Rutherfordovi poskusi pri preučevanju sipanja. Eksperiment sipanja delcev alfa. Druga odkritja v procesu preučevanja atoma

39. Poskus sipanja delcev alfa.

Prvi poskus ustvarjanja modela atoma na podlagi zbranih eksperimentalnih podatkov (1903) pripada J. Thomsonu. Verjel je, da je atom električno nevtralen sferični sistem s polmerom približno 10–10 m. Pozitivni naboj atoma je enakomerno porazdeljen po celotni prostornini krogle, v njej pa se nahajajo negativno nabiti elektroni (slika 6.1). .1). Da bi razložil črtaste emisijske spektre atomov, je Thomson poskušal določiti lokacijo elektronov v atomu in izračunati frekvence njihovih vibracij okoli ravnotežnih položajev. Vendar so bili ti poskusi neuspešni. Nekaj let kasneje je bilo v poskusih velikega angleškega fizika E. Rutherforda dokazano, da Thomsonov model ni pravilen.

Slika 6.1.1.

J. Thomsonov model atoma

Prve neposredne poskuse za preučevanje notranje zgradbe atomov so izvedli E. Rutherford in njegova sodelavca E. Marsden in H. Geiger v letih 1909–1911. Rutherford je predlagal uporabo atomskega sondiranja z uporabo α-delcev, ki nastanejo med radioaktivnim razpadom radija in nekaterih drugih elementov. Masa alfa delcev je približno 7300-krat večja od mase elektrona, pozitivni naboj pa je enak dvakratniku elementarnega naboja. Rutherford je v svojih poskusih uporabljal α-delce s kinetično energijo okoli 5 MeV (hitrost takšnih delcev je zelo velika – okoli 107 m/s, a še vedno bistveno manjša od svetlobne). delci α so popolnoma ionizirani atomi helija. Odkril jih je Rutherford leta 1899 med preučevanjem pojava radioaktivnosti. Rutherford je s temi delci obstreljeval atome težkih elementov (zlato, srebro, baker itd.). Elektroni, ki sestavljajo atome, zaradi svoje majhne mase ne morejo opazno spremeniti trajektorije α delca. Sipanje, torej spremembo smeri gibanja α-delcev, lahko povzroči le težki, pozitivno nabiti del atoma. Diagram Rutherfordovega poskusa je prikazan na sl. 6.1.2.

Slika 6.1.2.

Shema Rutherfordovega poskusa sipanja delcev α. K – svinčena posoda z radioaktivno snovjo, E – zaslon prevlečen s cinkovim sulfidom, F – zlata folija, M – mikroskop)

Iz radioaktivnega vira, zaprtega v svinčeni posodi, so delce alfa usmerili na tanko kovinsko folijo. Razpršeni delci so padli na zaslon, prekrit s plastjo kristalov cinkovega sulfida, ki lahko žarijo, ko jih zadenejo hitro nabiti delci. Scintilacije (bliske) na zaslonu smo opazovali z očmi s pomočjo mikroskopa. Opazovanje razpršenih delcev α v Rutherfordovem poskusu je bilo mogoče izvajati pod različnimi koti φ glede na prvotno smer žarka. Ugotovljeno je bilo, da večina delcev α prehaja skozi tanko plast kovine z majhnim odklonom ali brez njega. Vendar se majhen del delcev odkloni pod znatnimi koti, ki presegajo 30°. Zelo redki delci alfa (približno eden od deset tisoč) so bili odklonjeni pod kotom blizu 180°.

