krievu valoda
Rezerforda pieredzes darbības princips. Rezerforda pieredzes teorija. Zinātniskie darbi un sasniegumi

Rezerforda pieredzes darbības princips. Rezerforda pieredzes teorija. Zinātniskie darbi un sasniegumi

Izcils zinātnieks, kurš veica vairākus patiesi lieliskus atklājumus ķīmijā un fizikā. Kāds sasniegums pagrieza fiziku uz jaunu attīstības ceļu? Kādas daļiņas atklāja Rezerfords? biogrāfijas detaļas un zinātniskā darbība pētnieks uzzinās vēlāk rakstā.

Dzīves sākums

Rezerforda biogrāfija sākas ar mazo Springgrovas pilsētiņu Jaunzēlandē. Tur 1871. gadā imigrantu ģimenē piedzima topošais fiziķis un zinātnieks. Viņa tēvs, pēc izcelsmes skots, bija kokapstrādes darbinieks un viņam bija savs bizness. No viņa Rezerfords ieguva dizaina iemaņas, kas noderīgas vēlākam darbam.

Pirmie panākumi rodas jau skolā, kur viņš saņēma koledžas stipendiju par izcilām studijām. Ernests Raterfords vispirms studēja Nelsona koledžā, pēc tam iestājās Kenterberijā. Ar izcilu atmiņu un izcilām zināšanām viņš manāmi atšķiras no citiem studentiem.

Raterfords iegūst matemātikas balvu, raksta pirmais zinātniskais darbs fizikā "Dzelzs magnetizācija pie augstfrekvences izlādes". Saistībā ar darbu viņš izgudro vienu no pirmajām ierīcēm magnētisko viļņu atpazīšanai.

1895. gadā fiziķis Raterfords strīdas ar ķīmiķi Maklaurinu par Pasaules izstādes stipendijas piederību. Nejaušības dēļ pretinieks atsakās no balvas, un Rezerfordam tiek dota laba iespēja iekarot zinātniskā pasaule. Viņš dodas uz Angliju Kavendišas laboratorijā un kļūst par zinātņu doktoru Džozefa Tomsona vadībā.

Zinātniskie darbi un sasniegumi

Ierodoties Anglijā, studentam tik tikko pietiks ar stipendijām. Viņš sāk strādāt par pasniedzēju. Rezerforda vadītājs uzreiz atzīmēja viņa lielo potenciālu un nekļūdījās. Tomsons uzaicināja jauno fiziķi pētīt gāzes jonizāciju rentgenstari. Kopā zinātnieki atklāja, ka tas rada pašreizējo piesātinājuma fenomenu.

Pēc veiksmīga darba ar Tomsonu viņš iedziļinās Bekerela staru izpētē, ko vēlāk nosauks par radioaktīvo. Šajā laikā viņš veic savu pirmo svarīgo atklājumu, atklājot iepriekš nezināmu daļiņu esamību, pēta urāna un torija īpašības.

Vēlāk viņš kļūst par Monreālas universitātes profesoru. Kopā ar Frederiku Sodiju zinātnieks izvirza ideju par elementu pārveidošanu sabrukšanas procesā. Tajā pašā laikā Raterfords raksta zinātniskus darbus "Radioaktivitāte" un "Radioaktīvās pārvērtības", kas viņam nes slavu. Viņš kļūst par Karaliskās biedrības biedru, viņam tiek piešķirts muižniecības tituls.

Ernests Raterfords 1908. gadā saņēma Nobela prēmiju par pētījumiem par radioaktīvo elementu sabrukšanu. Zinātnieks atklāja torija emanāciju, elementu mākslīgo transmutāciju, apstarojot slāpekļa kodolus, un uzrakstīja trīs darbu sējumus. Viens no viņa svarīgākajiem sasniegumiem ir atoma kodola modeļa izveide.

Kādas daļiņas atklāja Rezerfords?

Radioaktīvā starojuma izpētē Raterfords nebija pirmais. Pirms viņa šo apgabalu aktīvi pētīja fiziķis Bekerels un Kirī. Radioaktivitātes fenomens tika atklāts pavisam nesen, un enerģija tika uzskatīta par ārēju avotu. Rūpīgi pētot urāna sāļus un to īpašības, Rezerfords pamanīja, ka stari, atklāja Bekerels ir neviendabīgi.

