Rutherfordove experimenty pri štúdiu rozptylu. Experiment s rozptylom častíc alfa. Ďalšie objavy uskutočnené v procese štúdia atómu

39. Pokus o rozptyle častíc alfa.

Prvý pokus o vytvorenie modelu atómu na základe nahromadených experimentálnych údajov (1903) patrí J. Thomsonovi. Domnieval sa, že atóm je elektricky neutrálny sférický systém s polomerom približne 10–10 m. Kladný náboj atómu je rovnomerne rozložený v celom objeme gule a v ňom sú umiestnené záporne nabité elektróny (obr. 6.1). .1). Na vysvetlenie čiarových emisných spektier atómov sa Thomson pokúsil určiť umiestnenie elektrónov v atóme a vypočítať frekvencie ich vibrácií okolo rovnovážnych polôh. Tieto pokusy však boli neúspešné. O niekoľko rokov neskôr sa pri pokusoch veľkého anglického fyzika E. Rutherforda dokázalo, že Thomsonov model bol nesprávny.

Obrázok 6.1.1.

J. Thomsonov model atómu

Prvé priame experimenty na štúdium vnútornej štruktúry atómov uskutočnili E. Rutherford a jeho spolupracovníci E. Marsden a H. Geiger v rokoch 1909–1911. Rutherford navrhol použiť atómové sondovanie pomocou α-častíc, ktoré vznikajú pri rádioaktívnom rozpade rádia a niektorých ďalších prvkov. Hmotnosť častíc alfa je približne 7300-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu a kladný náboj sa rovná dvojnásobku elementárneho náboja. Rutherford pri svojich experimentoch používal α-častice s kinetickou energiou asi 5 MeV (rýchlosť takýchto častíc je veľmi vysoká - asi 107 m/s, ale stále výrazne nižšia ako rýchlosť svetla). Častice α sú plne ionizované atómy hélia. Objavil ich Rutherford v roku 1899 pri štúdiu fenoménu rádioaktivity. Rutherford týmito časticami bombardoval atómy ťažkých prvkov (zlato, striebro, meď atď.). Elektróny, ktoré tvoria atómy, kvôli svojej nízkej hmotnosti nemôžu výrazne zmeniť trajektóriu častice α. Rozptyl, teda zmenu smeru pohybu α-častíc, môže spôsobiť len ťažká, kladne nabitá časť atómu. Schéma Rutherfordovho experimentu je na obr. 6.1.2.

Obrázok 6.1.2.

Schéma Rutherfordovho experimentu na rozptyle α-častíc. K – olovená nádoba s rádioaktívnou látkou, E – tienidlo potiahnuté sulfidom zinočnatým, F – zlatá fólia, M – mikroskop)

Z rádioaktívneho zdroja uzavretého v olovenej nádobe boli alfa častice nasmerované na tenkú kovovú fóliu. Rozptýlené častice dopadli na mriežku pokrytú vrstvou kryštálov sulfidu zinočnatého, ktoré sú schopné pri náraze rýchlo nabitými časticami žiariť. Scintilácie (záblesky) na obrazovke boli pozorované okom pomocou mikroskopu. Pozorovania rozptýlených častíc α v Rutherfordovom experimente by sa mohli vykonávať pod rôznymi uhlami φ k pôvodnému smeru lúča. Zistilo sa, že väčšina častíc α prechádza tenkou vrstvou kovu s malým alebo žiadnym vychýlením. Malá časť častíc je však vychýlená pod významnými uhlami presahujúcimi 30°. Veľmi zriedkavé alfa častice (asi jedna z desaťtisíc) boli vychýlené pod uhlom blízkym 180°.

