ЕКСПЕРИМЕНТ РЕЗЕРФОРДА: ІСТОРІЯ, ОПИС ТА ВИСНОВКИ - НАУКА - 2025

Експеримент Резерфорда , проведені між 1908 і 1913 складався бомби тонку золоту плівку .0004 мм завтовшки, альфа - частинками і аналізувати зразок дисперсії зазначених частинок , залишених на люмінесцентному екрані.

Насправді Резерфорд проводив численні експерименти, все більше і більше вдосконалюючи деталі. Після ретельного аналізу результатів з'явилися два дуже важливі висновки:

-Позитивний заряд атома зосереджений в області, що називається ядром.

-Це атомне ядро ​​неймовірно мало в порівнянні з розміром атома.

Малюнок 1. Експеримент Резерфорда. Джерело: Wikimedia Commons. Курзон

Ернест Резерфорд (1871-1937) був фізиком походження з Нової Зеландії, сферою інтересів якого була радіоактивність та природа матерії. Радіоактивність була недавнім явищем, коли Резерфорд розпочав свої експерименти, це було виявлено Анрі Беккерелем у 1896 році.

У 1907 р. Резерфорд поїхав до Манчестерського університету в Англії, щоб вивчити структуру атома, використовуючи ці альфа-частинки як зонди, щоб заглянути всередину такої крихітної структури. Фізики Ганс Гейгер та Ернест Марсден супроводжували його у виконанні завдання.

Вони сподівалися побачити, як альфа-частинка, яка є подвійно іонізованим атомом гелію, взаємодіє з одним атомом золота, щоб переконатися, що будь-яке відхилення, яке воно зазнало, пов'язане виключно з електричною силою.

Однак більшість альфа-частинок пройшли крізь золоту фольгу лише з невеликим відхиленням.

Цей факт повністю узгоджувався з атомною моделлю Томсона, проте, на подив дослідників, невеликий відсоток альфа-частинок зазнав досить значного відхилення.

І ще менший відсоток частинок повернеться, відскакуючи повністю назад. Чому були зумовлені ці несподівані результати?

Опис та висновки експерименту

Насправді альфа-частинки, які Резерфорд використовував як зонд, - це ядра гелію, і на той час було відомо лише, що ці частинки позитивно заряджаються. Сьогодні відомо, що альфа-частинки складаються з двох протонів та двох нейтронів.

Альфа-частинки та бета-частинки Резерфорд ідентифікував як два різних види випромінювання урану. Альфа-частинки, набагато масивніші, ніж електрон, мають позитивний електричний заряд, тоді як бета-частинки можуть бути електронами або позитронами.

Малюнок 2. Детальна схема експерименту Резерфорда, Гейгера та Марсдена. Джерело: Р. Найт. Фізика для вчених та інженерія: стратегічний підхід. Пірсон.

Спрощена схема експерименту показана на малюнку 2. Пучок альфа-частинок походить від радіоактивного джерела. Гейгер і Марсден використовували в якості випромінювача радоновий газ.

Свинцеві блоки використовували для спрямування випромінювання на золоту фольгу та запобігання її прямому переходу на люмінесцентний екран. Свинець - це матеріал, який поглинає випромінювання.

Згодом промінь, спрямований таким чином, робився для удару на тонку золоту фольгу, і більшість частинок продовжували свій шлях до флуоресцентного екрану сульфату цинку, де вони залишили невеликий світловий слід. Гейгер відповідав за підрахунок їх по черзі, хоча згодом вони сконструювали пристрій, який це зробив.

Той факт, що деякі частинки зазнали невеликий прогин, не здивував Резерфорда, Гейгера та Марсдена. Зрештою, в атомі є позитивні та негативні заряди, які чинять сили на альфа-частинки, але оскільки атом нейтральний, про що вони вже знали, відхилення мали бути невеликими.

Несподіванка експерименту полягає в тому, що кілька позитивних частинок відскочили майже прямо назад.