Rezerforda folijas eksperiments parādīja, ka radioaktīvais stars ir sadalīts vairākās daļiņu plūsmās. Alumīnija folija var absorbēt vienu plūsmu, cita var iziet cauri tai. Katrs no tiem ir mazu elementu kopums, ko zinātnieks sauc par alfa un beta daļiņām vai stariem. Divus gadus vēlāk francūzis Viljars atklāja trešo staru veidu, ko pēc Raterforda parauga nosauca par gamma stariem.

Kāda veida daļiņas Rezerfords atklāja, bija milzīga ietekme uz kodolfizikas attīstību. Tika veikts izrāviens, un tika pierādīts, ka enerģija nāk no pašiem urāna atomiem. Alfa daļiņas tika definētas kā pozitīvi lādēti hēlija atomi, beta daļiņas bija elektroni. Gamma daļiņas, kas atklātas vēlāk, ir elektromagnētiskais starojums.

radioaktīvā sabrukšana

Rezerforda atklājums deva impulsu ne tikai fiziskajai zinātnei, bet arī viņam pašam. Viņš turpina studēt radioaktivitāti Monreālas Universitātē Kanādā. Kopā ar ķīmiķi Sodiju viņi veic virkni eksperimentu, ar kuru palīdzību atzīmē, ka atoms mainās tā daļiņu emisijas laikā.

Tāpat kā viduslaiku alķīmiķi, zinātnieki urānu pārvērš svinā, tādējādi radot vēl vienu zinātnisku izrāvienu. Tātad tika atklāts likums, saskaņā ar kuru notiek sabrukšana, Raterfors un Sodijs aprakstīja darbos “Radioaktīvā transformācija” un “Rādija un torija radioaktivitātes salīdzinošais pētījums”.

Pētnieki nosaka sabrukšanas intensitātes atkarību no radioaktīvo atomu skaita paraugā, kā arī no pagājušā laika. Tika atzīmēts, ka laika gaitā sabrukšanas aktivitāte samazinās ģeometriskā progresija. Katrai vielai ir vajadzīgs savs laiks. Pamatojoties uz sabrukšanas ātrumu, Raterfords spēja formulēt pussabrukšanas perioda principu.

Atomu planētu modelis

20. gadsimta sākumā jau tika veikti daudzi eksperimenti, lai pētītu atomu dabu un radioaktivitāti. Rezerfords un Viljards atklāj alfa, beta un gamma starus, savukārt Džozefs Tomsons mēra elektrona lādiņa un masas attiecību un pārliecinās, ka daļiņa ir atoma daļa.

Pamatojoties uz savu atklājumu, Tomsons izveido atoma modeli. Zinātnieks uzskata, ka pēdējam ir sfēriska forma, pa visu virsmu ir sadalītas pozitīvi lādētas daļiņas. Sfēras iekšpusē atrodas negatīvi lādēti elektroni.

Dažus gadus vēlāk Raterfords atspēko sava skolotāja teoriju. Viņš norāda, ka atomam ir pozitīvi uzlādēts kodols. Un ap to, tāpat kā planētas ap sauli, Kulona spēku ietekmē griežas elektroni.

Rezerforda pieredzes shēma

Rezerfords bija izcils eksperimentētājs. Tāpēc, šaubīdamies par Tomsona modeli, viņš nolēma to empīriski atspēkot. Tomsona atomam vajadzēja izskatīties kā sfēriskam elektronu mākonim. Tad alfa daļiņām vajadzētu brīvi iziet cauri folijai.

Eksperimentam Rezerfords uzbūvēja ierīci no svina kastes ar nelielu caurumu, kurā atradās radioaktīvais materiāls. Kaste absorbēja alfa daļiņas visos virzienos, izņemot to, kur atradās caurums. Tas radīja virzītu daļiņu plūsmu. Priekšā bija vairāki svina sieti ar spraugām, lai atsijātu daļiņas, kas novirzījās no noteiktā kursa.

Strauji fokusēts alfa stars, kas šķērsoja visus šķēršļus, tika novirzīts uz ļoti plānu loksni, aiz viņas bija dienasgaismas ekrāns. Katrs daļiņu kontakts ar to tika ierakstīts kā zibspuldze. Tātad bija iespējams spriest par daļiņu novirzi pēc tam, kad tās bija izgājušas cauri folijai.

Pašam Rezerfordam par pārsteigumu daudzas daļiņas novirzījās lielos leņķos, dažas pat 180 grādu leņķī. Tas ļāva zinātniekam pieņemt, ka lielākā daļa atoma ir blīva viela tā iekšpusē, ko vēlāk sauc par kodolu.