Tento výsledok bol úplne nečakaný aj pre Rutherforda. Jeho predstavy boli v ostrom rozpore s Thomsonovým modelom atómu, podľa ktorého je kladný náboj rozložený v celom objeme atómu. Pri takejto distribúcii nemôže kladný náboj vytvoriť silné elektrické pole, ktoré môže hádzať častice α späť. Elektrické pole rovnomerne nabitej gule je maximálne na jej povrchu a s približovaním sa k stredu gule klesá k nule. Ak by sa polomer gule, v ktorej je sústredený všetok kladný náboj atómu, zmenšil n-krát, potom by sa maximálna odpudivá sila pôsobiaca na α-časticu podľa Coulombovho zákona zvýšila n2-krát. V dôsledku toho pri dostatočne veľkej hodnote n môžu častice alfa zaznamenať rozptyl vo veľkých uhloch až do 180°. Tieto úvahy viedli Rutherforda k záveru, že atóm je takmer prázdny a všetok jeho kladný náboj je sústredený v malom objeme. Rutherford nazval túto časť atómu atómovým jadrom. Takto vznikol jadrový model atómu. Ryža. 6.1.3 znázorňuje rozptyl α častice v Thomsonovom atóme a v Rutherfordovom atóme.

Ernest Rutherford je jedným zo zakladateľov základnej doktríny o vnútornej štruktúre atómu. Vedec sa narodil v Anglicku v rodine prisťahovalcov zo Škótska. Rutherford bol štvrtým dieťaťom v jeho rodine a ukázalo sa, že je najtalentovanejší. Podarilo sa mu špeciálne prispieť k teórii atómovej štruktúry.

Počiatočné predstavy o štruktúre atómu

Treba poznamenať, že predtým, ako sa uskutočnil Rutherfordov slávny experiment o rozptyle častíc alfa, dominantnou predstavou o štruktúre atómu bol v tom čase Thompsonov model. Tento vedec si bol istý, že kladný náboj rovnomerne vyplnil celý objem atómu. Thompson veril, že záporne nabité elektróny ním boli akoby rozptýlené.

Predpoklady vedeckej revolúcie

Po skončení školy dostal Rutherford ako najtalentovanejší študent grant 50 libier na ďalšie vzdelávanie. Vďaka tomu mohol ísť na vysokú školu na Nový Zéland. Potom mladý vedec zloží skúšky na univerzite v Canterbury a začne vážne študovať fyziku a chémiu. V roku 1891 mal Rutherford svoju prvú prednášku na tému „Vývoj prvkov“. Prvýkrát v histórii načrtla myšlienku, že atómy sú zložité štruktúry.

V tom čase dominovala vo vedeckých kruhoch Daltonova myšlienka, že atómy sú nedeliteľné. Všetkým okolo Rutherforda sa jeho nápad zdal úplne šialený. Mladý vedec sa musel neustále ospravedlňovať svojim kolegom za svoj „nezmysel“. Ale po 12 rokoch sa Rutherfordovi stále podarilo dokázať, že mal pravdu. Rutherford mal možnosť pokračovať vo svojom výskume v Cavendish Laboratory v Anglicku, kde začal študovať procesy ionizácie vzduchu. Prvým objavom Rutherforda boli lúče alfa a beta.

Rutherfordova skúsenosť

Objav možno stručne opísať takto: v roku 1912 Rutherford spolu so svojimi asistentmi uskutočnil svoj slávny experiment – častice alfa boli emitované z oloveného zdroja. Všetky častice, okrem tých, ktoré boli absorbované olovom, sa pohybovali pozdĺž inštalovaného kanála. Ich úzky prúd padal na tenkú vrstvu fólie. Táto čiara bola kolmá na list. Rutherfordov experiment s rozptylom častíc alfa dokázal, že častice, ktoré prešli priamo cez fóliu, spôsobili na obrazovke takzvané scintilácie.

Táto obrazovka bola potiahnutá špeciálnou látkou, ktorá začala žiariť, keď na ňu dopadli častice alfa. Priestor medzi vrstvou a sitom bol vyplnený vákuom, aby sa zabránilo rozptylu alfa častíc do vzduchu. Takéto zariadenie umožnilo výskumníkom pozorovať rozptyl častíc pod uhlom asi 150°.

Ak fólia nebola použitá ako prekážka pred lúčom alfa častíc, potom sa na obrazovke vytvoril svetelný kruh scintilácií. Ale akonáhle bola pred ich lúč umiestnená bariéra zo zlatej fólie, obraz sa veľmi zmenil. Záblesky sa objavili nielen mimo tohto kruhu, ale aj na opačnej strane fólie. Rutherfordov experiment s rozptylom alfa častíc ukázal, že väčšina častíc prešla fóliou bez viditeľných zmien ich trajektórie.

