Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных (1903 г.) принадлежит Дж. Томсону. Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 6.1.1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.
Рисунок 6.1.1.
Модель атома Дж. Томсона
Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рис. 6.1.2.
Рисунок 6.1.2.
Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп
От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.
Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Его представления находилbcm в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n 2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 6.1.3 иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.
Классические опыты по изучению строения атома были проведены сэром Эрне́стом Ре́зерфордом в 1911 г. Резерфорд ставил опыты по исследованию рассеяния альфа-частиц тонкими листочками металлической фольги. Воздействие на атомы осуществлялось путем бомбардировки их пучком массивных частиц. Схема опыта приведена на рис. 1.
Тонкая золотая фольга Ф (толщина фольги составляла величину порядка 10 -7 м, на ней размещалось около 400 атомов) помещалась внутри сферического экрана Э. Через отверстие в экране на пластину перпендикулярно падал пучок быстрых альфа-частиц, испускаемых радиоактивным препаратом, содержащимся в свинцовом контейнере Р. Альфа-частицы – это полностью ионизированный атом гелия с массой, равной 4,0015 а.е.м. и зарядом, равным + 2е
(е – величина элементарного электрического заряда). Скорость альфа-частицы составляла величину порядка 10 7 м/c, энергия 4,05 Мэв. При малой толщине фольги столкновения альфа-частиц является практически однократным, т.е. каждая частица сталкивается только с одним атомом, изменяя при этом направление своего полёта.
Внутренние стенки экрана были покрыты люминофором – веществом, в котором возникали вспышки в месте попадания альфа-частиц. Это позволяло регистрировать альфа-частицы устройством М, рассеиваемые атомами на различные углы θ от первоначального направления. Опыты по рассеянию альфа-частиц позволили установить следующие закономерности.
1. Подавляющее большинство альфа-частиц проходит сквозь фольгу практически свободно: они не отклоняются и не теряют энергию.
2. Лишь небольшая доля частиц (≈ 0,01 %, то есть одна десятитысячная) поворачивала назад, то есть изменяла направление движения на угол, больше 90 градусов.
Результаты опытов Резерфорда можно объяснить, исходя из предположения о том, что весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в небольшой области атома – ядре, размеры которого порядка 10 -14 м. Отрицательно заряженные электроны движутся вокруг ядра в огромной (по сравнению с ядром) области, размеры которой порядка 10 -10 м.
Это предположение лежит в основе ядерной модели атома , которую также называют планетарной. Число электронов в атоме равно атомному номеру элемента в периодической системе Менделеева. Кроме того, было показано, что силы, связывающие электроны с ядром, подчинены закону Кулона.
Однако ядерная модель противоречит законам классической электродинамики. На самом деле, если электрон в атоме покоится, он должен упасть на ядро под действием кулоновской силы притяжения. Если электрон вращается вокруг ядра, он должен излучать электромагнитное поле. При этом он теряет свою энергию на излучение, скорость движения уменьшается, и электрон, в конце концов, должен упасть на ядро. Спектры излучения атомов в этом случае должны быть непрерывными, а время жизни атома не должно превышать 10 -7 с. На самом деле атомы стабильны, а спектры излучения атомов дискретны.
Урок физики в 11 классе
Тема:
"Опыт Резерфорда по рассеиванию альфа – частиц"
Цели и задачи урока:
Образовательные:
Разъяснить механизм опытов Резерфорда
Воспитательные:
развивать познавательную самостоятельность учащихся;
способствовать их нравственному и эстетическому воспитанию.
Развивающие:
развивать умения выделять главное, существенное, сравнивать изучаемые факты, логически излагать мысли.
Ход урока:
I .Орг. момент.
Встань ровно рядом со своей партой и приведи себя в порядок. Поздоровайся с учителем. Затем тихо сядь на своё место и соблюдай порядок в классе.
Постановка темы и цели урока.
II. Повторение
Линейчатые спектры
1.Что означает слово атом?2.Кто из ученых открыл закон периодической повторяемости свойств химических элементов?
3.Является ли атом не делимым?
4.Что происходит с разряженными газами при нагревании до высокой температуры?
5.Как называются разноцветные линии, разделенные темными промежутками?
6.Что присуще каждому газу?
7.Спектр какого газа является самым простым?
8.Спектр какого газа состоит из 4 линий?
9.Кто из ученых подобрал формулу спектральных линий для видимой области?
10.Чья теория позволила соединить формулы видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной области в одну общую формулу?
