Теория опыта резерфорда. Опыт резерфорда по изучению радиоактивности Что опыт резерфорда

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:

Открытие сложного строения атома - важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц - законы квантовой механики.

Модель Томсона

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом - атом водорода - представляет собой положительно заряженный шар радиусом около 10 -8 см, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны.

Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распределения положительного заряда в атоме. Эти опыты, проведенные впервые Э. Резерфордом, сыграли решающую роль в понимании строения атома.

Опыты Резерфорда

Масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Так как атом в целом нейтрален, то, следовательно, основная масса атома приходится на его положительно заряженную часть.

Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью α -частиц. Эти частицы возникают при распаде радия и некоторых других элементов. 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.

Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить траекторию α -частицы, подобно тому как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не в состоянии заметно изменить его скорость. 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.

Радиоактивный препарат, например радий, помещался внутри свинцового цилиндра 1, вдоль которого был высверлен узкий канал. Пучок α -частиц из канала падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого материала (золото, медь и пр.). После рассеяния α -частицы попадали на полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп 4. Весь прибор размещался в сосуде, из которого был откачан воздух.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α -частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, α -частицы из-за рассеяния распределялись на экране по кружку большей площади. Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение α -частиц на большие углы. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число α -частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, большие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам эксперимент по наблюдению рассеяния α -частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат. «Это почти столь же невероятно, - говорил Резерфорд, - как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар». В самом деле, предвидеть этот результат на основе модели Томсона было нельзя. При распределении по всему атому положительный заряд не может создать достаточно интенсивное электрическое поле, способное отбросить а-частицу назад. Максимальная сила отталкивания определяется по закону Кулона\[~a(1 + e^2 / 2)\]

где q α - заряд α -частицы; q - положительный заряд атома; r - его радиус; k - коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому, чем меньше радиус r, тем больше сила, отталкивающаяα -частицы.

\(~F = k \dfrac{|q_\alpha| |q|}{r^2}\) , (1)

Определение размеров атомного ядра. Резерфорд понял, что α -частица могла быть отброшена назад лишь в том случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра - тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

На рисунке 2 показаны траектории а-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.

Подсчитывая число α -частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10 -12 -10 -13 см (у разных ядер диаметры различны). Размер же самого атома 10 -8 см, т. е. в 10 - 100 тыс. раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Планетарная модель атома

Из опытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоится электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил со стороны ядра. В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома - это радиус орбиты его электрона (рис. 3). Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеиванию а-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10 -8 с) должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое существование.

В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая электромагнитные волны.

Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение - это результат применения законов классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики неприменимы.

Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атома.

Которого нередко справедливо называют одним из титанов физики нашего века, работы нескольких поколений его учеников оказали огромное влияние не только на науку и технику нашего века, но и на жизнь миллионов людей. Он был оптимистом, верил в людей и в науку, которой посвятил всю жизнь».

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года вблизи города Нелсон (Новая Зеландия), в семье переселенца из Шотландии колесного мастера Джеймса Резерфорда. Эрнест был четвертым ребенком в семье, кроме него было еще 6 сыновей и 5 дочерей. Мать его, Марта Томпсон, работала сельской учительницей. Когда отец организовал деревообрабатывающее предприятие, мальчик часто работал под его руководством. Полученные навыки впоследствии помогли Эрнесту при конструировании и постройке научной аппаратуры.

Окончив школу в Хавелоке, где в это время жила семья, он получил стипендию для продолжения образования в колледже провинции Нелсон, куда поступил в 1887 году. Через два года Эрнест сдал экзамен в Кентерберийский колледж - филиал Новозеландского университета в Крайстчерче. В колледже на Резерфорда оказали большое влияние его учителя: преподававший физику и химию Э.У. Бикертон и математик Дж.Х.Х. Кук.