V tomto prípade boli niektoré častice vychýlené pod dosť veľkým uhlom a dokonca boli odhodené späť. Na každých 10 000 častíc voľne prechádzajúcich vrstvou zlatej fólie bola iba jedna vychýlená o uhol presahujúci 10° - výnimočne jedna z častíc bola o takýto uhol vychýlená.

Dôvod, prečo boli častice alfa vychýlené

To, čo Rutherfordov experiment podrobne preskúmal a dokázal, je štruktúra atómu. Táto situácia naznačovala, že atóm nie je súvislá formácia. Väčšina častíc voľne prešla cez fóliu s hrúbkou jedného atómu. A keďže hmotnosť častice alfa je takmer 8 000-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu, ten nemohol výrazne ovplyvniť dráhu častice alfa. To by mohlo urobiť iba atómové jadro - teleso malej veľkosti, ktoré má takmer všetku hmotnosť a všetok elektrický náboj atómu. V tom čase sa to stalo pre anglického fyzika významným prelomom. Rutherfordova skúsenosť sa považuje za jeden z najdôležitejších krokov vo vývoji vedy o vnútornej štruktúre atómu.

Ďalšie objavy uskutočnené v procese štúdia atómu

Tieto štúdie poskytli priamy dôkaz, že kladný náboj atómu sa nachádza vo vnútri jeho jadra. Táto plocha zaberá v porovnaní s jej celkovými rozmermi veľmi malý priestor. V tak malom objeme sa rozptyl alfa častíc ukázal ako veľmi nepravdepodobný. A tie častice, ktoré prešli blízko oblasti atómového jadra, zaznamenali prudké odchýlky od trajektórie, pretože odpudivé sily medzi časticami alfa a atómovým jadrom boli veľmi silné. Rutherfordov experiment s rozptylom alfa častíc dokázal pravdepodobnosť, že alfa častica zasiahne priamo jadro. Pravda, pravdepodobnosť bola veľmi malá, no stále nie nulová.

Toto nebola jediná skutočnosť, ktorú Rutherfordova skúsenosť dokázala. Štruktúru atómu krátko skúmali jeho kolegovia, ktorí urobili množstvo ďalších dôležitých objavov. Okrem učenia, že častice alfa sú rýchlo sa pohybujúce jadrá hélia.

Vedec dokázal opísať štruktúru atómu, v ktorom jadro zaberá malú časť celkového objemu. Jeho experimenty dokázali, že takmer celý náboj atómu je sústredený v jeho jadre. V tomto prípade nastávajú oba prípady vychýlenia častíc alfa, ako aj prípady ich kolízie s jadrom.

Rutherfordove experimenty: jadrový model atómu

V roku 1911 Rutherford po mnohých štúdiách navrhol, čo nazval planetárny. Podľa tohto modelu sa vo vnútri atómu nachádza jadro, ktoré obsahuje takmer celú hmotnosť častice. Elektróny sa pohybujú okolo jadra podobným spôsobom, ako sa pohybujú planéty okolo Slnka. Z ich kombinácie vzniká takzvaný elektrónový oblak. Atóm má neutrálny náboj, ako ukázal Rutherfordov experiment.

Štruktúra atómu sa neskôr stala predmetom záujmu vedca menom Niels Bohr. Bol to on, kto dokončil Rutherfordovo učenie, pretože pred Bohrom sa planetárny model atómu začal stretávať s ťažkosťami pri vysvetľovaní. Keďže sa elektrón pohybuje okolo jadra po určitej dráhe so zrýchlením, skôr či neskôr musí dopadnúť na jadro atómu. Niels Bohr však dokázal, že vo vnútri atómu už neplatia zákony klasickej mechaniky.

