folię i przez nią rozproszono. Do rejestracji rozproszonych cząstek α ​​zastosowano metodę wizualną. Uderzając w fluorescencyjny ekran wykonany z siarczku cynku, cząstka α pozostawiła na nim błysk (scylację). Poszczególne scyntylacje można było obserwować w ciemności za pomocą szkła powiększającego lub mikroskopu. Eksperymentatorzy liczyli takie przebłyski.

Okazało się, że przeważająca liczba cząstek α ​​była rozproszona pod małymi kątami rzędu 1-3°. Rozkład kątowy takich cząstek dobrze opisuje krzywa błędu losowego Gaussa (1777-1855). Zaobserwowano jednak także pojedyncze cząstki α odchylające się pod dużymi kątami, dochodzącymi do 150°. Względna liczba takich cząstek była znikoma. Przykładowo, gdy wiązka cząstek α ​​z RaC przeszła przez folię platynową, spośród 8000 padających cząstek, średnio tylko jedna cząstka została odchylona o kąt większy niż 90°. Ale nawet to byłoby zbyt wiele, gdyby w wyniku kumulacji wielu przypadkowych odchyleń powstały duże odchylenia.

Rutherford doszedł do wniosku, że każde duże odchylenie pojawia się w wyniku pojedynczego aktu interakcji jakiegoś praktycznie punktowego środka siły z pobliską cząstką α. Takim ośrodkiem siły jest dodatnio naładowane jądro atomu. Sama cząstka alfa jest również jądrem atomowym, a mianowicie jądrem atomu helu. Potwierdza to fakt, że cząstkę alfa można otrzymać w wyniku podwójnej jonizacji atomu helu, co ustalił wcześniej ten sam Rutherford. Oddziaływanie elektrostatyczne pomiędzy tymi dwoma jądrami powoduje, że cząstki α są rozpraszane pod dużymi kątami.

Potwierdzają to zdjęcia śladów cząstek α ​​w komorze chmurowej. Zwykle koniec ścieżki cząstek α ​​nie różni się w żaden sposób. Czasami jednak obserwuje się utwory zakończone przerwami i „rozwidleniami”. W wyniku zderzenia kierunek ruchu cząstki α zmienia się gwałtownie, a jądro, które weszło w ruch, pozostawiło nowy tor, który wraz ze śladem samej cząstki α utworzył „widełki”.

Rutherford opracował także ilościową teorię rozpraszania cząstek α. W tej teorii prawo Coulomba stosuje się do oddziaływania cząstki α z jądrem. Jest to oczywiście hipoteza, gdyż cząstka α może zbliżyć się do jądra na odległości rzędu 10~12 cm i na takich odległościach prawo Coulomba nie zostało sprawdzone eksperymentalnie. Oczywiście ruch cząstki alfa w polu jądra był klasycznie rozważany przez Rutherforda. Wreszcie zakłada się, że masa jądra jest duża w porównaniu z masą cząstki α, zatem jądro można uznać za nieruchome. Łatwo jest pozbyć się tego ostatniego założenia, zastępując masę cząstki α masą zredukowaną.

W doświadczeniach Rutherforda stosowano bardzo cienkie folie metalowe o grubości rzędu 10–10–4 cm. W takich przypadkach przy rozpraszaniu pod dużymi kątami można było pominąć wielokrotne zderzenia cząstki α z jądrami atomowymi. Prawdopodobieństwo podwójnych, a tym bardziej wielokrotnych zderzeń z dużymi odchyleniami jest znikome. Prawdopodobieństwo rozproszenia pod dużymi kątami i na elektronach jest znikome ze względu na niewielką ich masę. Rolę odgrywają wielokrotne zderzenia z jądrami i elektronami powłok atomowych wówczas, biorąc pod uwagę oddziaływanie cząstki α tylko z jednym jądrem, do którego cząstka α zbliża się najbardziej, dochodzimy do problemu dwóch ciał od wszystkich innych jąder, a zatem oddziaływanie z nimi jest zaniedbywane. Zatem teoria Rutherforda ma zastosowanie w przypadku dużych odchyleń, gdy odchylenie jest spowodowane tylko polem elektrycznym jednego jądra, tak że w porównaniu z tym odchyleniem wszystkie inne odchylenia są razem wzięte są znikome. Odpowiednie rozpraszanie nazywa się rozpraszaniem Rutherforda. Jest elastyczna w tym sensie, że energia kinetyczna cząstki alfa nie zmienia się w wyniku rozproszenia, tj. nie jest marnowana na wzbudzanie atomów, a zwłaszcza jąder atomowych.

Sformułowany problem jest formalnie podobny do problemu Keplera (1571-1630) dotyczącego ruchu planety wokół Słońca. Zarówno tu, jak i tam siła oddziaływania między ciałami jest centralna i zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości między nimi. W przypadku planety jest to siła przyciągania, w przypadku cząstki α – siła odpychania. Przejawia się to w tym, że planeta (w zależności od swojej całkowitej energii) może poruszać się zarówno po elipsie, jak i po hiperboli, natomiast cząstka α może poruszać się tylko po hiperboli. Ale w obliczeniach matematycznych nie ma to znaczenia. Kąt rozproszenia cząstki α û jest równy kątowi między asymptotami jej hiperbolicznej trajektorii.

Otrzymano na to wzór:

Tutaj m jest masą cząstki α, v jest jej prędkością w „nieskończoności”, tj. daleko od jądra Ze jest ładunkiem jądra, 2e jest ładunkiem cząstki α, równym dwukrotności ładunku elementarnego e. (Liczba Z nazywana jest liczbą ładunku jądra. Dla uproszczenia, często nazywa się go po prostu ładunkiem jądra, co oznacza, że ​​ładunek elementarny e przyjmuje się jako jeden.) B oznacza odległość celowania, tj. długość prostopadłej opuszczonej z jądra na niezakłóconą prostoliniową trajektorię cząstki α (lub, co jest tym samym, na styczną do rzeczywistej trajektorii, gdy cząstka α znajdowała się w nieskończonej odległości od jądra).

Oczywiście nie sama formuła podlega weryfikacji eksperymentalnej w dziedzinie zjawisk atomowych, ale wynikające z niej konsekwencje statystyczne. Wprowadźmy tak zwany różnicowy efektywny przekrój rozpraszania. Oznaczmy przez I intensywność płasko-równoległej wiązki cząstek α ​​padającej na jądro, tj. liczba cząstek α ​​wiązki przechodzącej w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni prostopadłą do przepływu. Od tej liczby d przechodzi przez obszar elementarny do, również prostopadły do ​​przepływu N 1 =I zrobić cząstki α. Po rozproszeniu cząstki te wpadają do elementarnego kąta bryłowego dΩ. Oczywiście wielkość kąta bryłowego dΩ i kierunek jego osi są określone przez wielkość i położenie obszaru do. Dlatego d N 1 ma również znaczenie liczby cząstek α ​​rozproszonych przez jądro w jednostce czasu pod kątem bryłowym dΩ. Stosunek d N1 Do I równa się do i ma wymiar pola. Nazywa się to różniczkowym efektywnym przekrojem jądra dla rozproszenia cząstek α ​​pod kątem bryłowym dΩ. Koncepcja ta dotyczy rozpraszania nie tylko cząstek α, ale także dowolnych cząstek, a także innych procesów zachodzących z cząstkami. Zatem z definicji, tj. Przekrój efektywnego rozpraszania różnicowego to stosunek liczby cząstek rozproszonych przez atom w jednostce czasu na kąt bryłowy dΩ do natężenia I spadające cząstki. Zatem z definicji, tj. Przekrój efektywnego rozpraszania różnicowego to stosunek liczby cząstek, rozproszonych atomów w jednostce czasu na kąt bryłowy dΩ, do intensywności I spadające cząstki.

Wyznaczmy teraz różnicowy przekrój poprzeczny rozpraszania cząstek α ​​na pojedynczym jądrze atomowym. Problem sprowadza się do określenia wielkości obszaru, przez który cząstka α po rozproszeniu dostaje się pod zadany kąt bryłowy dΩ. Przyjmijmy za oś X prostoliniową trajektorię tej cząstki α, której odpowiada odległość uderzenia b = O (taka cząstka doświadczyłaby czołowego zderzenia z jądrem). Stosując symetrię cylindryczną, dla uproszczenia zastępujemy do podkładką pierścieniową do = 2πbdb, prostopadle do przepływu. Promień wewnętrzny takiego obszaru jest równy b, promień zewnętrzny to b + db, a środek znajduje się na osi X. Przedział b, b + db odpowiada przedziałowi kątów rozproszenia û, û + dû, i według wzoru

Wprowadzając kąt bryłowy, pod jakim rozproszone są cząstki α przechodzące przez obszar pierścieniowy, łatwo jest otrzymać

W tej formie wzór obowiązuje dla dowolnego obszaru elementarnego, a nie tylko dla obszaru pierścieniowego. Nazywa się to formułą Rutherforda.