Ta rezultat je bil popolnoma nepričakovan tudi za Rutherforda. Njegove ideje so bile v ostrem nasprotju s Thomsonovim modelom atoma, po katerem je pozitivni naboj razporejen po celotni prostornini atoma. Pri takšni porazdelitvi pozitivni naboj ne more ustvariti močnega električnega polja, ki bi lahko vrglo delce α nazaj. Električno polje enakomerno nabite krogle je največje na njeni površini in se zmanjša na nič, ko se približuje središču krogle. Če bi se polmer kroglice, v kateri je skoncentriran ves pozitivni naboj atoma, zmanjšal za n-krat, bi se največja odbojna sila, ki deluje na α-delec, po Coulombovem zakonu povečala za n2-krat. Posledično bi lahko pri dovolj veliki vrednosti n delci alfa doživeli sipanje pod velikimi koti do 180°. Ta razmišljanja so pripeljala Rutherforda do zaključka, da je atom skoraj prazen in da je ves njegov pozitivni naboj koncentriran v majhnem volumnu. Rutherford je ta del atoma imenoval atomsko jedro. Tako je nastal jedrski model atoma. riž. 6.1.3 ponazarja sipanje delca α v Thomsonovem in Rutherfordovem atomu.

Ernest Rutherford je eden od utemeljiteljev temeljne doktrine o notranji strukturi atoma. Znanstvenik se je rodil v Angliji, v družini priseljencev iz Škotske. Rutherford je bil četrti otrok v njegovi družini in se je izkazal za najbolj nadarjenega. Uspelo mu je dati poseben prispevek k teoriji strukture atoma.

Začetne predstave o zgradbi atoma

Opozoriti je treba, da je bil pred Rutherfordovim slavnim eksperimentom o sipanju delcev alfa prevladujoča ideja o strukturi atoma Thompsonov model. Ta znanstvenik je bil prepričan, da pozitivni naboj enakomerno napolni celotno prostornino atoma. Negativno nabiti elektroni, je verjel Thompson, so bili kot prepleteni z njim.

Predpogoji za znanstveno revolucijo

Po končani šoli je Rutherford kot najbolj nadarjen študent prejel štipendijo v višini 50 funtov za nadaljnje izobraževanje. Zahvaljujoč temu je lahko šel na kolidž na Novi Zelandiji. Nato mladi znanstvenik opravi izpite na univerzi v Canterburyju in začne resno študirati fiziko in kemijo. Leta 1891 je imel Rutherford svoj prvi govor o "Razvoju elementov". Prvič v zgodovini je orisal idejo, da so atomi kompleksne strukture.

Takrat je v znanstvenih krogih prevladovala Daltonova ideja, da so atomi nedeljivi. Vsem okoli Rutherforda se je njegova ideja zdela popolnoma nora. Mladi znanstvenik se je moral nenehno opravičevati kolegom za svoje "neumnosti". Toda po 12 letih je Rutherfordu vseeno uspelo dokazati, da je imel prav. Rutherford je imel priložnost nadaljevati svoje raziskave v laboratoriju Cavendish v Angliji, kjer je začel proučevati procese ionizacije zraka. Rutherfordovo prvo odkritje so bili žarki alfa in beta.

Rutherfordova izkušnja

Odkritje lahko na kratko opišemo takole: leta 1912 je Rutherford skupaj s svojimi pomočniki izvedel svoj slavni eksperiment - delci alfa so bili oddani iz svinčenega vira. Vsi delci, razen tistih, ki jih je absorbiral svinec, so se premikali po vgrajenem kanalu. Njihov ozek tok je padel na tanko plast folije. Ta črta je bila pravokotna na list. Rutherfordov eksperiment o sipanju delcev alfa je dokazal, da so tisti delci, ki so šli naravnost skozi list folije, povzročili tako imenovane scintilacije na zaslonu.

Ta zaslon je bil prevlečen s posebno snovjo, ki se je začela svetiti, ko so vanj zadeli delci alfa. Prostor med plastjo in zaslonom je bil napolnjen z vakuumom, da se alfa delci ne bi razpršili v zrak. Takšna naprava je raziskovalcem omogočila opazovanje sipanja delcev pod kotom približno 150°.

Če folija ni bila uporabljena kot ovira pred snopom delcev alfa, se je na zaslonu oblikoval svetlobni krog scintilacij. A takoj, ko so pred njihov žarek postavili pregrado iz zlate folije, se je slika močno spremenila. Bliski so se pojavljali ne samo zunaj tega kroga, ampak tudi na nasprotni strani folije. Rutherfordov poskus sipanja delcev alfa je pokazal, da je večina delcev prešla skozi folijo brez opaznih sprememb v njihovi poti.

