Rezerfordun səpilmənin öyrənilməsində təcrübələri. Alfa hissəciklərinin səpilməsi təcrübəsi. Atomun öyrənilməsi prosesində edilən digər kəşflər
39. Alfa hissəciklərinin səpilməsi ilə bağlı təcrübə.
Yığılmış eksperimental məlumatlar əsasında atomun modelini yaratmaq üçün ilk cəhd (1903) C.Tomsona məxsusdur. O hesab edirdi ki, atom təxminən 10-10 m radiuslu elektrik neytral sferik sistemdir.Atomun müsbət yükü topun bütün həcmi boyunca bərabər paylanmışdır və onun daxilində mənfi yüklü elektronlar yerləşir (şək. 6.1). .1). Atomların xətti emissiya spektrlərini izah etmək üçün Tomson atomdakı elektronların yerini təyin etməyə və tarazlıq mövqeləri ətrafında onların titrəyişlərinin tezliklərini hesablamağa çalışdı. Lakin bu cəhdlər uğursuz alındı. Bir neçə il sonra dahi ingilis fiziki E.Rezerfordun təcrübələrində Tomson modelinin düzgün olmadığı sübuta yetirildi.
Şəkil 6.1.1.
J.Tomsonun atom modeli
Atomların daxili quruluşunu öyrənmək üçün ilk birbaşa təcrübələr 1909-1911-ci illərdə E. Ruterford və onun əməkdaşları E. Marsden və H. Qeyger tərəfindən aparılmışdır. Ruterford, radiumun və bəzi digər elementlərin radioaktiv parçalanması zamanı yaranan α-hissəciklərindən istifadə edərək atom zondundan istifadə etməyi təklif etdi. Alfa hissəciklərinin kütləsi bir elektronun kütləsindən təxminən 7300 dəfə, müsbət yük isə elementar yükün iki qatına bərabərdir. Rezerford öz təcrübələrində kinetik enerjisi təqribən 5 MeV olan α-hissəciklərdən istifadə etmişdir (belə hissəciklərin sürəti çox yüksəkdir – təxminən 107 m/s, lakin yenə də işığın sürətindən xeyli azdır). α hissəcikləri tam ionlaşmış helium atomlarıdır. Onları 1899-cu ildə Ruterford radioaktivlik fenomenini öyrənərkən kəşf etmişdir. Rezerford bu hissəciklərlə ağır elementlərin (qızıl, gümüş, mis və s.) atomlarını bombalayırdı. Atomları təşkil edən elektronlar, kiçik kütlələrinə görə, α hissəciyinin trayektoriyasını nəzərəçarpacaq dərəcədə dəyişə bilmirlər. Səpilmə, yəni α-hissəciklərin hərəkət istiqamətinin dəyişməsi yalnız atomun ağır, müsbət yüklü hissəsinə səbəb ola bilər. Ruterford təcrübəsinin diaqramı Şəkildə göstərilmişdir. 6.1.2.
Şəkil 6.1.2.
α-hissəciklərin səpilməsi üzərində Rezerford təcrübəsinin sxemi. K – radioaktiv maddə olan qurğuşun qabı, E – sink sulfidlə örtülmüş ekran, F – qızıl folqa, M – mikroskop)
Qurğuşun konteynerinə bağlanmış radioaktiv mənbədən alfa hissəcikləri nazik metal folqa üzərinə yönəldilmişdir. Səpələnmiş hissəciklər, sürətli yüklü hissəciklərin vurduğu zaman parlaya bilən sink sulfid kristallarının təbəqəsi ilə örtülmüş ekrana düşdü. Mikroskopdan istifadə edərək ekranda parıldamalar (yanıb-sönmə) gözlə müşahidə edildi. Rezerford təcrübəsində səpələnmiş α hissəciklərinin müşahidələri şüanın ilkin istiqamətinə φ müxtəlif bucaqlarda aparıla bilərdi. Müəyyən edilmişdir ki, α hissəciklərinin çoxu nazik metal təbəqəsindən az və ya heç bir əyilmə ilə keçir. Bununla belə, hissəciklərin kiçik bir hissəsi 30°-dən çox əhəmiyyətli açılarda əyilir. Çox nadir alfa hissəcikləri (təxminən on mindən biri) 180°-ə yaxın bucaqlarda əyilmişdir.