Физминутка по видеоролику.
III . Новый материал
§ 7.2. Опыт Резерфорда по рассеиванию альфа – частиц.
Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу, Эрнест Резерфорд пришел к выводу, что весь положительный заряд атомов сосредоточен в их центре в очень массивном и компактном ядре. А отрицательно заряженные частицы (электроны) обращаются вокруг этого ядра.
Эта модель коренным образом отличалась от широко распространенной в то время модели атома Томсона.
Джозеф Джон Томсон предложил модель атома в виде пудинга (пирога), в котором положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома, а электроны были вкраплены в него.
Несколько позже модель Резерфорда получила название планетарной модели атома (она действительно похожа на Солнечную систему: тяжелое ядро - Солнце, а обращающиеся вокруг него электроны - планеты).
В 1912 г. Э.Резерфорд и его сотрудники поставили опыт по рассеянию альфа-частиц в веществе.
Схема опытов Резерфорда.
В отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных тонким пучком альфа-частиц. Но когда на пути движения альфа-частиц помещали тонкую золотую фольгу толщиной примерно 0,1 мк (микрон), то наблюдаемая на экране картинка сильно менялась: отдельные вспышки появлялись не только за пределами прежнего кружка, но их можно было даже наблюдать с противоположной стороны золотой фольги.
Подсчитывая число сцинтилляций в единицу времени в разных местах экрана, можно установить распределение в пространстве рассеянных альфа-частиц. Число альфа-частиц быстро убывает с увеличением угла рассеяния.
Наблюдаемая на экране картина позволила заключить, что большинство альфа-частиц проходит сквозь золотую фольгу без заметного изменения направления их движения. Однако некоторые частицы отклонялись на большие углы от первоначального направления альфа-частиц (порядка 135 о …150 о ) и даже отбрасывались назад. Исследования показали, что при прохождении альфа-частиц сквозь фольгу примерно на каждые 10000 падающих частиц только одна отклоняется на угол более 10 о от первоначального направления движения. Лишь в виде редкого исключения одна из огромного числа альфа-частиц отклоняется от своего первоначального направления.
Тот факт, что многие альфа-частицы проходили сквозь фольгу, не отклоняясь от своего направления движения, говорит о том, что атом не является сплошным образованием. Так как масса альфа-частицы почти в 8000 раз превосходит массу электрона, то электроны, входящие в состав атомов фольги, не могут заметно изменить альфа-частиц. Рассеяние альфа-частиц может вызывать положительно заряженная частица атома – атомное ядро.
IV .Закрепление
Рассмотрение примеров.
V
. Рефлексия
Понравился ли Вам наш сегодняшний урок?.. Что запомнилось?..
VI . Д/З повторить§7.1, учить §7.2
В 1906 г. Резерфорд обнаружил рассеяние α-частиц. Метод Резерфорда заключался в следующем. Проволока, покрытая радием С, помещалась в углубление в куске свинца. Над проволокой помещалась узкая щель; α-частицы, проходя через эту щель попадали на фотографическую пластинку. Все это помещалось в латунный цилиндр, из которого выкачивался воздух. Цилиндр помещался между полюсами электромагнита, силовые линии которого шли параллельно проволоке. Получающиеся на фотопластинке полосы были в пустоте резко ограничены. Если же цилиндр заполнялся воздухом, то полосы получались более широкими, а края их размытыми. Если щель прикрыть тонким слоем какого-либо вещества, то полосы уширяются и интенсивность их постепенно убывает от центра к краям.
В 1909-1910 гг. Г. Гейгер тщательно исследовал рассеяние α-частиц методом сцинтилляции. Прибор Гейгера изображен на рисунке, взятом из статьи Гейгера, 1910 г. В коническую трубку Л, закрытую тонким слоем слюды, вводится радон, который остается в ней на несколько часов. Затем радон засасывается в сосуд В, и вскоре после этого все α-частицы выбрасываются радием: С, осевшим на стенках трубки. Щель D выделяет из потока α-частиц, испускаемых радием С, узкий пучок, который дает яркую картину сцинтилляций на сернистоцинковом экране S. Если затем в Е поместить тонкую пластинку из исследуемого вещества, сцинтилляции на экране уменьшаются вследствие рассеяния α-частиц. Результаты опыта представлены кривыми, где по оси абсцисс отложены углы рассеяния, а по оси ординат - число частиц, рассеиваемых под данным углом. Из опытов Гейгера вытекает, что:
- Наиболее вероятный угол рассеяния (т. е. угол, для которого число рассеянных частиц наибольшее) возрастает для малых толщин приблизительно пропорционально корню квадратному из толщины вещества, пронизываемого α-частицами. Для больших толщин рассеяние возрастает значительно быстрее.