Rutherfordov experiment s rozptylom častíc alfa

Základom moderných predstáv o štruktúre atómu boli Rutherfordove experimenty o rozptyle častíc. - častice vznikajú v procese rádioaktívneho rozpadu, ich náboj je kladný a rovná sa dvojnásobku náboja elektrónu. Kinetická energia a rýchlosť častíc sú vysoké:

Pri Rutherfordových pokusoch dopadol úzky zväzok častíc vyžarovaných rádioaktívnou látkou P, vyžarovaný otvorom (obr. 39), na veľmi tenkú kovovú fóliu F. Na atómoch fólie dochádzalo k rozptylu častíc. Okolo fólie bolo umiestnené sito E vyrobené zo sulfidu zinočnatého. Keď častica narazila na túto clonu, vytvorila záblesk svetla - scintiláciu (preto sa takéto clony nazývajú scintilačné clony), ktorý bol zaznamenaný pomocou teleskopu M. Polohu clony a teleskopu bolo možné nastaviť v akomkoľvek uhle k smer šírenia lúča - častice. Tak bolo možné spočítať počet častíc šíriacich sa pod rôznymi uhlami.

Ryža. 39. Rutherfordov experiment

Ukázalo sa, že -častice môžu prechádzať fóliou v priamom smere alebo sa od nej úplne odrážať. Väčšina
- častice sa odchyľujú od priamej dráhy v uhloch nie väčších ako 1-2 stupne. Ale malá časť častíc sa odchýlila pod výrazne väčšími uhlami - takže jedna častica z 20 000 sa vracia späť ().

Na základe uvažovaných experimentálnych výsledkov navrhol Rutherford v roku 1911 vlastný jadrový (planetárny) model atómu. Podľa Rutherforda je v strede atómu kladne nabité jadro (+Ze) (polomer jadra ~ 10 -13 cm), okolo ktorých sa nachádzajú Z elektróny. Hmotnosť jadra je oveľa väčšia ako hmotnosť elektrónov.

Jadrový model atómu umožnil vysvetliť odchýlku častíc od priamočiarej trajektórie pozorovanej v Rutherfordovom experimente: Medzi kladne nabitými časticami a kladne nabitým jadrom vznikajú Coulombove odpudzujúce sily. .

Experimentálne potvrdenie jadrového modelu atómu navrhnutého Rutherfordom však nevyriešilo rozpory tohto modelu so zákonmi klasickej mechaniky a elektrodynamiky.

Protirečenie 1: keďže systém stacionárnych elektrických nábojov je nestabilný, Rutherford navrhol, že elektróny nie sú statické, ale pohybujú sa okolo jadra; čo znamená, že majú dostredivé zrýchlenie. Ale zároveň, podľa koncepcií klasickej fyziky, elektrón, ako každý zrýchlený pohybujúci sa náboj, musí nepretržite vyžarovať elektromagnetické vlny. Medzitým v normálnom stave atómy nevyžarujú.

Protirečenie 2: strata energie v procese vyžarovania elektromagnetických vĺn, elektrón musí nakoniec dopadnúť na jadro (odhadovaný čas pádu ~ 10 -8 s.). Podľa Rutherfordovho modelu je teda atóm nestabilným systémom, čo je v rozpore s realitou.

Protirečenie 3: podľa Rutherforda sú elektróny pohybujúce sa okolo jadra držané Coulombovými silami:

kde je jadrový náboj, m – hmotnosť elektrónu, – jeho rýchlosť, r - polomer obežnej dráhy. Od polomeru r nie sú stanovené žiadne obmedzenia; rýchlosť elektrónu, a teda aj jeho kinetická energia, môže byť ľubovoľná.

To znamená, že emisné spektrum atómu musí byť spojité. Skutočné atómové emisné spektrá však pozostávajú z jednotlivých čiar (ktoré sa spájajú do série čiar).

Tie. jadrový model atómu nedokázal vysvetliť ani stabilitu atómu, ani povahu atómového spektra. Východisko zo situácie našiel v roku 1913 Bohr, ktorý navrhol nový model atómu, ktorý zaviedol predpoklady, ktoré sú v rozpore s klasickými myšlienkami. Svoju teóriu založil na dvoch postulátoch.

Atómová štruktúra je komplexný. Potvrdzujú to objavy takých javov, ako je elektrón, röntgenové žiarenie a rádioaktivita. Výsledkom teoretického výskumu a početných experimentov bola a teória atómovej štruktúry. Zvlášť dôležitý príspevok k vytvoreniu teórie atómovej štruktúry urobil anglický fyzik Ernest Rutherford(1871 - 1937), ktorý uskutočnil experimenty na štúdium prechodu častíc alfa cez tenké kovové platne zo zlata a platiny.

