Метод Резерфорда по розсіюванню альфа частинок. Досліди Резерфорда по розсіюванню альфа-частинок. Досліди Резерфорда: ядерна модель атома

Досвід Резерфорда.

Резерфорд Ернст (1871-1937), англійський фізик, один з творців вчення про радіоактивність і будову атома, засновник наукової школи, іноземний член-кореспондент РАН (1922) і почесний член АН СРСР (1925). Директор Кавендішської лабораторії (з 1919). Відкрив (1899) альфа- і бета-промені і встановив їх природу. Створив (1903, спільно з Ф. Содді) теорію радіоактивності. Запропонував (1911) планетарну модель атома. Здійснив (1919) першу штучну ядерну реакцію. Передбачив (1921) існування нейтрона. Нобелівська премія (1908).

Досвід Резерфорда (1906 г.) з розсіювання швидких заряджених частинок при проходженні через тонкі шари речовини дозволили досліджувати внутрішню структуру атомів. У цих дослідах для зондування атомів використовувалися α - частка - повністю іонізовані атоми гелію, - що виникають при радіоактивному розпаді радію і деяких інших елементів. Цими частками Резерфорд бомбардував атоми важких металів.

Резерфорда було відомо, що атоми складаються з легких негативно заряджених частинок - електронів і важкої позитивно зарядженої частинки. Основна мета дослідів - з'ясувати, як розподілений позитивний заряд всередині атома. Розсіювання α - частинок (тобто зміна напрямку руху) може викликати тільки позитивно заряджена частина атома.

Досліди показали, що деяка частина α - частинок розсіюється на великі кути, близькі до 180˚, тобто відкидається назад. Це можливо тільки в тому випадку, якщо позитивний заряд атома зосереджений у дуже малій центральній частині атома - атомному ядрі. У ядрі зосереджена також майже вся маса атома.

Виявилося, що ядра різних атомів мають діаметри порядку 10 -14 - 10 -15 см, в той час як розмір самого атома ≈10 -8 см, тобто в 10 4 - 10 5 разів перевищує розмір ядра.

Таким чином, атом виявився «порожнім».

На підставі дослідів з розсіювання α - частинок на ядрах атомів Резерфорд прийшов до планетарної моделі атома. Відповідно до цієї моделі атом складається з невеликого позитивно зарядженого ядра і що обертаються навколо нього електронів.

З точки зору класичної фізикитакий атом повинен бути нестійкий, так як електрони рухаються по орбітах з прискоренням, повинні безупинно випромінювати електромагнітну енергію.

Подальший розвиток уявлень про будову атомів було зроблено Н. Бором (1913 р) на основі квантових уявлень.

Лабораторна робота.

Даний досвід можливо провести за допомогою спеціального приладу, креслення якого зображено на малюнку 1. Цей прилад являє собою свинцеву коробочку з повним вакуумом всередині її і мікроскопом.

Розсіювання (зміна напрямку руху) α - частинок може викликати тільки позитивно заряджена частина атома. Таким чином, з розсіювання α - частинок можна визначити характер розподілу позитивного заряду і маси всередині атома. Схема дослідів Резерфорда показана на малюнку 1. Випускається радіоактивним препаратом пучок α - частинок виділявся діафрагмою і після цього падав на тонку фольгу з досліджуваного матеріалу (в даному випадку це золото). Після розсіювання α - частинки потрапляли на екран, покритий сірчистим цинком. Зіткнення кожної частки з екраном супроводжувалося спалахом світла (сцинтиляції), яку можна було спостерігати в мікроскоп.

При хорошому вакуумі всередині приладу під час відсутності фольги на екрані виникала смужка світла, що складається з сцинтилляций, викликаних тонким пучком α - частинок. Але коли на шляху пучка містилася фольга, α - частинки через розсіювання розподілялися на більшої площіекрану.

