Вопрос 2. Опыт Э. Резерфорда по рассеянию а – частиц

Эрнест Резерфорд Эрнест Резерфорд (1871-1937). Английский физик, основоположник ядерной физики, член Лондонского королевского общества (1903, президент в 1925-1930) и большинства академий мира. Родился в Брайтуотере (Новая Зеландия). В 1899г. открыл альфа- и бета-лучи, в 1900г. – продукт распада радия (эманацию) и ввёл понятие периода полураспада. Вместе с Ф. Содди в 1902 – 1903гг. разработал теорию радиоактивного распада и установил закон радиоактивных превращений. В 1903г. доказал, что альфа-лучи состоят из положительного заряжённых частиц (Нобелевская премия по химии, 1908). В 1908г. вместе с Г.Гейгером сконструировал прибор для регистрации отдельных заряжённых частиц (счётчик Гейгера). Установил в 1911г. закон рассеяния альфа-частиц атомами различных элементов (формула Резерфорда) что позволило создать в 1911 г. Новую модель атома – планетарную (модель Резерфорда). Выдвинул идею об искусственном превращении атомных ядер (1914). В 1919г. осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород, заложив тем самым основы совместной физики ядра, открыл протон. В 1920г. предсказал существование нейтрона и дейтрона. Совместно с М. Олифантом экспериментально доказал в 1933г. справедливость закона взаимосвязи массы и энергии в ядерных реакциях. В 1934г. осуществил реакцию синтеза дейтронов с образованием трития.

Первые эксперименты по изучению строения атома предпринял Эрнест Резерфорд в 1911г.. Они стали возможны благодаря открытию явления радиоактивности, при котором в результате естественного радиоактивного распада тяжелых элементов выделяются -частицы. Оказалось, что эти частицы имеют положительный заряд, равный заряду двух электронов, масса их примерно в 4 раза больше массы атома водорода, т.е. они являются ионами атома гелия ( ). Энергия – частиц изменяется от эВ для урана до эВ для тория. Скорость - частиц составляет м/с, поэтому их можно использовать для «простреливания» тонкой металлической фольги. Информация о рассеянии, – частиц изображена на рис. 1.

рис.1

Исследования показали, что значительно отклонялось от первоначального направления движения небольшое количество - частиц. В некоторых случаях угол рассеяния был близок к 180 градусам. На основе полученных данных Э.Резерфорд сделал выводы, которые были положены в основу планетарной модели атома:

Существует ядро, в котором сосредоточены практически вся масса атома и весь его положительный заряд, причем размеры ядра значительно меньше, чем размеры самого атома;

Электроны, которые входят в состав атома, движутся вокруг ядра по круговым орбитам.

Исходя из этих двух предпосылок и предполагая, что взаимодействие между налетающей – частицей и положительно заряженным ядром определяется кулоновскими силами, Резерфорд установил, что атомные ядра имеют размеры ( )м, т.е. они в ( ) раз меньше размеров атомов.

Модель атома, предложенная Резерфордом, напоминает Солнечную систему, т.е. в центре атома находится ядро («Солнце»), а вокруг него по орбитам движутся электроны - «планеты». Именно поэтому модель Резерфорда получила название планетарной модели атома.

Эта модель стала шагом вперед к современному представлению о строении атома. Лежащее в ее основе понятие атомного ядра, в котором сосредоточены весь положительный заряд атома и практически вся его масса, сохранило свое значение до настоящего времени.

Однако предположение о движении электронов по круговым орбитам несовместимо ни с законами классической электродинамики, ни с линейчатым характером спектров излучения атомарных газов.

Проиллюстрируем сказанное о планетарной модели Резерфорда на примере атома водорода, который состоит из массивного ядра (протона) и электрона, движущего вокруг него по круговой орбите. Поскольку радиус орбиты м (первая боровская орбита) и скорость электрона м/с, его нормальные ускорение . Электрон, движущейся с ускорением по круговой орбите, является двухмерным осциллятором. Следовательно, согласно классической электродинамике, он должен излучать энергию в виде электромагнитной волны. В результате электрон должен будет неизбежно приблизиться к ядру за время с. Однако в действительности атом водорода является устойчивой и «долгоживущей» электромеханической системой.