- Наиболее вероятный угол, на который отклоняется частица, проходя через атом, пропорционален атомному весу. Действительное значение этого угла в случае золотого атома составляет около 1 / 200 градуса.
- Наиболее вероятный угол рассеяния быстро увеличивается с уменьшением скорости α-частицы, будучи в первом приближении обратно пропорциональным кубу скорости.
Наиболее поразительным явлением, наблюдавшимся при рассеянии α-частиц, был факт, открытый в 1909 г. Гейгером и Марсденом , что некоторая малая часть частиц рассеивается на очень большие углы, такие, что частицы вылетают обратно в сторону источника. Для α-частиц, испускаемых радием С, приблизительно одна из 8000 частиц рассеивается на угол, больший прямого.
Как объяснить этот факт? Если предположить, что атом имеет структуру, предложенную Д. Д. Томсоном , то единичные отклонения α-частицы при столкновении с таким атомом очень малы, и большие углы рассеяния можно истолковать как кумулятивный эффект, получающийся в результате многих отклонений. Расчеты, проведенные самим Томсоном и Резерфордом, показали, что даже при большем числе столкновений результирующее отклонение α-частицы должно быть очень незначительным. "Я показал,- писал Резерфорд в 1914 г.,- что модель атома, предложенная лордом Кельвином и разработанная с большими деталями сэром Д. Д. Томсоном, не может давать таких больших отклонений, если не принять, что диаметр положительной сферы чрезвычайно мал".
Необходимость интерпретировать результаты опытов Гейгера и Марсдена и привела Резерфорда к ядерной модели атома. Он впервые сообщил о своем открытии в докладе "Рассеяние α- и β-лучей и строение атома", прочитанном в Философском обществе Манчестера 7 марта 1911 г. Мы приведем это сообщение ввиду его огромного исторического значения полностью.
"Хорошо известно, что α- и β-частицы будут отклоняться от своих прямолинейных путей при соударениях с атомами материи. Рассеяние β-частиц вследствие их малого момента (т. е. импульса.- П. К.) и энергии вообще значительно больше, чем отклонение α-частиц. Кажется несомненным, что эти быстро движущиеся частицы действительно проходят через атомную систему и подробное исследование происходящих отклонений должно пролить свет на электрическое строение атома. Обычно предполагается, что наблюдаемое рассеяние является результатом множества малых рассеяний. Сэр Д. Д. Томсон (Proc. Camb. Phil. Soc. 15, p. 5, 1910) недавно продвинул вперед теорию малых рассеяний, и главные выводы теории были экспериментально проверены Гроутером (Proc. Roy. Soc. 84, p. 226, 1910) . По этой теории атом предполагается состоящим из положительно наэлектризованной сферы, содержащей равное количество отрицательного электричества в форме корпускул. При сравнении теории с опытом Гроутер заключил, что число корпускул в атоме примерно в три раза больше его атомного веса, выраженного в весе водорода. Однако имеется ряд экспериментов по рассеянию, которые показывают, что α- и β-частицы иногда испытывают отклонения более 90° в единичном столкновении. Например, Гейгер и Марсден (Proc. Roy. Soc. 82, p. 493, 1909) нашли, что незначительная часть α-частиц, падающих на тонкий золотой листок, испытывает отклонение, больше прямого угла. Такое большое отклонение не может быть объяснено по теории вероятностей, принимая во внимание наблюдаемое экспериментально малое рассеяние. Совершенно определенно кажется, что эти большие отклонения происходят в единичном атомном столкновении.
Чтобы объяснить эти и другие результаты необходимо предположить, что наэлектризованные частицы проходят через интенсивное электрическое поле в атоме. Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность большого отклонения мала. По этой теории доля общего числа заряженных частиц, испытывающих отклонение между углами Ф и Ф+dФ дается выражением
где n число атомов в единице объема рассеивающего материала, t - предполагаемая малой толщина материала и 
где Ne - заряд в центре атома, Е - заряд наэлектризованной частицы, m - ее масса, и u - ее скорость.
Отсюда следует, что число рассеянных частиц на единицу площади для постоянного расстояния от точки падения пучка лучей меняется как cosec 4 Ф / 2 .Этот закон распределения был проверен экспериментально Гейгером для α-частиц и найден справедливым в пределах экспериментальных ошибок.
