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Il principio di azione dell'esperienza di Rutherford. La teoria dell'esperienza di Rutherford. Lavori scientifici e realizzazioni

Il principio di azione dell'esperienza di Rutherford. La teoria dell'esperienza di Rutherford. Lavori scientifici e realizzazioni

Uno scienziato brillante che ha fatto diverse scoperte davvero grandiose in chimica e fisica. Quale risultato ha portato la fisica su un nuovo percorso di sviluppo? Quali particelle ha scoperto Rutherford? dettagli biografici e attività scientifica ricercatore scoprirà più avanti nell'articolo.

L'inizio della vita

La biografia di Rutherford inizia con la cittadina di Spring Grove in Nuova Zelanda. Lì, nel 1871, il futuro fisico e scienziato nacque in una famiglia di immigrati. Suo padre, scozzese di origine, era un falegname e aveva un'attività in proprio. Da lui Rutherford acquisì capacità progettuali utili per il lavoro successivo.

I primi successi si registrano già a scuola, dove riceve una borsa di studio universitaria per studi eccellenti. Ernest Rutherford studiò prima al Nelson College, poi entrò a Canterbury. Possedendo una memoria eccellente e una conoscenza brillante, è notevolmente diverso dagli altri studenti.

Rutherford vince il premio per la matematica, scrive per primo lavoro scientifico in fisica "Magnetizzazione del ferro a scariche ad alta frequenza". In connessione con l'opera, inventa uno dei primi dispositivi per il riconoscimento delle onde magnetiche.

Nel 1895, il fisico Rutherford discute con il chimico Maclaurin per il possesso della borsa di studio dell'Esposizione Universale. Per coincidenza, l'avversario rifiuta il premio e Rutherford ha una buona possibilità di conquistare mondo scientifico. Si reca in Inghilterra al Cavendish Laboratory e diventa dottore in scienze sotto la guida di Joseph Thomson.

Lavori scientifici e realizzazioni

Arrivato in Inghilterra, lo studente ha a malapena borse di studio sufficienti. Inizia a lavorare come tutor. Il supervisore di Rutherford ha subito notato il suo grande potenziale e non si è sbagliato. Thomson ha invitato il giovane fisico a studiare la ionizzazione dei gas raggi X. Insieme, gli scienziati hanno scoperto che questo crea un fenomeno di saturazione attuale.

Dopo aver lavorato con successo con Thomson, approfondisce lo studio dei raggi Becquerel, che in seguito chiamerà radioattivi. In questo momento, fa la sua prima importante scoperta, rivelando l'esistenza di particelle precedentemente sconosciute, studia le proprietà dell'uranio e del torio.

Successivamente diventa professore all'Università di Montreal. Insieme a Frederick Soddy, lo scienziato propone l'idea della trasformazione degli elementi nel processo di decadimento. Allo stesso tempo, Rutherford scrive lavori scientifici "Radioactivity" e "Radioactive Transformations", che gli danno fama. Diventa membro della Royal Society, riceve il titolo di nobiltà.

Ernest Rutherford ricevette il Premio Nobel nel 1908 per le sue ricerche sul decadimento degli elementi radioattivi. Lo scienziato scoprì l'emanazione del torio, la trasmutazione artificiale degli elementi irradiando nuclei di azoto, e scrisse tre volumi di opere. Uno dei suoi risultati più importanti è la creazione di un modello del nucleo atomico.

Quali particelle ha scoperto Rutherford?

Nello studio delle radiazioni radioattive, Rutherford non è stato il primo. Prima di lui, quest'area è stata attivamente esplorata dal fisico Becquerel e dai Curies. Il fenomeno della radioattività è stato poi scoperto abbastanza di recente e l'energia è stata considerata una fonte esterna. Studiando attentamente i sali di uranio e le loro proprietà, Rutherford notò che i raggi, scoperto da Becquerel sono eterogenei.

L'esperimento foil di Rutherford ha mostrato che un raggio radioattivo è diviso in diversi flussi di particelle. Un foglio di alluminio può assorbire un flusso, un altro può attraversarlo. Ognuno di essi è un insieme di piccoli elementi, chiamati dallo scienziato particelle o raggi alfa e beta. Due anni dopo, il francese Villars scoprì un terzo tipo di raggi, che, sull'esempio di Rutherford, chiamò raggi gamma.

Il tipo di particelle scoperte da Rutherford ha avuto un enorme impatto sullo sviluppo della fisica nucleare. È stata fatta una svolta ed è stato dimostrato che l'energia proviene proprio dagli atomi di uranio. Le particelle alfa erano definite come atomi di elio caricati positivamente, le particelle beta erano elettroni. Le particelle gamma, scoperte in seguito, sono radiazioni elettromagnetiche.

decadimento radioattivo

La scoperta di Rutherford diede impulso non solo alla scienza fisica, ma anche a se stesso. Continua a studiare la radioattività all'Università di Montreal in Canada. Insieme al chimico Soddy, conducono una serie di esperimenti, con l'aiuto dei quali notano che l'atomo cambia durante l'emissione delle sue particelle.

Come gli alchimisti medievali, gli scienziati convertono l'uranio in piombo, facendo un'altra svolta scientifica. Così è stata scoperta la Legge, secondo la quale si verifica il decadimento, Rutherfor e Soddy hanno descritto nelle opere "Trasformazione radioattiva" e "Studio comparativo della radioattività del radio e del torio".

