Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Эксперименты Э. Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на атомах тяжелых элементов



Серия экспериментов Резерфорда, по сути дела, подтвердила его планетарную модель атома, а также пролила немного света на природу ядерных сил. В этих экспериментах исследовалось рассеяние альфа‑частиц на атомах золота. Альфа‑частица представляет собой ядро атома гелия, состоит из двух протонов и двух нейтронов, но главное — эта частица рождается в радиоактивном распаде многих нестабильных ядер и обладает очень высокой энергией, порядка нескольких МэВ. Согласно дебройлевской гипотезе, альфа-частицы с энергией , использовавшиеся в опыте Резерфорда, обладают длиной волны

что позволяет зондировать не только атом ( ), но и атомное ядро ( ). Естественно, ни о какой микроскопии, в которой наблюдается затенение параллельного пучка частиц исследуемым объектом, в данном случае не может идти речи: радиус действия сил взаимодействия этих частиц с сканирующей альфа-частицей гораздо больше размера последней. Поэтому в эксперименте исследовалось, сколько частиц, налетающих на данный атом, будет рассеяно на углы, лежащие в интервале . Относительная доля этих частиц называется дифференциальным сечением рассеяния:

Существует строгая математическая теория, позволяющая определить потенциал сил, в область действия которых попадает альфа‑частица, по виду дифференциального сечения . В опытах Резерфорда (см. рис. ниже) исследовалось рассеяние на фольге Физ золота, меди, серебра и других тяжелых элементов.

Частицы рождались при распаде ядер радиоактивного вещества в свинцовом контейнере (слева внизу). Рассеянные частиц бомбардировали экран Э из сернистого цинка, вызывая в нем световые вспышки (сцинтилляции), которые можно было наблюдать глазом через микроскоп. Оказалось, что частицы отклоняются на все углы от для , однако, малая, но существенная часть частиц отклоняется на углы, близкие к (рассеивается назад). Последнее говорило, что есть центр, который способен оттолкнуть даже частицу с практически релятивистской энергией. Впоследствии данный центр был отождествлен с яром атом, но сам результат оказался поначалу неожиданным.

Дело в том, что к моменту проведения эксперимента в науке господствовала модель атома Джозефа Джона Томсона (1903), согласно которой точечные электроны плавают в желеобразном облаке распределенного положительного заряда (см. рис.).

Электроны именно плавали, дрейфовали внутри этого «желе», а не двигались с субсветовыми скоростями. Такая модель обладала несомненным преимуществом по сравнению со сменившей ее моделью Резерфорда: атом Томсона был устойчив, поскольку электроны не участвовали в ускоренном движении. В такое движение они приходили только в случае, если атом поляризовали, сместив центр отрицательного заряда относительно центра положительного облака. Более того, тот факт, что электроны являются составляющими атома, показал в своих экспериментах по измерению массы и заряда электрона сам Томсон.

Модель Томсона, однако, никак не согласовывалась с результатами экспериментов Резерфорда, поскольку даже в отсутствие электронов максимальный потенциал, который создавало положительное облако, равен

где — заряд облака. Для атомов золота атомный номер , а эффективный радиус положительного облака в модели Томсона равен радиусу атома, . Такой отталкивающий центр мог остановить и послать обратно лишь частицу с энергией

Эксперименты же Резефорда говорили о том, что радиус положительного заряда имеет порядок

Если учесть частичную экранировку заряда ядра электронами, то получается еще более строгая оценка, порядка современных ( ).

Однако если ядро столь мало в размере, что же удерживает электроны от падения на него? Ответ в рамках классической физики напрашивается сам собой: центробежная сила. Другими словами, электроны должны достаточно быстро двигаться по орбитам вокруг ядра, чтобы поддерживать размер атома, на четыре-пять порядков величины превышающий размеры ядра. Данная модель атома была предложена Резерфордом в 1911 году и теперь называется планетарной из очевидной аналогии с Солнечной системой. Тем не менее, как показывают вычисления, скорость и ускорение электрона на орбите оказываются такими большими, что последний обязан излучать электромагнитные волны. В результате эти волны уносят часть кинетической энергии электрона, он тормозится… и падает на ядро! Более того, последний процесс происходит за время порядка секунды!

Данное противоречие было разрешено только в рамках квантовой механики. Грубо говоря, в последней электрон может обращаться вокруг ядра, при этом находясь в стационарном состоянии, в котором такие величины, как плотность заряда и ток, не зависят от времени (стационарны). Поскольку электромагнитное излучение порождают именно ток и заряд, стационарные состояния не излучают волны и в результате стабильны.

 

А. Беккереля.

 




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.