Wprowadźmy pojęcie przekroju całkowitego rozpraszania lub innego procesu. Definiuje się go jako stosunek całkowitej liczby cząstek, które przeszły rozpatrywany proces w jednostce czasu, do natężenia padającej wiązki cząstek. Całkowity przekrój poprzeczny ð można uzyskać z przekroju różnicowego do, całkując go po wszystkich możliwych wartościach dΩ. W przypadku rozpraszania cząstek α ​​do wzoru należy najpierw wpisać dΩ = 2πsinðdð, a następnie całkować w zakresie od ð =0 do ð = n. Daje to ð = ∞. Wynik ten jest jasny. Im dalej obszar do jest odsunięty od osi X, tym mniejszy jest kąt rozproszenia ð. Cząstki przechodzące przez odległe obszary praktycznie nie są odchylane, tj. przechodzą w pobliżu kąta rozproszenia ð = 0. Całkowita powierzchnia takich obszarów, a wraz z nią całkowita liczba rozproszonych cząstek, jest nieskończenie duża. Całkowity przekrój rozpraszania jest również nieskończenie duży. Jednak wniosek ten ma charakter formalny, ponieważ przy małych kątach rozproszenia wzór Rutherforda nie ma zastosowania.

Sprowadźmy teraz wzór do postaci dostępnej do weryfikacji eksperymentalnej. Akty rozpraszania cząstek α ​​przez różne atomy są niezależne. Wynika z tego, że jeśli n jest liczbą jąder (atomów) na jednostkę objętości, to liczbę cząstek α ​​rozproszonych przez objętość V w jednostce czasu pod kątem przestrzennym dΩ określa się za pomocą wyrażenia

W tej postaci wzór Rutherforda został potwierdzony eksperymentalnie. W szczególności wykazano eksperymentalnie, że gdy dΩ jest stałe, to wartość dN sin4 (ð/2) jest stała, czyli nie zależy od kąta rozproszenia ð, jak powinno wynikać ze wzoru.

Eksperymentalne potwierdzenie wzoru Rutherforda można uznać za pośredni dowód prawa Coulomba na tak małych odległościach, jak mogą zbliżyć się środki cząstki alfa i oddziałujące z nią jądro. Kolejnym dowodem mogą być doświadczenia Blacketta (1897-1974) dotyczące rozpraszania cząstek α ​​w gazach. W komorze chmurowej sfotografowano dużą liczbę śladów cząstek α, zmierzono ich odchylenia kątowe i obliczono częstotliwość występowania poszczególnych kątów rozproszenia. Doświadczenia te potwierdziły również wzór Rutherforda. Ale ich głównym celem było przetestowanie prawa Coulomba. Okazało się, że przy odległościach środków cząstki α od oddziałującego jądra w przypadku powietrza do cm, a w przypadku argonu do cm, prawo Coulomba potwierdza się eksperymentalnie. Nie wynika z tego, że prawo to obowiązuje w dowolnej odległości między środkami oddziałujących jąder. Eksperymenty nad elastycznym rozpraszaniem lekkich jąder przyspieszanych akceleratorami, także na lekkich, ale stacjonarnych jądrach, wykazały, że ostre odchylenia od prawa Coulomba obserwuje się, gdy wskazana odległość zmniejsza się do cm lub mniej. Na takich odległościach jądrowe siły przyciągające manifestują swoje działanie, pokonując siły odpychające Coulomba jąder.

Wzór można zastosować do pomiaru ładunku jądrowego. Aby to zrobić, musisz zmierzyć dN i I. Następnie można obliczyć Z, ponieważ wszystkie pozostałe wielkości we wzorze można uznać za znane. Główną trudnością jest to, że wartości dN i I bardzo się od siebie różnią. W pierwszych eksperymentach mierzono je na różnych instalacjach, czyli w różnych warunkach, co wprowadzało istotne błędy. W eksperymentach Chadwicka (1891-1974) wyeliminowano tę wadę. Folia rozpraszająca miała kształt pierścienia AA" (patrz rys.), preparat radioaktywny R (źródło cząstek α) i ekran fluorescencyjny S wykonany z ZnS umieszczono na osi pierścienia w równych od niego odległościach .

Aby policzyć scyntylacje cząstek α ​​rozproszonych na folii, otwór pierścienia AA” przykryto ekranem nieprzezroczystym dla cząstek α. Przeciwnie, do pomiaru I Scyntylacje zliczano, gdy otwór był wolny, a pierścień AA" był zamknięty. Ponieważ w tym przypadku liczba scyntylacji była bardzo duża, aby ją zmniejszyć, przed ekranem S zainstalowano obracającą się tarczę z wąskim wycięciem. Znając szerokość wycięcia i licząc liczbę scyntylacji, możesz obliczyć I. Chadwick stwierdził, że Z = 77,4 dla platyny, Z = 46,3 dla srebra i Z = 29,3 dla miedzi. Numery atomowe lub kolejne tych pierwiastków w układzie okresowym Mendelejewa wynoszą odpowiednio 78, 47, 29. Potwierdziło to już znany wynik, ustalony po raz pierwszy przez Moseleya (1887-1915), że ładunek jądra Z pokrywa się z ładunkiem atomowym numer elementu.

Wróćmy do modelu atomu opartego na doświadczeniach Rutherforda. Czy jądro atomowe i otaczająca je powłoka elektronowa mogą stworzyć stabilny układ, jakim bez wątpienia jest atom? Gdyby było to możliwe, cząstki te nie mogłyby znajdować się w spoczynku. W przeciwnym razie efektem byłby elektrostatyczny układ (praktycznie) ładunków punktowych, pomiędzy którymi działają siły Coulomba, a taki układ, zgodnie z twierdzeniem Earnshawa, jest niestabilny. Siły kulombowskie zmieniają się odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości pomiędzy oddziałującymi cząstkami. Ale siły grawitacyjne między ciałami układu planetarnego również się zmieniają. Stabilność układu planetarnego zapewnia obrót planet wokół Słońca. Dlatego Rutherford w naturalny sposób doszedł do planetarnego modelu atomu, w którym elektrony krążą wokół jądra.

Jednak zgodnie z elektrodynamiką klasyczną, gdy ładunek się porusza, zmienia się również pole elektromagnetyczne, którego źródłem jest ładunek. W szczególności ładunek elektryczny poruszający się z przyspieszoną szybkością emituje fale elektromagnetyczne. Obracający się elektron ma przyspieszenie i dlatego musi stale promieniować. Tracąc energię na skutek promieniowania, elektron stale zbliżał się do jądra i ostatecznie na nie opadał. W ten sposób nawet w obecności ruchu uzyskuje się niestabilny model atomu. Można założyć, że prawo Coulomba i inne prawa określające pole elektromagnetyczne w elektrodynamice są łamane w przypadku cząstek elementarnych i małych odległości. Można byłoby uwzględnić siły jądrowe i wprowadzić nieznane nam hipotetyczne siły, które zapewniają stabilność atomu. Ale to nie ratuje sytuacji. Niezależnie od sił, zgodnie z ogólnymi zasadami mechaniki klasycznej, widmo promieniowania atomu musi składać się z kilku podstawowych częstotliwości i odpowiadających im podtekstów. Doświadczenie prowadzi do zupełnie innego schematu, wyrażonego przez zasadę kombinacji Ritza (1878-1909). Trzeba przyznać, że mechanika klasyczna i elektrodynamika nie były w stanie wyjaśnić istnienia atomów jako stabilnych układów jąder atomowych i elektronów. Rozwiązanie tego problemu uzyskano dopiero w ramach mechaniki kwantowej.

MINISTERSTWO SZKOLNICTWA WYŻSZEGO I ŚREDNIEGO SPECJALNEGO RF.

PAŃSTWOWY UNIWERSYTET ARCHITEKTURY I BUDOWNICTWA W Nowosybirsku

Wydział Fizyki

ABSTRAKCYJNY

Eksperymenty Rutherforda

Zakończony: Kuzniecow I.A. (grupa 226)

Sprawdzony: Berkhoer L.D.

Nowosybirsk 2000

Ernest Rutherford to jeden z najsłynniejszych fizyków pierwszej połowy XX wieku. Dawno, dawno temu Rutherford jako pierwszy dokonał sekcji atomu i odkrył w nim jądro. Badał złożone zjawiska zachodzące w tej zadziwiająco małej cząsteczce materii, a następnie w swoim laboratorium rozszczepiał jądra atomowe.