Эрнест обнаружил блестящие способности. После окончания четвертого курса он удостоился награды за лучшую работу по математике и занял первое место на магистерских экзаменах, причем не только по математике, но и по физике. Став в 1892 году магистром искусств, он не покинул колледж. Резерфорд погрузился в свою первую самостоятельную научную работу. Она имела название «Магнетизация железа при высокочастотных разрядах» и касалась обнаружения высокочастотных радиоволн. Для того чтобы изучить это явление, он сконструировал радиоприемник (за несколько лет до того, как это сделал Маркони) и с его помощью получал сигналы, передаваемые коллегами с расстояния полумили. Работа молодого ученого была опубликована в 1894 году в «Известиях философского института Новой Зеландии».

Наиболее одаренным молодым заморским подданным британской короны один раз в два года предоставлялась особая стипендия, дававшая возможность поехать для усовершенствования в науках в Англию. В 1895 году оказалась вакантной стипендия для получения научного образования. Первый кандидат на эту стипендию химик Маклорен отказался по семейным обстоятельствам, вторым кандидатом был Резерфорд. Приехав в Англию, Резерфорд получил приглашение Дж.Дж. Томсона работать в Кембридже в лаборатории Кавендиша. Так начался научный путь Резерфорда.

На Томсона произвело глубокое впечатление проведенное Резерфордом исследование радиоволн, и он в 1896 году предложил совместно изучать воздействие рентгеновских лучей на электрические разряды в газах. В том же году появляется совместная работа Томсона и Резерфорда «О прохождении электричества через газы, подвергнутые действию лучей Рентгена». В следующем году вышла в свет заключительная статья Резерфорда по этой тематике «Магнитный детектор электрических волн и некоторые его применения». После этого он полностью сосредоточивает свои силы на исследовании газового разряда. В 1897 году появляется и его новая работа «Об электризации газов, подверженных действию рентгеновских лучей, и о поглощении рентгеновского излучения газами и парами».

Сотрудничество с Томсоном увенчалось весомыми результатами, включая открытие последним электрона - частицы, несущей отрицательный электрический заряд. Опираясь на свои исследования, Томсон и Резерфорд выдвинули предположение, что, когда рентгеновские лучи проходят через газ, они разрушают атомы этого газа, высвобождая одинаковое число положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы они назвали ионами. После этой работы Резерфорд занялся изучением атомной структуры вещества.

Осенью 1898 года Резерфорд занял место профессора Макгилльского университета в Монреале. Преподавание Резерфорда на первых порах шло не слишком успешно: студентам не понравились лекции, которые молодой и еще не вполне научившийся чувствовать аудиторию профессор перенасыщал деталями. Некоторые затруднения возникли вначале и в научной работе из-за того, что задерживалось прибытие заказанных радиоактивных препаратов. Ведь при всех усилиях он не получал достаточных средств для постройки необходимых приборов. Много необходимой для опытов аппаратуры Резерфорд построил собственными руками.

Тем не менее он работал в Монреале довольно долго - семь лет. Исключение составил 1900 год, когда во время краткого пребывания в Новой Зеландии Резерфорд женился. Его избранницей стала Мэри Джорджин Ньютон, дочь хозяйки того пансиона в Крайстчерче, в котором он некогда жил. 30 марта 1901 родилась единственная дочь четы Резерфорд. По времени это почти совпало с рождением новой главы в физической науке - физики ядра.

«В 1899 году Резерфорд открывает эманацию тория, а в 1902- 03 годах он совместно с Ф. Содди уже приходит к общему закону радиоактивных превращений,- пишет В.И. Григорьев.- Об этом научном событии нужно сказать подробнее. Все химики мира твердо усвоили, что превращение одних химических элементов в другие невозможно, что мечты алхимиков делать золото из свинца следует похоронить навеки. И вот появляется работа, авторы которой утверждают, что превращения элементов при радиоактивных распадах не только происходят, но и что даже ни прекратить, ни замедлить их невозможно. Более того, формулируются законы таких превращений. Мы теперь понимаем, что положение элемента в периодической системе Менделеева, а значит, и его химические свойства, определяются зарядом ядра. При альфа-распаде, когда заряд ядра уменьшается на две единицы (за единицу принимается «элементарный» заряд - модуль заряда электрона), элемент «перемещается» на две клеточки вверх в таблице Менделеева, при электронном бета-распаде - на одну клеточку вниз, при позитронном - на клеточку вверх. Несмотря на кажущуюся простоту и даже очевидность этого закона, его открытие стало одним из важнейших научных событий начала нашего века».