Bu nəticə hətta Ruterford üçün tamamilə gözlənilməz oldu. Onun fikirləri Tomsonun atom modeli ilə kəskin ziddiyyət təşkil edirdi, ona görə müsbət yük atomun bütün həcminə paylanır. Belə bir paylanma ilə müsbət yük α hissəciklərini geri atan güclü elektrik sahəsi yarada bilməz. Vahid yüklü topun elektrik sahəsi onun səthində maksimumdur və topun mərkəzinə yaxınlaşdıqca sıfıra enir. Əgər atomun bütün müsbət yükünün cəmləşdiyi topun radiusu n dəfə azalarsa, o zaman α-hissəciyə təsir edən maksimum itələyici qüvvə Kulon qanununa görə n2 dəfə artar. Nəticə etibarilə, kifayət qədər böyük n dəyəri üçün alfa hissəcikləri 180°-ə qədər böyük bucaqlarda səpələnə bilər. Bu mülahizələr Ruterfordu belə qənaətə gətirdi ki, atom demək olar ki, boşdur və onun bütün müsbət yükü kiçik həcmdə cəmləşmişdir. Ruterford atomun bu hissəsini atom nüvəsi adlandırdı. Atomun nüvə modeli belə yarandı. düyü. 6.1.3 Tomson atomunda və Rezerford atomunda α hissəciyinin səpələnməsini təsvir edir.
Ernest Ruterford atomun daxili quruluşu haqqında fundamental təlimin banilərindən biridir. Alim İngiltərədə, Şotlandiyadan olan mühacir ailəsində anadan olub. Ruterford ailəsinin dördüncü övladı idi və ən istedadlı uşaq idi. O, atom quruluşu nəzəriyyəsinə xüsusi töhfə verməyə nail olmuşdur.
Atomun quruluşu haqqında ilkin fikirlər
Qeyd edək ki, Rezerfordun alfa hissəciklərinin səpilməsi ilə bağlı məşhur təcrübəsi aparılmazdan əvvəl atomun quruluşu ilə bağlı o dövrdə hakim fikir Tompson modeli idi. Bu alim əmin idi ki, müsbət yük atomun bütün həcmini bərabər şəkildə doldurur. Tompson inanırdı ki, mənfi yüklü elektronlar sanki onunla kəsişib.
Elmi inqilab üçün ilkin şərtlər
Məktəbi bitirdikdən sonra Ruterford ən istedadlı tələbə kimi əlavə təhsil üçün 50 funt sterlinq qrant aldı. Bunun sayəsində o, Yeni Zelandiyada kollecə gedə bildi. Sonra gənc alim Canterbury Universitetində imtahan verir və fizika və kimya fənlərini ciddi şəkildə öyrənməyə başlayır. 1891-ci ildə Ruterford "Elementlərin təkamülü" mövzusunda ilk çıxışını etdi. Tarixdə ilk dəfə olaraq atomların mürəkkəb quruluşlar olduğu fikrini ortaya qoydu.
O dövrdə Daltonun atomların bölünməz olması fikri elmi dairələrə hakim idi. Rutherford ətrafındakı hər kəsə onun fikri tamamilə dəli görünürdü. Gənc alim “cəfəngiyyatına” görə daim həmkarlarından üzr istəməli olub. Lakin 12 ildən sonra Ruterford yenə də haqlı olduğunu sübut edə bildi. Ruterford İngiltərədəki Kavendiş Laboratoriyasında tədqiqatlarını davam etdirmək şansı qazandı və burada havanın ionlaşması proseslərini öyrənməyə başladı. Ruterfordun ilk kəşfi alfa və beta şüaları idi.
Ruterfordun təcrübəsi
Kəşfi qısaca belə təsvir etmək olar: 1912-ci ildə Rezerford köməkçiləri ilə birlikdə özünün məşhur eksperimentini apardı - qurğuşun mənbəyindən alfa hissəcikləri buraxıldı. Qurğuşun tərəfindən udulmuş hissəciklər istisna olmaqla, bütün hissəciklər quraşdırılmış kanal boyunca hərəkət etdi. Onların dar axını nazik bir folqa təbəqəsinə düşdü. Bu xətt vərəqə perpendikulyar idi. Ruterfordun alfa hissəciklərinin səpilməsi üzərində apardığı təcrübə sübut etdi ki, folqa vərəqindən birbaşa keçən hissəciklər ekranda sözdə parıldamalara səbəb olur.
Bu ekran alfa hissəcikləri ona dəydikdə parıldamağa başlayan xüsusi bir maddə ilə örtülmüşdü. Alfa hissəciklərinin havaya səpilməsinin qarşısını almaq üçün təbəqə ilə ekran arasındakı boşluq vakuumla dolduruldu. Belə bir cihaz tədqiqatçılara təxminən 150° bucaq altında səpələnən hissəcikləri müşahidə etməyə imkan verdi.