V tem primeru so bili nekateri delci odklonjeni pod precej velikim kotom in so bili celo vrženi nazaj. Na vsakih 10.000 delcev, ki prosto prehajajo skozi plast zlate folije, je bil le eden odklonjen za kot, večji od 10° – izjemoma se je za takšen kot odklonil eden od delcev.

Razlog, zakaj so se delci alfa odbili

Tisto, kar je Rutherfordov poskus podrobno raziskal in dokazal, je struktura atoma. Ta situacija je pokazala, da atom ni neprekinjena tvorba. Večina delcev je prosto prešla skozi folijo debeline enega atoma. In ker je masa alfa delca skoraj 8000-krat večja od mase elektrona, slednji ni mogel bistveno vplivati na trajektorijo alfa delca. To bi lahko naredilo le atomsko jedro - telo majhne velikosti, ki ima skoraj vso maso in ves električni naboj atoma. Takrat je to postal pomemben preboj za angleškega fizika. Rutherfordova izkušnja velja za enega najpomembnejših korakov v razvoju znanosti o notranji strukturi atoma.

Druga odkritja v procesu preučevanja atoma

Te študije so zagotovile neposredne dokaze, da se pozitivni naboj atoma nahaja znotraj njegovega jedra. To območje zavzema zelo malo prostora v primerjavi s celotnimi dimenzijami. V tako majhnem volumnu se je izkazalo, da je sipanje alfa delcev zelo malo verjetno. In tisti delci, ki so šli blizu območja atomskega jedra, so doživeli močna odstopanja od poti, ker so bile odbojne sile med alfa delcem in atomskim jedrom zelo močne. Rutherfordov poskus sipanja delcev alfa je dokazal verjetnost, da delci alfa zadenejo neposredno jedro. Resda je bila verjetnost zelo majhna, a vseeno ne ničelna.

To ni bilo edino dejstvo, ki ga je dokazala Rutherfordova izkušnja. Strukturo atoma so na kratko preučevali njegovi sodelavci, ki so prišli do številnih drugih pomembnih odkritij. Razen učenja, da so delci alfa hitro premikajoča se jedra helija.

Znanstveniku je uspelo opisati strukturo atoma, v katerem jedro zavzema majhen del celotne prostornine. Njegovi poskusi so dokazali, da je skoraj ves naboj atoma skoncentriran v njegovem jedru. V tem primeru pride do primerov odklona alfa delcev in primerov njihovega trka z jedrom.

Rutherfordovi poskusi: jedrski model atoma

Leta 1911 je Rutherford po številnih študijah predlagal, da ga je poimenoval planetarni. Po tem modelu je znotraj atoma jedro, ki vsebuje skoraj celotno maso delca. Elektroni se gibljejo okoli jedra na podoben način, kot se planeti gibljejo okoli Sonca. Iz njihove kombinacije nastane tako imenovani elektronski oblak. Atom ima nevtralen naboj, kot je pokazal Rutherfordov poskus.

Struktura atoma je kasneje postala zanimiva za znanstvenika po imenu Niels Bohr. On je bil tisti, ki je dokončal Rutherfordov nauk, kajti pred Bohrom je planetarni model atoma začel naleteti na težave pri razlagi. Ker se elektron giblje okoli jedra po določeni orbiti s pospeškom, mora prej ali slej pasti na jedro atoma. Vendar je Niels Bohr uspel dokazati, da znotraj atoma zakoni klasične mehanike ne veljajo več.