I ricercatori determinano la dipendenza dell'intensità del decadimento dal numero di atomi radioattivi nel campione, nonché dal tempo trascorso. È stato notato che nel tempo l'attività di decadimento diminuisce progressione geometrica. Ogni sostanza ha il suo tempo. Basandosi sul tasso di decadimento, Rutherford è stato in grado di formulare il principio dell'emivita.

Modello planetario dell'atomo

All'inizio del 20° secolo erano già stati effettuati molti esperimenti per studiare la natura degli atomi e la radioattività. Rutherford e Villard scoprono i raggi alfa, beta e gamma e Joseph Thomson, a sua volta, misura il rapporto tra carica e massa di un elettrone e si assicura che la particella faccia parte di un atomo.

Sulla base della sua scoperta, Thomson crea un modello dell'atomo. Lo scienziato ritiene che quest'ultimo abbia una forma sferica, sull'intera superficie della quale sono distribuite particelle cariche positivamente. All'interno della sfera ci sono elettroni caricati negativamente.

Alcuni anni dopo, Rutherford confuta la teoria del suo insegnante. Afferma che l'atomo ha un nucleo che è caricato positivamente. E attorno ad esso, come i pianeti attorno al sole, gli elettroni ruotano sotto l'influenza delle forze di Coulomb.

Schema dell'esperimento di Rutherford

Rutherford è stato uno sperimentatore eccezionale. Pertanto, dubitando del modello di Thomson, decise di confutarlo empiricamente. L'atomo di Thomson doveva apparire come una nuvola sferica di elettroni. Quindi le particelle alfa dovrebbero passare liberamente attraverso la pellicola.

Per l'esperimento, Rutherford ha costruito un dispositivo da una scatola di piombo con un piccolo foro in cui si trovava il materiale radioattivo. La scatola stava assorbendo particelle alfa in ogni direzione tranne dove si trovava il buco. Questo ha creato un flusso diretto di particelle. Davanti c'erano diversi schermi di piombo con fessure per eliminare le particelle che deviavano da un determinato percorso.

Un raggio alfa ben focalizzato, che attraversava tutti gli ostacoli, era diretto su un foglio molto sottile, dietro di lei c'era uno schermo fluorescente. Ogni contatto di particelle con esso è stato registrato come un lampo. Quindi è stato possibile giudicare la deviazione delle particelle dopo essere passate attraverso la lamina.

Con grande sorpresa di Rutherford, molte delle particelle si sono deviate a grandi angoli, alcune anche di 180 gradi. Ciò ha permesso allo scienziato di presumere che la maggior parte dell'atomo lo sia materia densa al suo interno, che in seguito viene chiamato nucleo.

Schema dell'esperienza di Rutherford:

Critiche al modello

Il modello nucleare di Rutherford fu inizialmente criticato perché contrastava con le leggi dell'elettrodinamica classica. Ruotando, gli elettroni devono perdere energia e irradiarsi onde elettromagnetiche, ma ciò non accade, il che significa che sono a riposo. In questo caso, gli elettroni dovrebbero cadere sul nucleo e non ruotare attorno ad esso.

Toccò a Niels Bohr affrontare questo fenomeno. Stabilisce che ogni elettrone ha la sua orbita. Mentre l'elettrone è su di esso, non irradia energia, ma ha accelerazione. Lo scienziato introduce il concetto di quanti - porzioni di energia che vengono rilasciate quando gli elettroni si spostano su altre orbite.

Così, Niels Bohr divenne uno dei fondatori di una nuova branca della scienza - fisica quantistica. La correttezza del modello di Rutherford è stata dimostrata. Di conseguenza, il concetto di materia e del suo movimento è completamente cambiato. E il modello è talvolta chiamato atomo di Bohr-Rutherford.

Ernest Rutherford ricevette il premio Nobel prima di compiere il risultato più importante della sua vita: scoprì il nucleo atomico e stabilì il modello planetario dell'atomo.

La scoperta fondamentale di Rutherford ha portato all'emergere di una nuova industria che studia la struttura del nucleo atomico. Si chiamava fisica nucleare o nucleare.

Il fisico possedeva non solo ricerca, ma anche talento nell'insegnamento. Dodici dei suoi studenti erano vincitori del premio Nobel per la fisica e la chimica. Tra questi ci sono Frederick Soddy, Henry Moseley, Otto Hahn e altri personaggi famosi.

Allo scienziato viene spesso attribuita la scoperta dell'azoto, il che è errato. Dopotutto, un Rutherford completamente diverso è diventato famoso per questo. Il gas fu scoperto dal botanico e chimico Daniel Rutherford, che visse un secolo prima dell'eccezionale fisico.

Conclusione

Lo scienziato britannico Ernest Rutherford divenne famoso tra i suoi colleghi per il suo desiderio di esperimenti. Nel corso della sua vita, lo scienziato ha condotto molti esperimenti, grazie ai quali è riuscito a scoprire particelle alfa e beta, formulare la legge del decadimento e dell'emivita e sviluppare un modello planetario dell'atomo. Prima di lui si credeva che l'energia fosse una fonte esterna. Ma dopo che il mondo scientifico ha appreso cosa aveva scoperto le particelle Rutherford, i fisici hanno cambiato idea. I risultati dello scienziato hanno contribuito a fare enormi passi avanti nello sviluppo della fisica e della chimica e hanno anche contribuito all'emergere di un'industria come la fisica nucleare.

