Второй опыт резерфорда. 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 лаборатории (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) существование 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 использовались α – 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 отрицательно заряженных частиц – электронов и тяжелой положительно заряженной частицы. Основная цель опытов – выяснить, как распределен положительный заряд внутри атома. Рассеяние α – частиц (то есть изменение направления движения) может вызвать только положительно заряженная часть атома.

Опыты показали, что некоторая часть α – 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 центральной 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.

Таким образом, атом оказался «пустым».

На основании опытов по рассеянию α – 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) α – частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α – частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 1. Испускаемый радиоактивным препаратом пучок α – частиц выделялся диафрагмой и после этого падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (в данном случае это золото). После рассеяния α – частицы попадали на экран, покрытый сернистым цинком. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникала полоска света, состоящая из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α – частиц. Но когда на пути пучка помещалась фольга, α – частицы из-за рассеяния распределялись на большей площади экрана.

В нашем опыте нужно исследовать α – частицу, которая направлена на ядро золота при составлении угла 180° (рис. 2) и проследить за реакцией α – частицы, т.е. на какое минимальное расстояние α – 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

r min =?

Вопрс:

Какое минимальное расстояние r min между α – частицей и ядром удастся реализовать в данном эксперименте? (Рис. 4)

Рис.4

Решение:

В нашем эксперименте α – 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)

Кл 2 / H ∙м 2 – электрическая постоянная

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.

Один из самых знаменитых физиков первой половины XX в. - Эрнест Резерфорд. Когда-то он первый анатомировал атом и обнаружил в нем ядро. К нему можно отнести исследования сложных явлений, протекающих в этой чрезвычайно маленькой частице вещества, а впоследствии он в своей лаборатории расщепил ядра атомов.

Когда он еще был студентом 2-го курса университета, на одной из конференций Резерфорд выступил с докладом на тему “Эволюция элементов”. Было высказано предположение, что каждый химический элемент представляет сложную химическую систему, содержащую одни и те же элементарные частицы. Это было на тот момент, когда все считали, что атом неделим - в физике господствовала теория Дальтона о неделимости атомов.

На основе накопленных экспериментальных данных, первая попытка создания модели атома принадлежит ДЖ. ДЖ. Томсону. Томсон думал, что электроны вкраплены в сверхминиатюрную сферу диаметром 10 -8 см., а в сфере распределены равномерно положительные заряды, однако вместе с отрицательно заряженными электронами сфера электрически вообщем-то нейтральна - это и есть атом. На тот момент Резерфорд думал также. Он работал в одной лаборатории с Томсоном, и даже не думал о создании более совершенную модель, основанную на новых представлениях.

А.Беккерель, изучая люминесценцию различных веществ, в 1896 г., случайно обнаружил, что соли урана без предварительного освещения производят излучение, которое обладает большой проникающей силой и способно воздействовать на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу. Резерфорд заинтересовался данным явлением и сразу же занялся изучением Беккерелиевых лучей. Так как и рентгеновские и беккерелиевы лучи производили ионизацию воздуха, то он начал исследования рентгеновских лучей с проверки своего предположения о связи между ними. Результат был далек от успешного.

Но самым важным было то, что Резерфорд открыл частицы в составе излучения, испускаемого ураном, он поместил урановый источник в сильное магнитное поле и разделил на три различных вида излучение. То есть, тогда он открыл состав радиоактивности: альфа- и бета-частицы, а также гамма-лучи.

В результате этого Резерфорд мгновенно сделал гениальное заключение, что именно с помощью них можно проникнуть в глубь атома. Это было абсолютно правильно, что и подтвердилось немного позднее.

Резерфорд широко применял частицы в последующих исследованиях в качестве снарядов, проникающих атомное ядро - сердце атома.

Этот великий физик открыл и доказал эманацию тория. Он объяснил, что этот радиоактивный газ, который выделяется из тория - это химический элемент, отличающийся от самого тория. Позднее ним же был определен атомный вес эманации и Резерфорд показал, что она представляет собой благородный газ нулевой группы системы Д.И.Менделева.

Впервые объясняли радиоактивный распад как самопроизвольный переход одних элементов в другие Резерфорд и Фредерик Содди. После эманации тория Резерфорд была открыта эманация радия - радон. Он понял, что радий, испуская частицы, перевоплощается в новое активное вещество, сходно с эманацией тория. Это послужило окончательным доказательством теории радиоактивного распада.

В результате опытов Резерфорд в начале 1903 года пытается выяснить химический состав этих частиц. Его замысел состоит в том, чтобы сравнить массу такой частицы с массами атомов известных элементов. Данное исследование позволило ему первому идентифицировать частицы с атомами гелия. Далее это было подтверждено и спектрографически.