Rutherfordov poskus sipanja delcev alfa

Osnova sodobnih predstav o strukturi atoma so bili Rutherfordovi poskusi o sipanju delcev. - delci nastanejo v procesu radioaktivnega razpada, njihov naboj je pozitiven in enak dvakratnemu naboju elektrona. Kinetična energija in hitrost delcev sta visoki:

V Rutherfordovih poskusih je ozek žarek delcev, ki jih je sevala radioaktivna snov P, ki jo je sevala luknja (slika 39), padel na zelo tanko kovinsko folijo F. Na atomih folije je prišlo do sipanja delcev. Okoli folije je bil nameščen zaslon E iz cinkovega sulfida. Ko je delec zadel ta zaslon, je povzročil svetlobni blisk – scintilacijo (zato se takšni zasloni imenujejo scintilacijski zasloni), ki je bil posnet s teleskopom M. Položaj zaslona in teleskopa je bilo mogoče nastaviti pod poljubnim kotom glede na zaslon. smer širjenja žarka – delcev. Tako je bilo mogoče prešteti število delcev, ki se širijo pod različnimi koti.

riž. 39. Rutherfordov poskus

Izkazalo se je, da -delci lahko prehajajo skozi folijo v ravni črti ali pa se od nje popolnoma odbijejo. Večina
- delci odstopajo od ravne poti pod kotom, ki ni večji od 1-2 stopinj. Toda majhen delež delcev je odstopal pod znatno večjimi koti - tako se en delec od 20.000 vrne nazaj ().

Na podlagi obravnavanih eksperimentalnih rezultatov je leta 1911 Rutherford predlagal lasten jedrski (planetarni) model atoma. Po Rutherfordu je v središču atoma pozitivno nabito (+Ze) jedro (polmer jedra ~ 10 -13 cm), okoli katerih se nahajajo Z elektroni. Masa jedra je veliko večja od mase elektronov.

Jedrski model atoma je omogočil razlago odstopanja delcev od premočrtne trajektorije, opažene v Rutherfordovem poskusu: med pozitivno nabitimi delci in pozitivno nabitim jedrom nastanejo Coulombove odbojne sile .

Eksperimentalna potrditev jedrskega modela atoma, ki ga je predlagal Rutherford, pa ni razrešila protislovij tega modela z zakoni klasične mehanike in elektrodinamike.

Protislovje 1: ker je sistem stacionarnih električnih nabojev nestabilen, je Rutherford predlagal, da elektroni niso statični, ampak se gibljejo okoli jedra; kar pomeni, da imajo centripetalni pospešek. Toda hkrati mora elektron, tako kot vsak pospešeno gibajoči se naboj, v skladu s koncepti klasične fizike nenehno oddajati elektromagnetne valove. Medtem pa v normalnem stanju atomi ne oddajajo.

Protislovje 2: izguba energije v procesu oddajanja elektromagnetnih valov mora elektron na koncu pasti na jedro (ocenjeni čas padca ~ 10 -8 s.). Posledično je po Rutherfordovem modelu atom nestabilen sistem, kar je v nasprotju z realnostjo.

Protislovje 3: po Rutherfordu elektrone, ki se gibljejo okoli jedra, zadržujejo Coulombove sile:

kje je jedrski naboj, m – masa elektrona, – njegova hitrost, r – polmer orbite. Ker je polmer r ni nobenih omejitev; hitrost elektrona in s tem njegova kinetična energija sta lahko karkoli.

To pomeni, da mora biti emisijski spekter atoma zvezen. Vendar pa so resnični atomski emisijski spektri sestavljeni iz posameznih črt (ki se združijo v niz črt).

Tisti. jedrski model atoma ni mogel razložiti niti stabilnosti atoma niti narave atomskega spektra. Izhod iz situacije je leta 1913 našel Bohr, ki je predlagal nov model atoma in uvedel predpostavke, ki so v nasprotju s klasičnimi idejami. Svojo teorijo je zasnoval na dveh postulatih.

Atomska zgradba je zapleteno. To potrjujejo odkritja pojavov, kot so elektroni, rentgenski žarki in radioaktivnost. Kot rezultat teoretičnih raziskav in številnih eksperimentov je a teorija zgradbe atoma. Posebej pomemben prispevek k oblikovanju teorije zgradbe atoma je dal angleški fizik Ernest Rutherford(1871 - 1937), ki je izvajal poskuse za preučevanje prehoda alfa delcev skozi tanke kovinske plošče iz zlata in platine.

