Досліди Резерфорда з розсіювання альфа-частинок

18.09.2015

Досліди Резерфорда з розсіювання альфа-частинок

Будова атома є складним. Це підтверджують відкриття таких явищ, як електрон, рентгенівські промені та радіоактивність. В результаті теоретичних досліджень і численних дослідів була побудована теорія будови атома. Особливо важливий внесок у створення теорії будови атома вніс англійський фізик Ернест Резерфорд (1871 – 1937), який проводив досліди з вивчення проходження альфа-частинок через тонкі металеві пластини золота і платини.

Резерфорд в 1906 році запропонував провести зондування атомів важких елементів альфа-частинок з енергією 4,05 Мев, які випромінювались ядром урану або радію. Таким чином пропонувалося вивчити розсіяння (зміна напрямку руху) альфа-частинок в речовині.

Маса альфа-частинки приблизно у 8000 разів більше маси електрона. Позитивний заряд дорівнює по модулю подвоєному заряду електрона 2е. Швидкість альфа-частинки становить 1/15 швидкості світла або 2 * 10 7 м/с. Альфа-частинка – це повністю іонізований атом гелію.

Спрощена схема дослідів Резерфорда зображена на рис. 1.1. Альфа-частинки випромінювались радіоактивним джерелом 1, поміщених всередині свинцевого циліндра 2 з вузьким каналом 3. Вузький пучок альфа-частинок з каналу падав на фольгу 4 з досліджуваного матеріалу, перпендикулярно до поверхні фольги. З свинцевого циліндру альфа-частинки проходили лише через канал, а інші поглиналися свинцем. Пройшли крізь фольгу і розсіяні нею альфа-частинки потрапляли на напівпрозорий екран 5, який був покритий люмінесцуючими речовиною (сульфатом цинку). Це речовина була здатна світитися при ударі об нього альфа-частинки. Зіткнення кожної частинки з екраном супроводжувалася спалахом світла. Ця спалах називається сцинтилляция (від латинського scintillation – блиск, короткочасна спалах світла). За екраном перебував мікроскоп 6. Щоб не відбувалося додаткового розсіювання альфа-частинок у повітрі, весь прилад розміщувався в посудині з достатнім вакуумом.

Досліди Резерфорда з розсіювання альфа-частинок

Рис. 1.1. Спрощена схема дослідів Резерфорда.

У відсутність фольги на екрані виникало світлий гурток, що складається з сцинтиляцій, викликаних тонким пучком альфа-частинок. Але коли на шляху руху альфа-частинок поміщали тонку золоту фольгу товщиною приблизно 0,1 мкм (мікрон), то спостерігається на екрані картинка сильно змінювалася: окремі спалахи з’являлися не тільки за межами колишнього гуртка, але їх можна було навіть спостерігати з протилежного боку золотої фольги.

Підраховуючи число сцинтиляцій в одиницю часу в різних місцях екрану, можна встановити розподіл у просторі розсіяних альфа-частинок. Кількість альфа-частинок швидко убуває із збільшенням кута розсіювання.

що Спостерігається на екрані картина дозволила зробити висновок, що більшість альфа-частинок проходить крізь золоту фольгу без помітної зміни напрямку їх руху. Однак деякі частинки відхилялися на великі кути від первісного напрямку альфа-частинок (близько 135 про …150 о ) і навіть відкидалися назад. Дослідження показали, що при проходженні альфа-частинок крізь фольгу приблизно на кожні 10000 падаючих частинок тільки одна відхиляється на кут більше 10 від початкового напрямку руху. Лише у вигляді рідкісного винятку одна з величезної кількості альфа-частинок відхиляється від свого первісного напрямку.

Той факт, що багато альфа-частинки проходили крізь фольгу, не відхиляючись від свого напрямку руху, говорить про те, що атом не є суцільним освітою. Так як маса альфа-частинки майже у 8000 разів перевершує масу електрона, то електрони, що входять до складу атомів фольги, не можуть помітно змінити траєкторію альфа-частинок. Розсіювання альфа-частинок може викликати позитивно заряджена частинка атома – атомне ядро.

Атомне ядро – це тіло малих розмірів, в якому зосереджена майже вся маса і майже весь позитивний заряд атома.

Чим ближче альфа-частинка підходила до ядра, тим більше була сила електричного взаємодії і тим на більший кут частка відхилялася. На малих відстанях від ядра позитивно-заряджена альфа-частинка відчуває значну силу відштовхування F від ядра, яку визначають за законом Кулона:

Досліди Резерфорда з розсіювання альфа-частинок

Досліди Резерфорда з розсіювання альфа-частинок

де r – відстань від ядра до альфа-частинки; ε0 – електрична постійна в одиницях виміру СІ; p – число протонів у ядрі; е = 1,6*10-19 Кл – абсолютне значення елементарного електричного заряду (заряд електрона); 2e – заряд альфа-частинки

На рисунку 1.2 показано траєкторії альфа-частинок, що пролітають на різних відстанях від ядра.

Резерфорд зміг ввести формулу, що зв’язує кількість розсіяних на певний кут альфа-частинок з енергією альфа-частинок і протонів р в ядрі атома. Досвідчена перевірка формули підтвердила її справедливість і показала, що кількість протонів у ядрі дорівнює числу внутрішньоатомних Z електронів і визначається атомним номером хімічного елемента (тобто порядковим номером елемента в періодичній системі Менделєєва Д. І.):

Підраховуючи кількість альфа-частинок, розсіяних на різні кути, Резерфорд зміг оцінити лінійні розміри ядра. Щоб позитивне ядро могло відкинути альфа-частинку тому, потенційна енергія електростатичного (кулонівського) відштовхування біля кордонів ядра атома повинна дорівнювати кінетичної енергії альфа-частинки:

Короткий опис статті: електронна будова атома

Джерело: Досліди Резерфорда з розсіювання альфа-частинок

Також ви можете прочитати