Le particelle α sono atomi di elio completamente ionizzati. Furono scoperti da Rutherford nel 1899 mentre studiava il fenomeno della radioattività. Con queste particelle, Rutherford bombardò gli atomi di elementi pesanti (oro, argento, rame, ecc.). Gli elettroni che compongono gli atomi, a causa della loro piccola massa, non possono modificare sensibilmente la traiettoria della particella α. Lo scattering, cioè un cambiamento nella direzione del movimento delle particelle α, può essere causato solo da una parte dell'atomo pesantemente caricata positivamente.

Da una sorgente radioattiva racchiusa in un contenitore di piombo, le particelle α sono state dirette su una sottile lamina metallica. Le particelle sparse colpiscono uno schermo ricoperto da uno strato di cristalli di solfuro di zinco in grado di brillare sotto l'impatto di particelle a carica rapida. Le scintillazioni (lampi) sullo schermo sono state osservate con l'occhio utilizzando un microscopio. Le osservazioni di particelle α sparse nell'esperimento di Rutherford potrebbero essere eseguite a vari angoli φ rispetto alla direzione iniziale del raggio. Si è scoperto che la maggior parte delle particelle alfa passa attraverso un sottile strato di metallo con poca o nessuna deflessione. Tuttavia, una piccola parte delle particelle viene deviata ad angoli significativi superiori a 30°. Particelle alfa molto rare (circa una su diecimila) sono state deviate attraverso angoli vicini a 180°.

Queste considerazioni hanno portato Rutherford alla conclusione che l'atomo è quasi vuoto e tutta la sua carica positiva è concentrata in un piccolo volume. Rutherford chiamò nucleo questa parte dell'atomo. È così che è nato il modello nucleare dell'atomo.

Pertanto, gli esperimenti di Rutherford e dei suoi colleghi hanno portato alla conclusione che al centro dell'atomo c'è un nucleo denso caricato positivamente, il cui diametro non supera i 10–14–10–15 M. Questo nucleo occupa solo 10– 12 del volume totale dell'atomo, ma contiene l'intera carica positiva e non meno del 99,95% della sua massa. Alla sostanza che costituisce il nucleo di un atomo dovrebbe essere assegnata una densità colossale dell'ordine di ρ ≈ 10 15 g/cm 3 . La carica del nucleo deve essere uguale alla carica totale di tutti gli elettroni che compongono l'atomo. Successivamente, si è riscontrato che se la carica dell'elettrone è presa come unità, allora la carica del nucleo è esattamente uguale al numero di questo elemento nella tavola periodica.

Le conclusioni radicali sulla struttura dell'atomo che seguirono dagli esperimenti di Rutherford fecero dubitare a molti scienziati della loro validità. Lo stesso Rutherford non fece eccezione, pubblicando i risultati delle sue ricerche solo nel 1911, due anni dopo i primi esperimenti. Basandosi sulle idee classiche sul movimento delle microparticelle, Rutherford ha proposto un modello planetario dell'atomo. Secondo questo modello, un nucleo caricato positivamente si trova al centro dell'atomo, in cui è concentrata quasi l'intera massa dell'atomo. L'atomo nel suo insieme è neutro. Gli elettroni ruotano attorno al nucleo, come i pianeti, sotto l'influenza delle forze di Coulomb provenienti dal nucleo (Fig. 6.1.4). Gli elettroni non possono essere a riposo, poiché cadrebbero sul nucleo.

Rutherford Ernst (1871-1937), fisico inglese, uno dei creatori della teoria della radioattività e della struttura dell'atomo, fondatore scuola scientifica, membro straniero corrispondente dell'Accademia delle scienze russa (1922) e membro onorario dell'Accademia delle scienze dell'URSS (1925). Direttore Laboratorio Cavendish(dal 1919). Ha aperto (1899) i raggi alfa e beta e ne ha stabilito la natura. Crea (1903, insieme a F. Soddy) la teoria della radioattività. Ha proposto (1911) un modello planetario dell'atomo. Eseguito (1919) il primo artificiale reazione nucleare. Predetta (1921) l'esistenza del neutrone. premio Nobel (1908).

L'esperimento di Rutherford (1906) sulla dispersione di particelle a carica rapida quando passano attraverso strati sottili di materia ha permesso di studiare la struttura interna degli atomi. In questi esperimenti, per il sondaggio degli atomi, sono state utilizzate particelle α - atomi di elio completamente ionizzati - derivanti dal decadimento radioattivo del radio e di alcuni altri elementi. Rutherford ha bombardato atomi di metalli pesanti con queste particelle.

Rutherford sapeva che gli atomi sono composti da particelle leggere con carica negativa: elettroni e una particella pesante con carica positiva. Lo scopo principale degli esperimenti è scoprire come viene distribuita la carica positiva all'interno dell'atomo. La dispersione delle particelle α (cioè un cambiamento nella direzione del movimento) può essere causata solo dalla parte caricata positivamente dell'atomo.