Rezerforda pieredzes shēma:

Modeļa kritika

Rezerforda kodolmodelis sākotnēji tika kritizēts, jo tas bija pretrunā klasiskās elektrodinamikas likumiem. Rotējot, elektroniem jāzaudē enerģija un jāizstaro elektromagnētiskie viļņi, bet tas nenotiek, kas nozīmē, ka viņi atrodas miera stāvoklī. Šajā gadījumā elektroniem vajadzētu nokrist uz kodola, nevis griezties ap to.

Ar šo fenomenu tika galā Niels Bohr. Viņš nosaka, ka katram elektronam ir sava orbīta. Kamēr elektrons atrodas uz tā, tas neizstaro enerģiju, bet tam ir paātrinājums. Zinātnieks iepazīstina ar kvantu jēdzienu – enerģijas porcijām, kas izdalās, elektroniem pārvietojoties uz citām orbītām.

Tādējādi Nīls Bors kļuva par vienu no jaunas zinātnes nozares dibinātājiem - kvantu fizika. Rezerforda modeļa pareizība ir pierādīta. Līdz ar to matērijas jēdziens un tās kustība ir pilnībā mainījusies. Un modeli dažreiz sauc par Bora-Ruterforda atomu.

Ernests Raterfords saņēma Nobela prēmiju, pirms viņš paveica savas dzīves svarīgāko sasniegumu – atklāja atoma kodolu un izveidoja atoma planētu modeli.

Rezerforda ievērojamais atklājums izraisīja jaunas nozares rašanos, kas pēta atoma kodola struktūru. To sauca par kodolfiziku vai kodolfiziku.

Fiziķim bija ne tikai pētniecības, bet arī pedagoģiskā talants. Divpadsmit viņa skolēni bija Nobela prēmijas laureāti fizikā un ķīmijā. Viņu vidū ir Frederiks Sodijs, Henrijs Mozelijs, Oto Hāns un citas slavenas personības.

Zinātniekam bieži tiek piedēvēts slāpekļa atklājums, kas ir kļūdains. Galu galā ar to slavens kļuva pavisam cits Raterfords. Gāzi atklāja botāniķis un ķīmiķis Daniels Raterfords, kurš dzīvoja gadsimtu agrāk nekā izcilais fiziķis.

Secinājums

Britu zinātnieks Ernests Raterfords kolēģu vidū kļuva slavens ar vēlmi pēc eksperimentiem. Savas dzīves laikā zinātnieks veica daudzus eksperimentus, pateicoties kuriem viņam izdevās atklāt alfa un beta daļiņas, formulēt sabrukšanas un pussabrukšanas likumu un izstrādāt atoma planētu modeli. Pirms viņa tika uzskatīts, ka enerģija ir ārējs avots. Taču pēc tam, kad zinātniskā pasaule uzzināja, kādas daļiņas bija atklājis Raterfords, fiziķi mainīja savas domas. Zinātnieka sasniegumi palīdzēja gūt milzīgus panākumus fizikas un ķīmijas attīstībā, kā arī veicināja tādas nozares kā kodolfizika rašanos.

α-daļiņas ir pilnībā jonizēti hēlija atomi. Tos atklāja Rezerfords 1899. gadā, pētot radioaktivitātes fenomenu. Ar šīm daļiņām Rezerfords bombardēja smago elementu atomus (zeltu, sudrabu, varu utt.). Elektroni, kas veido atomus, to mazās masas dēļ nevar manāmi mainīt α-daļiņas trajektoriju. Izkliedi, tas ir, α-daļiņu kustības virziena izmaiņas, var izraisīt tikai smaga pozitīvi lādēta atoma daļa.

No radioaktīvā avota, kas ievietots svina traukā, α-daļiņas tika novirzītas uz plānas metāla folijas. Izkliedētas daļiņas ietriecas ekrānā, kas pārklāts ar cinka sulfīda kristālu slāni, kas ātri uzlādētu daļiņu ietekmē spēj mirdzēt. Ar aci, izmantojot mikroskopu, ekrānā tika novērotas scintilācijas (zibspuldzes). Izkliedēto α-daļiņu novērojumus Rezerforda eksperimentā varēja veikt dažādos leņķos φ pret staru kūļa sākotnējo virzienu. Tika konstatēts, ka lielākā daļa alfa daļiņu iziet cauri plānam metāla slānim ar nelielu novirzi vai bez tā. Tomēr neliela daļiņu daļa tiek novirzīta ievērojamos leņķos, kas pārsniedz 30°. Ļoti retas alfa daļiņas (apmēram viena no desmit tūkstošiem) tika novirzītas leņķos, kas bija tuvu 180°.