Из обсуждения общих результатов рассеяния различными материалами центральный заряд атома был найден очень близко пропорциональным его атомному весу. Точное значение заряда центрального ядра не было определено, но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда".
В такой классически ясной и сжатой форме мир узнал об одном из величайших открытий в истории науки.
Через два года Резерфорд охарактеризовал более подробно свои работы и работы своих сотрудников, приведшие к открытию ядерной модели атома, в книге "Радиоактивные вещества и их излучения".
Здесь были приведены расчеты, позволяющие определить число α-частиц, рассеянных под углом φ к первоначальному направлению пучка:
где n - число атомов в единице объема рассеивающего вещества, t - толщина рассеивающей пластинки, Q - число α-частиц, падающих на единицу площади рассеивающей пластинки, r - расстояние от источника до экрана, b - величина, определяемая равенством
где Ne - заряд рассеивающего ядра, Е - заряд α-частицы, m - ее масса, V - скорость.
Закон Резерфорда позволяет не только проверить справедливость гипотезы ядерного строения атома, но и определить заряд ядра (Ne). Гейгер немедленно в том же, 1911 г. приступил к его проверке. Эксперимент подтвердил справедливость закона cosec 4 φ / 2 и дал указание на то, что величина заряда приблизительно пропорциональна атомному весу. В 1913 г. Гейгер и Марсден предприняли новую экспериментальную проверку формулы Резерфорда, пользуясь методом сцинтилляции. "Это была весьма трудная и кропотливая работа, - писал Резерфорд, - так как нужно было сосчитать много тысяч частиц. Результаты Гейгера и Марсдена весьма близко согласуются с теорией".
Вот некоторые данные Гейгера и Марсдена.
При изменении скорости V и прочих неизменных параметрах формула Резерфорда дает, что yV 4 = const. Данные Гейгера-Марсдена:
>
1 / V 4 (Относительная величина) 1,0 1,21 1,50 1,91 2,84 4,32 9,22
Для зависимости от угла формула Резерфорда дает
По данным Гейгера и Марсдена,
И наконец, для зависимости от заряда (Ne) формула Резерфорда дает постоянство отношений v" / A 2 , где А - атомный вес, v" = v / nt - "приведенное число сцинтилляций". По данным Гейгера и Марсдена,
"Гейгер и Марсден нашли,- указывает Резерфорд,- что рассеяние различными атомами вещества приблизительно пропорционально квадрату атомного веса, откуда следует, что заряд атома приблизительно пропорционален атомному весу. Определив число α-частиц, рассеянных тонкими пленками золота, они заключили, что нуклеарный заряд приблизительно равен половине атомного веса, помноженной на заряд электрона. Вследствие трудностей опыта действительное число можно было определить лишь с точностью, не превосходящей 20%.
"Таким образом,- заключает Резерфорд изложение результатов опытов Гейгера и Марсдена,- экспериментальные результаты Гейгера и Марсдена оказались в полном согласии с предсказаниями теории и указали на то, что сделанная мною гипотеза о строении атома, в ее простейших чертах правильна". Интересно отметить, что еще в 1913 г. Резерфорд принимал заряд ядра равным +Ne, т. е. допускал возможность как положительного, так и отрицательного заряда ядра. Действительно, механика отклонения допускает как положительный, так и отрицательный заряд атома. Но целый ряд фактов, и в частности исследования Д. Д. Томсона с положительными лучами, о которых мы вскоре будем говорить, показали, что носители положительного электричества всегда сопряжены с массой, большей или равной массе атома водорода. Массивное ядро может быть носителем только положительных зарядов. Правда, уже в 1913 г. Бор пришел к выводу, что в составе ядра должны быть и электроны. Эта гипотеза была впервые высказана Марией Склодовской-Кюри. Во всяком случае, к 1913 г. окончательно выяснилась связь между зарядом ядра и порядковым номером элемента в менделеевской таблице (ван ден Брук, Мозли).
Опыт Резерфорда.
РЕЗЕРФОРД Эрнст (1871-1937), английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, иностранный член-корреспондент РАН (1922) и почетный член АН СССР (1925). Директор Кавендишской лаборатории (с 1919). Открыл (1899) альфа- и бета-лучи и установил их природу. Создал (1903, совместно с Ф. Содди) теорию радиоактивности. Предложил (1911) планетарную модель атома. Осуществил (1919) первую искусственную ядерную реакцию. Предсказал (1921) существование нейтрона. Нобелевская премия (1908).