Gli esperimenti hanno dimostrato che alcune delle particelle α sono sparse a grandi angoli, vicino a 180°, cioè vengono rigettate all'indietro. Questo è possibile solo se la carica positiva dell'atomo è concentrata in una parte centrale molto piccola dell'atomo - nucleo atomico. Quasi tutta la massa dell'atomo è anche concentrata nel nucleo.

Si è scoperto che i nuclei di vari atomi hanno diametri dell'ordine di 10 -14 - 10 -15 cm, mentre la dimensione dell'atomo stesso è ≈10 -8 cm, cioè 10 4 - 10 5 volte la dimensione di il nucleo.

Pertanto, l'atomo si è rivelato "vuoto".

Sulla base di esperimenti sulla dispersione delle particelle α sui nuclei degli atomi, Rutherford è arrivato al modello planetario dell'atomo. Secondo questo modello, un atomo è costituito da un piccolo nucleo caricato positivamente e da elettroni che ruotano attorno ad esso.

Dal punto di vista della fisica classica, un tale atomo deve essere instabile, poiché gli elettroni che si muovono in orbite con accelerazione devono irradiare continuamente energia elettromagnetica.

Ulteriori sviluppi idee sulla struttura degli atomi sono state formulate da N. Bohr (1913) sulla base di concetti quantistici.

Lavoro di laboratorio.

Questo esperimento può essere eseguito utilizzando un dispositivo speciale, il cui disegno è mostrato nella Figura 1. Questo dispositivo è una scatola di piombo con un vuoto completo al suo interno e un microscopio.

La dispersione (cambiando la direzione del movimento) delle particelle α può essere causata solo dalla parte caricata positivamente dell'atomo. Pertanto, in base alla dispersione delle particelle α, è possibile determinare la natura della distribuzione Carica positiva e masse all'interno di un atomo. Lo schema degli esperimenti di Rutherford è mostrato in Figura 1. Il fascio di particelle α emesso dal preparato radioattivo è stato separato da un diaframma e poi è caduto su una sottile lamina del materiale in studio (in questo caso, l'oro). Dopo la dispersione, le particelle α colpiscono uno schermo ricoperto di solfuro di zinco. La collisione di ciascuna particella con lo schermo era accompagnata da un lampo di luce (scintillazione), che poteva essere osservato al microscopio.

Con un buon vuoto all'interno del dispositivo, in assenza di lamina, sullo schermo è apparsa una striscia di luce, costituita da scintillazioni provocate da un sottile fascio di particelle α. Ma quando una lamina è stata posizionata nel percorso del raggio, le particelle α dovute alla dispersione sono state distribuite area più ampia schermo.

Nel nostro esperimento, dobbiamo studiare la particella α, che è diretta al nucleo d'oro quando si forma un angolo di 180° (Fig. 2) e seguire la reazione della particella α, cioè a quale distanza minima la particella α si avvicinerà al nucleo d'oro (Fig. 3).

Riso. 2

Fig.3

V 0 \u003d 1,6 * 10 7 m / s - velocità iniziale

Qual è la distanza minima r min tra la particella α e il nucleo che può essere realizzata in questo esperimento? (Fig. 4)

Fig.4

Nel nostro esperimento, la particella α è rappresentata come un atomo

m neutro kg

Z=2 - protoni

N = Au - Z = 4 - 2 = 2 neutroni

Z=79 - numero di protoni

N \u003d Au - Z \u003d 196 - 79 \u003d 117 (neutroni)

Cl 2 / H ∙m 2 - costante elettrica

m 2 \u003d 6,6 ∙ 10 -27 kg

Z He ∙2∙ - carica nucleare (He) Z Au ∙ - carica nucleare (Au)

La carica di una particella α è 2 elementare.

Risposta: r min \u003d 4,3 10 -14 m

Conclusione: In questo esperimento, è stato possibile scoprire che la particella a poteva avvicinarsi al nucleo atomico ad una distanza minima, che era r min = 4,3 10 -14 m e tornare indietro lungo la stessa traiettoria lungo la quale aveva iniziato a muoversi.

Quando Rutherford fece per la prima volta lo stesso esperimento, con questa disposizione della particella a rispetto all'angolo di 180°, disse sorpreso: “È quasi incredibile come se si sparasse un proiettile da 15 pollici a un pezzo di carta sottile, e il proiettile è tornato a te e ti ha colpito".

E in verità, questo non è probabile, il fatto è che quando si conduce questo esperimento ad angoli più piccoli, la particella a - rimbalzerà sicuramente di lato, proprio come un sassolino di diverse decine di grammi in una collisione con un'auto non lo è in grado di cambiare notevolmente la sua velocità (Fig. 5). Poiché la loro massa è circa 8000 volte la massa dell'elettrone e la carica positiva è uguale in modulo al doppio della carica dell'elettrone. Questi non sono altro che atomi di elio completamente ionizzati. La velocità delle particelle α è molto alta: è 1/15 della velocità della luce. Di conseguenza, a causa della loro piccola massa, gli elettroni non possono cambiare sensibilmente la traiettoria della particella α.