Będąc jeszcze studentem drugiego roku uczelni, Rutherford wygłosił na jednej z konferencji prezentację na temat „Ewolucja pierwiastków”. Rutherford zasugerował, że wszystkie pierwiastki chemiczne są złożonymi układami chemicznymi składającymi się z tych samych cząstek elementarnych. W tamtym czasie atom uznawano za niepodzielny – w fizyce dominowała teoria Daltona o niepodzielności atomów.

Pierwszą próbę stworzenia modelu atomu na podstawie zgromadzonych danych doświadczalnych podjął J. J. Thomsona. Elektrony, jak sądził Thomson, są osadzone w subminiaturowej kuli o średnicy 10–8 cm, w której równomiernie rozmieszczone są ładunki dodatnie. Wraz z ujemnie naładowanymi elektronami kula jest elektrycznie obojętna. To jest atom. W tamtym czasie Rutherford, który pracował w tym samym laboratorium z Thomsonem, też tak myślał i nawet nie przypuszczał, że uda mu się stworzyć bardziej zaawansowany model w oparciu o nowe pomysły.

W 1896 r., badając luminescencję różnych substancji, A. Becquerel przypadkowo odkrył, że sole uranu emitują bez uprzedniego oświetlenia. Promieniowanie to ma dużą siłę przenikania i jest w stanie oddziaływać na kliszę fotograficzną owiniętą w czarny papier. Rutherford natychmiast zaczął badać promienie Becquerela. Rozpoczął swoje badania nad promieniami rentgenowskimi od sprawdzenia swojej hipotezy o związku między promieniami rentgenowskimi a promieniami bekereliowymi. Pomysł przyszedł mu do głowy z bardzo prostego powodu: oba powodowały jonizację powietrza. Pomysł ten nie powiódł się.

Jednak najważniejszym osiągnięciem Rutherforda było odkrycie cząstek - w promieniowaniu emitowanym przez uran. Rutherford umieścił źródło uranu w silnym polu magnetycznym i podzielił promieniowanie na trzy różne typy. Innymi słowy, odkrył następnie skład promieniotwórczości: cząstki alfa i beta oraz promienie gamma.

Otrzymawszy cząstki, Rutherford od razu doszedł do genialnego wniosku, że stanowią one potężne narzędzie penetracji w głąb atomu. Jak później potwierdzono, było to całkowicie prawidłowe. W kolejnych pracach Rutherford szeroko wykorzystywał -astykę jako pociski penetrujące serce atomu - jądro atomowe.

Rutherford odkrył emanację toru i udowodnił, że ten radioaktywny gaz uwalniany z toru jest pierwiastkiem chemicznym innym niż sam tor. Później wyznaczył masę atomową emanacji i wykazał, że jest to gaz szlachetny grupy zerowej układu D.I.

Rutherford i Frederick Soddy jako pierwsi wyjaśnili rozpad radioaktywny jako spontaniczne przejście jednego pierwiastka w drugi. Po emanacji toru Rutherford odkrył emanację radu - radonu. Dla naukowca było jasne, że rad, emitując cząsteczki, zamienia się w nową substancję czynną, podobnie jak emanacja toru. Odkrycie to ostatecznie potwierdziło teorię rozpadu promieniotwórczego.

Na początku 1903 roku Rutherford podjął próbę eksperymentalnego określenia składu chemicznego cząstek. Chodzi o to, aby porównać masę cząstki z masami atomów znanych pierwiastków. Doświadczenie pozwoliło mu jako pierwszy zidentyfikować cząstki z atomami helu. Zostało to później potwierdzone spektrograficznie.

W 1908 roku Rutherford rozpoczął szeroko zakrojone eksperymenty w badaniu cząstek, zliczając je za pomocą licznika scyntylacyjnego Geigera.

Rutherford wraz z Geigerem i Roydsem przeprowadził serię eksperymentów potwierdzających, że -cząstki to nic innego jak podwójnie zjonizowane (tj. pozbawione 2 elektronów) atomy helu. To doświadczenie historyczne, dzięki któremu nikt nie mógł mieć wątpliwości co do słuszności jego teorii rozpadu, polegało na tym, co następuje:

Rutherford umieścił pewną ilość radonu, emanacji radu, w szczelnej rurce 2. Grubość ścianki tej rurki wynosi 0,01 mm. Są na tyle cienkie, że emitowane przez nie cząstki radonu mogą przedostać się przez nie do zewnętrznej rurki 3. Przed eksperymentem rurę 3 dokładnie odpowietrzono i nie można było w niej wykryć spektrograficznie linii helu. Kilka dni później wykryto nagromadzenie gazu w rurze 3. Zwiększając ciśnienie w urządzeniu, zgromadzony gaz mógł zostać zagęszczony w rurze 1. Przez rurkę przepuszczono ładunek elektryczny i okazało się, że analiza widmowa wykazała znajdujące się w niej charakterystyczne linie helu. W rurce był hel. Ale może przez niedopatrzenie dostał się do rury 2 wraz z radonem, a stamtąd przedostał się do rur 3 i 1? Eksperyment kontrolny dał negatywną odpowiedź na to pytanie. W dokładnie tym samym urządzeniu (w rurze 2) Rutherford umieścił nie radon, ale czysty hel. Jednak po kilku dniach w probówce nr 1 nie wykryto żadnych linii helu. Hel nie mógł przedostać się przez szklane ścianki rurki 2 do rurki 3. -cząstki z łatwością przedostały się przez szkło i zgromadziły się w rurce 3, a następnie zagęściły się w rurce 1, gdzie zostały poddane analizie spektralnej, uzyskując linie helu.

Następnie Rutherford wraz z Geigerem i Marsdenem przeprowadzili nową serię eksperymentów. Wyniki zrewolucjonizowały fizykę. Był to najbardziej dramatyczny rozdział w nauce naszych czasów. Rutherford odkrył jądro atomowe i tym samym założył nową i niezwykle ważną naukę - fizykę jądrową.

Jakiego rodzaju były to eksperymenty? Rutherford i Geiger początkowo kontynuowali obserwację scyntylacji powodowanych przez cząstki s po uderzeniu w ekran luminescencyjny wykonany z siarczku cynku. Przede wszystkim eksperymenty doprowadziły Rutherforda do wniosku, że każdy błysk (scyntylacja) jest powodowany przez jedną cząstkę. Tym samym założenie, które poczynił wcześniej, było uzasadnione. Rutherford napisał wówczas, że obserwacja scyntylacji na ekranie z siarczku cynku jest bardzo wygodnym sposobem liczenia cząstek, jeśli każda cząstka powoduje błysk. W konsekwencji, jeśli każdy rozbłysk jest spowodowany pojedynczą cząstką, wówczas fizycy mają możliwość obserwacji zachowania poszczególnych atomów.

Rutherford i Geiger obliczyli wizualnie, że w ciągu sekundy z emitera zawierającego jedną tysięczną grama radu zostaje wyemitowanych 130 000 cząstek α. Dokładność liczenia była nienaganna. Obaj naukowcy, do których później dołączył Marsden, spędzili wiele godzin w zaciemnionym laboratorium, wykonując żmudne obliczenia scyntylacyjne. Geiger powiedział, że sam musiał policzyć w sumie milion cząstek.

Uczeń Rutherforda, Marsden, rozpoczął swoją pracę. Miał za zadanie zliczyć cząstki przechodzące przez cienkie metalowe płytki. Płytki te umieszczono w urządzeniu pomiędzy emiterem cząstek a ekranem luminescencyjnym.

Powierzając tę ​​pracę Marsdenowi, Rutherford nie spodziewał się, że znajdzie coś interesującego. Zakładając, że Thomsonowski model atomu był poprawny (i wtedy nie było powodu w to wątpić), eksperyment powinien był wykazać, że -cząstki swobodnie przechodzą przez bariery metaliczne. Jednak coś wciąż zmusiło Rutherforda do podjęcia tego nowego eksperymentu.

Marsdena uderzył fakt, że cząstki w tym prostym eksperymencie zachowywały się inaczej, niż powinny, gdyby przyjąć model atomu zaproponowany przez Thomsona. Według modelu Thomsona ładunek dodatni rozkłada się w całej objętości atomu i jest równoważony przez ujemny ładunek elektronów, z których każdy ma masę znacznie mniejszą niż masa cząstki. Dlatego nawet w rzadkich przypadkach, gdy cząstka zderza się z elektronem, który jest znacznie lżejszy od niej samej, może tylko nieznacznie zboczyć ze swojej prostej ścieżki. Jednak w eksperymentach Marsdena cząstki nie przechodziły bez przeszkód przez metalową płytkę. Nie, część z nich odchyliła się po uderzeniu w płytę pod kątem około 150 o, tj. prawie z powrotem do emitera. Takich powracających cząstek było jednak bardzo niewiele. Kiedy eksperymentator zasłonił drogę cząstek grubszą płytą, w jego polu widzenia pojawiło się więcej cząstek, odchylonych pod dużymi kątami. Wskazywało to, że rozpraszanie cząstek obserwowane przez Marsdena nie odzwierciedlało jakiegoś efektu powierzchniowego, tj. nie jest połączony z powierzchnią płyty. Marsden nie był jednak w stanie wyrazić żadnych myśli na temat dziwnego zachowania cząstek, które widział. Szczegółowo przekazał swoje obserwacje Rutherfordowi.