В своей классической работе «Радиоактивность» Резерфорд и Содди коснулись фундаментального вопроса об энергии радиоактивных превращений. Подсчитывая энергию испускаемых радием альфа-частиц, они приходят к выводу, что «энергия радиоактивных превращений, по крайней мере, в 20000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого молекулярного превращения». Резерфорд и Содди сделали вывод, что «энергия, скрытая в атоме, во много раз больше энергии, освобождающейся при обычном химическом превращении». Эта огромная энергия, по их мнению, должна учитываться «при объяснении явлений космической физики». В частности, постоянство солнечной энергии можно объяснить тем, «что на Солнце идут процессы субатомного превращения».

Нельзя не поразиться прозорливости авторов, увидевших еще в 1903 году космическую роль ядерной энергии. Этот год стал годом открытия новой формы энергии, о которой с определенностью высказывались Резерфорд и Содди, назвав ее внутриатомной энергией.

Получивший мировую славу ученый, член Лондонского королевского общества (1903) получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 года Резерфорд вернулся в Европу. Здесь Резерфорд развернул кипучую деятельность, привлекая молодых ученых из разных стран мира. Одним из его деятельных сотрудников был немецкий физик Ганс Гейгер, создатель первого счетчика элементарных частиц. В Манчестере с Резерфордом работали Э. Марсден, К. Фаянс, Г. Мозли, Г. Хевеши и другие физики и химики.

В 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». В своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук К.Б. Хассельберг указал на связь между работой, проведенной Резерфордом, и работами Томсона, Анри Беккереля, Пьера и Марии Кюри. «Открытия привели к потрясающему выводу: химический элемент… способен превращаться в другие элементы»,- сказал Хассельберг. В своей нобелевской лекции Резерфорд отметил: «Есть все основания полагать, что альфа-частицы, которые так свободно выбрасываются из большинства радиоактивных веществ, идентичны по массе и составу и должны состоять из ядер атомов гелия. Мы, следовательно, не можем не прийти к заключению, что атомы основных радиоактивных элементов, таких как уран и торий, должны строиться, по крайней мере частично, из атомов гелия».

После получения Нобелевской премии Резерфорд провел эксперименты по бомбардировке пластинки тонкой золотой фольги альфа-частицами. Полученные данные привели его в 1911 году к новой модели атома. Согласно его теории, ставшей общепринятой, положительно заряженные частицы сосредоточены в тяжелом центре атома, а отрицательно заряженные (электроны) находятся на орбите ядра, на довольно большом расстоянии от него. Эта модель подобна крошечной модели Солнечной системы. Она подразумевает, что атомы состоят главным образом из пустого пространства.

Широкое признание теории Резерфорда началось, когда к работе ученого в Манчестерском университете подключился датский физик Нильс Бор. Бор показал, что в терминах, предложенных Резерфордом, структуры могут быть объяснены общеизвестными физическими свойствами атома водорода, а также атомов нескольких более тяжелых элементов.

Плодотворная работа резерфордовской группы в Манчестере была прервана Первой мировой войной. Английское правительство назначило Резерфорда членом «адмиральского штаба изобретений и исследований» - организации, созданной для изыскания средств борьбы с подводными лодками противника. В лаборатории Резерфорда в связи с этим начались исследования по распространению звука под водой. Лишь по окончании войны ученый смог восстановить свои исследования атома.

После войны он вернулся в манчестерскую лабораторию и в 1919 году сделал еще одно фундаментальное открытие. Резерфорду удалось провести искусственным путем первую реакцию превращения атомов. Бомбардируя атомы азота альфа-частицами, Резерфорд получил атомы кислорода. В результате проведенных Резерфордом исследований резко возрос интерес специалистов по атомной физике к природе атомного ядра.

В том же 1919 году Резерфорд перешел в Кембриджский университет, став преемником Томсона в качестве профессора экспериментальной физики и директора Кавендишской лаборатории, а в 1921- м занял должность профессора естественных наук в Королевском институте в Лондоне. В 1925 году ученый был награжден британским орденом «За заслуги». В 1930 году Резерфорд был назначен председателем правительственного консультативного совета управления научных и промышленных исследований. В 1931 году он получил звание лорда и стал членом палаты лордов английского парламента.