Əgər folqa alfa hissəciklərinin şüası qarşısında maneə kimi istifadə olunmayıbsa, ekranda işıq şüalarının dairəsi əmələ gəlib. Lakin onların şüasının qarşısına qızıl folqa baryeri qoyulan kimi mənzərə xeyli dəyişdi. Fırıldaqlar təkcə bu dairədən kənarda deyil, həm də folqa qarşı tərəfində göründü. Ruterfordun alfa hissəciklərinin səpilməsi üzərində apardığı təcrübə göstərdi ki, əksər hissəciklər trayektoriyasında nəzərəçarpacaq dəyişikliklər olmadan folqadan keçdilər.
Bu vəziyyətdə bəzi hissəciklər kifayət qədər böyük bir açı ilə əyildi və hətta geri atıldı. Qızıl folqa təbəqəsindən sərbəst keçən hər 10.000 hissəcik üçün yalnız biri 10°-dən çox bucaqla əyilmişdi - istisna olaraq, hissəciklərdən biri belə bir açı ilə əyilmişdi.
Alfa hissəciklərinin əyilməsinin səbəbi
Ruterfordun təcrübəsinin təfərrüatlı şəkildə araşdırdığı və sübut etdiyi atomun quruluşudur. Bu vəziyyət atomun davamlı bir formalaşma olmadığını göstərirdi. Əksər hissəciklər bir atom qalınlığında olan folqadan sərbəst keçdi. Alfa hissəciyinin kütləsi bir elektronun kütləsindən demək olar ki, 8000 dəfə böyük olduğundan, sonuncu alfa hissəciyinin trayektoriyasına əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərə bilmədi. Bunu yalnız atom nüvəsi - atomun demək olar ki, bütün kütləsinə və bütün elektrik yüklərinə malik olan kiçik ölçülü bir cisim edə bilərdi. O dövrdə bu, ingilis fiziki üçün əhəmiyyətli bir irəliləyiş oldu. Rezerfordun təcrübəsi atomun daxili quruluşu elminin inkişafında ən mühüm addımlardan biri hesab olunur.
Atomun öyrənilməsi prosesində edilən digər kəşflər
Bu tədqiqatlar atomun müsbət yükünün onun nüvəsində yerləşdiyinə dair birbaşa dəlillər verdi. Bu sahə ümumi ölçüləri ilə müqayisədə çox kiçik bir yer tutur. Belə kiçik həcmdə alfa hissəciklərinin səpilməsi çox çətin olduğu ortaya çıxdı. Və atom nüvəsi bölgəsinin yaxınlığından keçən hissəciklər trayektoriyadan kəskin sapmalar yaşadılar, çünki alfa hissəciyi ilə atom nüvəsi arasında itələyici qüvvələr çox güclü idi. Ruterfordun alfa hissəciklərinin səpilməsi təcrübəsi alfa hissəciyinin birbaşa nüvəyə dəymə ehtimalını sübut etdi. Düzdür, ehtimal çox kiçik idi, amma yenə də sıfır deyil.
Bu, Ruterfordun təcrübəsinin sübut etdiyi yeganə fakt deyildi. Atomun strukturu onun həmkarları tərəfindən qısa müddət ərzində tədqiq edilmiş və bir sıra digər mühüm kəşflər etmişlər. Alfa hissəciklərinin sürətlə hərəkət edən helium nüvələri olduğu təlimi istisna olmaqla.
Alim nüvənin ümumi həcmin kiçik bir hissəsini tutduğu atomun quruluşunu təsvir edə bildi. Onun təcrübələri sübut etdi ki, atomun demək olar ki, bütün yükü onun nüvəsində cəmləşib. Bu zaman həm alfa hissəciklərinin əyilməsi, həm də onların nüvə ilə toqquşması halları baş verir.
Ruterfordun təcrübələri: atomun nüvə modeli
1911-ci ildə Ruterford çoxsaylı araşdırmalardan sonra planetar adlandırdığı təklifi irəli sürdü. Bu modelə görə, atomun içərisində hissəciyin demək olar ki, bütün kütləsini ehtiva edən bir nüvə var. Elektronlar, planetlərin Günəş ətrafında necə hərəkət etdiyinə bənzər şəkildə nüvə ətrafında hərəkət edirlər. Onların birləşməsindən elektron buludu əmələ gəlir. Ruterfordun təcrübəsi göstərdiyi kimi atom neytral yükə malikdir.