Висновки

Близько 1 з 8000 альфа-частинок відчували відхилення під кутами, що перевищують 90 °. Мало, але достатньо, щоб поставити під сумнів деякі речі.

Моделою атома стала модель пудингу із родзинок Томсона, колишнього професора Резерфорда в Кавендішській лабораторії, але Резерфорд поцікавився, чи правильна ідея атома без ядра та з вбудованими у родзинки електронами.

Тому що виявляється, що ці великі прогини альфа-частинок і те, що мало хто здатний повернутися, можна пояснити лише в тому випадку, якщо атом має невелике, важке, позитивне ядро. Резерфорд припускав, що лише електричні привабливі та відштовхуючі сили, як вказує закон Кулона, відповідають за будь-які відхилення.

Коли частина альфа-частинок наближається безпосередньо до цього ядра і оскільки електрична сила змінюється з оберненим квадратом відстані, вони відчувають відштовхування, що викликає у них ширококутне розсіювання або відхилення назад.

Безумовно, Гейгер і Марсден експериментували з бомбардуванням листів з різних металів, а не лише із золота, хоча цей метал був найбільш відповідним для його ковкості, щоб створити дуже тонкі листи.

Отримавши подібні результати, Резерфорд був переконаний, що позитивний заряд на атомі повинен розташовуватися в ядрі, а не розходитися по всьому його об'єму, як постулював Томсон у своїй моделі.

З іншого боку, оскільки переважна більшість альфа-частинок проходило без відхилень, ядро ​​повинно було бути дуже-дуже малим порівняно з розміром атома. Однак це ядро ​​мало зосередити більшу частину маси атома.

Вплив на модель атома

Результати дуже здивували Резерфорда, який заявив на конференції в Кембриджі: "… це як коли ти стріляєш 15-дюймовим гарматним шаром у аркуш паперового паперу, а снаряд відскакує прямо на тебе і б'є тебе".

Оскільки ці результати не можна було пояснити атомною моделлю Томсона, Резерфорд запропонував, щоб атом складався з ядра, дуже маленького, дуже масивного і позитивно зарядженого. Електрони залишалися на орбітах навколо нього, як мініатюрна Сонячна система.

Малюнок 3. Атомна модель Резерфорда зліва та модель пудингу із родзинками Томсона справа. Джерело: Wikimedia Commons. Зображення зліва: Jcymc90

Саме це і є ядерна модель атома, показана на малюнку 3 зліва. Оскільки електронів теж дуже і дуже мало, виявляється, що атом майже все…. порожній! Тому більшість альфа-частинок проходять через лист, що майже не відхиляється.

І аналогія з мініатюрною сонячною системою дуже точна. Атомне ядро ​​грає роль Сонця, містить майже всю масу плюс позитивний заряд. Електрони орбітують навколо них, як планети, і несуть негативний заряд. Збірка електрично нейтральна.

Про розподіл електронів в атомі експеримент Резерфорда нічого не показав. Ви можете подумати, що альфа-частинки матимуть певну взаємодію з ними, але маса електронів занадто мала, і вони не змогли значно відхилити частинки.

Недоліки моделі Резерфорда

Однією з проблем цієї атомної моделі була саме поведінка електронів.

Якби вони не були статичними, а орбітували атомне ядро ​​по кругових або еліптичних орбітах, керованих електричним притяганням, вони в кінцевому підсумку кинуться до ядра.

Це тому, що прискорені електрони втрачають енергію, і якщо це станеться, це був би крах атома і матерії.

На щастя, це не те, що відбувається. Існує своєрідна динамічна стабільність, яка запобігає краху. Наступною атомною моделлю, після Резерфорда, стала Бор, яка дала кілька відповідей на те, чому атомного колапсу не відбувається.