Riso. 5

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Nel primo quarto del 20° secolo, è stato stabilito che un atomo è costituito da un nucleo caricato positivamente e da un guscio di elettroni che lo circonda. Le dimensioni lineari del nucleo sono dell'ordine di 10"13-10"12 cm. Le dimensioni dell'atomo* stesso, determinate dal guscio dell'elettrone, sono circa 105 volte maggiori. Tuttavia, quasi l'intera massa di un atomo (almeno il 99,95%) è concentrata nel nucleo. Ciò è dovuto al fatto che il nucleo è costituito da protoni e neutroni "pesanti" e il guscio di elettroni è costituito solo da elettroni "leggeri" (mp - 1836,15 me, mp = 1838,68 me). Il numero di elettroni nel guscio di un atomo neutro è uguale alla carica del nucleo, se si prende carica elementare(cioè la carica di un elettrone in valore assoluto). Ma il guscio di elettroni può perdere o guadagnare elettroni. Quindi l'atomo si carica elettricamente, cioè si trasforma in uno ione positivo o negativo.

Le proprietà chimiche di un atomo sono determinate dal guscio dell'elettrone, più precisamente dai suoi elettroni esterni. Tali elettroni sono legati relativamente debolmente all'atomo e quindi sono più suscettibili alle influenze elettriche degli elettroni esterni degli atomi vicini. Lo stesso vale per le forze di attrazione o repulsione tra atomi neutri e molecole (per le forze molecolari). Al contrario, protoni e neutroni sono strettamente legati all'interno del nucleo. Per agire sul nucleo sono necessarie forze milioni di volte maggiori di quelle sufficienti a strappare gli elettroni esterni di un atomo. Tuttavia, alla fine vengono determinate la struttura e le proprietà del guscio dell'elettrone campo elettrico il nucleo di un atomo.

Se il modello presentato dell'atomo è vero, allora l'atomo deve essere altamente trasparente alle particelle che lo penetrano. Per un fascio di elettroni, questo era già stato stabilito da Lenard. Tuttavia, l'ultima prova sperimentale di questo modello dell'atomo fu data da Rutherford (1871-1937) nel 1911. Pertanto, è giustamente chiamato modello di Rutherford. Su suggerimento e sotto la direzione di Rutherford, i suoi studenti Geiger e Marsden (1889-1970) hanno studiato quantitativamente la dispersione delle particelle α emesse dalle sostanze radioattive. Nei loro esperimenti, un raggio parallelo di particelle α è stato diretto nel vuoto su una sottile lamina di metallo e disperso da essa. È stato utilizzato un metodo visivo per rilevare le particelle α sparse. Quando ha colpito uno schermo fluorescente di solfuro di zinco, la particella α ha lasciato un lampo (scipitazione) su di esso. Le singole scintillazioni possono essere osservate al buio attraverso una lente d'ingrandimento o un microscopio. E gli sperimentatori hanno contato tali scintillazioni.

Si è scoperto che la stragrande maggioranza delle particelle α era diffusa attraverso piccoli angoli dell'ordine di 1-3°. La distribuzione angolare di tali particelle è stata ben descritta dalla curva errori casuali Gauss (1777-1855). Tuttavia, sono state osservate anche singole particelle α, che deviano attraverso ampi angoli, raggiungendo fino a 150°. Il numero relativo di tali particelle era trascurabile. Ad esempio, quando un fascio di particelle α di RaC è passato attraverso una lamina di platino, su 8000 particelle incidenti, in media, solo una particella è stata deviata di un angolo superiore a 90°. Ma anche questo sarebbe troppo se si verificassero grandi deviazioni a causa dell'accumulo di molte deviazioni casuali.

Rutherford ha concluso che ogni grande deviazione appare come risultato di un singolo atto di interazione di un centro di forza praticamente puntiforme con una particella α che vola ravvicinata. Un tale centro di potere è il nucleo caricato positivamente di un atomo. La stessa particella alfa è anche un nucleo atomico, vale a dire il nucleo dell'atomo di elio. Ciò è confermato dal fatto che una particella α può essere ottenuta a seguito di una doppia ionizzazione di un atomo di elio, come già stabilito in precedenza dallo stesso Rutherford. Interazione elettrostatica tra questi due nuclei e provoca la dispersione di particelle α a grandi angoli.

Quanto sopra è confermato da fotografie di tracce di particelle α in una camera a nebbia. Di solito, la fine della traccia di una particella α non differisce in nessuna caratteristica. Ma a volte ci sono tracce che terminano con nodi e biforcazioni. A seguito della collisione, la direzione del moto della particella α cambia drasticamente e il nucleo che si è messo in moto ha lasciato una nuova traccia che, insieme alla traccia della particella α stessa, ha formato una "forcella" .

Rutherford ha anche sviluppato una teoria quantitativa della dispersione delle particelle α. In questa teoria, la legge di Coulomb viene applicata all'interazione di una particella α con un nucleo. Questa, ovviamente, è un'ipotesi, poiché una particella alfa può avvicinarsi al nucleo a distanze dell'ordine di 10~12 cm e la legge di Coulomb non è stata verificata sperimentalmente a tali distanze. Naturalmente, il movimento di una particella α nel campo di un nucleo era considerato da Rutherford in modo classico. Infine, si presume che la massa del nucleo sia grande rispetto alla massa della particella α, così che il nucleo può essere considerato stazionario. È facile sbarazzarsi di quest'ultima ipotesi sostituendo la massa della particella α con la massa ridotta.