Rutherford przyznał później, że raport Marsdena wywarł na niego niesamowity wpływ: „To było prawie niewiarygodne, jakbyś wystrzelił piętnastofuntowy pocisk w kawałek bibuły, a pocisk odbił się i trafił cię”.

Rutherford od razu wyobraził sobie, że efekt zaobserwowany przez Marsdena może wystąpić tylko w jednym przypadku: jeśli cząstka wniknąwszy do atomu, napotka na znajdującą się w niej masywną przeszkodę i zostanie odrzucona, otrzymując przy zderzeniu potężny cios.

Na podstawie tych badań Rutherford zaproponował jądrowy (planetarny) model atomu. Zgodnie z tym modelem, wokół dodatniego jądra posiadającego ładunek ze (z jest liczbą atomową pierwiastka w układzie Mendelejewa, e jest ładunkiem elementarnym), rozmiar wynosi 10 -15 - 10 -14 m, a masa jest prawie równej masie atomu, w obszarze o wymiarach liniowych rzędu 10 -10 m elektrony poruszają się po zamkniętych orbitach, tworząc powłokę elektronową atomu. Ponieważ atomy są obojętne, ładunek jądra jest równy całkowitemu ładunkowi elektronów, tj. z elektrony muszą obracać się wokół jądra.

Dla uproszczenia zakładamy, że elektron porusza się wokół jądra po orbicie kołowej o promieniu r. W tym przypadku siła Coulomba oddziaływania między elektronem a jądrem nadaje elektronowi przyspieszenie dośrodkowe. Drugie prawo Newtona dotyczące elektronu poruszającego się po okręgu pod wpływem siły Coulomba ma postać , gdzie me i v są masą i prędkością elektronu na orbicie o promieniu r i są stałą elektryczną.

Równanie to zawiera dwie niewiadome: r i v. W związku z tym istnieją niezliczone wartości promienia i odpowiadające im wartości prędkości (a tym samym energii), które spełniają to równanie. Dlatego wartości r, v (a zatem E) mogą zmieniać się w sposób ciągły, tj. Można wyemitować dowolną i niezbyt konkretną porcję energii. Wtedy widma atomów powinny być ciągłe. W rzeczywistości doświadczenie pokazuje, że atomy mają widmo liniowe. Z tego wyrażenia wynika również, że przy m prędkość elektronów wynosi m/s, a przyspieszenie wynosi m/s 2. Według elektrodynamiki klasycznej przyspieszone elektrony powinny emitować fale elektromagnetyczne i w efekcie stale tracić energię. W rezultacie elektrony zbliżą się do jądra i ostatecznie opadną na nie. Zatem atom Rutherforda okazuje się układem niestabilnym, co po raz kolejny zaprzecza rzeczywistości.

Próby zbudowania modelu atomu w ramach fizyki klasycznej nie zakończyły się sukcesem: model Thomsona został obalony w eksperymentach Rutherforda, natomiast model jądrowy okazał się niestabilny elektrodynamicznie i zaprzeczał danym eksperymentalnym. Przezwyciężenie powstałych trudności wymagało stworzenia jakościowo nowej – kwantowej – teorii atomu.

W 1914 roku wybuchła I wojna światowa i Rutherford musiał na jakiś czas odłożyć swoje badania. Ale okresowo, pracując dla przemysłu wojskowego, wracał do własnych eksperymentów. W swoich kolejnych eksperymentach Rutherford planował zhakować atom.

Próby te zakończyły się pełnym i oszałamiającym sukcesem. Nowy wzrost geniuszu Rutherforda doprowadził do odkrycia, które następnie zrewolucjonizowało całą naukę i technologię naszych czasów. Dano pierwszy sygnał początku ery atomowej. Rutherford rozszczepił jądro atomowe.

Pomysł na to zrodził się u Rutherforda podczas obserwacji w komorze mgłowej (wówczas była ona już wynaleziona i udoskonalona) oraz w liczniku tajemniczych śladów (śladów), znacznie dłuższych niż dobrze znane ślady cząstek go z niezliczonych eksperymentów. Uważał, że istnieją nieznane przyczyny gwałtownego wzrostu ścieżki cząstek. Inna możliwość (która okazała się prawdziwa) jest taka, że ​​długie ślady pozostawiają inne niezidentyfikowane cząstki. Badacz stanął przed zadaniem sprawdzenia, które z dwóch założeń jest prawdziwe.

Aby uzyskać odpowiedź na swoje pytania, Rutherford postanowił przeprowadzić serię eksperymentów polegających na bombardowaniu różnych substancji cząsteczkami. Zbudował urządzenie, które obecnie wydaje nam się niezwykle proste. Ale trzeba też przyznać, że tylko on nadawał się najlepiej do wizualnego rozwiązania problemu. W nim celem bombardowania miały być gazy (tj. lekkie atomy), a nie metalowe płytki zwykle używane przez Rutherforda w wielu poprzednich eksperymentach.

Rzeczywiste urządzenie zbudowane przez Rutherforda, za pomocą którego po raz pierwszy udało mu się rozszczepić jądra atomów lekkich pierwiastków, pokazano schematycznie na rysunku.

Mosiężna rurka 6 długości o 20 cm z dwoma kranami jest napełniony gazem. Wewnątrz rurki znajduje się dysk emitera radioaktywnego 7, emitującego cząstki. Krążek ten zamontowany jest na stojaku poruszającym się po szynie 4. Podczas doświadczenia jeden koniec rurki przykrywa się płytką ze szkła matowego, a drugi koniec szklaną płytką (sklejaną woskiem). Mały prostokątny otwór w mosiężnej płytce zamknięto srebrną płytką 3. Srebrna płytka miała zdolność zatrzymywania cząstek odpowiadających warstwie powietrza o grubości około 5 cm. Na otworze umieszczono luminescencyjny ekran wykonany z blendy cynku. Do policzenia scyntylacji badacz użył teleskopu nr 1.

Kiedy Rutherford napełnił rurkę azotem, w polu widzenia pojawiły się cząsteczki, pozostawiając bardzo długi ślad, podobny do tego, który już zaobserwował. Oczywiście Rutherford przeprowadził o wiele więcej eksperymentów, zanim doszedł do ostatecznych wniosków. Ale ostateczny wniosek był taki: kiedy cząstki β zderzają się z jądrami azotu, część z tych jąder ulega zniszczeniu, emitując jądra wodoru - protony, a następnie następuje utworzenie jąder tlenu.

Kolosalne znaczenie tego odkrycia było od początku jasne dla samego Rutherforda i jego współpracowników. Po raz pierwszy doszło do rozszczepienia jąder atomowych. Niezachwiane wcześniej poglądy na temat „nierozkładalności” pierwiastków chemicznych zostały wyraźnie obalone. Otworzyły się zupełnie nowe i niesamowite możliwości sztucznego pozyskiwania jednych pierwiastków od innych, uwalniania ogromnej energii zawartej w jądrach itp.

Kontynuując swoje badania, otrzymał eksperymentalne potwierdzenie ustalonego wcześniej stanowiska – że niewielka liczba atomów azotu podczas bombardowania rozpada się, emitując szybkie protony – jądra wodoru. W świetle późniejszych badań, jak pisał Rutherford, „ogólny mechanizm tej transformacji jest całkiem jasny. Od czasu do czasu cząsteczki - faktycznie wnikają do jądra azotu, chwilowo tworząc nowe jądro, takie jak jądro fluoru, o masie 18 i ładunku 9. Jądro to, które nie istnieje w naturze, jest wyjątkowo niestabilne i natychmiast się rozpada , emitując proton i zamieniając się w stabilny tlen jądrowy o masie 17…”

W wyniku długich eksperymentów Rutherfordowi udało się wywołać reakcje jądrowe w 17 lekkich pierwiastkach.

Kontynuując swoje eksperymenty z rozszczepieniem jądrowym, Rutherford doszedł do następującego wniosku: chociaż cząstki γ mają dużą energię, nadal nie są wystarczająco potężnymi pociskami, aby przebić jądra pierwiastków. Postanowił zwiększyć energię cząstek poprzez przyspieszanie ich w instalacji wysokiego napięcia. Był to pierwszy krok w rozwoju technologii akceleratorów.