Ученики и коллеги вспоминали об ученом как о милом, добром человеке. Они восхищались его необычайным творческим способом мышления, вспоминали, как он с удовольствием говорил перед началом каждого нового исследования: «Надеюсь, что это важная тема, поскольку существует еще так много вещей, которых мы не знаем».

Обеспокоенный политикой, проводимой нацистским правительством Адольфа Гитлера, Резерфорд в 1933 году стал президентом Академического совета помощи, который был создан для оказания содействия тем, кто бежал из Германии.

Почти до конца жизни он отличался крепким здоровьем и умер в Кембридже 20 октября 1937 года после непродолжительной болезни. В признание выдающихся заслуг в развитии науки ученый был похоронен в Вестминстерском аббатстве.

Опыты Резерфорда

В 1913 г. английский физик Резерфорд проделал классические опыты по рассеянию a -частиц тонкими слоями различных веществ. a -частицы, испускаемые радиоактивными веществами, являются подходящими пробными зарядами для исследования внутриатомных электрических полей. Они представляют собой полностью ионизированные атомы гелия, имеют положительный заряд, равный удвоенному элементарному заряду (q = 3.2·10 -19 Кл), массу m = 6.67·10 -27 кг, обладают высокой энергией (а значит и скоростью), достаточной для проникновения в атомы вещества.

Схема опытов Резерфорда и его учеников Гейгера и Марсдена изображена на рис.1.Внутри герметичной камеры, в которой был создан высокий вакуум, находился свинцовый контейнер с радиоактивным элементом, испускавшим a- частицы. Узкий пучок частиц падал перпендикулярно на поверхность металлической (золотой) фольги, толщиной около 1 мкм (10 -6 м). Регистрация частиц производилась по вспышкам света (сцинтилляциям), вызываемыми ими на экране, покрытом люминофором. Экран был укреплен перед объективом на корпусе микроскопа, с помощью которого визуально наблюдали сцинтилляции и подсчитывали их число. Так определяли количество частиц, движущихся по данному направлению после их взаимодействия с атомами вещества. Микроскоп вместе с экраном мог вращаться вокруг вертикальной оси, походящей через центр камеры, для регистрации рассеянных атомами фольги частиц.

На рисунке: 1- атом золота, 2- a -частицы

Более наглядная схема опыта Резерфорда

По рассеянию α-частиц.

K - свинцовый контейнер с радиоактивным веществом,
Э - экран, покрытый сернистым цинком,
Ф - золотая фольга,
M - микроскоп.

Результаты опытов Резерфорда:

1.большинство частиц проходит через атомы вещества. не рассеиваясь (как через "пустоту");
2.с увеличением угла рассеяния число отклонившихся от первоначального направления частиц резко уменьшается;
3.имеются отдельные частицы, отбрасываемые атомами назад, против их первоначального движения (как мяч от стенки).

Резерфорд вывел формулу, по которой можно рассчитать количество a- частиц, рассеянных под определенными углами. В эту формулу входит характеристический параметр "d ", являющийся поперечным размером образований, отклоняющих частицы.
Для совпадения расчетов с результатами опытов это параметр должен быть порядка 10 -13 см. Атомы имеют диаметр 10 -8 см, т.е. на пять порядков выше. Следовательно, в атоме имеется область занимающая ничтожно малую часть атома, которая и отклоняет частицы на большие углы вплоть до 180 0 .

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.

Блестящий ученый, совершивший несколько поистине великих открытий по химии и физике. Какое достижение повернуло физику по новому пути развития? Какие частицы открыл Резерфорд? Подробности биографии и научной деятельности исследователя узнайте далее в статье.

Начало жизненного пути

Биография Резерфорда начинается с маленького городка Спринг-Грув в Новой Зеландии. Там в 1871 году в семье переселенцев и родился будущий физик и ученый. Его отец, шотландец по происхождению, был мастером по деревообработке и имел собственное предприятие. От него Резерфорд приобрел полезные для последующей работы навыки конструирования.