В 1908 году Резерфорд прибегнул к помоши сцинтилляционного счетчика Гейгера для широких опытов по исследованию частиц методом подсчета.

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.

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.

Все это привело к потрясающему успеху, взлет гения Резерфорда привел к открытию, революционировавшему впоследствии всю науку и даже технику современности. Дан первый толчок к началу атомного века. Резерфорд расщепил атомное ядро.

Мысль о расщеплении ядра атома появилась у Резерфорда при наблюдении в камере Вильсона и в стинцилляционном счетчике загадочных треков (следов). Они были гораздо более длинные, чем треки частиц, которые были емухорошо знакомы по бесчисленным опытам. Он решил найти неизвестные ему причины резкого удлинения пробега частиц. И он также предположил, что длинные следы оставляют другие неопознанные частицы. Резерфорду нужно было выяснить, какое из этих двух предположений истинно.

Чтобы найти ответы на свои вопросы Резерфорд провел серию опытов по бомбардировке частицами различных веществ. Для этого ученый построил прибор, необыкновенно простой по нашим меркам. Но нельзя не учесть, что он был наиболее пригоден только для наглядного решения задачи. здесь мишенями для бомбардировки должны были быть газы (т.е. легкие атомы), а не металлические пластинки, обычно использовавшиеся Резерфордом во многих предыдущих опытах.

На схеме изображен прибор, построенный Резерфордом, с помощью которого ему удалось впервые расщепить ядра атомов легких элементов. Его устройство заключается в том, что латунная трубка 6 длиной 20 см с двумя кранами наполняется газом. Внутри нее 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, которая обладала способностью задерживать частицы, аналогичные слою воздуха толщиной примерно 5 см. Против отверстия помещался люминесцирующий экран из цинковой обманки. Для счета сцинтилляций исследователь пользовался зрительной трубой 1.

После того, как Резерфорд наполнил трубку азотом, то в поле зрения появились частицы, оставляющие очень длинный след, подобно тому, что он уже наблюдал. Конечно, до того как прийти к окончательным выводам, Резерфорд проделал еще много опытов. Но в итоге он пришел к заключению, что при столкновении частиц с ядрами азота, некоторые из них разрушаются, испуская ядра водорода - протоны, а после этого образуется ядро кислорода.

С самого начала Резерфорду было понятно огромное значение данного открытия. Расщепление атомных ядер было произведено впервые. Представления, считавшиеся до этого момента непоколебимыми, 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 …”

Проделывая длительные эксперименты, Резерфорду удалось вызвать ядерные реакции в 17 легких элементах. Не прекращая опытов по расщеплению ядер, Резерфорд пришел к следующему выводу: хотя частицы и обладают огромной энергией, но они все же являются недостаточно мощными снарядами для проникновения в ядра элементов. Было решено повысить энергию частиц, разгоняя их в высоковольтной установке. Это первый шаг в последующем развитии ускорительной техники.

Список используемой 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.

Существование в атоме почти точеч-ного, но очень тяжелого положительно заряженного ядра было доказано английским физиком Эрнестом Резерфор-дом .

В 1906-1912 гг. он изучал прохождение α-частиц с энергией в несколько МэВ через тонкие пластины (фоль-гу) золота и других металлов. Большинство частиц пролета-ло сквозь фольгу, практически не меняя направления сво-его движения. Но некоторые из них резко отклонялись от своего пути. При толщине фольги в 1 мкм в среднем всего 1 из 10 000 частиц отклонялась на угол больше 90°. Это каза-лось достаточно странным, так как, пролетая через фольгу, α-частица должна пройти мимо нескольких тысяч атомов.

Столь редкие взаимодействия заставили Резерфорда пред-положить, что масса в веществе распределена не равномер-но, а в виде отдельных, очень маленьких сгустков. Основ-ное количество частиц пролетает между этими сгустками, а рассеиваются только те, которые в них попадают. Поскольку атомы в твердом теле расположены достаточно близко друг от друга, расстояния между ними примерно такие же, как размеры са-мого атома, они не могут быть этими сгустками. Поэтому Резерфорд при-шел к выводу, что вещество сконцен-трировано в центре атома, в его «яд-ре».

К моменту проведения своих опытов ученый уже установил заряд и массу α-частиц. Он знал, что α-час-тицы несут положительный заряд, по величине в два раза превышаю-щий заряд электрона, и что они дос-таточно тяжелые, примерно в 7000 раз тяжелее электронов. Если α-частицы отклоняются ядрами, значит, ядра тоже несут положительный за-ряд.

