ЭКСПЕРИМЕНТ РЕЗЕРФОРДА: ИСТОРИЯ, ОПИСАНИЕ И ВЫВОДЫ - НАУКА - 2026

Эксперимент Резерфорда , проведенные между 1908 и 1913 состоял бомбы тонкую золотую пленку .0004 мм толщиной, альфа - частицами и анализировать образец дисперсии указанных частиц , оставленных на люминесцентном экране.

Фактически, Резерфорд провел множество экспериментов, все больше и больше уточняя детали. После тщательного анализа результатов были сделаны два очень важных вывода:

-Положительный заряд атома сосредоточен в области, называемой ядром.

-Это атомное ядро ​​невероятно мало по сравнению с размером атома.

Рисунок 1. Эксперимент Резерфорда. Источник: Wikimedia Commons. Kurzon

Эрнест Резерфорд (1871-1937), физик из Новой Зеландии, интересовался радиоактивностью и природой материи. Радиоактивность была недавним явлением, когда Резерфорд начал свои эксперименты, она была открыта Анри Беккерелем в 1896 году.

В 1907 году Резерфорд переехал в Манчестерский университет в Англии, чтобы изучить структуру атома, используя эти альфа-частицы в качестве зондов, чтобы заглянуть внутрь такой крошечной структуры. Его сопровождали физики Ханс Гейгер и Эрнест Марсден.

Они надеялись увидеть, как альфа-частица, которая представляет собой дважды ионизированный атом гелия, будет взаимодействовать с одним атомом золота, чтобы гарантировать, что любое отклонение, которое она испытывает, было вызвано исключительно электрической силой.

Однако большая часть альфа-частиц прошла через золотую фольгу с небольшим отклонением.

Этот факт полностью согласуется с атомной моделью Томсона, однако, к удивлению исследователей, небольшой процент альфа-частиц испытывает довольно заметное отклонение.

И еще меньший процент частиц вернется, полностью отскочив назад. Чем были вызваны эти неожиданные результаты?

Описание и выводы эксперимента

Фактически, альфа-частицы, которые Резерфорд использовал в качестве зонда, являются ядрами гелия, и в то время было известно только, что эти частицы заряжены положительно. Сегодня известно, что альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов.

Альфа-частицы и бета-частицы были идентифицированы Резерфордом как два разных вида излучения урана. Альфа-частицы, намного более массивные, чем электрон, имеют положительный электрический заряд, а бета-частицы могут быть электронами или позитронами.

Рисунок 2. Подробная схема эксперимента Резерфорда, Гейгера и Марсдена. Источник: Р. Найт. Физика для ученых и инженерии: стратегический подход. Пирсон.

Упрощенная схема эксперимента представлена ​​на рисунке 2. Луч альфа-частиц исходит от радиоактивного источника. Гейгер и Марсден использовали радон в качестве источника излучения.

Свинцовые блоки использовались для направления излучения на золотую фольгу и предотвращения его попадания непосредственно на флуоресцентный экран. Свинец - это материал, поглощающий радиацию.

Впоследствии направленный таким образом луч падал на тонкую золотую фольгу, и большинство частиц продолжали свой путь к флуоресцентному экрану из сульфата цинка, где оставляли небольшой световой след. Гейгер отвечал за их подсчет по одному, хотя позже они разработали устройство, которое это делало.

Тот факт, что некоторые частицы претерпевали небольшое отклонение, не удивил Резерфорда, Гейгера и Марсдена. В конце концов, на атоме есть положительные и отрицательные заряды, которые воздействуют на альфа-частицы, но поскольку атом нейтрален, что они уже знали, отклонения должны были быть небольшими.

Неожиданность эксперимента заключается в том, что несколько положительных частиц отскочили почти прямо назад.

Выводы

Примерно 1 из 8000 альфа-частиц отклоняется на углы более 90 °. Немного, но достаточно, чтобы поставить под вопрос некоторые вещи.

Модной атомной моделью была модель пудинга с изюмом Томсона, бывшего профессора Резерфорда в Кавендишской лаборатории, но Резерфорд задался вопросом, верна ли идея атома без ядра и с электронами, встроенными в изюм.

Потому что оказывается, что эти большие отклонения альфа-частиц и тот факт, что некоторые из них могут вернуться, могут быть объяснены только в том случае, если у атома есть маленькое тяжелое положительное ядро. Резерфорд предположил, что только электрические силы притяжения и отталкивания, как указано в законе Кулона, несут ответственность за любое отклонение.

Когда некоторые из альфа-частиц приближаются непосредственно к этому ядру и поскольку электрическая сила изменяется в зависимости от обратного квадрата расстояния, они чувствуют отталкивание, которое вызывает их широкоугольное рассеяние или отклонение назад.

Безусловно, Гейгер и Марсден экспериментировали с бомбардировкой листов из разных металлов, не только из золота, хотя этот металл был наиболее подходящим из-за его пластичности, чтобы создать очень тонкие листы.

Получив аналогичные результаты, Резерфорд был убежден, что положительный заряд атома должен находиться в ядре, а не рассредоточиваться по его объему, как постулировал Томсон в своей модели.

С другой стороны, поскольку подавляющее большинство альфа-частиц проходило без отклонений, ядро ​​должно было быть очень и очень маленьким по сравнению с размером атома. Однако это ядро ​​должно было сосредоточить большую часть массы атома.

Влияния на модель атома

Результаты сильно удивили Резерфорда, который заявил на конференции в Кембридже: «… это как если вы стреляете 15-дюймовым пушечным ядром по листу папиросной бумаги, а снаряд отскакивает прямо к вам и попадает в вас».