Atomun quruluşu sonralar Niels Bor adlı bir alimin marağına səbəb oldu. Məhz o, Ruterfordun təlimini yekunlaşdırdı, çünki Bordan əvvəl atomun planetar modeli izahatda çətinliklərlə üzləşməyə başladı. Elektron nüvə ətrafında müəyyən orbitdə sürətlənmə ilə hərəkət etdiyi üçün gec-tez atomun nüvəsinə düşməlidir. Bununla belə, Niels Bor sübut edə bildi ki, atomun içərisində klassik mexanika qanunları artıq tətbiq olunmur.
Ruterfordun Alfa Hissəciklərin Səpilmə Təcrübəsi
Atomun quruluşu haqqında müasir fikirlərin əsasını Rezerfordun hissəciklərin səpilməsi ilə bağlı təcrübələri təşkil edirdi. - hissəciklər radioaktiv parçalanma prosesində yaranır, onların yükü müsbətdir və elektronun ikiqat yükünə bərabərdir. Hissəciklərin kinetik enerjisi və sürəti yüksəkdir:
Rezerfordun təcrübələrində dəlikdən (şəkil 39) buraxılan radioaktiv maddə P tərəfindən buraxılan ensiz hissəciklər şüası çox nazik metal folqa F üzərinə düşdü. Folqa atomları üzərində hissəciklərin səpilməsi baş verdi. Folqanın ətrafına sink sulfiddən hazırlanmış ekran E qoyulmuşdur. Zərrəcik bu ekrana dəydikdə, işıq parıltısı verdi - parıldama (buna görə də belə ekranlar ssintillyasiya ekranları adlanır), bu M teleskopu ilə qeydə alınmışdır. Ekranın və teleskopun mövqeyini istənilən bucaq altında təyin etmək olar. şüanın yayılma istiqaməti - hissəciklər. Beləliklə, müxtəlif bucaqlarda yayılan hissəciklərin sayını hesablamaq mümkün oldu.
düyü. 39. Ruterford təcrübəsi
Məlum oldu ki, -hissəciklər folqadan ya düz xəttlə keçə bilər, ya da ondan tamamilə əks oluna bilər. Çoxluq
- hissəciklər 1-2 dərəcədən çox olmayan bucaqlarda düz yoldan kənara çıxırlar. Ancaq hissəciklərin kiçik bir hissəsi əhəmiyyətli dərəcədə daha böyük bucaqlarda yayındı - beləliklə, 20.000 hissədən biri geri qayıdır ().
Nəzərdən keçirilən eksperimental nəticələrə əsasən, 1911-ci ildə Ruterford atomun özünün nüvə (planet) modelini təklif etdi. Ruterfordun fikrincə, atomun mərkəzində müsbət yüklü (+Ze) nüvə (nüvə radiusu) var. ~ 10 -13 sm), ətrafında yerləşir Z elektronları. Nüvənin kütləsi elektronların kütləsindən çox böyükdür.
Atomun nüvə modeli hissəciklərin Ruterford təcrübəsində müşahidə olunan düzxətli trayektoriyadan kənara çıxmasını izah etməyə imkan verdi: müsbət yüklü hissəciklərlə müsbət yüklü nüvə arasında Kulon itələmə qüvvələri yaranır. .
Ruterfordun təklif etdiyi atomun nüvə modelinin eksperimental təsdiqi, lakin bu modelin klassik mexanika və elektrodinamika qanunları ilə ziddiyyətlərini həll etmədi.
1-ci ziddiyyət: stasionar elektrik yükləri sistemi qeyri-sabit olduğundan, Ruterford elektronların statik olmadığını, nüvə ətrafında hərəkət etdiyini irəli sürdü; bu o deməkdir ki, onların mərkəzdənqaçma sürətlənməsi var. Lakin eyni zamanda, klassik fizikanın anlayışlarına görə, elektron, hər hansı bir sürətlənmiş hərəkət yükü kimi, davamlı olaraq elektromaqnit dalğaları yaymalıdır. Bu vaxt normal vəziyyətdə atomlar buraxmır.
Ziddiyyət 2: elektromaqnit dalğaları yayma prosesində enerji itirərək elektron sonda nüvəyə düşməlidir (təxmini düşmə vaxtı ~ 10 -8 s.). Deməli, Ruterfordun modelinə görə, atom reallıqla ziddiyyət təşkil edən qeyri-sabit sistemdir.
3-cü ziddiyyət: Ruterforda görə, nüvə ətrafında hərəkət edən elektronlar Kulon qüvvələri tərəfindən tutulur:
nüvə yükü haradadır, m - elektron kütləsi, - sürəti, r - orbitin radiusu. Radiusdan bəri r heç bir məhdudiyyət qoyulmur, elektronun sürəti və buna görə də onun kinetik enerjisi hər hansı bir şey ola bilər.
