Досліди Резерфорда з розсіювання альфа-частинок

Будова атома дуже складна. Це підтверджують відкриття таких явищ, як електрон, рентгенівські промені та радіоактивність. В результаті теоретичних досліджень і численних дослідів була побудована теорія будови атома. Особливо важливий внесок у створення теорії будови атома вніс англійський фізик Ернест Резерфорд (1871 – 1937), який проводив досліди з вивчення проходження альфа-частинок через тонкі металеві пластини золота і платини.

Резерфорд в 1906 році запропонував провести зондування атомів важких елементів альфа-частинок з енергією 4,05 МеВ, які випромінювались ядром урану або радію. Таким чином пропонувалося вивчити розсіяння (зміна напрямку руху) альфа-частинок в речовині.

Маса альфа-частинки приблизно у 8000 разів більше маси електрона. Позитивний заряд дорівнює по модулю подвоєному заряду електрона 2е. Швидкість альфа-частинки становить 1/15 швидкості світла або 2 * 107 м/с. Альфа-частинка – це повністю іонізований атом гелію.

Спрощена схема дослідів Резерфорда зображена на рис. 1.1. Альфа-частинки випромінювались радіоактивним джерелом 1, поміщеним всередині свинцевого циліндра 2 з вузьким каналом 3. Вузький пучок альфа-частинок з каналу падав на фольгу 4 з досліджуваного матеріалу, перпендикулярно до поверхні фольги. З свинцевого циліндру альфа-частинки проходили тільки через канал, а інші поглиналися свинцем. Пройшли крізь фольгу і розсіяні нею альфа-частинки які потрапляли на напівпрозорий екран 5, який був покритий люмінесцуючую речовиною (сульфатом цинку). Це речовина була здатна світитися при ударі об неї альфа-частинки. Зіткнення кожної частинки з екраном супроводжувалася спалахом світла. Цей спалах називається сцинтилляція (від латинського scintillation – блиск, короткочасний спалах світла). За екраном перебував мікроскоп 6. Щоб не відбувалося додаткового розсіювання альфа-частинок у повітрі, весь прилад розміщувався в посудині з достатнім вакуумом.

Спрощена схема дослідів Резерфорда

Рис. 1.1. Спрощена схема дослідів Резерфорда.

За відсутністю фольги на екрані виникало світле коло, що складається з сцинтиляцій, викликаних тонким пучком альфа-частинок. Але коли на шляху руху альфа-частинок поміщали тонку золоту фольгу товщиною приблизно 0,1 мкм (мікрон), то картинка на екрані сильно змінювалася: окремі спалахи з’являлися не тільки за межами колишнього кола, але їх можна було навіть спостерігати з протилежного боку золотої фольги.

Підраховуючи число сцинтиляцій в одиницю часу в різних місцях екрану, можна встановити розподіл у просторі розсіяних альфа-частинок. Кількість альфа-частинок швидко убуває із збільшенням кута розсіювання.

Спостережувана на екрані картина дозволила зробити висновок, що більшість альфа-частинок проходить крізь золоту фольгу без помітної зміни напрямку їх руху. Однак деякі частинки відхилялися на великі кути від первісного напрямку альфа-частинок (порядку 135…150) і навіть відкидалися назад. Дослідження показали, що при проходженні альфа-частинок крізь фольгу приблизно на кожні 10000 падаючих частинок тільки одна відхиляється на кут більше 100 від початкового напрямку руху. Лише у вигляді рідкісного винятку одна з величезної кількості альфа-частинок відхиляється від свого первісного напрямку.

Той факт, що багато альфа-частинок проходили крізь фольгу, не відхиляючись від свого напрямку руху, говорить про те, що атом не є суцільним утворенням. Так як маса альфа-частинки майже у 8000 разів перевершує масу електрона, то електрони, що входять до складу атомів фольги, не можуть помітно змінити траєкторію альфа-частинок. Розсіювання альфа-частинок може викликати позитивно заряджена частинка атома – атомне ядро.

Атомне ядро – це тіло малих розмірів, в якому сконцентрована майже вся маса і майже весь позитивний заряд атома.

Чим ближче альфа-частинка підходила до ядра, тим більше була сила електричної взаємодії і тим на більший кут частинка відхилялася. На малих відстанях від ядра позитивно-заряджена альфа-частинка відчуває значну силу відштовхування F від ядра, яку визначають за законом Кулона:

де r – відстань від ядра до альфа-частинки; ε0 – електрична постійна в одиницях виміру СІ; p – число протонів в ядрі; е = 1,6*10-19 Кл – абсолютне значення елементарного електричного заряду (заряд електрона); 2e – заряд альфа-частинки

На рисунку 1.2 показано траєкторії альфа-частинок, що пролітають на різних відстанях від ядра.

Резерфорд зміг ввести формулу, що зв’язує кількість розсіяних на певний кут альфа-частинок з енергією альфа-частинок і протонів р в ядрі атома. Дослідна перевірка формули підтвердила її справедливість і показала, що кількість протонів у ядрі дорівнює числу внутрішньоатомних Z електронів і визначається атомним номером хімічного елемента (є порядковим номером елемента в періодичній системі Менделєєва Д. І.):

p = Z

Траєкторії альфа-частинок

Рис. 1.2. Траєкторії альфа-частинок.

Підраховуючи кількість альфа-частинок, розсіяних на різні кути, Резерфорд зміг оцінити лінійні розміри ядра. Щоб позитивне ядро могло відкинути альфа-частинку назад, потенційна енергія електростатичного (кулонівського) відштовхування біля кордонів ядра атома повинна дорівнювати кінетичній енергії альфа-частинки:

Виявилося, що ядро має діаметр:

dя = 10-13…10-12 см = 10-15…10-14 м.

Лінійний діаметр самого атома:

da = 10-8 см = 10-10 м.

Планетарна модель атома

Після аналізу численних дослідів, Резерфордом у 1911 році була запропонована планетарна модель атома (ядерна модель атома).

Згідно цієї моделі в центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома. Навколо ядра обертаються по орбітах негативно заряджені електрони. Електрони рухаються навколо ядра на відносно великих відстанях, подібно до того, як планети обертаються навколо сонця. З сукупністю цих електронів утворюється електронна оболонка або електронна хмара.

Атом у цілому нейтральний, отже, абсолютне значення сумарного негативного заряду електронів дорівнює позитивному заряду ядра: число Z*e протонів у ядрі дорівнює числу електронів в електронній хмарі і збігається з порядковим номером (атомним номером) Z атома даного хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва Д. І.

Наприклад, атом водню має порядковий номер Z = 1, отже, атом водню складається з позитивного ядра з зарядом, рівним абсолютному значенням заряду електрона. Навколо ядра обертається один електрон. Ядро атома водню названо протоном. Атом літію має порядковий номер Z = 3, отже, навколо ядра атома літію обертаються 3 електрона.