Резерфорд рассчитал доли частиц, которые должны рассеиваться в определенные интервалы углов точечными ядрами. Результаты расчетов и экспериментов прекрасно согласуются, если положить заряд ядра равным Z| e|, где Z — атомный номер элемента, из которого сделана фольга.

Ин-тересно отметить, что данные опытов Резерфорд сравнивал с расчетами, выполненными в рамках классической физи-ки. Однако, как выяснилось после создания квантовой ме-ханики, полученная им для описания рассеяния α-частиц «классическая» формула (формула Резерфорда ) справед-лива и в квантовой физике. Этим фактом он очень гордил-ся. Ведь чтобы самому проделать вычисления, Резерфорд специально вместе со студентами прослушал курс теории вероятностей, хотя к тому времени он уже был нобелев-ским лауреатом, директором лаборатории, признанным мэтром экспериментальной физики!

Исходя из результатов опытов Резерфорда можно оценить верхнюю границу размеров ядра. Для этого найдем мини-мальное расстояние R, на которое α-частица с энергией E кин может подойти к ядру. При максимальном сближении с ядром кинетическая энергия α-частицы переходит в потен-циальную энергию кулоновского взаимодействия:

E кин = 2 keZe / R.

При E кин порядка нескольких МэВ, а имен-но такими были энергии α-частиц в опытах Резерфорда , по-лучим: R ~ 10 -14 м. Резерфорд в своих расчетах полагал яд-ро точечным, поэтому можно утверждать, что размеры ядер не превышают полученной цифры и до расстояний ~10 -14 м взаимодействие α-частиц с ядрами носит кулоновский характер. Правда, для частиц, которые испытывали лобовое столкновение и отклонялись почти на 180°, наблю-дались небольшие расхождения с распределением, следующим из закона Кулона. Это указывало на то, что на рас-стояниях, меньших ~10 -14 м, начинают действовать какие-то другие, не электростатические силы. Теперь мы знаем, что на таких расстояниях вступает в действие сильное (ядерное ) взаимодействие. Материал с сайта

Таким образом, Резерфорд установил в 1911 г. наличие в атомах ядер, размеры которых по крайней мере в 104 раз меньше размеров атомов и в которых сосредоточена прак-тически вся масса атома. После опытов Резерфорда стало ясно, что вещество в основном состоит «из пустоты». А за свои исследования Резерфорд заслужил в научном мире титул «отца атомной теории».

Резерфорд изучал строение атомов, бомбардируя их α-частицами. Он часто гово-рил: « Smash the atom» — «Расшибить атом». До сих пор обстрел частицами вы-соких энергий остается главным методом изучения структуры микрообъектов, изменились только инстру-менты. Созданы более точ-ные регистрирующие при-боры, методы компью-терной обработки результа-тов, а главное, современные мощные ускорители, кото-рые позволяют получать бомбардирующие частицы очень высоких энергий.

На этой странице материал по темам:

Таким образом, атом оказался «пустым».

На основании опытов по рассеянию α – 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.

Лабораторная работа.

Рис. 2

Рис.3

V 0 =1,6*10 7 м / с – начальная скорость

Рис.4

В нашем эксперименте α – частица представлена как атом

m нейтр кг

Z=2 – протонов

N = Au – Z = 4 – 2 = 2 нейтрона

Z=79 – число протонов

N = Au – Z = 196 – 79 =117 (нейтронов)

Кл 2 /H ∙м 2 – электрическая постоянная

m 2 =6,6∙10 -27 кг

Z He ∙2∙ - заряд ядра (He) Z Au ∙- заряд ядра (Au)

Заряд α-частицы равен 2 элементарным.

Ответ: r min =4,3·10 -14 м

Вывод: При этом 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 α – частиц очень велика: она составляет 1 / 15 скорости света. Следовательно, электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию α – частицы.

Рис. 5

Существуют нейтральные микрообъекты (например, фотон, нейтрино, нейтрон). Электрический заряд сложного микрообъекта равен алгебраической сумме зарядов составляющих его частиц. 4. Идея корпускулярно-волнового дуализма как методологический принцип Классическая физика знакомит с двумя видами движения -корпускулярным и волновым. Для первого характерны локализация объекта в пространстве и...

Телепередача из печени и др. Любопытные эффекты и остроумные решения: радиоактивность человека, радиоактивный сыр, восстановление пропавших изображений на фотографиях, автографы невидимок. Методы поиска и исследований в преподавании физики Введение От мифов к простым фактам. Потребность в познании мира в начале привела к попыткам объяснить мир сразу в целом, немедленно получить ответы на...