Bu o deməkdir ki, atomun emissiya spektri davamlı olmalıdır. Bununla belə, real atom emissiya spektrləri fərdi xətlərdən (bir sıra xətlərə birləşən) ibarətdir.
Bunlar. atomun nüvə modeli nə atomun sabitliyini, nə də atom spektrinin təbiətini izah edə bilmədi.. Vəziyyətdən çıxış yolu 1913-cü ildə klassik ideyalara zidd olan fərziyyələr irəli sürərək atomun yeni modelini təklif edən Bor tərəfindən tapıldı. O, öz nəzəriyyəsini iki postulata əsaslandırırdı.
Atom quruluşu mürəkkəbdir. Bunu elektron, rentgen şüaları və radioaktivlik kimi hadisələrin kəşfləri də təsdiqləyir. Nəzəri tədqiqatlar və çoxsaylı təcrübələr nəticəsində a atom quruluşu nəzəriyyəsi. Atom quruluşu nəzəriyyəsinin yaradılmasında ingilis fiziki Ernest xüsusilə mühüm töhfə vermişdir. Ruterford(1871 - 1937), alfa hissəciklərinin qızıl və platinin nazik metal lövhələrindən keçməsini öyrənmək üçün təcrübələr aparmışdır.
Ruterford 1906-cı ildə uran və ya radium nüvəsi tərəfindən buraxılan 4,05 MeV enerjili alfa hissəcikləri ilə ağır elementlərin atomlarının yoxlanılmasını təklif etdi. Beləliklə, alfa hissəciklərinin maddədə səpələnməsinin (hərəkət istiqamətinin dəyişməsinin) öyrənilməsi təklif edilmişdir.
Alfa hissəciyinin kütləsi elektronun kütləsindən təxminən 8000 dəfə çoxdur. Müsbət yük elektronun 2e yükünün ikiqat böyüklüyünə bərabərdir. Alfa hissəciyinin sürəti işıq sürətinin 1/15-i və ya 2 * 10 7 m/s-dir. Alfa hissəcik tam ionlaşmış helium atomudur.
Ruterfordun təcrübələrinin sadələşdirilmiş diaqramı Şəkildə göstərilmişdir. 1.1. Alfa hissəcikləri dar kanal 3 olan qurğuşun silindrinin 2 içərisinə yerləşdirilmiş radioaktiv mənbə 1 tərəfindən buraxılmışdır. Kanaldan alfa hissəciklərinin dar şüası folqa səthinə perpendikulyar olaraq tədqiq olunan materialdan hazırlanmış folqa 4 üzərinə düşdü. Qurğuşun silindrindən alfa hissəcikləri yalnız kanaldan keçdi, qalanları isə qurğuşun tərəfindən udulmuşdu. Folqadan keçən və onun vasitəsilə səpələnmiş alfa hissəcikləri lüminessent maddə (sink sulfat) ilə örtülmüş şəffaf ekrana 5 düşdü. Bu maddə bir alfa hissəciyi vurduqda parlamağa qadir idi. Hər bir hissəciyin ekranla toqquşması işıq çaxması ilə müşayiət olundu. Bu flaş adlanır parıldamaq(latınca parıldamaqdan - parıldayan, qısa müddətli işıq parıltısı). Ekranın arxasında mikroskop 6 var idi. Alfa hissəciklərinin havada əlavə səpilməsinin qarşısını almaq üçün bütün cihaz kifayət qədər vakuum olan bir qaba yerləşdirildi.
düyü. 1.1. Ruterford təcrübələrinin sadələşdirilmiş sxemi.
Folqa olmadıqda, ekranda alfa hissəciklərinin nazik şüasının yaratdığı parıltılardan ibarət parlaq bir dairə meydana çıxdı. Lakin qalınlığı təxminən 0,1 μm (mikron) olan nazik qızıl folqa alfa hissəciklərinin yoluna qoyulduqda, ekranda müşahidə olunan şəkil çox dəyişdi: fərdi flaşlar nəinki əvvəlki dairədən kənarda göründü, hətta ola bilərdi. qızıl folqanın əks tərəfindən müşahidə edilir.
Ekranın müxtəlif yerlərində vaxt vahidinə düşən parıldamaların sayını hesablamaqla kosmosda səpələnmiş alfa hissəciklərinin paylanmasını müəyyən etmək olar. Alfa hissəciklərinin sayı artan səpilmə bucağı ilə sürətlə azalır.