Gli esperimenti di Rutherford hanno utilizzato lamine metalliche molto sottili con uno spessore dell'ordine di 10"5-10"4 cm. Le grandi deviazioni sono trascurabili. La probabilità di dispersione a grandi angoli e da parte di elettroni è trascurabile a causa della piccolezza delle loro masse. Collisioni multiple con i nuclei e con gli elettroni dei gusci atomici giocano un ruolo solo ad angoli di scattering molto piccoli.Escludiamo tali angoli dalla considerazione. Quindi, tenendo conto dell'interazione della particella α con un solo nucleo, a cui la particella α si avvicina di più , arriviamo a un problema a due corpi. Da tutti gli altri nuclei, la particella α viaggia molto più lontano, e quindi l'interazione con essi viene trascurata. Pertanto, la teoria di Rutherford è applicabile per grandi deviazioni, quando la deviazione è causata solo dal campo elettrico di un nucleo, in modo che rispetto a questa deviazione, tutte le altre deviazioni Gli effetti, presi insieme, sono trascurabili. Lo scattering corrispondente è chiamato scattering di Rutherford. È elastico nel senso che l'energia cinetica della particella a non cambia a causa dello scattering, cioè non è sprecato nell'eccitazione degli atomi, e ancor più dei nuclei atomici.

Il problema formulato è formalmente simile al problema di Keplero (1571-1630) sul moto di un pianeta attorno al Sole. E qua e là la forza di interazione dei corpi è centrale e varia inversamente al quadrato della distanza tra loro. Nel caso di un pianeta, questa è la forza di attrazione, nel caso di una particella α, la forza di repulsione. Ciò si manifesta nel fatto che il pianeta (a seconda della sua energia totale) può muoversi sia lungo un'ellisse che lungo un'iperbole, mentre una particella α può muoversi solo lungo un'iperbole. Ma nei calcoli matematici non importa. Angolo di dispersione di una particella α û uguale all'angolo tra gli asintoti della sua traiettoria iperbolica.

Per lui è stata ottenuta la formula:

Qui m è la massa della particella α, v è la sua velocità all'"infinito", cioè lontano dal nucleo, Ze è la carica del nucleo, 2e è la carica della particella α, pari al doppio della carica elementare e. (Il numero Z è chiamato numero di carica del nucleo. Per brevità, è spesso chiamata semplicemente carica nucleare, il che implica che la carica elementare e è considerata come unità.) b indica la distanza di mira, cioè la lunghezza della perpendicolare scesa dal nucleo alla traiettoria rettilinea imperturbata della particella a (o, che è lo stesso, alla tangente alla traiettoria reale quando la particella a era infinitamente lontana dal nucleo).

Naturalmente, non è la formula stessa ad essere accessibile alla verifica sperimentale nel campo dei fenomeni atomici, ma le sue conseguenze statistiche. Introduciamo la cosiddetta sezione d'urto di diffusione effettiva differenziale. Indica con io intensità di un fascio piano-parallelo di particelle α incidenti sul nucleo, cioè il numero di particelle α del fascio che passano per unità di tempo attraverso un'area unitaria perpendicolare al flusso. Di questo numero, d passa per l'area elementare do, anche perpendicolare al flusso. N 1 =io fare particelle α. Dopo la dispersione, queste particelle cadono nell'angolo solido elementare dΩ. Naturalmente, il valore dell'angolo solido dΩ e la direzione del suo asse sono determinati dalla dimensione e dalla posizione dell'area do. Pertanto d N 1 ha anche il significato del numero di particelle α sparse dal nucleo per unità di tempo nell'angolo solido dΩ. rapporto d N1 a ioè uguale a fare e ha la dimensione di area. È chiamata la sezione trasversale efficace differenziale del nucleo per la dispersione delle particelle α nell'angolo solido dΩ. Questo concetto è applicato allo scattering non solo delle particelle α, ma anche di qualsiasi particella, nonché ad altri processi che si verificano con le particelle. Quindi, per definizione, cioè la sezione d'urto di diffusione effettiva differenziale è il rapporto tra il numero di particelle sparse da un atomo per unità di tempo per angolo solido dΩ e l'intensità io particelle che cadono. Quindi per definizione cioè la sezione d'urto di diffusione effettiva differenziale è il rapporto tra il numero di particelle, atomi sparsi per unità di tempo per angolo solido dΩ, e l'intensità io particelle che cadono.

Determiniamo ora la sezione d'urto differenziale per la dispersione di particelle α da parte di un singolo nucleo atomico. Il problema si riduce a determinare la dimensione dell'area do, passante per la quale la particella α dopo lo scattering cade all'interno di un dato angolo solido dΩ. Prendiamo come asse X la traiettoria rettilinea della particella α a cui corrisponde la distanza di impatto b = 0 (una tale particella sperimenterebbe una collisione frontale con il nucleo). Usando la simmetria cilindrica, per semplicità, sostituiamo do con un'area anulare do = 2πbdb perpendicolare al flusso. Il raggio interno di tale sito è uguale a b, il raggio esterno è b + db e il centro si trova sull'asse X. L'intervallo b, b + db corrisponde all'intervallo degli angoli di dispersione û, û + dû, e secondo la formula

Introducendo l'angolo solido in cui sono sparse le particelle α che passano attraverso l'area anulare, è facile da ottenere

In questa forma, la formula è valida per qualsiasi sito elementare, e non solo per l'anello. Si chiama formula di Rutherford.