Опыт Резерфорда (1906 г.) по рассеянию быстрых заряженных частиц при прохождении через тонкие слои вещества позволили исследовать внутреннюю структуру атомов. В этих опытах для зондирования атомов использовались α – частица – полностью ионизированные атомы гелия, - возникающие при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых металлов.
Резерфорду было известно, что атомы состоят из легких отрицательно заряженных частиц – электронов и тяжелой положительно заряженной частицы. Основная цель опытов – выяснить, как распределен положительный заряд внутри атома. Рассеяние α – частиц (то есть изменение направления движения) может вызвать только положительно заряженная часть атома.
Опыты показали, что некоторая часть α – частиц рассеивается на большие углы, близки к 180˚, то есть отбрасывается назад. Это возможно только в том случае, если положительный заряд атома сосредоточен в очень малой центральной части атома – атомном ядре. В ядре сосредоточена также почти вся масса атома.
Оказалось, что ядра различных атомов имеют диаметры порядка 10 -14 – 10 -15 см, в то время как размер самого атома ≈10 -8 см, то есть в 10 4 – 10 5 раз превышает размер ядра.
Таким образом, атом оказался «пустым».
На основании опытов по рассеянию α – частиц на ядрах атомов Резерфорд пришел к планетарной модели атома . Согласно этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра и обращающихся вокруг него электронов.
С точки зрения классической физики такой атом должен быть неустойчив, так как электроны движущиеся по орбитам с ускорением, должны непрерывно излучать электромагнитную энергию.
Дальнейшее развитие представлений о строении атомов было сделано Н. Бором (1913 г.) на основе квантовых представлений.
Лабораторная работа.
Данный опыт возможно провести при помощи специального прибора, чертеж которого изображен на рисунке 1. Этот прибор представляет собой свинцовую коробочку с полным вакуумом внутри её и микроскопом.
Рассеяние (изменение направления движения) α – частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α – частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 1. Испускаемый радиоактивным препаратом пучок α – частиц выделялся диафрагмой и после этого падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (в данном случае это золото). После рассеяния α – частицы попадали на экран, покрытый сернистым цинком. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп.
При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникала полоска света, состоящая из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α – частиц. Но когда на пути пучка помещалась фольга, α – частицы из-за рассеяния распределялись на большей площади экрана.
В нашем опыте нужно исследовать α – частицу, которая направлена на ядро золота при составлении угла 180° (рис. 2) и проследить за реакцией α – частицы, т.е. на какое минимальное расстояние α – частица приблизится к ядру золота (рис. 3).
Рис. 2
Рис.3
Дано:
V 0 =1,6*10 7 м / с – начальная скорость
d = 10 -13
= 180°
r min =?
Вопрс:
Какое минимальное расстояние r min между α – частицей и ядром удастся реализовать в данном эксперименте? (Рис. 4)
Рис.4
Решение:
В нашем эксперименте α – частица представлена как атом
m нейтр кг
Z=2 – протонов
N = Au – Z = 4 – 2 = 2 нейтрона
m p = кг
Z=79 – число протонов
N = Au – Z = 196 – 79 =117 (нейтронов)
Кл 2 / H ∙м 2 – электрическая постоянная
m 2 =6,6∙10 -27 кг
- заряд α-частицы равен 2 элементарным.
Ответ: r min =4,3·10 -14 м
Вывод: При этом опыте удалось выяснить, что a-частица смогла приблизится к ядру атома на минимальное расстояние, которое составило r min =4,3·10 -14 м и возвратится обратно, по той же траектории по которой она начинала движение.
Когда этот же опыт Резерфорд проделал в первые, при таком расположении a-частицы по отношению к углу составляющему 180° он удивленно сказал: «Это почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар».
И в
правду, это не вероятно, дело в том, что проводя этот опыт на меньших углах, то
а - частица обязательно отскочит в сторону, подобно тому как камушек несколько
десятков граммов при столкновении с автомобилем не в состоянии заметно изменить
его скорость (рис. 5). Так как их масса примерно в 8000 раз больше массы
электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона.
Это не что иное, как полностью ионизированные атомы гелия. Скорость α –
частиц очень велика: она составляет 1 / 15 скорости света.
Следовательно, электроны вследствие своей малой массы не могут заметно изменить
траекторию α – частицы.