Ekranda müşahidə edilən şəkil belə qənaətə gəlməyə əsas verir ki, alfa hissəciklərinin əksəriyyəti hərəkət istiqamətində nəzərəçarpacaq dəyişiklik olmadan qızıl folqadan keçir. Bununla belə, bəzi hissəciklər alfa hissəciklərinin ilkin istiqamətindən (təxminən 135 o ... 150 o) böyük bucaqlarla kənara çıxdı və hətta geri atıldı. Tədqiqatlar göstərdi ki, alfa hissəcikləri folqadan keçəndə hər 10.000 düşən hissəcikdən yalnız biri ilkin hərəkət istiqamətindən 10°-dən çox bucaq açır. Yalnız nadir bir istisna olaraq, çoxlu sayda alfa hissəciklərindən biri orijinal istiqamətindən yayınır.
Bir çox alfa hissəciklərinin hərəkət istiqamətindən kənara çıxmadan folqadan keçməsi atomun bərk bir varlıq olmadığını deməyə əsas verir. Alfa hissəciklərinin kütləsi elektronun kütləsindən təxminən 8000 dəfə böyük olduğundan, folqa atomlarının bir hissəsi olan elektronlar alfa hissəciklərinin trayektoriyasını nəzərəçarpacaq dərəcədə dəyişə bilməz. Alfa hissəciklərinin səpilməsinə atomun müsbət yüklü hissəciyi - atom nüvəsi səbəb ola bilər.
Atom nüvəsi- bu, atomun demək olar ki, bütün kütləsinin və demək olar ki, bütün müsbət yükünün cəmləşdiyi kiçik bir cisimdir.
Alfa zərrəciyi nüvəyə nə qədər yaxınlaşsa, elektrik qarşılıqlı təsir qüvvəsi bir o qədər çox olar və hissəciyin əyilməsinin bucağı bir o qədər çox olar. Nüvədən kiçik məsafələrdə müsbət yüklü alfa hissəciyi Coulomb qanunu ilə müəyyən edilən nüvədən əhəmiyyətli itələyici F qüvvəsi yaşayır:
| F= |
burada r nüvədən alfa hissəciyinə qədər olan məsafədir; ε 0 – SI vahidlərində elektrik sabiti; p – nüvədəki protonların sayı; e = 1,6*10-19 C – elementar elektrik yükünün (elektron yükünün) mütləq qiyməti; 2e - alfa hissəcik yükü
Şəkil 1.2-də nüvədən müxtəlif məsafələrdə uçan alfa hissəciklərinin trayektoriyaları göstərilir.
Ruterford müəyyən bucaq altında səpələnmiş alfa hissəciklərinin sayını atomun nüvəsindəki alfa hissəciklərinin və p protonlarının enerjisi ilə birləşdirən düstur təqdim edə bildi. Düsturun eksperimental yoxlanılması onun etibarlılığını təsdiqlədi və göstərdi ki, nüvədəki protonların sayı atomdaxili elektronların sayına Z bərabərdir və kimyəvi elementin atom nömrəsi (yəni, nüvənin atom nömrəsi) ilə müəyyən edilir. D.I.Mendeleyevin dövri sistemindəki element):
p = Z
düyü. 1.2. Alfa hissəciklərinin trayektoriyaları.
Müxtəlif bucaqlarda səpələnmiş alfa hissəciklərinin sayını hesablayaraq, Ruterford nüvənin xətti ölçülərini təxmin edə bildi. Müsbət nüvənin alfa hissəciyini geri atması üçün atom nüvəsinin sərhədlərində elektrostatik (Kulon) itələmənin potensial enerjisi alfa hissəciyinin kinetik enerjisinə bərabər olmalıdır:
| = |
Məlum oldu ki, nüvənin diametri var:
D i = 10 -13 ...10 -12 sm = 10 -15 ...10 -14 m
Atomun özünün xətti diametri:
D a = 10 -8 sm = 10 -10 m
Atomun planet modeli
Çoxsaylı təcrübələri təhlil etdikdən sonra Ruterford 1911-ci ildə təklif etdi planetar atom modeli(atomun nüvə modeli).
Bu modelə görə, atomun mərkəzində atomun demək olar ki, bütün kütləsinin cəmləşdiyi müsbət yüklü nüvə yerləşir. Mənfi yüklü elektronlar nüvənin ətrafında fırlanır. Elektronlar, planetlərin Günəş ətrafında fırlanması kimi nisbətən uzun məsafələrdə nüvə ətrafında hərəkət edir. Bu elektronların toplanmasından əmələ gəlir elektron qabığı və ya elektron buludu.
Bütövlükdə atom neytraldır, ona görə də elektronların ümumi mənfi yükünün mütləq qiyməti nüvənin müsbət yükünə bərabərdir: nüvədəki protonların Z*e sayı nüvədəki elektronların sayına bərabərdir. elektron buludu və dövri sistemdə verilmiş kimyəvi elementin atomunun Z seriya nömrəsi (atom nömrəsi) ilə üst-üstə düşür D. I. Mendeleyev.