У нашому досвіді потрібно дослідити α - частку, яка спрямована на ядро ​​золота при складанні кута 180 ° (рис. 2) і простежити за реакцією α - частинки, тобто на яку мінімальну відстань α - частка наблизиться до ядра золота (рис. 3).

Мал. 2 рис.3

дано:

V 0 = 1,6 * 10 7 м / с - початкова швидкість

d = 10 -13

r min =?

вопрс:

Яку мінімальну відстань r min між α - часткою і ядром вдасться реалізувати в даному експерименті? (Рис. 4)

рис.4

Рішення:

У нашому експерименті α - частка представлена ​​як атом

m нейтр кг

Z = 2 - протонів

N = Au - Z = 4 - 2 = 2 нейтрона

m p = кг

Z = 79 - число протонів

N = Au - Z = 196 - 79 = 117 (нейтронів)

Кл 2 / H ∙ м 2 - електрична постійна

Перша спроба створення моделі атома на основі накопичених експериментальних даних (1903 р) належить Дж. Томсону. Він вважав, що атом є електронейтральної систему кулястої форми радіусом, приблизно рівним 10-10 м. Позитивний заряд атома рівномірно розподілений по всьому об'єму кулі, а негативно заряджені електрони знаходяться всередині нього (рис. 6.1.1). Для пояснення лінійчатих спектрів випускання атомів Томсон намагався визначити розташування електронів в атомі і розрахувати частоти їх коливань близько положень рівноваги. Однак ці спроби не увінчалися успіхом. Через кілька років в дослідах великого англійського фізика Е. Резерфорда було доведено, що модель Томсона невірна.

Малюнок 6.1.1.

Модель атома Дж. Томсона

Перші прямі експерименти по дослідженню внутрішньої структуриатомів були виконані Е. Резерфордом і його співробітниками Е. Марсденом і Х. Гейгером в 1909-1911 роках. Резерфорд запропонував застосувати зондування атома за допомогою α-частинок, які виникають при радіоактивному розпаді радію і деяких інших елементів. Маса α-частинок приблизно в 7300 разів більше маси електрона, а позитивний заряд дорівнює подвоєному елементарному заряду. У своїх дослідах Резерфорд використовував α-частинки з кінетичної енергією близько 5 МеВ (швидкість таких частинок дуже велика - близько 107 м / с, але все ж значно менше швидкості світла). α-частинки - це повністю іонізовані атоми гелію. Вони були відкриті Резерфордом в 1899 році при вивченні явища радіоактивності. Цими частками Резерфорд бомбардував атоми важких елементів (золото, срібло, мідь і ін.). Електрони, що входять до складу атомів, внаслідок малої маси не можуть помітно змінити траєкторію α-частинки. Розсіювання, тобто зміна напрямку руху α-частинок, може викликати тільки важка позитивно заряджена частина атома. Схема досвіду Резерфорда представлена ​​на рис. 6.1.2.

Малюнок 6.1.2.

Схема досвіду Резерфорда по розсіюванню α-частинок. K - свинцевий контейнер з радіоактивною речовиною, Е - екран, покритий сірчистим цинком, Ф - золота фольга, M - мікроскоп

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

Цей результат був цілком несподіваним навіть для Резерфорда. Його уявлення находілbcm в різкому протиріччі з моделлю атома Томсона, згідно з якою позитивний заряд розподілений по всьому об'єму атома. При такому розподілі позитивний заряд не може створити сильне електричне поле, здатне відкинути α-частинки назад. Електричне поле однорідного зарядженого кулі максимально на його поверхні і убуває до нуля в міру наближення до центру кулі. Якби радіус кулі, в якому зосереджений весь позитивний заряд атома, зменшився в n раз, то максимальна сила відштовхування, що діє на α-частинку, за законом Кулона зросла б у n 2 разів. Отже, при досить великому значенні n α-частинки могли б випробувати розсіювання на великі кути аж до 180 °. Ці міркування привели Резерфорда до висновку, що атом майже порожній, і весь його позитивний заряд зосереджений в малому обсязі. Цю частину атома Резерфорд назвав атомним ядром. так виникла ядерна модельатома. Мал. 6.1.3 ілюструє розсіювання α-частинки в атомі Томсона і в атомі Резерфорда.