Первые успехи происходят уже в школе, где за отличную учебу он получил стипендию для колледжа. Сначала Эрнест Резерфорд обучается в колледже Нельсона, затем поступает в Кентербери. Обладая прекрасной памятью и блестящими знаниями, он заметно отличается среди других студентов.

Резерфорд получает награду по математике, пишет первую научную работу по физике «Магнетизация железа при высокочастотных разрядах». В связи с работой он изобретает один их первых приборов для распознавания магнитных волн.

В 1895 году физик Резерфорд спорит с химиком Маклореном за обладание Стипендией имени Всемирной Выставки. По стечению обстоятельств соперник отказывается от награды, и Резерфорду предоставляется удачный шанс покорить научный мир. Он уезжает в Англию в Кавендишевскую лабораторию и становится доктором наук под руководством Джозефа Томсона.

Научные труды и достижения

Приехав в Англию, студенту еле хватает выданной стипендии. Он начинает подрабатывать репетитором. Научный руководитель Резерфорда сразу же отметил его огромный потенциал, и не ошибся. Томсон предложил юному физику изучать ионизацию газа рентгеновскими лучами. Вместе ученые открыли, что при этом возникает явление насыщения тока.

После успешной работы с Томсоном, он углубляется в изучение лучей Беккереля, которые позже назовет радиоактивными. В это время он совершает свое первое важное открытие, выявив существование неизвестных до этого частиц, изучает свойства урана и тория.

Позже он становится профессором университета в Монреале. Вместе с Фредериком Содди ученый выдвигает идею о преобразовании элементов в процессе распада. Одновременно с этим Резерфорд пишет научные труды «Радиоактивность» и «Радиоактивные превращения», которые приносят ему известность. Он становится членом Королевского сообщества, награждается дворянским титулом.

За исследования распада радиоактивных элементов в 1908 году Эрнесту Резерфорду присуждают Нобелевскую премию. Ученый открыл эманацию тория, искусственную трансмутацию элементов при облучении ядер азота, написал три тома трудов. Одним из важнейших его достижений является создание модели атомного ядра.

Какие частицы открыл Резерфорд?

В изучении радиоактивного излучения Резерфорд был не первым. До него эту область активно осваивали физик Беккерель и супруги Кюри. Явление радиоактивности тогда было открыто совсем недавно, а энергия считалась внешним источником. Внимательно изучая урановые соли и их свойства, Резерфорд заметил, что лучи, открытые Беккерелем являются неоднородными.

Эксперимент Резерфорда с фольгой показал, что радиоактивный луч делится на несколько потоков частиц. Один поток алюминиевая фольга способна поглотить, другой может проходить сквозь неё. Каждый из них - это множество мелких элементов, названных ученым альфа- и бета-частицами или лучами. Спустя два года француз Виллар открыл третий вид лучей, которые по примеру Резерфорда назвал гамма-лучами.

То, какие частицы открыл Резерфорд, оказало огромное влияние на развитие ядерной физики. Был совершен прорыв и доказано, что энергия исходит из самих атомов урана. Альфа-частицы определялись как положительно заряженные атомы гелия, бета-частицы являлись электронами. Открытые позже гамма-частицы - это электромагнитное излучение.

Радиоактивный распад

Открытие Резерфорда дало толчок не только физической науке, но и ему самому. Он продолжает изучать радиоактивность в Монреальском университете в Канаде. Вместе с химиком Содди они проводят ряд экспериментов, при помощи которых отмечают, что атом изменяется во время испускания своих частиц.

Подобно средневековым алхимикам, ученые преобразуют уран в свинец, совершая очередной научный прорыв. Так был открыт Закон, согласно которому происходит распад, Резерфор и Содди описали в трудах «Радиоактивное превращение» и «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория».

Исследователи определяют зависимость интенсивности распада от количества радиоактивных атомов в образце, а также от прошедшего времени. Было отмечено, что с течением времени активность распада уменьшается в геометрической прогрессии. Для каждого вещества требуется свое время. На основе скорости распада Резерфорду удалось сформулировать принцип полураспада.