Məsələn, bir hidrogen atomunun Z = 1 atom nömrəsi var, buna görə də bir hidrogen atomu elektron yükünün mütləq dəyərinə bərabər yükü olan müsbət nüvədən ibarətdir. Bir elektron nüvənin ətrafında fırlanır. Hidrogen atomunun nüvəsinə proton deyilir. Litium atomunun atom nömrəsi Z = 3-ə malikdir, buna görə də litium atomunun nüvəsi ətrafında 3 elektron fırlanır.
Ernest Ruterford atomun daxili quruluşu haqqında fundamental təlimin banilərindən biridir. Alim İngiltərədə, Şotlandiyadan olan mühacir ailəsində anadan olub. Ruterford ailəsinin dördüncü övladı idi və ən istedadlı uşaq idi. O, atom quruluşu nəzəriyyəsinə xüsusi töhfə verməyə nail olmuşdur.
Atomun quruluşu haqqında ilkin fikirlər
Qeyd edək ki, Rezerfordun alfa hissəciklərinin səpilməsi ilə bağlı məşhur təcrübəsi aparılmazdan əvvəl atomun quruluşu ilə bağlı o dövrdə hakim fikir Tompson modeli idi. Bu alim əmin idi ki, müsbət yük atomun bütün həcmini bərabər şəkildə doldurur. Tompson inanırdı ki, mənfi yüklü elektronlar sanki onunla kəsişib.
Elmi inqilab üçün ilkin şərtlər
Məktəbi bitirdikdən sonra Ruterford ən istedadlı tələbə kimi əlavə təhsil üçün 50 funt sterlinq qrant aldı. Bunun sayəsində o, Yeni Zelandiyada kollecə gedə bildi. Sonra gənc alim Canterbury Universitetində imtahan verir və fizika və kimya fənlərini ciddi şəkildə öyrənməyə başlayır. 1891-ci ildə Ruterford "Elementlərin təkamülü" mövzusunda ilk çıxışını etdi. Tarixdə ilk dəfə olaraq atomların mürəkkəb quruluşlar olduğu fikrini ortaya qoydu.
O dövrdə Daltonun atomların bölünməz olması fikri elmi dairələrə hakim idi. Rutherford ətrafındakı hər kəsə onun fikri tamamilə dəli görünürdü. Gənc alim “cəfəngiyyatına” görə daim həmkarlarından üzr istəməli olub. Lakin 12 ildən sonra Ruterford yenə də haqlı olduğunu sübut edə bildi. Ruterford İngiltərədəki Kavendiş Laboratoriyasında tədqiqatlarını davam etdirmək şansı qazandı və burada havanın ionlaşması proseslərini öyrənməyə başladı. Ruterfordun ilk kəşfi alfa və beta şüaları idi.
Ruterfordun təcrübəsi
Kəşfi qısaca belə təsvir etmək olar: 1912-ci ildə Rezerford köməkçiləri ilə birlikdə özünün məşhur eksperimentini apardı - qurğuşun mənbəyindən alfa hissəcikləri buraxıldı. Qurğuşun tərəfindən udulmuş hissəciklər istisna olmaqla, bütün hissəciklər quraşdırılmış kanal boyunca hərəkət etdi. Onların dar axını nazik bir folqa təbəqəsinə düşdü. Bu xətt vərəqə perpendikulyar idi. Ruterfordun alfa hissəciklərinin səpilməsi üzərində apardığı təcrübə sübut etdi ki, folqa vərəqindən birbaşa keçən hissəciklər ekranda sözdə parıldamalara səbəb olur.
Bu ekran alfa hissəcikləri ona dəydikdə parıldamağa başlayan xüsusi bir maddə ilə örtülmüşdü. Qızıl folqa təbəqəsi ilə ekran arasındakı boşluq alfa hissəciklərinin havaya səpilməsinin qarşısını almaq üçün vakuumla doldurulmuşdur. Belə bir cihaz tədqiqatçılara təxminən 150° bucaq altında səpələnən hissəcikləri müşahidə etməyə imkan verdi.
Əgər folqa alfa hissəciklərinin şüası qarşısında maneə kimi istifadə olunmayıbsa, ekranda işıq şüalarının dairəsi əmələ gəlib. Lakin onların şüasının qarşısına qızıl folqa baryeri qoyulan kimi mənzərə xeyli dəyişdi. Fırıldaqlar təkcə bu dairədən kənarda deyil, həm də folqa qarşı tərəfində göründü. Ruterfordun alfa hissəciklərinin səpilməsi üzərində apardığı təcrübə göstərdi ki, əksər hissəciklər trayektoriyasında nəzərəçarpacaq dəyişikliklər olmadan folqadan keçdilər.