-

Referencje:

1) F. Fiodorow. „Reakcja łańcuchowa pomysłu”, wyd. „Wiedza”, M., 1975.

2) T.I. Trofimova. „Kurs fizyki”, wyd. „Szkoła Wyższa”, M., 1999.

3) „Kurs fizyki ogólnej”, G.A.Zisman, O.M.Todes, wyd. „Edelweiss”, Kijów, 1994.

„Doświadczenie Rutherforda”.

Od prawie stu lat „naukowcy” z godną pozazdroszczenia wytrwałością, której może pozazdroszczyć każdy fanatyk, próbują wymyślić prawa i wzory powodujące wirowanie elektronów wokół jądra. Nie dopuszczając nawet myśli, że atomy materii mają zupełnie inną budowę. A początek tej historii w 1911 roku położył Ernest Rutherford, który na podstawie wyników serii eksperymentów z cząstkami alfa wyciągnął wniosek na temat „planetarnej struktury atomu”. Zarówno podczas samego eksperymentu, jak i analizując wyniki eksperymentu, Rutherford popełnił poważne błędy, w wyniku czego wyciągnął całkowicie błędne wnioski na temat budowy atomu. Ale armia fizyków „naukowych” nie tylko nie zauważyła zupełnie oczywistych błędów, ale teoretycznie usprawiedliwiła coś przeciwnego w osobie Nielsa Bohra. A samo doświadczenie i wnioski na temat „planetarnej struktury atomu” wyciągnięte przez Rutherforda zamieniły się w „świętą krowę”. I już od prawie stulecia „doświadczenie Rutherforda” takie jest „przykład wdzięku i głębi designu” i są uwzględnione w obowiązkowym kursie fizyki w szkole średniej. I teraz w dowolnym podręczniku fizyki poświęconym temu zagadnieniu możemy przeczytać co następuje...

„Doświadczenie Rutherforda” ze strony „ elementy. ru”.

„Ernest Rutherford jest naukowcem wyjątkowym w tym sensie, że swoich głównych odkryć dokonał już po otrzymaniu Nagrody Nobla. W 1911 roku udało mu się przeprowadzić eksperyment, który nie tylko pozwolił naukowcom zajrzeć w głąb atomu i uzyskać wgląd w jego strukturę, ale także stał się wzorem wdzięku i głębi projektu.

Wykorzystując naturalne źródło promieniowania radioaktywnego, Rutherford zbudował działo, które wytworzyło ukierunkowany i skupiony strumień cząstek. Pistolet był ołowianą skrzynką z wąską szczeliną, wewnątrz której umieszczano materiał radioaktywny. Dzięki temu cząstki (w tym przypadku cząstki alfa, składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów) emitowane przez substancję radioaktywną we wszystkich kierunkach z wyjątkiem jednego, zostały pochłonięte przez ekran ołowiany, a przez szczelinę wypuszczona została jedynie ukierunkowana wiązka cząstek alfa . W dalszej części ścieżki wiązki znajdowało się jeszcze kilka ołowianych ekranów z wąskimi szczelinami, które odcinały cząstki odchylające się od ściśle określonego kierunku. W rezultacie idealnie skupiona wiązka cząstek alfa poleciała w stronę celu, a sam cel był cienkim arkuszem złotej folii. Uderzył ją promień alfa. Po zderzeniu z atomami folii cząstki alfa kontynuowały swoją podróż i uderzyły w zainstalowany za tarczą ekran luminescencyjny, na którym rejestrowano rozbłyski w momencie uderzenia cząstek alfa. Na ich podstawie eksperymentator mógł ocenić, w jakiej ilości i o ile cząstki alfa odbiegają od kierunku ruchu prostoliniowego w wyniku zderzeń z atomami folii.

Tego rodzaju eksperymenty były już przeprowadzane. Ich główną ideą było zgromadzenie wystarczającej ilości informacji z kątów odchylenia cząstek, aby można było powiedzieć coś konkretnego na temat struktury atomu. Już na początku XX wieku naukowcy wiedzieli, że atom zawiera ujemnie naładowane elektrony. Jednak dominowała koncepcja, że ​​atom przypomina dodatnio naładowaną drobną siatkę wypełnioną ujemnie naładowanymi elektronami rodzynek – model ten nazwano „modelem siatki rodzynek”. Na podstawie wyników takich eksperymentów naukowcom udało się poznać niektóre właściwości atomów – w szczególności oszacować rząd ich rozmiarów geometrycznych.

Rutherford zauważył jednak, że żaden z jego poprzedników nawet nie próbował eksperymentalnie sprawdzić, czy niektóre cząstki alfa odchylają się pod bardzo dużymi kątami. Model siatki rodzynek po prostu nie pozwalał na istnienie w atomie elementów strukturalnych tak gęstych i ciężkich, aby mogły odchylać szybkie cząstki alfa pod znaczącymi kątami, więc nikt nie zadał sobie trudu przetestowania tej możliwości. Rutherford poprosił jednego ze swoich uczniów o ponowne wyposażenie instalacji w taki sposób, aby można było obserwować rozpraszanie cząstek alfa przy dużych kątach odchylenia – tak po prostu, aby oczyścić sumienie, aby całkowicie wykluczyć taką możliwość. Detektorem był ekran pokryty siarczkiem sodu – materiałem, który wytwarza błysk fluorescencyjny, gdy uderza w niego cząstka alfa. Wyobraźcie sobie zdziwienie nie tylko ucznia, który bezpośrednio przeprowadził eksperyment, ale także samego Rutherforda, gdy okazało się, że niektóre cząstki zostały odchylone pod kątem aż do 180°!

W ramach ustalonego modelu atomu wyniku nie można było zinterpretować: w siatce rodzynkowej po prostu nie ma nic, co mogłoby odzwierciedlić potężną, szybką i ciężką cząstkę alfa. Rutherford był zmuszony do wniosku, że w atomie większość masy skupia się w niezwykle gęstej substancji znajdującej się w środku atomu. Reszta atomu okazała się o wiele rzędów wielkości mniej gęsta, niż wcześniej sądzono. Z zachowania rozproszonych cząstek alfa wynika również, że w tych supergęstych centrach atomu, które Rutherford nazwał jądrami, skupia się także cały dodatni ładunek elektryczny atomu, gdyż jedynie siły odpychania elektrycznego mogą powodować rozpraszanie cząstek w kąty większe niż 90°.

Wiele lat później Rutherford lubił używać tej analogii do swojego odkrycia. W jednym z południowoafrykańskich krajów ostrzeżono celników, że wkrótce do kraju zostanie przemycona duża dostawa broni dla rebeliantów, która będzie ukryta w belach bawełny. A teraz, po rozładunku, celnik staje przed całym magazynem wypełnionym belami bawełny. Jak może ustalić, które bele zawierają karabiny? Celnik rozwiązał problem w prosty sposób: zaczął strzelać do bel, a jeśli kule odbiły się od jakiejś beli, na podstawie tego znaku identyfikował bele z przemyconą bronią. Zatem Rutherford, widząc cząstki alfa odbijające się od złotej folii, zdał sobie sprawę, że wewnątrz atomu ukryta jest znacznie gęstsza struktura, niż oczekiwano.

Obraz atomu narysowany przez Rutherforda na podstawie wyników jego eksperymentu jest nam dziś dobrze znany. Atom składa się z bardzo gęstego, zwartego jądra, które niesie ładunek dodatni i otaczające go ujemnie naładowane lekkie elektrony. Później naukowcy dostarczyli wiarygodnych podstaw teoretycznych dla tego obrazu, ale wszystko zaczęło się od prostego eksperymentu z małą próbką materiału radioaktywnego i kawałkiem złotej folii.