Rutherford je leta 1906 predlagal sondiranje atomov težkih elementov z alfa delci z energijo 4,05 MeV, ki jih oddaja jedro urana ali radija. Tako je bilo predlagano preučevanje sipanja (sprememba smeri gibanja) alfa delcev v snovi.

Masa alfa delca je približno 8000-krat večja od mase elektrona. Pozitivni naboj je po velikosti enak dvakratnemu naboju elektrona 2e. Hitrost alfa delca je 1/15 svetlobne hitrosti ali 2 * 10 7 m/s. Alfa delec je popolnoma ioniziran atom helija.

Poenostavljen diagram Rutherfordovih poskusov je prikazan na sl. 1.1. Delce alfa je oddajal radioaktivni vir 1, nameščen v svinčenem valju 2 z ozkim kanalom 3. Ozek snop delcev alfa iz kanala je padel na folijo 4 iz proučevanega materiala, pravokotno na površino folije. Iz svinčenega valja so alfa delci šli le skozi kanal, ostale pa je svinec absorbiral. Delci alfa, ki so prehajali skozi folijo in jih razpršili, so padli na prosojni zaslon 5, ki je bil prevlečen z luminiscenčno snovjo (cinkov sulfat). Ta snov je bila sposobna zažareti, ko je vanjo zadel delec alfa. Trk vsakega delca z zaslonom je spremljal blisk svetlobe. Ta blisk se imenuje scintilacija(iz latinske scintilacije - penečega, kratkotrajnega bliska svetlobe). Za zaslonom je bil mikroskop 6. Da bi preprečili dodatno sipanje alfa delcev v zraku, smo celotno napravo postavili v posodo z zadostnim vakuumom.

riž. 1.1. Poenostavljena shema Rutherfordovih poskusov.

V odsotnosti folije se je na zaslonu pojavil svetel krog, sestavljen iz scintilacij, ki jih povzroča tanek snop delcev alfa. Ko pa je bila na pot delcev alfa postavljena tanka zlata folija debeline približno 0,1 μm (mikrona), se je slika na zaslonu močno spremenila: posamezni bliski so se pojavili ne le izven prejšnjega kroga, ampak so lahko celo opazovano z nasprotne strani zlate folije.

S štetjem števila scintilacij na časovno enoto na različnih mestih na zaslonu je mogoče ugotoviti porazdelitev razpršenih alfa delcev v prostoru. Število delcev alfa se z večanjem kota sipanja hitro zmanjšuje.

Slika, opazovana na zaslonu, je vodila do zaključka, da večina alfa delcev preide skozi zlato folijo brez opazne spremembe smeri njihovega gibanja. Nekateri delci pa so pod velikimi koti odstopali od prvotne smeri delcev alfa (približno 135 o ... 150 o) in so bili celo vrženi nazaj. Raziskave so pokazale, da pri prehodu alfa delcev skozi folijo na vsakih 10.000 padajočih delcev le eden odstopa za več kot 10° od prvotne smeri gibanja. Le kot redka izjema se zgodi, da eden izmed ogromnega števila alfa delcev zaide iz svoje prvotne smeri.

Dejstvo, da je veliko delcev alfa šlo skozi folijo, ne da bi se oddaljili od svoje smeri gibanja, nakazuje, da atom ni trdna entiteta. Ker je masa delca alfa skoraj 8000-krat večja od mase elektrona, elektroni, ki so del atomov folije, ne morejo opazno spremeniti poti alfa delcev. Sipanje alfa delcev lahko povzroči pozitivno nabit delec atoma – atomsko jedro.

Atomsko jedro- to je majhno telo, v katerem je koncentrirana skoraj vsa masa in skoraj ves pozitivni naboj atoma.