Šie apsvērumi lika Rezerfordam secināt, ka atoms ir gandrīz tukšs, un viss tā pozitīvais lādiņš ir koncentrēts nelielā tilpumā. Rezerfords šo atoma daļu sauca par kodolu. Tā radās atoma kodolmodelis.

Tādējādi Raterforda un viņa kolēģu eksperimenti lika secināt, ka atoma centrā atrodas blīvs pozitīvi lādēts kodols, kura diametrs nepārsniedz 10–14–10–15 m. Šis kodols aizņem tikai 10– 12 no kopējā atoma tilpuma, bet satur visu pozitīvo lādiņu un ne mazāk kā 99,95% no tā masas. Vielai, kas veido atoma kodolu, bija jāpiešķir milzīgs blīvums ρ ≈ 10 15 g/cm 3 . Kodola lādiņam jābūt vienādam ar visu elektronu, kas veido atomu, kopējo lādiņu. Pēc tam tika konstatēts, ka, ja elektrona lādiņu ņem par vienotību, tad kodola lādiņš ir tieši vienāds ar šī elementa skaitu periodiskajā tabulā.

Radikālie secinājumi par atoma struktūru, kas izrietēja no Rezerforda eksperimentiem, daudziem zinātniekiem lika šaubīties par to pamatotību. Arī pats Raterfords nebija izņēmums, savu pētījumu rezultātus publicējot tikai 1911. gadā, divus gadus pēc pirmo eksperimentu veikšanas. Pamatojoties uz klasiskajām idejām par mikrodaļiņu kustību, Rezerfords ierosināja atoma planētu modeli. Saskaņā ar šo modeli atoma centrā atrodas pozitīvi uzlādēts kodols, kurā ir koncentrēta gandrīz visa atoma masa. Atoms kopumā ir neitrāls. Elektroni griežas ap kodolu, tāpat kā planētas, no kodola nākušo Kulona spēku ietekmē (6.1.4. att.). Elektroni nevar būt miera stāvoklī, jo tie nokristu uz kodola.

Rutherford Ernst (1871-1937), angļu fiziķis, viens no radioaktivitātes teorijas un atoma uzbūves radītājiem, dibinātājs zinātniskā skola, Krievijas Zinātņu akadēmijas ārvalstu korespondentloceklis (1922) un PSRS Zinātņu akadēmijas goda loceklis (1925). Direktors Cavendish laboratorija(kopš 1919. gada). Atvēra (1899) alfa un beta starus un noteica to būtību. Radīja (1903, kopā ar F. Sodiju) radioaktivitātes teoriju. Viņš ierosināja (1911) atoma planētu modeli. Veikts (1919) pirmais mākslīgais kodolreakcija. Paredzēja (1921) neitrona esamību. Nobela prēmija (1908).

Rezerforda eksperiments (1906) par ātri uzlādētu daļiņu izkliedi, ejot cauri plāniem vielas slāņiem, ļāva izpētīt atomu iekšējo struktūru. Šajos eksperimentos atomu zondēšanai tika izmantotas α-daļiņas - pilnībā jonizēti hēlija atomi -, kas radās rādija un dažu citu elementu radioaktīvās sabrukšanas rezultātā. Rezerfords ar šīm daļiņām bombardēja smago metālu atomus.

Rezerfords zināja, ka atomi sastāv no vieglām negatīvi lādētām daļiņām – elektroniem un smagas pozitīvi lādētas daļiņas. Eksperimentu galvenais mērķis ir noskaidrot, kā pozitīvais lādiņš tiek sadalīts atoma iekšienē. α-daļiņu izkliedi (tas ir, kustības virziena izmaiņas) var izraisīt tikai pozitīvi lādētā atoma daļa.

Eksperimenti ir parādījuši, ka dažas α-daļiņas ir izkliedētas lielos leņķos, tuvu 180˚, tas ir, tās tiek izmestas atpakaļ. Tas ir iespējams tikai tad, ja atoma pozitīvais lādiņš ir koncentrēts ļoti mazā atoma centrālajā daļā - atoma kodols. Gandrīz visa atoma masa ir koncentrēta arī kodolā.

Izrādījās, ka dažādu atomu kodolu diametrs ir 10 -14 - 10 -15 cm, savukārt paša atoma izmērs ir ≈10 -8 cm, tas ir, 10 4 - 10 5 reizes lielāks par kodols.

Tādējādi atoms izrādījās "tukšs".