L. Cooper „Fizyka dla każdego” wyd. 1973

„Już wtedy było wiadomo, że masa cząstki alfa wynosi około 6,62*10-24 g, czyli jest bliska masie atomu helu. Ponadto wiadomo było, że ma ładunek dodatni, którego wartość jest dwukrotnie większa od elektronu. Wiadomo było także, że emitowane przez radioaktywny polon cząstki alfa fruwają z prędkością 1,6*10,9 cm/s. Można założyć (i takie założenie przyjęto), że cząstki alfa to atomy helu, z których elektrony zostały w jakiś sposób wyrwane w procesie promieniowania. Założenie to potwierdziło się, gdy Rutherfordowi i Roydsowi udało się wykryć hel w naczyniu, do którego wysłali cząstki alfa. Geyrer przepuścił te cząstki alfa przez złotą folię o grubości 4*10-4 mm (Ani jedna cząstka nie przeniknęła przez folię około dziesięciokrotnie grubszą.) i obserwował ich odchylenia na ekranie z siarczku cynku...” „We wczesnych eksperymentach, w których jako celu użyto złotej folii, a cząstek alfa jako cząstek bombardujących, po raz pierwszy odkryto, że prawie wszystkie cząstki, pomimo faktu, że 400 warstw atomy ułożono na złotej płytce i przepuszczono przez cel bez odchylania, tak jakby atomy celu były całkowicie przezroczyste dla bombardujących cząstek. – Rutherford napisał: „Zaobserwowałem rozpraszanie cząstek alfa, a dr Geiger szczegółowo zbadał to zjawisko w moim laboratorium. Odkrył, że w cienkich blachach rozproszenie to jest bardzo małe, rzędu jednego stopnia. Któregoś dnia Geiger przyszedł do mnie i powiedział: „Nie sądzisz, że już czas, aby młody Marsden, którego uczę w zakresie metod radioaktywnych, zaczął robić małe badania?” Ja też pomyślałem, że już czas, więc powiedziałem: „Dlaczego nie wyznaczyć go do zbadania kwestii, czy cząstki alfa mogą być rozpraszane pod dużymi kątami?” Zdradzę Ci tajemnicę, że sam nie wierzyłem, że taki efekt jest możliwy, ponieważ wiedzieliśmy, że cząstka alfa jest bardzo szybką, ciężką cząstką z ogromnym zapasem energii kinetycznej, więc prawdopodobieństwo jej rozproszenia wynosiło niezwykle małe, jeśli założymy, że całkowite rozproszenie cząstki alfa składa się z kilku rozproszeń pod małymi kątami. Następnie pamiętam, że kilka dni później przyszedł do mnie niezwykle podekscytowany Geiger i powiedział: „Udało nam się zaobserwować kilka rozproszonych cząstek alfa…”. To było najbardziej niesamowite wydarzenie w moim życiu. To było tak niewiarygodne, jakby 15-calowy pocisk wystrzelony w kierunku kawałka bibuły odbił się od niego i trafił strzelca”.

1). Co w ogóle ma z tym wspólnego pan Rutherford? „...Geiger przepuścił te cząstki alfa przez złotą folię o grubości 4*10 -4 mm i obserwował ich ugięcie na ekranie z siarczku cynku…” „...Pewnego dnia Geiger przyszedł do mnie i powiedział: „Nie rób tego myślisz, że młody Marsden, którego uczę metod radioaktywnych, już czas zacząć małe badania?…” „...kilka dni później przyszedł do mnie niezwykle podekscytowany Geiger i powiedział: „Udało nam się zaobserwować kilka cząstek alfa rozproszone z powrotem...” Wyobraźcie sobie taką sytuację: Trener dr Geiger wprowadza na Igrzyska Olimpijskie zawodnika „Mardsena Roydsa”, prezes Narodowego Komitetu Olimpijskiego „E. Rutherford” nie wierzy w sportowca i wynik, ale nie ma innego kandydata i łaskawie się zgadza. Ale nieoczekiwanie dla wszystkich, a zwłaszcza dla prezesa Narodowego Komitetu Olimpijskiego, sportowiec wygrywa zawody z rekordem świata. Podczas ceremonii wręczenia nagród zostaje ogłoszony Prezes Narodowego Komitetu Olimpijskiego „E.” zwycięzcą konkursu i autorem rekordu świata. Rutherford” i zaczynają na niego spływać rozkazy i medale, dyplomy i nagrody itp. itd.… Pomimo faktu, że pan Rutherford ukradł sam planetarny model atomu francuskiemu fizykowi Jeanowi Baptiste Perinowi (1870 - 1942), który jeszcze w 1901 roku badał przepływ elektronów w lampie katodowej przez różną materię, zasugerował jądrowo-planetarną strukturę atomu.

2) . Czytanie „Korzystając z naturalnego źródła promieniowania radioaktywnego, Rutherford zbudował armatę, która wytworzyła ukierunkowany i skupiony strumień cząstek… a sam cel był cienkim arkuszem złotej folii… Ich głównym założeniem było zgromadzenie wystarczającej ilości informacji z kątów odchylenia cząstek, zgodnie z którym można powiedzieć coś konkretnego o budowie atomu.” Tak to się, drogi czytelniku, potoczyło po prostu dla Rutherforda i innych naukowców, założyli, że materia składa się z atomów, wzięli cieńszą warstwę materii i okazało się, że trzymali już w rękach pojedyncze atomy. Arkusz złotej folii, drodzy panowie, to jest materia i Bombardując go cząsteczkami alfa, poznasz strukturę materii, ale nie atomu.

3). Zanim Mardsen Royds odkrył cząstki alfa, które się odbijały, świat naukowy wyobrażał sobie, że materia składa się z pewnych cegieł-atomów, połączonych ze sobą siłą grawitacji, bez żadnych przerw między nimi. Jednak obecność cząstek alfa odbitych w przeciwnym kierunku całkowicie obala tę teorię budowy materii i wyraźnie pokazuje, że materia różni się od niematerii obecnością w niej małych cząstek (atomów) zajmujących niewielką objętość, od całkowitej objętość materii. Pan Rutherford i inni „naukowcy” nie mogli zdać sobie sprawy z tego faktu i arbitralnie zwiększyli wymiary geometryczne atomów, przyłączając do nich elektrony, które rzekomo krążą wokół jądra. Gdy żaden z wyników eksperymentów nie wskazuje, że coś wiruje wokół tych cząstek (atomów). Zatem nuklearny, planetarny model atomu jest owocem chorej wyobraźni Rutherforda i tych, którzy podpisali z nim kontrakt.

Przeczytajmy jeszcze raz, co sam Rutherford napisał w raporcie. „Zaobserwowałem rozpraszanie cząstek alfa, a dr Geiger szczegółowo zbadał to zjawisko w moim laboratorium. Odkrył, że w cienkich blachach rozproszenie to jest bardzo małe, rzędu jednego stopnia…” W wynikach eksperymentów rozproszenie cząstek alfa nie przekraczało jednego stopnia, ale ilustracje do eksperymentu pokazują wiązkę cząstek rozproszoną pod kątem 20 - 30 stopni. A później w pracach poświęconych doświadczeniu Rutherforda widzimy następujący obraz:

„Wyniki eksperymentów Rutherforda:
1. większość cząstek przechodzi przez atomy substancji. bez rozpraszania (jak przez „pustkę”);
2. wraz ze wzrostem kąta rozproszenia liczba cząstek odchylających się od pierwotnego kierunku gwałtownie maleje;
3. istnieją pojedyncze cząstki odrzucane przez atomy wbrew ich początkowemu ruchowi (jak kula od ściany).”

Zanim Royds odkrył odchylanie cząstek do tyłu, nie zarejestrowano ani jednej cząstki odchylającej się o więcej niż jeden stopień. Eksperymenty te przeprowadzano wielokrotnie, a asystenci Rutherforda przyglądali się wszystkiemu, ale nigdy nie zarejestrowali cząstek odchylających się o więcej niż jeden stopień. Ponadto podobne eksperymenty przeprowadzili inni badacze, gdzie również zarejestrowano odchylenia cząstek alfa w granicach jednego stopnia. Panowie, „naukowcy” i nie tylko, w wynikach eksperymentów nie zarejestrowano cząstek odbiegających o kilka stopni i nie ma potrzeby ich wymyślać. Wyniki eksperymentów zawierają jedynie cząstki, które odchyliły się w granicach jednego stopnia i odbiły (około jeden na osiem tysięcy). Ale we wszystkich pracach poświęconych temu tematowi w wynikach eksperymentu pojawiają się cząstki alfa, odchylone o: 5, 10, 20 i więcej stopni, takie niesamowite metamorfozy.

5). Ale zgodnie z logiką rzeczy powinny występować odchylenia cząstek pod innymi kątami, natomiast nie zarejestrowano takich odchyleń cząstek alfa, co na pierwszy rzut oka wydaje się zupełnie nieprawdopodobne. Ale tylko na pierwszy rzut oka wszystko jest naturalne.

Najpierw zastanówmy się, dlaczego pojawia się błysk, gdy uderza w ekran cynkowo-siarkowy.

W trakcie eksperymentu stwierdzono, że cząstka alfa to nic innego jak atom helu, na co bezpośrednio wskazuje fakt, że hel wykryto w naczyniu, do którego kierowany był przepływ cząstek alfa. Hel jest gazem obojętnym, dlatego gdy cząstka alfa uderza w ekran cynkowo-siarkowy, nie można mówić o jakiejkolwiek reakcji chemicznej. Jednak w tym samym momencie, gdy widzimy błysk, pytanie brzmi: dlaczego? Cząsteczki alfa uderzając w ekran z siarczku cynku, powodują drgania atomów ekranu, które z kolei przekazywane są atomom eteru, a w eterze pojawiają się fale elektromagnetyczne widma widzialnego, które widzą nasze oczy. Prędkość lotu cząstek alfa≈km/s, przy czym można przypuszczać, że przy mniejszej prędkości lotu energia kinetyczna cząstek nie będzie wystarczająca do wywołania drgań atomów ekranu. Dokładniej, w powietrzu będą wibracje, ale nie w widmie widzialnym, ale w zakresie podczerwieni, która nie jest widoczna gołym okiem. Aby zobaczyć te błyski, potrzebny jest detektor podczerwieni.