Bolj ko se alfa delec približuje jedru, večja je sila električne interakcije in za večji kot je bil delec odklonjen. Na majhnih razdaljah od jedra pozitivno nabit delec alfa doživi znatno odbojno silo F od jedra, ki jo določa Coulombov zakon:

kjer je r razdalja od jedra do alfa delca; ε 0 – električna konstanta v enotah SI; p – število protonov v jedru; e = 1,6*10-19 C – absolutna vrednost osnovnega električnega naboja (naboj elektrona); 2e – naboj delcev alfa

Slika 1.2 prikazuje trajektorije alfa delcev, ki letijo na različnih razdaljah od jedra.

Rutherfordu je uspelo uvesti formulo, ki povezuje število delcev alfa, razpršenih pod določenim kotom, z energijo delcev alfa in protonov p v jedru atoma. Eksperimentalno preverjanje formule je potrdilo njeno veljavnost in pokazalo, da je število protonov v jedru enako številu znotrajatomskih elektronov Z in je določeno z atomskim številom kemijskega elementa (to je atomsko število element v periodnem sistemu D. I. Mendelejeva):

p = Z

riž. 1.2. Pot delcev alfa.

S štetjem števila alfa delcev, razpršenih pod različnimi koti, je Rutherford lahko ocenil linearne dimenzije jedra. Da bi pozitivno jedro vrglo delec alfa nazaj, mora biti potencialna energija elektrostatičnega (Coulombovega) odboja na mejah atomskega jedra enaka kinetični energiji delca alfa:

Izkazalo se je, da ima jedro premer:

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

Linearni premer samega atoma:

D a = 10 -8 cm = 10 -10 m

Planetarni model atoma

Po analizi številnih poskusov je Rutherford leta 1911 predlagal planetarni atomski model(jedrski model atoma).

Po tem modelu je v središču atoma pozitivno nabito jedro, v katerem je skoncentrirana skoraj vsa masa atoma. Negativno nabiti elektroni krožijo okoli jedra. Elektroni se gibljejo okoli jedra na relativno dolgih razdaljah, podobno kot planeti krožijo okoli sonca. Iz zbirke teh elektronov nastane elektronska lupina oz elektronski oblak.

Atom kot celota je nevtralen, zato je absolutna vrednost celotnega negativnega naboja elektronov enaka pozitivnemu naboju jedra: število Z*e protonov v jedru je enako številu elektronov v jedru. elektronski oblak in sovpada z zaporedno številko (atomsko številko) Z atoma danega kemijskega elementa v periodnem sistemu D. I. Mendelejeva.

Na primer, atom vodika ima atomsko število Z = 1, zato je atom vodika sestavljen iz pozitivnega jedra z nabojem, ki je enak absolutni vrednosti naboja elektrona. En elektron kroži okoli jedra. Jedro vodikovega atoma imenujemo proton. Litijev atom ima atomsko število Z = 3, zato se okoli jedra litijevega atoma vrtijo 3 elektroni.

Začetne predstave o zgradbi atoma

Predpogoji za znanstveno revolucijo

Rutherfordova izkušnja

Ta zaslon je bil prevlečen s posebno snovjo, ki se je začela svetiti, ko so vanj zadeli delci alfa. Prostor med plastjo zlate folije in zaslonom je bil napolnjen z vakuumom, da se alfa delci ne bi razpršili v zrak. Takšna naprava je raziskovalcem omogočila opazovanje sipanja delcev pod kotom približno 150°.

Razlog, zakaj so se delci alfa odbili

Druga odkritja v procesu preučevanja atoma

Rutherfordovi poskusi: jedrski model atoma

Leta 1911 je Rutherford po številnih študijah predlagal model strukture atoma, ki ga je imenoval planetarni. Po tem modelu je znotraj atoma jedro, ki vsebuje skoraj celotno maso delca. Elektroni se gibljejo okoli jedra na podoben način, kot se planeti gibljejo okoli Sonca. Iz njihove kombinacije nastane tako imenovani elektronski oblak. Atom ima nevtralen naboj, kot je pokazal Rutherfordov poskus.