Протон і нейтрон

Резерфорд продовжував робити експерименти з розсіюванням. У період з 1917 по 1918 рік він та його помічник Вільям Кей вирішили обстрілювати газоподібні атоми азоту високоенергійними альфа-частинками вісмуту-214.

Він знову здивувався, коли виявив ядра водню. Це рівняння реакції, першої досягнутої штучної ядерної трансмутації:

Відповідь була: з того ж азоту. Резерфорд присвоїв водню атомний номер 1, тому що це найпростіший елемент з усіх: позитивне ядро ​​і негативний електрон.

Резерфорд знайшов основоположну частинку, яку він назвав протоном - ім'ям, спочатку походить від грецького слова. Таким чином, протон є важливою складовою кожного атомного ядра.

Пізніше, приблизно в 1920 році, Резерфорд запропонував існувати нейтральну частинку з масою, дуже схожою на протон. Він назвав цю частинку нейтроном, і вона є частиною майже всіх відомих атомів. Фізик Джеймс Чадвік остаточно визначив це в 1932 році.

Як виглядає масштабна модель атома водню?

Атом водню, як ми вже говорили, найпростіший з усіх. Однак розробити модель цього атома було непросто.

Послідовні відкриття породили квантову фізику та цілу теорію, яка описує явища в атомному масштабі. Під час цього процесу розвивалася і атомна модель. Але давайте розглянемо питання розмірів:

Атом водню має ядро, що складається з одного протона (позитивний) і має один електрон (негативний).

Радіус атома водню оцінювали в 2,1 х 10 ^-10 м, а протон - 0,85 х 10 ^-15 м або 0,85 фметрометра. Назва цього невеликого підрозділу походить від Енріко Фермі і використовується дуже багато при роботі в таких масштабах.

Ну, коефіцієнт між радіусом атома та радіусом ядра порядку 10 ⁵ м, тобто атом в 100 000 разів більший за ядро!

Однак потрібно мати на увазі, що в сучасній моделі, заснованій на квантовій механіці, електрон огортає ядро ​​у вигляді хмари, яка називається орбітальною (орбітальна не є орбітою), а електрон в масштабі атома не є пунктуальне.

Якби атом водню було збільшено - образно - до розміру футбольного поля, то ядро, що складається з позитивного протона, було б розміром мурашки в центрі поля, тоді як негативний електрон був би як би привид, розкидані по всьому полю і оточуючи позитивне ядро.

Атомна модель сьогодні

Ця атомна модель «планетарного типу» дуже вроджена і являє собою образ, який має більшість людей атома, оскільки його дуже легко візуалізувати. Однак це не прийнята сьогодні модель у науковій галузі.

Сучасні атомні моделі базуються на квантовій механіці. Вона вказує, що електрон в атомі не є негативно зарядженою крапкою, яка слідує за точними орбітами, як передбачав Резерфорд.

Вірніше, електрон розсіяний в областях навколо позитивного ядра, званих атомними орбіталями. З нього ми можемо знати ймовірність перебування в тому чи іншому стані.

Незважаючи на це, модель Резерфорда представляла величезний прогрес у пізнанні внутрішньої будови атома. І це проклало шлях для більшої кількості дослідників для подальшого вдосконалення.

Список літератури

1. Андріссен, М. 2001. Курс HSC. Фізика 2. Джакаранда HSC Science.
2. Арфкен, Г. 1984. Університетська фізика. Академічна преса.
3. Найт, Р. 2017. Фізика для вчених та інженерія: стратегічний підхід. Пірсон.
4. Фізика OpenLab. Експеримент Резерфорда-Гейгера-Марсдена. Відновлено з: physicsopenlab.org.
5. Рекс, А. 2011. Основи фізики. Пірсон.
6. Тайсон, Т. 2013. Експеримент по розсіюванню Резерфорда. Отримано з: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Експерименти Резерфорда. Відновлено з: xaktly.com.
8. Вікіпедія. Експеримент Резерфорда. Відновлено з: es.wikipedia.org.