Z wielkości i przestrzennego rozmieszczenia atomów między sobą możemy wywnioskować, że oprócz siły wzajemnego przyciągania, na atomy działa siła przeciwdziałająca, zapobiegając ich wzajemnemu opadaniu. Podczas czołowego zderzenia cząstki alfa z atomem złota następuje przemieszczenie atomu, po czym siły te zaczynają działać, przywracając atom na właściwe miejsce, a cząstka alfa otrzymuje niemal 100% pędu odwrotnego, a cząstka alfa cząstka leci w przeciwnym kierunku z prędkością co najmniej 15 000 km/s, co wystarczy, aby wywołać błysk na ekranie cynkowo-siarkowym w widmie widzialnym. I nawet przy niewielkim zderzeniu stycznym co najmniej dziesięć procent energii cząstki zostaje przeniesione do atomu, ale ten już jej nie otrzymuje z powrotem, przelatuje. Jego prędkość lotu spada poniżej 14 000 - 15 000 km/s, a energia kinetyczna nie jest już wystarczająca, aby wywołać błysk na ekranie cynkowo-siarkowym. Dokładniej, uderzenie cząstki alfa z prędkością poniżej 14 000 - 15 000 km/s powoduje błysk na ekranie, jedynie częstotliwość fal elektromagnetycznych powstałych w wyniku uderzenia cząstki mieści się w zakresie podczerwieni, poniżej widma widzialnego fal elektromagnetycznych, niewidocznych gołym okiem. Właśnie dlatego nie zarejestrowano odchyleń cząstek alfa od innych kątów. W trakcie eksperymentu nie określono progu czułości urządzenia rejestrującego (ekranu cynkowo-siarkowego). Choć może się mylę i jest to wiadome, ale we wszystkich źródłach, które czytałem opisujących ten eksperyment, nie było o nim ani słowa i fakt ten nie jest bez znaczenia w ostatecznych wnioskach z wyników eksperymentu. (O ile mi wiadomo, takich eksperymentów nie przeprowadzono; jeśli ktoś ma możliwość przeprowadzenia podobnego eksperymentu, niech się zdecyduje, temat otwarty...)

Edukacja

Eksperyment Rutherforda z rozpraszaniem cząstek alfa (krótko)

Ernest Rutherford jest jednym z twórców podstawowej doktryny o wewnętrznej budowie atomu. Naukowiec urodził się w Anglii, w rodzinie imigrantów ze Szkocji. Rutherford był czwartym dzieckiem w rodzinie i okazał się najbardziej utalentowanym. Udało mu się wnieść szczególny wkład do teorii budowy atomu.

Wstępne pomysły na temat budowy atomu

Należy zauważyć, że zanim przeprowadzono słynny eksperyment Rutherforda dotyczący rozpraszania cząstek alfa, dominującą wówczas koncepcją dotyczącą budowy atomu był model Thompsona. Naukowiec ten był pewien, że ładunek dodatni równomiernie wypełnia całą objętość atomu. Thompson uważał, że ujemnie naładowane elektrony są z nim przeplatane.

Warunki wstępne rewolucji naukowej

Po ukończeniu szkoły Rutherford, jako najzdolniejszy uczeń, otrzymał stypendium w wysokości 50 funtów na dalszą naukę. Dzięki temu udało mu się wyjechać na studia do Nowej Zelandii. Następnie młody naukowiec zdaje egzaminy na Uniwersytecie w Canterbury i zaczyna poważnie studiować fizykę i chemię. W 1891 roku Rutherford wygłosił swój pierwszy wykład na temat „Ewolucji elementów”. Po raz pierwszy w historii nakreślono pogląd, że atomy są złożonymi strukturami.

W tamtym czasie w kręgach naukowych dominowała koncepcja Daltona, że ​​atomy są niepodzielne. Wszystkim w okolicy Rutherforda jego pomysł wydawał się całkowicie szalony. Młody naukowiec musiał nieustannie przepraszać swoich kolegów za swoje „bzdury”. Jednak po 12 latach Rutherfordowi nadal udało się udowodnić, że miał rację. Rutherford miał szansę kontynuować swoje badania w Cavendish Laboratory w Anglii, gdzie zaczął badać procesy jonizacji powietrza. Pierwszym odkryciem Rutherforda były promienie alfa i beta.

Doświadczenia Rutherforda

Odkrycie można w skrócie opisać następująco: w 1912 roku Rutherford wraz ze swoimi asystentami przeprowadził swój słynny eksperyment - cząstki alfa zostały wyemitowane ze źródła ołowiu. Wszystkie cząstki, z wyjątkiem tych, które zostały zaabsorbowane przez ołów, przemieszczały się wzdłuż zainstalowanego kanału. Ich wąski strumień spadał na cienką warstwę folii. Linia ta była prostopadła do arkusza. Eksperyment Rutherforda dotyczący rozpraszania cząstek alfa udowodnił, że cząstki przechodzące przez arkusz folii powodują tak zwane scyntylacje na ekranie.

Ekran ten został pokryty specjalną substancją, która zaczęła świecić, gdy uderzyły w niego cząstki alfa. Przestrzeń pomiędzy warstwą złotej folii a ekranem wypełniono próżnią, aby zapobiec rozproszeniu cząstek alfa w powietrzu. Takie urządzenie pozwoliło badaczom obserwować rozpraszanie cząstek pod kątem około 150°.

Jeżeli folia nie była użyta jako przeszkoda przed wiązką cząstek alfa, na ekranie utworzył się jasny krąg scyntylacji. Ale gdy tylko przed ich belką ustawiono barierę ze złotej folii, obraz znacznie się zmienił. Błyski pojawiały się nie tylko poza tym okręgiem, ale także po przeciwnej stronie folii. Eksperyment Rutherforda dotyczący rozpraszania cząstek alfa wykazał, że większość cząstek przeszła przez folię bez zauważalnych zmian w ich trajektorii.

W tym przypadku część cząstek została odbita pod dość dużym kątem, a nawet została odrzucona. Na każde 10 000 cząstek swobodnie przechodzących przez warstwę złotej folii tylko jedna została odchylona o kąt większy niż 10° - wyjątkowo jedna z cząstek została odchylona o taki kąt.

Powód odchylenia cząstek alfa

Eksperyment Rutherforda szczegółowo zbadał i udowodnił budowę atomu. Sytuacja ta wskazywała, że ​​atom nie jest formacją ciągłą. Większość cząstek swobodnie przechodziła przez folię o grubości jednego atomu. A ponieważ masa cząstki alfa jest prawie 8000 razy większa od masy elektronu, ta ostatnia nie może znacząco wpłynąć na trajektorię cząstki alfa. Mogło tego dokonać jedynie jądro atomowe – ciało o niewielkich rozmiarach, posiadające prawie całą masę i cały ładunek elektryczny atomu. Było to wówczas znaczącym przełomem dla angielskiego fizyka. Doświadczenie Rutherforda uważane jest za jeden z najważniejszych kroków w rozwoju nauki o wewnętrznej budowie atomu.

Inne odkrycia dokonane w procesie badania atomu

Badania te dostarczyły bezpośrednich dowodów na to, że dodatni ładunek atomu znajduje się wewnątrz jego jądra. Powierzchnia ta zajmuje bardzo małą przestrzeń w porównaniu do jej gabarytów. W tak małej objętości rozproszenie cząstek alfa okazało się bardzo mało prawdopodobne. A cząstki, które przeszły w pobliżu jądra atomowego, doświadczyły ostrych odchyleń od trajektorii, ponieważ siły odpychające między cząstką alfa a jądrem atomowym były bardzo potężne. Eksperyment Rutherforda z rozpraszaniem cząstek alfa udowodnił prawdopodobieństwo uderzenia cząstki alfa bezpośrednio w jądro. To prawda, że ​​​​prawdopodobieństwo było bardzo małe, ale wciąż nie zerowe.

Nie był to jedyny fakt, jaki udowodniło doświadczenie Rutherforda. Jego koledzy pokrótce zbadali strukturę atomu, dokonując szeregu innych ważnych odkryć. Z wyjątkiem nauczania, że ​​cząstki alfa są szybko poruszającymi się jądrami helu.