Класичні досліди з вивчення будови атома були проведені сером Ернестом Резерфордом в 1911 р Резерфорд ставив досліди з дослідження розсіювання альфа-частинок тонкими листочками металевої фольги. Вплив на атоми здійснювалося шляхом бомбардування їх пучком потужних частинок. Схема досвіду приведена на рис. 1.

Тонка золота фольга Ф (товщина фольги становила величину порядку 10 -7 м, на ній розміщувалося близько 400 атомів) містилася всередині сферичного екрану Е. Через отвір в екрані на пластину перпендикулярно падав пучок швидких альфа-часток, що випускаються радіоактивним препаратом, що містяться в свинцевому контейнері Р. Альфа-частинки - це повністю іонізований атом гелію з масою, що дорівнює 4,0015 а.е.м. і зарядом, рівним + 2е

(Е - величина елементарного електричного заряду). Швидкість альфа-частинки становила величину порядку 10 7 м / c, енергія 4,05 МеВ. При малій товщині фольги зіткнення альфа-частинок є практично одноразовим, тобто кожна частка стикається тільки з одним атомом, змінюючи при цьому напрямок свого польоту.

Внутрішні стінки екрану були покриті люмінофором - речовиною, в якому виникали спалахи в місці попадання альфа-частинок. Це дозволяло реєструвати альфа-частинки пристроєм М, що розсіюється атомами на різні кути θ від первісного напрямку. Досліди з розсіювання альфа-частинок дозволили встановити такі закономірності.

1. Переважна більшість альфа-частинок проходить крізь фольгу практично вільно: вони не відхиляються і не втрачають енергію.

2. Лише невелика частка частинок (≈ 0,01%, тобто одна десятитисячна) повертала назад, тобто змінювала напрямок руху на кут, більше 90 градусів.

Результати дослідів Резерфорда можна пояснити, виходячи з припущення про те, що весь позитивний заряд і майже вся маса атома зосереджені в невеликій області атома - ядрі, розміри якого близько 10 -14 м. Негативно заряджені електрони рухаються навколо ядра у величезній (в порівнянні з ядром ) області, розміри якої близько 10 -10 м.

Це припущення лежить в основі ядерної моделі атома, Яку також називають планетарною. Число електронів в атомі одно атомному номеру елемента в періодичної системіМенделєєва. Крім того, було показано, що сили, що зв'язують електрони з ядром, підпорядковані закону Кулона.

Однак ядерна модель суперечить законам класичної електродинаміки. Насправді, якщо електрон в атомі спочиває, він повинен впасти на ядро ​​під дією кулонівської сили тяжіння. Якщо електрон обертається навколо ядра, він повинен випромінювати електромагнітне поле. При цьому він втрачає свою енергію на випромінювання, швидкість руху зменшується, і електрон, врешті-решт, повинен впасти на ядро. Спектри випромінювання атомів в цьому випадку повинні бути безперервними, а час життя атома не повинно перевищувати 10 -7 с. Насправді атоми стабільні, а спектри випромінювання атомів дискретні.

Експеримент по розсіюванню альфа-частинок

Відкриття електрона, рентгенівського випромінювання і явища радіоактивності свідчило про те, що уявлення про атом як неподільної частці було невірним. До кінця \ (XIX \) століття стало зрозуміло, що атом повинен мати складну будову. Великий внесок у вивчення будови атома вніс фізик-експериментатор Ернест Резерфорд.

Ернест Резерфорд

В \ (1904 \) році Резерфорд почав свої експерименти по бомбардуванні альфа-частками тонких металевих пластин (золотих і платинових) для вивчення структури атомів, з яких складаються пластини.