Поскольку эти результаты не могли быть объяснены атомной моделью Томсона, Резерфорд предположил, что атом состоит из ядра, очень маленького, очень массивного и положительно заряженного. Электроны оставались на орбитах вокруг него, как миниатюрная солнечная система.

Рис. 3. Атомная модель Резерфорда слева и модель пудинга с изюмом Томсона справа. Источник: Wikimedia Commons. Изображение слева: Jcymc90

Это и есть ядерная модель атома, показанная на рисунке 3 слева. Поскольку электроны тоже очень и очень маленькие, оказывается, что атом - это почти все…. пустой! Таким образом, большинство альфа-частиц проходят сквозь лист практически без отклонений.

И аналогия с миниатюрной солнечной системой очень точна. Ядро атома играет роль Солнца, содержащего почти всю массу плюс положительный заряд. Электроны вращаются вокруг них, как планеты, и несут отрицательный заряд. Сборка электрически нейтральна.

Что касается распределения электронов в атоме, эксперимент Резерфорда ничего не показал. Вы могли подумать, что альфа-частицы будут взаимодействовать с ними, но масса электронов слишком мала, и они не могут значительно отклонять частицы.

Недостатки модели Резерфорда

Одной из проблем этой атомной модели было именно поведение электронов.

Если бы они не были статичными, а вращались бы вокруг ядра атома по круговой или эллиптической орбите, движимые электрическим притяжением, они в конечном итоге устремились бы к ядру.

Это связано с тем, что ускоренные электроны теряют энергию, и если это произойдет, произойдет коллапс атома и вещества.

К счастью, этого не происходит. Это своего рода динамическая устойчивость, предотвращающая обрушение. Следующей после модели Резерфорда атомной моделью была модель Бора, которая дала некоторые ответы на вопрос, почему не происходит атомного коллапса.

Протон и нейтрон

Резерфорд продолжал проводить эксперименты по рассеянию. Между 1917 и 1918 годами он и его помощник Уильям Кей предпочли бомбардировать газообразные атомы азота высокоэнергетическими альфа-частицами висмута-214.

Он снова был удивлен, когда обнаружил ядра водорода. Это уравнение реакции, первой из когда-либо осуществленных искусственной трансмутации ядер:

Ответ был: из того же азота. Резерфорд присвоил водороду атомный номер 1, потому что это самый простой элемент из всех: положительное ядро ​​и отрицательный электрон.

Резерфорд нашел фундаментальную частицу, которую он назвал протоном, от греческого слова «первый». Таким образом, протон является важной составной частью каждого атомного ядра.

Позже, примерно в 1920 году, Резерфорд предположил, что должна существовать нейтральная частица с массой, очень похожей на массу протона. Он назвал эту частицу нейтроном, и она входит в состав почти всех известных атомов. Физик Джеймс Чедвик наконец идентифицировал его в 1932 году.

Как выглядит масштабная модель атома водорода?

Атом водорода, как мы уже сказали, самый простой из всех. Однако разработать модель этого атома было непросто.

Последовательные открытия породили квантовую физику и целую теорию, описывающую явления в атомном масштабе. В ходе этого процесса развивалась и атомная модель. Но давайте посмотрим на вопрос о размерах:

У атома водорода есть ядро, состоящее из одного протона (положительное) и одного электрона (отрицательное).

Радиус атома водорода оценивается в 2,1 x 10 ^-10 м, а радиус протона - 0,85 x 10 ^-15 м или 0,85 фемтометра. Название этого небольшого подразделения принадлежит Энрико Ферми, и оно часто используется при работе в таком масштабе.

Ну, отношение радиуса атома к радиусу ядра составляет порядка 10 ⁵ м, то есть атом в 100 000 раз больше ядра!

Однако необходимо иметь в виду, что в современной модели, основанной на квантовой механике, электрон окружает ядро ​​своего рода облаком, называемым орбиталью (орбиталь - это не орбита), а электрон в атомном масштабе не является пунктуальны.

Если бы атом водорода увеличили - в воображении - до размеров футбольного поля, то ядро, состоящее из положительного протона, было бы размером с муравья в центре поля, а отрицательный электрон - как своего рода призрак, разбросаны по полю и окружают положительное ядро.

Атомная модель сегодня

Эта модель атома «планетарного типа» очень укоренилась и представляет собой образ атома у большинства людей, поскольку его очень легко визуализировать. Однако сегодня в научной сфере это не принятая модель.

Современные атомные модели основаны на квантовой механике. Она указывает, что электрон в атоме не является отрицательно заряженной точкой, которая следует по точным орбитам, как предполагал Резерфорд.

Скорее электрон рассеивается в областях вокруг положительного ядра, называемых атомными орбиталями. От него мы можем узнать вероятность оказаться в том или ином состоянии.

Несмотря на это, модель Резерфорда представляет собой огромный шаг вперед в познании внутренней структуры атома. И это открыло дорогу большему количеству исследователей, которые продолжили его совершенствовать.

Ссылки

1. Андриссен, М. 2001. Курс HSC. Физика 2. Jacaranda HSC Science.
2. Арфкен, Г. 1984. Университетская физика. Академическая пресса.
3. Найт, р. 2017. Физика для ученых и инженерии: стратегический подход. Пирсон.
4. Физика OpenLab. Эксперимент Резерфорда-Гейгера-Марсдена. Получено с: Physicsopenlab.org.
5. Рекс, А. 2011. Основы физики. Пирсон.
6. Тайсон, Т. 2013. Эксперимент по рассеянию Резерфорда. Получено с: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Эксперименты Резерфорда. Получено с: xaktly.com.
8. Wikipedia. Эксперимент Резерфорда. Получено с: es.wikipedia.org.