Pamatojoties uz eksperimentiem par α - daļiņu izkliedi uz atomu kodoliem, Raterfords nonāca pie atoma planētas modeļa. Saskaņā ar šo modeli atoms sastāv no maza pozitīvi lādēta kodola un elektroniem, kas griežas ap to.

No klasiskās fizikas viedokļa šādam atomam jābūt nestabilam, jo elektroniem, kas pārvietojas orbītās ar paātrinājumu, nepārtraukti jāizstaro elektromagnētiskā enerģija.

Tālāka attīstība idejas par atomu uzbūvi radīja N. Bors (1913), pamatojoties uz kvantu jēdzieniem.

Laboratorijas darbi.

Šo eksperimentu var veikt, izmantojot īpašu ierīci, kuras zīmējums ir parādīts 1. attēlā. Šī ierīce ir svina kaste ar pilnu vakuumu tajā un mikroskopu.

α-daļiņu izkliedi (kustības virziena maiņu) var izraisīt tikai pozitīvi lādētā atoma daļa. Tādējādi pēc α-daļiņu izkliedes ir iespējams noteikt sadalījuma raksturu pozitīvs lādiņš un masas atomā. Rezerforda eksperimentu shēma ir parādīta 1. attēlā. Radioaktīvā preparāta izstarotais α-daļiņu stars tika atdalīts ar diafragmu un pēc tam nokrita uz pētāmā materiāla (šajā gadījumā zelta) plānas folijas. Pēc izkliedes α-daļiņas ietriecās ekrānā, kas pārklāts ar cinka sulfīdu. Katras daļiņas sadursme ar ekrānu tika pavadīta ar gaismas zibspuldzi (scintilāciju), ko varēja novērot mikroskopā.

Ar labu vakuumu ierīces iekšpusē, ja nebija folijas, uz ekrāna parādījās gaismas josla, kas sastāvēja no scintilācijām, ko izraisīja plāns α-daļiņu stars. Bet, kad stara ceļā tika ievietota folija, α-daļiņas izkliedes dēļ tika izplatītas. lielāka platība ekrāns.

Mūsu eksperimentā ir jāizpēta α-daļiņa, kas, veidojot 180° leņķi, tiek virzīta uz zelta serdi (2. att.) un jāseko α-daļiņas reakcijai, t.i. kādā minimālā attālumā α-daļiņa tuvosies zelta kodolam (3. att.).

Rīsi. 2

3. att

V 0 \u003d 1,6 * 10 7 m / s - sākotnējais ātrums

Kāds ir minimālais attālums r min starp α-daļiņu un kodolu, ko var realizēt šajā eksperimentā? (4. att.)

4. att

Mūsu eksperimentā α-daļiņa ir attēlota kā atoms

m neitrāls kg

Z=2 - protoni

N = Au - Z = 4 - 2 = 2 neitroni

Z=79 - protonu skaits

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

Cl 2 / H ∙m 2 - elektriskā konstante

m 2 \u003d 6,6 ∙ 10 -27 kg

Z He ∙2∙ - kodollādiņš (He) Z Au ∙ - kodollādiņš (Au)

α-daļiņas lādiņš ir 2 elementāri.

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

Secinājums: Šajā eksperimentā bija iespējams noskaidrot, ka a-daļiņa varēja pietuvoties atoma kodolam minimālā attālumā, kas bija r min = 4,3 10 -14 m, un atgriezties atpakaļ pa to pašu trajektoriju, pa kuru tā sāka kustēties.

Kad Rezerfords pirmo reizi veica to pašu eksperimentu ar šādu a-daļiņas izvietojumu attiecībā pret 180° leņķi, viņš pārsteigts sacīja: “Tas ir gandrīz tikpat neticami, it kā jūs raidītu 15 collu šāviņu plāna papīra gabals, un šāviņš atgriezās pie jums un trāpīja jums."

Un patiesībā tas nav iespējams, fakts ir tāds, ka, veicot šo eksperimentu mazākos leņķos, tad a - daļiņa noteikti atsitīsies uz sāniem, tāpat kā vairākus desmitus gramu smags akmentiņš sadursmē ar automašīnu nav spēj manāmi mainīt savu ātrumu (5. att.). Tā kā to masa ir aptuveni 8000 reižu lielāka par elektrona masu, un pozitīvais lādiņš pēc moduļa ir vienāds ar divkāršu elektrona lādiņu. Tie nav nekas cits kā pilnībā jonizēti hēlija atomi. α-daļiņu ātrums ir ļoti liels: tas ir 1/15 no gaismas ātruma. Līdz ar to mazās masas dēļ elektroni nevar manāmi mainīt α-daļiņas trajektoriju.

