Дослід Резерфорда: доповідь
Існування в атомі майже точкового, але дуже важкого позитивно зарядженого ядра було доведено англійським фізиком Ернестом Резерфордом.
У 1906-1912 рр. він вивчав проходження α-частинок з енергією в декілька МеВ через тонкі пластини (фольгу) золота та інших металів. Більшість частинок пролітало крізь фольгу, практично не змінюючи напрямку свого руху. Але деякі з них різко відхилялися від свого шляху. При товщині фольги в 1 мкм в середньому всього 1 з 10 000 частинок відхилялася на кут більше 90 °. Це здавалося досить дивним, так як, пролітаючи через фольгу, α-частинка повинна пройти повз кількох тисяч атомів.
Настільки рідкісні взаємодії змусили Резерфорда припустити, що маса в речовині розподілена не рівномірно, а у вигляді окремих, дуже маленьких згустків. Основна кількість частинок пролітає між цими згустками, а розсіюються тільки ті, які в них потрапляють. Оскільки атоми в твердому тілі розташовані досить близько одне від одного, відстані між ними приблизно такі ж, як розміри самого атома, вони не можуть бути цими згустками. Тому Резерфорд прийшов до висновку, що речовина сконцентровано в центрі атома, в його “ядрі”.
Прилад, за допомогою якого Резерфорд досліджував розсіювання α-частинок: 1 – мікроскоп; 2 – флуоресціюючий екран; 3 – препарат радію в свинцевою екранує оболонці; 4 – зволікання, яка використовується в якості мішені; 5 – підведення вакуумного насоса; 6 – корпус
До моменту проведення своїх дослідів вчений вже встановив заряд і масу α-частинок. Він знав, що α-частинки несуть позитивний заряд, за величиною в два рази перевищує заряд електрона, і що вони досить важкі, приблизно в 7000 разів важче електронів. Якщо α-частинки відхиляються ядрами, значить, ядра теж несуть позитивний заряд.
Резерфорд розрахував частки частинок, які повинні розсіюватися в певні інтервали кутів точковими ядрами. Результати розрахунків і експериментів прекрасно узгоджуються, якщо покласти заряд ядра рівним Z | e |, де Z – атомний номер елемента, з якого зроблена фольга.
Цікаво відзначити, що дані дослідів Резерфорд порівнював з розрахунками, виконаними в рамках класичної фізики. Однак, як з’ясувалося після створення квантової механіки, отримана їм для опису розсіювання α-частинок “класична” формула (формула Резерфорда) справедлива і в квантовій фізиці. Цим фактом він дуже пишався. Адже щоб самому виконати обчислення, Резерфорд спеціально разом зі студентами прослухав курс теорії ймовірностей, хоча на той час він уже був нобелівським лауреатом, директором лабораторії, визнаним метром експериментальної фізики!
Виходячи з результатів дослідів Резерфорда можна оцінити верхню межу розмірів ядра. Для цього знайдемо мінімальну відстань R, на яке α-частинка з енергією Eкін може підійти до ядра. При максимальному зближенні з ядром кінетична енергія α-частинки переходить в потенційну енергію кулонівського взаємодії:
Eкін = 2keZe / R.
При Eкін порядку декількох МеВ, а саме такими були енергії α-частинок в дослідах Резерфорда, отримаємо: R ~ 10-14 м. Резерфорд в своїх розрахунках вважав ядро точковим, тому можна стверджувати, що розміри ядер не перевищують отриманої цифри і до відстаней ~ 10-14 м взаємодія α-частинок з ядрами носить кулонівський характер. Правда, для частинок, які відчували лобове зіткнення і відхилялися майже на 180 °, спостерігалися невеликі розбіжності з розподілом, що випливають з закону Кулона. Це вказувало на те, що на відстанях, менших ~ 10-14 м, починають діяти якісь інші, не електростатичні сили. Тепер ми знаємо, що на таких відстанях вступає в дію сильне (ядерне) взаємодія.
Таким чином, Резерфорд встановив в 1911 р наявність в атомах ядер, розміри яких принаймні в 104 разів менше розмірів атомів і в яких зосереджена практично вся маса атома. Після дослідів Резерфорда стало ясно, що речовина в основному складається “з порожнечі”. А за свої дослідження Резерфорд заслужив в науковому світі титул “батька атомної теорії”.
Резерфорд вивчав будову атомів, бомбардуючи їх α-частинками. Він часто говорив: “Smash the atom” – “розбити атом”. До сих пір обстріл частинками високих енергій залишається головним методом вивчення структури мікрооб’єктів, змінилися лише інструменти. Створено точніші реєструючі прилади, методи комп’ютерної обробки результатів, а головне, сучасні потужні прискорювачі, які дозволяють отримувати бомбардуючі частки дуже високих енергій.
(2 votes, average: 4.50 out of 5)