Планетарная модель атома

В начале XX века уже было проведено множество экспериментов по изучению природы атомов и радиоактивности. Резерфорд и Виллар открывают альфа-, бета- и гамма-лучи, а Джозеф Томсон в свою очередь Он измеряет отношение заряда к массе электрона и убеждается, что частица входит в состав атома.

На основе своего открытия Томсон создает модель атома. Ученый считает, что последний имеет шарообразную форму, по всей поверхности которой распространены положительно заряженные частицы. Внутри шара находится отрицательно заряженные электроны.

Несколько лет спустя Резерфорд опровергает теорию своего учителя. Он утверждает, что атом имеет ядро, которое заряжено положительно. А вокруг него, словно планеты вокруг солнца, вращаются электроны под действием кулоновских сил.

Схема опыта Резерфорда

Резерфорд был выдающимся экспериментатором. Поэтому, усомнившись в модели Томсона, он решил опровергнуть её опытным путем. Томсоновский атом должен был выглядеть как шарообразное облако из электронов. Тогда альфа-частицы должны свободно проходить сквозь фольгу.

Для эксперимента Резерфорд сконструировал прибор из свинцового ящика с небольшим отверстием, в котором находился радиоактивный материал. Ящик поглощал альфа-частицы во всех направлениях, кроме того, где находилось отверстие. Так создавался направленный поток частиц. Впереди находилось несколько свинцовых экранов с прорезями, чтобы отсеять частицы, отклоняющиеся от заданного курса.

Четко сфокусированный альфа-луч, прошедший через все препятствия, направлялся на очень тонкий лист Позади нее находился люминесцентный экран. Каждый контакт частиц с ним регистрировался в виде вспышки. Так можно было судить об отклонении частиц после прохождения сквозь фольгу.

На удивление самому Резерфорду, многие частицы отклонялись под большими углами, некоторые даже на 180 градусов. Это позволило ученому предположить, что основную массу атома составляет плотное вещество внутри него, которое впоследствии названо ядром.

Схема опыта Резерфорда:

Критика модели

Ядерная модель Резерфорда поначалу подвергалась критике, ведь шла вразрез с законами классической электродинамики. Вращаясь, электроны должны терять энергию и излучать электромагнитные волны, но этого не происходит, а значит, они находятся в состоянии покоя. В таком случае электроны должны падать на ядро, а не вращаться вокруг него.

Разобраться с этим явлением выпало Нильсу Бору. Он устанавливает, что у каждого электрона есть своя орбита. Пока электрон на ней, он не излучает энергию, но ускорение имеет. Ученый вводит понятие квантов - порций энергии, которая высвобождается, когда электроны переходят на другие орбиты.

Таким образом, Нильс Бор стал одним из основоположников новой ветки науки - квантовой физики. Правильность модели Резерфорда была доказана. В результате понятие о материи и её движении полностью изменились. А модель иногда называют атомом Бора-Резерфорда.

Нобелевскую премию Эрнест Резерфорд получил раньше, чем совершил самое важное достижение своей жизни - открыл атомное ядро и установил планетарную модель атома.

Знаменательное открытие Резерфорда привело к появлению новой отрасли, изучающей строение атомного ядра. Она получила название нуклеарная или ядерная физика.

Физик обладал не только исследовательским, но и преподавательским талантом. Двенадцать его учеников были лауреатами Нобелевской премии в области физики и химии. Среди них Фредерик Содди, Генри Мозли, Отто Ган и другие известные личности.

Ученому часто приписывают открытие азота, что является ошибочным. Ведь этим прославился совсем другой Резерфорд. Газ открыл ботаник и химик Даниэль Резерфорд, который проживал на столетие раньше выдающегося физика.

Заключение

Британский ученый Эрнест Резерфорд прославился среди коллег тягой к экспериментам. За всю жизнь ученый провел множество опытов, благодаря которым ему удалось открыть альфа- и бета-частицы, сформулировать закон распада и полураспада, разработать планетарную модель атома. До него считалось, что энергия является внешним источником. Но после того, как научный мир узнал, какие частицы открыл Резерфорд, физики изменили свое мнение. Достижения ученого помогли сделать огромные шаги в развитии физики и химии, а также способствовали появлению такой отрасли как ядерная физика.