Rīsi. 5

Ir neitrāli mikroobjekti (piemēram, fotons, neitrīno, neitrons). Sarežģīta mikroobjekta elektriskais lādiņš ir vienāds ar algebriskā summa to veidojošo daļiņu lādiņi. 4. Ideja par korpuskulāro viļņu duālismu kā metodoloģisku principu Klasiskā fizika ievieš divus kustības veidus - korpuskulāro un viļņu. Pirmo raksturo objekta lokalizācija telpā un ...

TV raidījums no aknām u.c.. Kuriozi efekti un asprātīgi risinājumi: cilvēka radioaktivitāte, radioaktīvais siers, fotogrāfijās trūkstošo attēlu atjaunošana, neredzamu cilvēku autogrāfi. Meklēšanas un izpētes metodes fizikas mācīšanā Ievads No mītiem līdz vienkāršiem faktiem. Vajadzība iepazīt pasauli sākumā izraisīja mēģinājumus izskaidrot pasauli uzreiz kopumā, lai nekavējoties saņemtu atbildes uz ...

Dokumentālās izglītības filmas. Sērija "Fizika".

20. gadsimta pirmajā ceturksnī tika konstatēts, ka atoms sastāv no pozitīvi lādēta kodola un elektronu apvalka, kas to ieskauj. Kodola lineārie izmēri ir aptuveni 10"13-10"12 cm. Paša atoma* izmēri, ko nosaka elektronu apvalks, ir aptuveni 105 reizes lielāki. Tomēr gandrīz visa atoma masa (vismaz 99,95%) ir koncentrēta kodolā. Tas ir saistīts ar faktu, ka kodols sastāv no "smagajiem" protoniem un neitroniem, bet elektronu apvalks sastāv tikai no "vieglajiem" elektroniem (mp - 1836,15 me, mp = 1838,68 me). Elektronu skaits neitrāla atoma apvalkā ir vienāds ar kodola lādiņu, ja ņem elementārais lādiņš(t.i., elektrona lādiņš absolūtā vērtībā). Bet elektronu apvalks var zaudēt vai iegūt elektronus. Tad atoms kļūst elektriski uzlādēts, tas ir, tas pārvēršas par pozitīvu vai negatīvu jonu.

Atoma ķīmiskās īpašības nosaka elektronu apvalks, precīzāk, tā ārējie elektroni. Šādi elektroni ir salīdzinoši vāji saistīti ar atomu un tāpēc ir visvairāk jutīgi pret blakus esošo atomu ārējo elektronu elektrisko ietekmi. Tas pats attiecas uz pievilkšanas vai atgrūšanas spēkiem starp neitrāliem atomiem un molekulām (uz molekulārajiem spēkiem). Turpretim protoni un neitroni ir cieši saistīti kodolā. Lai iedarbotos uz kodolu, ir vajadzīgi spēki, kas ir miljoniem reižu lielāki par tiem spēkiem, kas ir pietiekami, lai noplēstu atoma ārējos elektronus. Tomēr galu galā tiek noteikta elektronu apvalka struktūra un īpašības elektriskais lauks atoma kodols.

Ja parādītais atoma modelis ir patiess, tad atomam jābūt ļoti caurspīdīgam tajā iekļūstošajām daļiņām. Elektronu staram to jau noteica Lenards. Tomēr pēdējo eksperimentālo pierādījumu šim atoma modelim sniedza Raterfords (1871-1937) 1911. gadā. Tāpēc to pamatoti sauc par Raterforda modeli. Pēc Rutherforda ierosinājuma un vadībā viņa studenti Geigers un Marsdens (1889-1970) kvantitatīvi pētīja radioaktīvo vielu emitēto α-daļiņu izkliedi. Savos eksperimentos paralēls α-daļiņu stars tika virzīts vakuumā uz plānas metāla folijas un izkliedēts pa to. Izkliedēto α-daļiņu noteikšanai tika izmantota vizuāla metode. Saskaroties ar cinka sulfīda fluorescējošu ekrānu, α-daļiņa atstāja uz tā zibspuldzi (sciptilāciju). Atsevišķas scintilācijas varēja novērot tumsā caur palielināmo stiklu vai mikroskopu. Un eksperimentētāji saskaitīja šādas scintilācijas.