Bu vəziyyətdə bəzi hissəciklər kifayət qədər böyük bir açı ilə əyildi və hətta geri atıldı. Qızıl folqa təbəqəsindən sərbəst keçən hər 10.000 hissəcik üçün yalnız biri 10°-dən çox bucaqla əyilmişdi - istisna olaraq, hissəciklərdən biri belə bir açı ilə əyilmişdi.
Alfa hissəciklərinin əyilməsinin səbəbi
Ruterfordun təcrübəsinin təfərrüatlı şəkildə araşdırdığı və sübut etdiyi atomun quruluşudur. Bu vəziyyət atomun davamlı bir formalaşma olmadığını göstərirdi. Əksər hissəciklər bir atom qalınlığında olan folqadan sərbəst keçdi. Alfa hissəciyinin kütləsi bir elektronun kütləsindən demək olar ki, 8000 dəfə böyük olduğundan, sonuncu alfa hissəciyinin trayektoriyasına əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərə bilmədi. Bunu yalnız atom nüvəsi - atomun demək olar ki, bütün kütləsinə və bütün elektrik yüklərinə malik olan kiçik ölçülü bir cisim edə bilərdi. O dövrdə bu, ingilis fiziki üçün əhəmiyyətli bir irəliləyiş oldu. Rezerfordun təcrübəsi atomun daxili quruluşu elminin inkişafında ən mühüm addımlardan biri hesab olunur.
Atomun öyrənilməsi prosesində edilən digər kəşflər
Bu tədqiqatlar atomun müsbət yükünün onun nüvəsində yerləşdiyinə dair birbaşa dəlillər verdi. Bu sahə ümumi ölçüləri ilə müqayisədə çox kiçik bir yer tutur. Belə kiçik həcmdə alfa hissəciklərinin səpilməsi çox çətin olduğu ortaya çıxdı. Və atom nüvəsi bölgəsinin yaxınlığından keçən hissəciklər trayektoriyadan kəskin sapmalar yaşadılar, çünki alfa hissəciyi ilə atom nüvəsi arasında itələyici qüvvələr çox güclü idi. Ruterfordun alfa hissəciklərinin səpilməsi təcrübəsi alfa hissəciyinin birbaşa nüvəyə dəymə ehtimalını sübut etdi. Düzdür, ehtimal çox kiçik idi, amma yenə də sıfır deyil.
Bu, Ruterfordun təcrübəsinin sübut etdiyi yeganə fakt deyildi. Atomun strukturu onun həmkarları tərəfindən qısa müddət ərzində tədqiq edilmiş və bir sıra digər mühüm kəşflər etmişlər. Alfa hissəciklərinin sürətlə hərəkət edən helium nüvələri olduğu təlimi istisna olmaqla.
Alim nüvənin ümumi həcmin kiçik bir hissəsini tutduğu atomun quruluşunu təsvir edə bildi. Onun təcrübələri sübut etdi ki, atomun demək olar ki, bütün yükü onun nüvəsində cəmləşib. Bu zaman həm alfa hissəciklərinin əyilməsi, həm də onların nüvə ilə toqquşması halları baş verir.
Ruterfordun təcrübələri: atomun nüvə modeli
1911-ci ildə Rezerford çoxsaylı araşdırmalardan sonra planetar adlandırdığı atomun quruluş modelini təklif etdi. Bu modelə görə, atomun içərisində hissəciyin demək olar ki, bütün kütləsini ehtiva edən bir nüvə var. Elektronlar, planetlərin Günəş ətrafında necə hərəkət etdiyinə bənzər şəkildə nüvə ətrafında hərəkət edirlər. Onların birləşməsindən elektron buludu əmələ gəlir. Ruterfordun təcrübəsi göstərdiyi kimi atom neytral yükə malikdir.
Atomun quruluşu sonralar Niels Bor adlı bir alimin marağına səbəb oldu. Məhz o, Ruterfordun təlimini yekunlaşdırdı, çünki Bordan əvvəl atomun planetar modeli izahatda çətinliklərlə üzləşməyə başladı. Elektron nüvə ətrafında müəyyən orbitdə sürətlənmə ilə hərəkət etdiyi üçün gec-tez atomun nüvəsinə düşməlidir. Bununla belə, Niels Bor sübut edə bildi ki, atomun içərisində klassik mexanika qanunları artıq tətbiq olunmur.