Introduciamo il concetto di sezione trasversale di dispersione totale o qualche altro processo. È definito come il rapporto tra il numero totale di particelle che hanno subito il processo in esame nell'unità di tempo e l'intensità del fascio di particelle incidente. La sezione d'urto totale ð può essere ricavata dalla sezione d'urto differenziale do integrandola su tutti i possibili valori di dΩ. Nel caso di dispersione di particelle α nella formula, si dovrebbe prima mettere dΩ = 2psinðdð, quindi eseguire l'integrazione nell'intervallo da ð = 0 a ð = n. Questo dà ð = ∞. Questo risultato è comprensibile. Più l'area viene rimossa dall'asse X, minore è l'angolo di dispersione ð. Le particelle che passano attraverso aree remote non vengono praticamente deviate, cioè passano in prossimità dell'angolo di diffusione ð = 0. L'area totale di tali aree, e con essa il numero totale di particelle sparse, è infinitamente grande. Anche la sezione trasversale di dispersione totale è infinitamente grande. Tuttavia, questa conclusione ha un carattere formale, poiché a piccoli angoli di dispersione la formula di Rutherford è inapplicabile.

Portiamo ora la formula in una forma accessibile per la verifica sperimentale. Gli atti di dispersione delle particelle α da parte di atomi diversi sono indipendenti. Ne consegue che se n è il numero di nuclei (atomi) per unità di volume, allora il numero di particelle α sparse dal volume V per unità di tempo nell'angolo solido dΩ è determinato dall'espressione

In questa forma, la formula di Rutherford è stata confermata sperimentalmente. In particolare, è stato dimostrato sperimentalmente che quando dΩ è costante, il valore di dN sin4 (ð/2) è costante, cioè non dipende dall'angolo di scattering ð, come dovrebbe essere secondo la formula.

La conferma sperimentale della formula di Rutherford può essere considerata come una prova indiretta della legge di Coulomb a distanze così piccole come possono avvicinarsi i centri di una particella a e il nucleo che interagisce con essa. Un'altra prova sono gli esperimenti di Blackett (1897-1974) sulla dispersione delle particelle α nei gas. Un gran numero di tracce di particelle α sono state fotografate in una camera a nebbia, sono state misurate le loro deviazioni angolari ed è stata calcolata la frequenza con cui si verificano determinati angoli di dispersione. Questi esperimenti hanno anche confermato la formula di Rutherford. Ma obiettivo principale la loro era una prova della legge di Coulomb. Si è scoperto che a distanze tra i centri della particella α e il nucleo interagente nel caso dell'aria da a cm, e nel caso di argon da a cm la legge di Coulomb è confermata sperimentalmente. Non ne consegue che questa legge sia valida a qualsiasi distanza tra i centri dei nuclei interagenti. Esperimenti sulla diffusione elastica di nuclei leggeri accelerati da acceleratori anche su nuclei leggeri ma immobili hanno mostrato che ci sono forti deviazioni dalla legge di Coulomb quando la distanza indicata diminuisce a cm o meno. A tali distanze, le forze nucleari attrattive esercitano il loro effetto, prevalendo sulle forze repulsive coulombiane dei nuclei.

La formula può essere applicata per misurare la carica nucleare. Per fare ciò, è necessario misurare dN e io. Successivamente, puoi calcolare Z, poiché tutte le altre quantità nella formula possono essere considerate note. La difficoltà principale è che le quantità dN e io sono molto diversi tra loro. Nei primi esperimenti, sono stati misurati su diversi setup, cioè in diverse condizioni, che hanno introdotto errori significativi. Negli esperimenti di Chadwick (1891-1974), questa mancanza è stata eliminata. La lamina di scattering aveva la forma di un anello AA" (vedi Fig.), la preparazione radioattiva R (una sorgente di particelle α) e lo schermo fluorescente S in ZnS erano montati sull'asse dell'anello a distanze uguali da esso .

Per contare le scintillazioni dalle particelle α sparse dalla lamina, l'apertura dell'anello AA" è stata coperta con uno schermo opaco per le particelle α. Al contrario, per misurare io le scintillazioni sono state contate quando il foro era libero e l'anello AA era chiuso.Poiché in questo caso il numero di scintillazioni era molto elevato, per ridurlo è stato installato un disco rotante con un taglio stretto davanti allo schermo S. Conoscendo la larghezza di il taglio e contando il numero di scintillazioni, possiamo calcolare io. Chadwick ha trovato Z = 77,4 per il platino, Z = 46,3 per l'argento e Z = 29,3 per il rame. Nucleare o numeri di sequenza questi elementi in sistema periodico Mendeleev ha rispettivamente 78, 47, 29 anni. risultato noto, stabilito per la prima volta da Moseley (1887-1915), che la carica nucleare Z è uguale al numero atomico dell'elemento.