Izrādījās, ka lielākā daļa α-daļiņu bija izkliedētas mazos leņķos 1-3°. Šādu daļiņu leņķiskais sadalījums bija labi aprakstīts ar līkni nejaušas kļūdas Gauss (1777-1855). Tomēr tika novērotas arī atsevišķas α-daļiņas, kas novirzījās lielos leņķos, sasniedzot līdz 150 °. Šādu daļiņu relatīvais skaits bija niecīgs. Piemēram, kad α-daļiņu stars no RaC izgāja caur platīna foliju, no 8000 krītošajām daļiņām vidēji tikai viena daļiņa tika novirzīta leņķī, kas pārsniedz 90°. Bet pat tas būtu par daudz, ja lielas novirzes rastos daudzu nejaušu noviržu uzkrāšanās rezultātā.

Rezerfords secināja, ka katra lielā novirze parādās kā viena praktiski punktveida spēka centra mijiedarbības akts ar tuvu lidojošu α-daļiņu. Šāds spēka centrs ir pozitīvi uzlādēts atoma kodols. Pati alfa daļiņa ir arī atoma kodols, proti, hēlija atoma kodols. To apstiprina fakts, ka α-daļiņu var iegūt hēlija atoma divkāršas jonizācijas rezultātā, kā to jau iepriekš noteica tas pats Raterfords. Elektrostatiskā mijiedarbība starp šiem diviem kodoliem un izraisa α-daļiņu izkliedi lielos leņķos.

Iepriekšminēto apstiprina fotogrāfijas ar α-daļiņu pēdām mākoņu kamerā. Parasti α-daļiņas trases beigas neatšķiras ne ar kādām pazīmēm. Bet reizēm ir sliedes, kas beidzas ar līkumiem un dakšām. Sadursmes rezultātā α-daļiņas kustības virziens krasi mainās, un kustībā iekustējušais kodols atstāja jaunu sliežu ceļu, kas kopā ar pašas α-daļiņas trasi veidoja “dakšiņu” .

Rezerfords arī izstrādāja kvantitatīvu α-daļiņu izkliedes teoriju. Šajā teorijā Kulona likums tiek piemērots α-daļiņas mijiedarbībai ar kodolu. Tā, protams, ir hipotēze, jo alfa daļiņa var tuvoties kodolam 10–12 cm attālumā, un Kulona likums šādos attālumos nav eksperimentāli pārbaudīts. Protams, α-daļiņas kustību kodola laukā Rezerfords uzskatīja klasiski. Visbeidzot, tiek pieņemts, ka kodola masa ir liela salīdzinājumā ar α-daļiņas masu, tāpēc kodolu var uzskatīt par nekustīgu. No pēdējā pieņēmuma ir viegli atbrīvoties, aizstājot α-daļiņas masu ar samazināto masu.

Rezerforda eksperimentos izmantoja ļoti plānas metāla folijas, kuru biezums ir aptuveni 10"5-10"4 cm. lielas novirzes ir niecīgas. Izkliedes varbūtība lielos leņķos un ar elektroniem ir niecīga to masu mazuma dēļ. Vairākas sadursmes. ar kodoliem un ar atomu apvalku elektroniem ir nozīme tikai pie ļoti maziem izkliedes leņķiem.Šādus leņķus izslēdzam no izskatīšanas.Tad ņemot vērā α-daļiņas mijiedarbību tikai ar vienu kodolu,kuram α-daļiņa ir vistuvāk. , nonākam pie divu ķermeņu problēmas.No visiem pārējiem kodoliem α-daļiņa virzās daudz tālāk, un tāpēc mijiedarbība ar tiem tiek atstāta novārtā.Tādējādi Rezerforda teorija ir piemērojama lielām novirzēm, kad novirzi izraisa tikai viena kodola elektriskais lauks, lai, salīdzinot ar šo novirzi, visas pārējās novirzes Ietekme, kopā ņemot, ir niecīga. Attiecīgo izkliedi sauc par Rezerforda izkliedi. Tā ir elastīga tādā nozīmē, ka a-daļiņas kinētiskā enerģija nemainās izkliedes rezultātā, t.i. netiek izšķiests atomu un vēl jo vairāk atomu kodolu ierosināšanai.

Formulētā problēma formāli ir līdzīga Keplera (1571-1630) problēmai par planētas kustību ap Sauli. Un šur tur ķermeņu mijiedarbības spēks ir centrāls un mainās apgriezti atkarībā no attāluma starp tiem kvadrātā. Planētas gadījumā tas ir pievilkšanās spēks, α-daļiņas gadījumā – atgrūšanas spēks. Tas izpaužas faktā, ka planēta (atkarībā no tās kopējās enerģijas) var pārvietoties gan pa elipsi, gan pa hiperbolu, bet α-daļiņa var pārvietoties tikai pa hiperbolu. Bet matemātiskajos aprēķinos tam nav nozīmes. α-daļiņas izkliedes leņķis û vienāds ar leņķi starp tās hiperboliskās trajektorijas asimptotiem.