Rutherford v roku 1906 navrhol sondovať atómy ťažkých prvkov alfa časticami s energiou 4,05 MeV, ktoré boli emitované jadrom uránu alebo rádia. Preto bolo navrhnuté študovať rozptyl (zmenu smeru pohybu) alfa častíc v hmote.

Hmotnosť častice alfa je približne 8000-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Kladný náboj sa svojou veľkosťou rovná dvojnásobku náboja elektrónu 2e. Rýchlosť alfa častice je 1/15 rýchlosti svetla alebo 2 * 10 7 m/s. Alfa častice je plne ionizovaný atóm hélia.

Zjednodušený diagram Rutherfordových experimentov je znázornený na obr. 1.1. Častice alfa boli emitované rádioaktívnym zdrojom 1 umiestneným vo vnútri oloveného valca 2 s úzkym kanálom 3. Úzky lúč alfa častíc z kanála dopadol na fóliu 4 vyrobenú zo skúmaného materiálu kolmo na povrch fólie. Z oloveného valca prechádzali častice alfa iba kanálom a zvyšok bol absorbovaný olovom. Alfa častice prechádzajúce cez fóliu a ňou rozptýlené dopadali na priesvitné sito 5, ktoré bolo potiahnuté luminiscenčnou látkou (síran zinočnatý). Táto látka bola schopná žiariť, keď ju zasiahla alfa častica. Zrážku každej častice s obrazovkou sprevádzal záblesk svetla. Tento blesk sa nazýva scintilácia(z latinského scintillation - iskrivý, krátkodobý záblesk svetla). Za clonou sa nachádzal mikroskop 6. Aby sa zabránilo dodatočnému rozptylu alfa častíc vo vzduchu, celé zariadenie bolo umiestnené v nádobe s dostatočným vákuom.

Ryža. 1.1. Zjednodušená schéma Rutherfordových experimentov.

Pri absencii fólie sa na obrazovke objavil svetlý kruh pozostávajúci zo scintilácií spôsobených tenkým lúčom alfa častíc. Keď sa však do dráhy častíc alfa umiestnila tenká zlatá fólia s hrúbkou približne 0,1 μm (mikrón), obraz pozorovaný na obrazovke sa výrazne zmenil: jednotlivé záblesky sa objavili nielen mimo predchádzajúceho kruhu, ale mohli byť dokonca pozorované z opačnej strany zlatej fólie.

Počítaním počtu scintilácií za jednotku času na rôznych miestach na obrazovke je možné určiť distribúciu rozptýlených častíc alfa v priestore. Počet alfa častíc rýchlo klesá s rastúcim uhlom rozptylu.

Obraz pozorovaný na obrazovke viedol k záveru, že väčšina častíc alfa prechádza zlatou fóliou bez výraznej zmeny smeru ich pohybu. Niektoré častice sa však vo veľkých uhloch odchýlili od pôvodného smeru častíc alfa (asi 135 o ... 150 o) a boli dokonca odhodené späť. Výskum ukázal, že keď alfa častice prejdú fóliou, na každých 10 000 padajúcich častíc sa iba jedna odchýli o uhol viac ako 10° od pôvodného smeru pohybu. Len ako vzácna výnimka sa jedna z obrovského množstva alfa častíc odchýli od pôvodného smeru.

Skutočnosť, že veľa častíc alfa prešlo fóliou bez toho, aby sa odchýlili od smeru ich pohybu, naznačuje, že atóm nie je pevnou entitou. Pretože hmotnosť častice alfa je takmer 8000-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu, elektróny, ktoré sú súčasťou atómov fólie, nemôžu výrazne zmeniť trajektóriu častíc alfa. Rozptyl alfa častíc môže spôsobiť kladne nabitá častica atómu – atómové jadro.

Atómové jadro- je to malé teleso, v ktorom je sústredená takmer všetka hmotnosť a takmer všetok kladný náboj atómu.