Torniamo al modello dell'atomo, suffragato dagli esperimenti di Rutherford. Il nucleo atomico e il guscio elettronico che lo circonda possono formare un sistema stabile, che, ovviamente, è l'atomo? Se fosse possibile, allora queste particelle non potrebbero essere a riposo. Altrimenti, risulterebbe un sistema elettrostatico di (praticamente) cariche puntiformi, tra le quali agiscono le forze di Coulomb, e un tale sistema, secondo il teorema di Earnshaw, è instabile. Le forze di Coulomb variano inversamente al quadrato della distanza tra le particelle interagenti. Ma cambiano anche le forze gravitazionali tra i corpi del sistema planetario. La stabilità del sistema planetario è assicurata dalla rotazione dei pianeti attorno al Sole. Pertanto, Rutherford è arrivato naturalmente al modello planetario dell'atomo, in cui gli elettroni ruotano attorno al nucleo.

Tuttavia, secondo l'elettrodinamica classica, quando la carica si muove, cambia anche il campo elettromagnetico, la cui sorgente è la carica. In particolare, carica elettrica, muovendosi a una velocità accelerata, irradia onde elettromagnetiche. Un elettrone rotante ha un'accelerazione e quindi deve irradiare continuamente. Perdendo energia a causa della radiazione, l'elettrone si avvicinerebbe continuamente al nucleo e alla fine cadrebbe su di esso. Così, anche in presenza di moto, si ottiene un modello instabile dell'atomo. Si potrebbe presumere che la legge di Coulomb e altre leggi che determinano il campo elettromagnetico in elettrodinamica siano violate nel caso di particelle elementari e piccole distanze. Sarebbe possibile prendere in considerazione le forze nucleari e introdurre forze ipotetiche a noi sconosciute che assicurano la stabilità dell'atomo. Ma questo non salva la situazione. Qualunque siano le forze, secondo principi generali Secondo la meccanica classica, lo spettro di radiazione di un atomo deve essere costituito da diverse frequenze fondamentali e dalle loro corrispondenti sfumature. L'esperienza conduce a un modello completamente diverso, espresso dal principio di combinazione di Ritz (1878-1909). Dobbiamo ammettere che la meccanica classica e l'elettrodinamica non sono state in grado di spiegare l'esistenza degli atomi come sistemi sostenibili nuclei atomici ed elettroni. La soluzione a questo problema è stata ottenuta solo nell'ambito della meccanica quantistica.

L'esperienza di Rutherford.

Rutherford Ernst (1871-1937), fisico inglese, uno dei creatori della teoria della radioattività e della struttura dell'atomo, fondatore di una scuola scientifica, membro corrispondente straniero dell'Accademia delle scienze russa (1922) e membro onorario della Accademia delle scienze dell'URSS (1925). Direttore del Laboratorio Cavendish (dal 1919). Ha aperto (1899) i raggi alfa e beta e ne ha stabilito la natura. Crea (1903, insieme a F. Soddy) la teoria della radioattività. Ha proposto (1911) un modello planetario dell'atomo. Effettuata (1919) la prima reazione nucleare artificiale. Predetta (1921) l'esistenza del neutrone. Premio Nobel (1908).

Gli esperimenti hanno dimostrato che alcune delle particelle α sono sparse a grandi angoli, vicino a 180°, cioè vengono rigettate all'indietro. Ciò è possibile solo se la carica positiva dell'atomo è concentrata in una parte centrale molto piccola dell'atomo: il nucleo atomico. Quasi tutta la massa dell'atomo è anche concentrata nel nucleo.

Si è scoperto che i nuclei di vari atomi hanno diametri dell'ordine di 10 -14 - 10 -15 cm, mentre la dimensione dell'atomo stesso è ≈10 -8 cm, cioè 10 4 - 10 5 volte la dimensione di il nucleo.

Pertanto, l'atomo si è rivelato "vuoto".

Sulla base di esperimenti sulla dispersione delle particelle α sui nuclei degli atomi, arrivò Rutherford al modello planetario dell'atomo. Secondo questo modello, un atomo è costituito da un piccolo nucleo caricato positivamente e da elettroni che ruotano attorno ad esso.

Un ulteriore sviluppo di idee sulla struttura degli atomi fu fatto da N. Bohr (1913) sulla base di concetti quantistici.

Lavoro di laboratorio.

La dispersione (cambiando la direzione del movimento) delle particelle α può essere causata solo dalla parte caricata positivamente dell'atomo. Pertanto, in base alla dispersione delle particelle α, è possibile determinare la natura della distribuzione della carica positiva e della massa all'interno dell'atomo. Lo schema degli esperimenti di Rutherford è mostrato in Figura 1. Il fascio di particelle α emesso dal preparato radioattivo è stato separato da un diaframma e poi è caduto su una sottile lamina del materiale in studio (in questo caso, l'oro). Dopo la dispersione, le particelle α colpiscono uno schermo ricoperto di solfuro di zinco. La collisione di ciascuna particella con lo schermo era accompagnata da un lampo di luce (scintillazione), che poteva essere osservato al microscopio.

Con un buon vuoto all'interno del dispositivo, in assenza di lamina, sullo schermo è apparsa una striscia di luce, costituita da scintillazioni provocate da un sottile fascio di particelle α. Ma quando una lamina è stata posizionata nel percorso del raggio, le particelle α sono state distribuite su un'area più ampia dello schermo a causa della dispersione.