α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома.

Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10 –14 –10 –15 м. Это ядро занимает только 10 –12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 10 15 г/см 3 . Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 6.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Подробности Категория: Физика атома и атомного ядра Опубликовано 10.03.2016 18:27 Просмотров: 4673

Древнегреческие и древнеиндийские учёные и философы считали, что все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц, которые не делятся.

Они были уверены, что в мире не существует ничего, что было бы меньше этих частиц, которые они назвали атомами . И, действительно, впоследствии существование атомов было доказано такими известными учёными, как Антуан Лавуазье, Михаил Ломоносов, Джон Дальтон. Неделимым атом считали вплоть до конца XIX – начала ХХ века, когда выяснилось, что это не так.

Открытие электрона. Модель атома Томсона

Джозеф Джон Томсон

В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон, изучая экспериментально поведение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, выяснил, что эти лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Скорость движения этих частиц была ниже скорости света. Следовательно, они имели массу. Откуда же они появлялись? Учёный предположил, что эти частицы входят в состав атома. Он назвал их корпускулами . Позже они стали называться электронами . Так открытие электрона положило конец теории о неделимости атома.

Модель атома Томсона

Томсон предложил первую электронную модель атома. Согласно ей атом представляет собой шар, внутри которого находится заряженное вещество, положительный заряд которого равномерно распределён по всему объёму. А в это вещество, как изюминки в булочке, вкраплены электроны. В целом атом электрически нейтрален. Эту модель назвали "моделью сливового пудинга".

Но модель Томсона оказалась неверной, что было доказано британским физиком сэром Эрнестом Резерфордом.

Опыт Резерфорда

Эрнест Резерфорд

Как же всё-таки устроен атом? На этот вопрос Резерфорд дал ответ после своего эксперимента, проведенного в 1909 г. совместно с немецким физиком Гансом Гейгером и новозеландским физиком Эрнстом Марсденом.

Опыт Резерфорда

Целью опыта было исследование атома с помощью альфа-частиц, сфокусированный пучок которых, летящий с огромной скоростью, направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался люминесцентный экран. При столкновении с ним частиц возникали вспышки, которые можно было наблюдать в микроскоп.

Если Томсон прав, и атом состоит из облака с электронами, то частицы должны были легко пролетать через фольгу, не отклоняясь. Так как масса альфа-частицы превышала массу электрона примерно в 8000 раз, то электрон не мог воздействовать на неё и отклонять её траекторию на большой угол, подобно тому, как камешек весом в 10 г не смог бы изменить траекторию движущегося автомобиля.

Но на практике всё оказалось по-другому. Большинство частиц действительно пролетало через фольгу, практически не отклоняясь или отклоняясь на небольшой угол. Но часть частиц отклонялась довольно значительно или даже отскакивала назад, словно на их пути возникало какое-то препятствие. Как сказал сам Резерфорд, это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд отскочил от куска папиросной бумаги.

Что же заставило некоторые альфа-частицы так сильно изменить направление движения? Учёный предположил, что причиной этому стала часть атома, сосредоточенная в очень малом объёме и имеющая положительный заряд. Её он назвал ядром атома .

Планетарная модель атома Резерфорда

Модель атома Резерфорда

Резерфорд пришёл к выводу, что атом состоит из плотного положительно заряженного ядра, расположенного в центре атома, и электронов, имеющих отрицательный заряд. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. В целом атом нейтрален. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов всех электронов атома. Но электроны не вкраплены в ядро, как в модели Томсона, а вращаются вокруг него подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Вращение электронов происходит под действием кулоновской силы, действующей на них со стороны ядра. Скорость вращения электронов огромна. Над поверхностью ядра они образуют подобие облака. Каждый атом имеет своё электронное облако, заряженное отрицательно. По этой причине они не «слипаются», а отталкиваются друг от друга.

Из-за своей схожести с Солнечной системой модель Резерфорда была названа планетарной.

Почему атом существует

Однако модель атома Резерфорда не смогла объяснить, почему атом так устойчив. Ведь, согласно законам классической физики, электрон, вращаясь на орбите, движется с ускорением, следовательно, излучает электромагнитные волны и теряет энергию. В конце концов эта энергия должна иссякнуть, а электрон должен упасть на ядро. Если бы это было так, атом смог бы существовать всего лишь 10 -8 с. Но почему этого не происходит?

Причину этого явления позже объяснил датский физик Нильс Бор. Он предположил, что электроны в атоме двигаются только по фиксированным орбитам, которые называются «разрешёнными орбитами». Находясь на них, они не излучают энергию. А излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной разрешённой орбиты на другую. Если это переход с дальней орбиты на более близкую к ядру, то энергия излучается, и наоборот. Излучение происходит порциями, которые назвали квантами .

Хотя описанная Резерфордом модель не смогла объяснить устойчивость атома, она позволила значительно продвинуться вперёд в изучении его строения.

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

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

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

Свойства радиоактивных лучей

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

a -лучи – поток достаточно быстрых ядер атомов гелия,

b -лучи – на самом деле поток быстрых электронов,

g -лучи – электромагнитное излучение высокой частоты.

Сложное строение атома

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

Заключение

Список дополнительной литературы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тема: Строение атома и атомного ядра

Урок 52. Модели атомов. Опыт Резерфорда

Ерюткин Евгений Сергеевич

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

Модель Томсона

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

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

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

Модель Резерфорда

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

Опыт Резерфорда

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

Рис. 2. Схема опыта Резерфорда

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис.2 Схема рассеяния a-частицы на ядре.

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

(7)

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

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

(8)

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

, (9)

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

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

(10)

(11)

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

(12)

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

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

Опыт Резерфорда

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

Базовая установка.

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

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

Мишенью служит золотая пленка толщиной » 1 мкм.

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

Рис. 3. Спектр альфа-линий Pu 238 .

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ.

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

кафедра физики

РЕФЕРАТ

Опыты Резерфорда

Выполнил: Кузнецов И.А. (группа 226)

Проверил: Берхоер Л.Д.

Новосибирск 2000 г.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

-

Список литературы:

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

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

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