Опыты Э.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 великий английский физик Эрнест Резерфорд (1871—1937) предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью а-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 а-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 а-частицы, подобно тому, как камушек в несколько десятков граммов при столкновении с автомобилем не в состоянии заметно изменить его скорость.

Рассеяние (изменение направления движения) а-частиц мо­жет вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию а-частиц можно определить ха­рактер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 6.2.

Ис­пускаемый радиоактивным препаратом 1 пучок а-частиц вы­делялся диафрагмой 2 и после этого падал на тонкую фольгу 3 из исследуемого материала (золото, медь и др.). После рассея­ния а-частицы попадали на экран 4, покрытый сульфидом цинка. 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 а-частиц. Но когда на пути пучка помеща­лась фольга, а-частицы из-за рассеяния распределялись на большей площади (посмотреть опыт).

Модифицируя экспериментальную установку, Резерфорд попытался обнаружить отклонение а-частиц на большие углы. Совершенно неожиданно оказалось, что небольшое число а-час­тиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, боль­шие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам эксперимент по наблюдению рассеяния а-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 с помощью модели Томсона было нельзя. Положительный заряд, распределенный по объему всего атома, не может создать достаточно интенсив­ное электрическое поле, способное отбросить а-частицу назад. Максимальная сила отталкивания определяется по закону Ку­лона (в абсолютной системе единиц):

​

                                                                                   

 

где qa — заряд а-частицы, q — положительный заряд атома, R — его радиус. 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, отталкивающая а-частицы.

Чтобы положительный заряд атома мог отбросить а-части- цу назад, потенциальная энергия кулоновского отталкивания у границы положительного заряда атома должна равняться кинетической энергии а-частицы:

                                                                             

​

 

Если считать, что R = 1СГ8 см (размер атома), то из этого ра­венства получается, что значение заряда должно почти в сто ты­сяч раз превышать заряд электрона . Но нельзя допустить, что столь большой положительный заряд имеется внутри атома. Ведь тогда и число электронов, нейтрализующих положитель­ный заряд, должно быть столь же огромным. Масса такого коли­чества электронов в тысячи раз превышала бы массу всего атома.

Определение размеров атомного ядра

Очевидно, что а-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 рисунок 6.3 сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома. На рисунке 6.3 показаны траектории а-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра.

Подсчитывая число а-частиц, рассеянных на различные уг­лы, Резерфод смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка 10-12—10-13см (у разных ядер диа­метры различны). Впоследствии удалось определить и заряд ядра. При условии, что заряд электрона принят за единицу, заряд ядра в точности равен порядковому номеру данного хи­мического элемента в таблице Менделеева.

 

Планетарная модель атома

В центре атома 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 покоиться 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 (рисунок 6.4).

Простая и наглядная планетарная модель атома имеет пря­мое экспериментальное обоснование.

Она кажется совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию 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. У­коренно движущийся заряд по законам электродинамики Максвелла должен излучать электромагнитные волны с часто­той, равной частоте его обращения. 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 ничтожное 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 неприемлемы.​

​

Вопросы для самоконтроля:

​

1. Какими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяже­лых элементов?

2. Что  попытался обнаружить Резерфорд модифицируя экспериментальную установку?

3. Что смог оценить Резерфорд?

4. Что расположено в центре атома?

5. При каком состоянии атомы устойчивы?

​