Альфа-частинка - іонізований атом гелію.

Альфа-частинка - це масивна (маса альфа-частинки в кілька тисяч разів більше, ніж маса електрона) позитивно заряджена частинка. Заряд альфа-частинки в два рази більше елементарного заряду.

Схематично установка Резерфорда зображена на малюнку нижче.

У товстостінній свинцевому футлярі (\ (1 \)) знаходиться радіоактивна речовина (\ (2 \)), яке випромінює потік альфа-частинок. Через невеликий отвір (\ (3 \)) потік альфа-частинок направляється на тонку золоту фольгу (\ (4 \)) (товщиною порядку \ (0,1 \) мк). За фольгою розташовується екран, покритий сірчистим цинком (\ (5 \)). При зіткненні альфа-частинки на екрані спостерігається спалах.

Відповідно до моделі будови атома по Томпсону, альфа-частинки повинні зіткнутися з великими щільними атомами і розлетітися під різними кутами. Однак досвід показав, що більшість альфа-частинок пролітають безперешкодно через пластинку металу (\ (6 \)). І тільки невелика частина всіх альфа-частинок змінює напрямок руху, відхиляючись на невеликі кути (\ (7 \)). А деякі частинки і зовсім відлітають від фольги в зворотному напрямку (\ (8 \)).

Результати експерименту були дивовижними. Тільки в \ (1911 \) році Резерфорд зміг пояснити результати дослідів, запропонувавши нову модель будови атома.

Ядерна модель будови атома

Так як більшість альфа-частинок вільно проходило через фольгу, це означало, що практично весь простір, через яке проходить потік альфа-частинок - це порожнеча. Де ж тоді «захована» вся маса атома? Резерфорд припустив, що практично вся маса атома зосереджена в дуже маленькому обсязі - ядрі атома. Було очевидно, що ядро ​​має бути позитивно заряджена. Коли альфа-частинки пролітає досить близько від такого ядра, то через кулонівських сил відштовхування відбувається відхилення від первісного напрямку руху частинки. А при зіткненні з ядром частка відскакує в зворотному напрямку. За розрахунками Резерфорда, ядро ​​атома мало носити розмір приблизно в \ (3000 \) разів менший, ніж атом. Інший простір атома повинні займати електрони.

Планетарна модель будови атома

Отже, стало зрозуміло, що «Пудингову модель будови атома» невірна. На основі експериментальних даних була запропонована Нова модельбудови атома, яка отримала назву «планетарна модель будови атома».

Зверни увагу!

Згідно з моделлю Резерфорда, атом складається з дуже маленького позитивно зарядженого ядра, розмір якого в тисячі разів менше самого атома, і електронів, які обертаються навколо ядра по кругових орбітах.

Модель дуже нагадувала модель будови сонячної системи, Де навколо масивного Сонця по кругових орбітах обертаються планети.

Таким чином, на основі планетарної моделі можна було пояснити результати дослідів з розсіювання альфа - часток. Однак пояснити стабільність атомів не вдавалося. Рух електрона в атомі відбувається з прискоренням. Відповідно до класичної електродинаміки це рух мало супроводжуватися випромінюванням електромагнітних хвиль, в результаті чого енергія електрона в атомі безперервно зменшувалася б. Електрон став би наближатися до ядра по спіралі і мав би дуже скоро впасти на нього. Однак атоми стабільні. Отже, планетарна модель суперечила законам класичної фізики.

Ще в античні часивиникла ідея про те, що Всесвіт складається з маленьких неподільних частинок - атомів. Це уявлення про будову речовини збереглося до кінця XIXстоліття, коли до початку XX століття достовірно було встановлено, що до складу кожного атома входять електрони. Пріоритет у відкритті електрона належить англійському фізику Дж. Томсону. Разом з тим тоді ж було відомо, що атом електрично нейтральний. Отже, негативний заряд електронів повинен компенсуватися позитивним зарядом невідомих часток, що входять в заряд атома.

