Опыт Резерфорда

Опыт Резерфорда. РЕЗЕРФОРД Эрнст (1871-1937), английский физик , один из создателей учения о радиоактивности и строении атома , основатель научной школы , иностранный член-корреспондент РАН (1922) и почетный член АН СССР (1925). Директор Кавендишской лаб оратории (с 1919). Открыл (1899) альфа - и бета-лучи и установил их природу . Создал (1903, совместно с Ф . Содди ) теорию радиоактивности . Предложил (1911) планетарную модель атома . Осуществил (1919) первую искусственную ядерную реакцию . Предсказал (1921) су щ ествование нейтрона . Нобелевская премия (1908). Опыт Резерфорда (1906 г .) по рассеянию быстрых заряженных частиц при прохождении через тонкие слои вещества позволили исследовать внутреннюю структуру атомов . В этих опытах для зондирования атомов использов ались б – частица – полностью ионизированные атомы гелия , - возникающие при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов . Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых металлов. Резерфорду было известно , что атомы состоят из легких отр ицательно заряженных частиц – электронов и тяжелой положительно заряженной частицы . Основная цель опытов – выяснить , как распределен положительный заряд внутри атома . Рассеяние б – частиц (то есть изменение направления движения ) может вызвать только положи тельно заряженная часть атома . Опыты показали , что некоторая часть б – частиц рассеивается на большие углы , близки к 180 ˚ , то есть отбрасывается назад . Это возможно только в том случае , если положительный заряд атома сосредоточен в очень малой центрально й части атома – атомном ядре . В ядре сосредоточена также почти вся масса атома. Оказалось , что ядра различных атомов имеют диаметры порядка 10 -14 – 10 -15 см , в то время как размер самого атома ≈ 10 -8 см , то есть в 10 4 – 10 5 раз превышает размер ядра. Таки м образом , атом оказался “пустым”. На основании опытов по рассеянию б – частиц на ядрах атомов Резерфорд пришел к планетарной модели атома . Согласно этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра и обращающихся вокруг него электронов. С точки зрения классической физики такой атом должен быть неустойчив , так как электроны движущиеся по орбитам с ускорением , должны непрерывно излучать электромагнитную энергию. Дальнейшее развитие представлений о строении атомов было сделано Н . Бором ( 1913 г .) на основе квантовых представлений. Лабораторная работа. Данный опыт возможно провести при помощи специального прибора , чертеж которого изображен на рисунке 1. Этот прибор представляет собой свинцовую коробочку с полным вакуумом внутри её и микроскопом . Рассеяние (изменение направления движения ) б – частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома . Таким образом , по рассеянию б – частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома . Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 1. Испускаемый радиоактивным пучок б – частиц выделялся диафрагмой и после этого падал на тонкую фольгу из исследуем ого материала (в данном случае это золото ). После рассеяния б – частицы попадали на экран , покрытый сернистым цинком . Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией ), которую можно было наблюдать в микроскоп . При хорош ем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникала полоска света , состоящая из сцинтилляций , вызванных тонким пучком б – частиц . Но когда на пути пучка помещалась фольга , б – частицы из-за рассеяния распределялись на большей площади экрана. В нашем опыте нужно исследовать б – частицу , которая направлена на ядро золота при составлении угла 180° (рис . 2) и проследить за реакцией б – частицы , т.е . на какое минимальное расстояние б – частица приблизится к ядру золота (рис . 3). Рис . 2 Рис .3 Дано : V 0 =1,6*10 7 м / с – начальная скорость d = 10 -13 = 180° r min =? Вопрс : Какое минимальное расстояние r min между б – частицей и ядром удастся реализовать в данном эксперименте ? (Рис . 4) Рис .4 Решение : В нашем эксперименте б – частица представлена как атом m нейтр кг Z =2 – протонов N = Au – Z = 4 – 2 = 2 нейтрона m p = кг Z =79 – число протонов N = Au – Z = 196 – 79 =117 (нейтронов ) кг кг Кл 2 / H ∙'95 м 2 – электрическая постоянная m 2 =6,6 ∙'95 10 -27 кг Z He ∙'95 2 ∙'95 — заряд ядра ( He ) Z Au ∙'95 — заряд ядра ( Au ) — заряд б -частицы равен 2 элементарным. Ответ : r min =4,3· 10 -14 м Вывод : При эт ом опыте удалось выяснить , что a -частица смогла приблизится к ядру атома на минимальное расстояние , которое составило r min =4,3· 10 -14 м и возвратится обратно , по той же траектории по которой она начинала движение . Когда этот же опыт Резерфорд проделал в первые , при таком расположении a -частицы по отношению к углу составляющему 180° он удивленно сказал : “Это почти столь же невероятно , как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги , а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар”. И в правду , это не вероятно , дело в том , что проводя этот опыт на меньших углах , то а - частица обязательно отскочит в сторону , подобно тому как камушек несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не в состоянии заметно изменить его скорость ( рис . 5). Так как их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона , а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона . Это не что иное , как полностью ионизированные атомы гелия . Скорость б – частиц очень велика : она составляет 1 / 15 скорос ти света . Следовательно , электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию б – частицы . Рис . 5