Čím bližšie sa alfa častica priblížila k jadru, tým väčšia bola sila elektrickej interakcie a tým väčší uhol bola častica vychýlená. V malých vzdialenostiach od jadra pozitívne nabitá alfa častica zažije značnú odpudivú silu F od jadra, ktorá je určená Coulombovým zákonom:

kde r je vzdialenosť od jadra k častici alfa; ε 0 – elektrická konštanta v jednotkách SI; p – počet protónov v jadre; e = 1,6*10-19 C – absolútna hodnota elementárneho elektrického náboja (elektrónového náboja); 2e – náboj alfa častice

Na obrázku 1.2 sú znázornené trajektórie častíc alfa letiacich v rôznych vzdialenostiach od jadra.

Rutherford dokázal zaviesť vzorec spájajúci počet alfa častíc rozptýlených v určitom uhle s energiou alfa častíc a protónov p v jadre atómu. Experimentálne overenie vzorca potvrdilo jeho platnosť a ukázalo, že počet protónov v jadre sa rovná počtu vnútroatómových elektrónov Z a je určený atómovým číslom chemického prvku (t. j. atómovým číslom prvok v periodickom systéme D.I. Mendelejeva):

p = Z

Ryža. 1.2. Trajektórie častíc alfa.

Spočítaním počtu častíc alfa rozptýlených v rôznych uhloch dokázal Rutherford odhadnúť lineárne rozmery jadra. Aby kladné jadro vrhlo alfa časticu späť, potenciálna energia elektrostatického (Coulombovho) odpudzovania na hraniciach atómového jadra sa musí rovnať kinetickej energii alfa častice:

Ukázalo sa, že jadro má priemer:

D i = 10 -13 ...10 -12 cm = 10 -15 ...10 -14 m

Lineárny priemer samotného atómu:

Da = 10-8 cm = 10-10 m

Planetárny model atómu

Po analýze mnohých experimentov Rutherford v roku 1911 navrhol planetárny atómový model(jadrový model atómu).

Podľa tohto modelu je v strede atómu kladne nabité jadro, v ktorom je sústredená takmer celá hmotnosť atómu. Záporne nabité elektróny obiehajú okolo jadra. Elektróny sa pohybujú okolo jadra na relatívne veľké vzdialenosti, podobne ako planéty obiehajú okolo Slnka. Zo zbierky týchto elektrónov vzniká elektrónový obal alebo elektrónový oblak.

Atóm ako celok je neutrálny, preto sa absolútna hodnota celkového záporného náboja elektrónov rovná kladnému náboju jadra: počet Z*e protónov v jadre sa rovná počtu elektrónov v jadre. elektrónový oblak a zhoduje sa s poradovým číslom (atómovým číslom) Z atómu daného chemického prvku v periodickej sústave D. I. Mendelejev.

Napríklad atóm vodíka má atómové číslo Z = 1, preto atóm vodíka pozostáva z kladného jadra s nábojom rovným absolútnej hodnote náboja elektrónu. Jeden elektrón obieha okolo jadra. Jadro atómu vodíka sa nazýva protón. Atóm lítia má atómové číslo Z = 3, preto okolo jadra atómu lítia rotujú 3 elektróny.

Počiatočné predstavy o štruktúre atómu

Predpoklady vedeckej revolúcie

Rutherfordova skúsenosť

Táto obrazovka bola potiahnutá špeciálnou látkou, ktorá začala žiariť, keď na ňu dopadli častice alfa. Priestor medzi vrstvou zlatej fólie a clonou bol vyplnený vákuom, aby sa zabránilo rozptýleniu alfa častíc do vzduchu. Takéto zariadenie umožnilo výskumníkom pozorovať rozptyl častíc pod uhlom asi 150°.

Dôvod, prečo boli častice alfa vychýlené

Ďalšie objavy uskutočnené v procese štúdia atómu

Rutherfordove experimenty: jadrový model atómu

V roku 1911 Rutherford po mnohých štúdiách navrhol model štruktúry atómu, ktorý nazval planetárny. Podľa tohto modelu sa vo vnútri atómu nachádza jadro, ktoré obsahuje takmer celú hmotnosť častice. Elektróny sa pohybujú okolo jadra podobným spôsobom, ako sa pohybujú planéty okolo Slnka. Z ich kombinácie vzniká takzvaný elektrónový oblak. Atóm má neutrálny náboj, ako ukázal Rutherfordov experiment.