Naukowcowi udało się opisać budowę atomu, w którym jądro zajmuje niewielką część całkowitej objętości. Jego eksperymenty wykazały, że prawie cały ładunek atomu jest skoncentrowany w jego jądrze. W tym przypadku występują zarówno przypadki odchylenia cząstek alfa, jak i przypadki ich zderzenia z jądrem.

Eksperymenty Rutherforda: jądrowy model atomu

W 1911 roku Rutherford po licznych badaniach zaproponował model budowy atomu, który nazwał planetarną. Według tego modelu wewnątrz atomu znajduje się jądro, które zawiera prawie całą masę cząstki. Elektrony poruszają się po jądrze w podobny sposób, jak planety krążą wokół Słońca. Z ich połączenia powstaje tzw. chmura elektronów. Atom ma ładunek neutralny, jak pokazał eksperyment Rutherforda.

Struktura atomu zainteresowała później naukowca Nielsa Bohra. To on sfinalizował naukę Rutherforda, gdyż przed Bohrem planetarny model atomu zaczął napotykać trudności wyjaśniające. Ponieważ elektron porusza się wokół jądra po określonej orbicie z przyspieszeniem, prędzej czy później musi spaść na jądro atomu. Jednak Nielsowi Bohrowi udało się udowodnić, że wewnątrz atomu prawa mechaniki klasycznej już nie obowiązują.

Atom składa się ze zwartego i masywnego, dodatnio naładowanego jądra i otaczających go ujemnie naładowanych lekkich elektronów.

Ernest Rutherford jest naukowcem wyjątkowym w tym sensie, że dokonał już swoich głównych odkryć Po otrzymania Nagrody Nobla. W 1911 roku udało mu się przeprowadzić eksperyment, który nie tylko pozwolił naukowcom zajrzeć w głąb atomu i uzyskać wgląd w jego strukturę, ale także stał się wzorem wdzięku i głębi projektu.

Wykorzystując naturalne źródło promieniowania radioaktywnego, Rutherford zbudował działo, które wytworzyło ukierunkowany i skupiony strumień cząstek. Pistolet był ołowianą skrzynką z wąską szczeliną, wewnątrz której umieszczano materiał radioaktywny. Dzięki temu cząstki (w tym przypadku cząstki alfa, składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów) emitowane przez substancję radioaktywną we wszystkich kierunkach z wyjątkiem jednego, zostały pochłonięte przez ekran ołowiany, a przez szczelinę wypuszczona została jedynie ukierunkowana wiązka cząstek alfa . W dalszej części ścieżki wiązki znajdowało się jeszcze kilka ołowianych ekranów z wąskimi szczelinami, które odcinały cząstki odchylające się od ściśle określonego kierunku. W rezultacie idealnie skupiona wiązka cząstek alfa poleciała w stronę celu, a sam cel był cienkim arkuszem złotej folii. Uderzył ją promień alfa. Po zderzeniu z atomami folii cząstki alfa kontynuowały swoją podróż i uderzyły w zainstalowany za tarczą ekran luminescencyjny, na którym rejestrowano rozbłyski w momencie uderzenia cząstek alfa. Na ich podstawie eksperymentator mógł ocenić, w jakiej ilości i o ile cząstki alfa odbiegają od kierunku ruchu prostoliniowego w wyniku zderzeń z atomami folii.

Tego rodzaju eksperymenty były już przeprowadzane. Ich główną ideą było zgromadzenie wystarczającej ilości informacji z kątów odchylenia cząstek, aby można było powiedzieć coś konkretnego na temat struktury atomu. Już na początku XX wieku naukowcy wiedzieli, że atom zawiera ujemnie naładowane elektrony. Jednak dominowała koncepcja, że ​​atom przypomina dodatnio naładowaną drobną siatkę wypełnioną ujemnie naładowanymi elektronami rodzynek – model ten nazwano „modelem siatki rodzynek”. Na podstawie wyników takich eksperymentów naukowcom udało się poznać niektóre właściwości atomów – w szczególności oszacować rząd ich rozmiarów geometrycznych.

Rutherford zauważył jednak, że żaden z jego poprzedników nawet nie próbował eksperymentalnie sprawdzić, czy niektóre cząstki alfa odchylają się pod bardzo dużymi kątami. Model siatki rodzynek po prostu nie pozwalał na istnienie w atomie elementów strukturalnych tak gęstych i ciężkich, aby mogły odchylać szybkie cząstki alfa pod znaczącymi kątami, więc nikt nie zadał sobie trudu przetestowania tej możliwości. Rutherford poprosił jednego ze swoich uczniów o ponowne wyposażenie instalacji w taki sposób, aby można było obserwować rozpraszanie cząstek alfa przy dużych kątach odchylenia – tak po prostu, aby oczyścić sumienie, aby całkowicie wykluczyć taką możliwość. Detektorem był ekran pokryty siarczkiem sodu – materiałem, który wytwarza błysk fluorescencyjny, gdy uderza w niego cząstka alfa. Wyobraźcie sobie zdziwienie nie tylko ucznia, który bezpośrednio przeprowadził eksperyment, ale także samego Rutherforda, gdy okazało się, że niektóre cząstki zostały odchylone pod kątem aż do 180°!

W ramach ustalonego modelu atomu wyniku nie można było zinterpretować: w siatce rodzynkowej po prostu nie ma nic, co mogłoby odzwierciedlić potężną, szybką i ciężką cząstkę alfa. Rutherford był zmuszony do wniosku, że w atomie większość masy skupia się w niezwykle gęstej substancji znajdującej się w środku atomu. Reszta atomu okazała się o wiele rzędów wielkości mniej gęsta, niż wcześniej sądzono. Wynikało to również z zachowania rozproszonych cząstek alfa w tych supergęstych centrach atomu, które nazwał Rutherford rdzenie skupia się także cały dodatni ładunek elektryczny atomu, gdyż jedynie siły odpychania elektrycznego mogą powodować rozproszenie cząstek pod kątem większym niż 90°.

Wiele lat później Rutherford lubił używać tej analogii do swojego odkrycia. W jednym z południowoafrykańskich krajów ostrzeżono celników, że wkrótce do kraju zostanie przemycona duża dostawa broni dla rebeliantów, która będzie ukryta w belach bawełny. A teraz, po rozładunku, celnik staje przed całym magazynem wypełnionym belami bawełny. Jak może ustalić, które bele zawierają karabiny? Celnik rozwiązał problem w prosty sposób: zaczął strzelać do bel, a jeśli kule odbiły się od jakiejś beli, na podstawie tego znaku identyfikował bele z przemyconą bronią. Zatem Rutherford, widząc cząstki alfa odbijające się od złotej folii, zdał sobie sprawę, że wewnątrz atomu ukryta jest znacznie gęstsza struktura, niż oczekiwano.

Obraz atomu narysowany przez Rutherforda na podstawie wyników jego eksperymentu jest nam dziś dobrze znany. Atom składa się z bardzo gęstego, zwartego jądra, które niesie ładunek dodatni i otaczające go ujemnie naładowane lekkie elektrony. Później naukowcy dostarczyli wiarygodnych podstaw teoretycznych dla tego obrazu ( cm. Bohr Atom), ale wszystko zaczęło się od prostego eksperymentu z małą próbką materiału radioaktywnego i kawałkiem złotej folii.

Zobacz także:

Ernest Rutherford, pierwszy baron Rutherford z Nelson, 1871-1937

Fizyk nowozelandzki. Urodzony w Nelson, syn rolnika-rzemieślnika. Zdobył stypendium na studia na Uniwersytecie Cambridge w Anglii. Po ukończeniu studiów został powołany na kanadyjski Uniwersytet McGill, gdzie wraz z Frederickiem Soddym (1877-1966) ustalił podstawowe prawa zjawiska promieniotwórczości, za co w 1908 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Wkrótce naukowiec przeniósł się na Uniwersytet w Manchesterze, gdzie pod jego kierownictwem Hans Geiger (1882–1945) wynalazł swój słynny licznik Geigera, rozpoczął badania budowy atomu, a w 1911 r. odkrył istnienie jądra atomowego. Podczas I wojny światowej był zaangażowany w rozwój sonarów (radarów akustycznych) do wykrywania okrętów podwodnych wroga. W 1919 roku został mianowany profesorem fizyki i dyrektorem Cavendish Laboratory na Uniwersytecie w Cambridge i w tym samym roku odkrył rozpad jądrowy w wyniku bombardowania wysokoenergetycznymi ciężkimi cząstkami. Rutherford pozostał na tym stanowisku do końca życia, będąc jednocześnie wieloletnim prezesem Królewskiego Towarzystwa Naukowego. Został pochowany w Opactwie Westminsterskim obok Newtona, Darwina i Faradaya.