У 90-х роках XIX століття набула широкого поширення модель атома Дж. Томсона в вигляді однорідної, позитивної сферичної середовища, в якій, як родзинки в булці, розосереджені негативно заряджені електрони. Атомна модель Дж. Томсона подібна кексу. Однак незабаром автор «кексовой» моделі висловив припущення про нестатичних положенні електронів в атомі.

Найбільш реальною представлялася ядерна або планетарна модель атома Е. Резерфорда, запропонована англійським фізиком в 1911р. Планетарна модель стала результатом виконаних Е. Резерфордом і його співробітниками експериментів з розсіювання α-частинок. Досліди полягали в наступному. Пучок позитивно заряджених α-частинок направляється на тонкий, у вигляді фольги, золотий лист. За фольгою перебував екран, покритий сцинтилятором - речовиною, яке випромінює світло в тій точці, в яку билася α-частинка. Виходячи з моделі Дж. Томсона, слід було очікувати, що α-частки не будуть відхилятися на великі кути, так як електрони набагато легше α-частинок. І, дійсно, досліди показали, що більшість α-частинок вільно проходили крізь лист фольги, як якщо б він був в основному порожній простір. І все ж частина α-частинок відхилялася на невеликі кути, що було, як можна було припустити, наслідком взаємодії з позитивним зарядом атома. Але несподіваним і приголомшливим виявилося те, що невелика кількість α-частинок розсіюється на великі кути, що досягають 180 °. Таке могло відбуватися тільки в тому випадку, якщо позитивно заряджені α-частинки зазнали відштовхування масивного позитивного заряду, сконцентрованого в малій області простору.

За моделлю Е. Резерфорда атом складається з масивного, позитивно зарядженого ядра, в якому зосереджено 99,94% маси атома. Величина позитивного заряду оцінюється твором ze, де z - порядковий атомний номер хімічного елементав таблиці Д. Менделєєва; е - елементарний заряд. Навколо ядра всередині сфери з зовнішнім діаметром ~ 10 -10 м по замкнутих еліптичних орбітах обертається z електронів, утворюючи електронну оболонкуатома. Електрони не можуть спочивати в атомі, так як в цьому випадку вони впали б на ядро ​​під дією кулонівського тяжіння. За оцінками Е.Резерфорда, розміри ядра повинні бути порядку 10 -15 -10 -14 м. Порівнюючи розміри ядра і атома, приходимо до висновку про те, що електрони повинні знаходитися від ядра на відстані в (10-100) 103 більше, ніж розмір ядра. І звідси другий висновок: основну частину атома становить порожній простір.

Недолік моделі Е. Резерфорда полягає в неможливості пояснити факт виняткової стійкості атома: по-перше, при зіткненнях з іншими атомами; по-друге, за законами класичної фізики обертання електронів навколо ядра не може бути стійким, так як воно має супроводжуватися електромагнітним випромінюванням, як будь-яке прискорений рух заряджених частинок. А за законами класичної фізики електрони, рухаючись по колу, мають доцентрові прискоренням. Доцентрова, сила, що утримує електрон на орбіті радіусом г, являє кулонівську силу тяжіння електрона до ядра:

де ε о = 8,85 10 -12 Ф / м - електрична постійна; m е - маса електрона, кг; v - швидкість електрона на орбіті, м / с. на створення електромагнітного полявитрачається енергія. Енергія електрона повинна поступово спадати, а разом з нею і швидкість обертання електрона навколо ядра. Електрон в кінці кінців повинен впасти на ядро. Однак атоми - досить стійкі освіти і можуть існувати мільярди років. По-третє, за моделлю Е. Резерфорда спектр випромінювання атома повинен бути суцільним. Досліди ж показали, що спектр випромінювання конкретного атома є дискретним.