Viņam tika iegūta formula:

Šeit m ir α-daļiņas masa, v ir tās ātrums "bezgalībā", t.i. prom no kodola, Ze ir kodola lādiņš, 2e ir α-daļiņas lādiņš, kas vienāds ar divkāršu elementārlādiņu e. (Ciparu Z sauc par kodola lādiņa numuru. Īsuma labad to bieži sauc vienkārši par kodollādiņu, kas nozīmē, ka elementārais lādiņš e tiek pieņemts kā vienotība.) b apzīmē mērķēšanas attālumu, t.i. perpendikula garums, kas nokrita no kodola līdz netraucētai a-daļiņas taisnajai trajektorijai (vai, kas ir tas pats, līdz reālās trajektorijas pieskarei, kad a-daļiņa atradās bezgalīgi tālu no kodola).

Protams, ne pati formula ir pieejama eksperimentālai pārbaudei atomu parādību jomā, bet gan tās statistiskās sekas. Ieviesīsim tā saukto diferenciālās efektīvās izkliedes šķērsgriezumu. Apzīmē ar es uz kodolu krītoša plakanparalēlā α-daļiņu stara intensitāte, t.i. staru kūļa α-daļiņu skaits, kas laika vienībā iziet cauri plūsmai perpendikulāri laukuma vienībai. No šī skaitļa d iet caur elementāro laukumu do, arī perpendikulāri plūsmai. N 1 =es do α-daļiņas. Pēc izkliedes šīs daļiņas iekrīt elementārajā telpiskā leņķī dΩ. Protams, telpiskā leņķa dΩ vērtību un tā ass virzienu nosaka laukuma do lielums un novietojums. Tāpēc d N 1 nozīmē arī to α-daļiņu skaitu, kuras kodols izkliedē laika vienībā telpiskā leņķī dΩ. Attiecība d N1 uz es ir vienāds ar darāmo, un tam ir laukuma izmērs. To sauc par diferenciālo efektīvo kodola šķērsgriezumu α-daļiņu izkliedei telpiskā leņķī dΩ. Šis jēdziens tiek piemērots ne tikai α-daļiņu, bet arī jebkuru daļiņu izkliedei, kā arī citiem procesiem, kas notiek ar daļiņām. Tādējādi pēc definīcijas t.i. diferenciālās efektīvās izkliedes šķērsgriezums ir atoma izkliedēto daļiņu skaita attiecība uz laika vienību telpiskā leņķī dΩ pret intensitāti es krītošās daļiņas. Tādējādi pēc definīcijas t.i. diferenciālās efektīvās izkliedes šķērsgriezums ir daļiņu skaita, izkliedēto atomu laika vienībā uz telpiskā leņķa dΩ, skaita attiecība pret intensitāti es krītošās daļiņas.

Tagad noteiksim diferenciālo šķērsgriezumu α-daļiņu izkliedei ar atsevišķu atoma kodolu. Problēma tiek samazināta līdz apgabala do izmēra noteikšanai, caur kuru α-daļiņa pēc izkliedes iekrīt noteiktā telpiskā leņķī dΩ. Par X asi pieņemsim α-daļiņas taisnu trajektoriju, kurai atbilst trieciena attālums b = 0 (šāda daļiņa piedzīvotu frontālo sadursmi ar kodolu). Izmantojot cilindrisku simetriju, vienkāršības labad mēs aizstājam do ar gredzenveida laukumu do = 2πbdb, kas ir perpendikulāra plūsmai. Šādas vietas iekšējais rādiuss ir vienāds ar b, ārējais rādiuss ir b + db, un centrs atrodas uz X ass Intervāls b, b + db atbilst izkliedes leņķu intervālam û, û + dû, un pēc formulas

Ieviešot telpisko leņķi, kurā tiek izkliedētas α-daļiņas, kas iet caur gredzenveida laukumu, ir viegli iegūt

Šajā formā formula ir derīga jebkurai elementārai vietnei, nevis tikai gredzenam. To sauc par Rezerforda formulu.

Ieviesīsim kopējās izkliedes šķērsgriezuma jēdzienu vai kādu citu procesu. To definē kā attiecību starp to daļiņu kopskaitu, kurām ir bijis aplūkots process, laika vienībā pret krītošā daļiņu stara intensitāti. Kopējo šķērsgriezumu ð var iegūt no diferenciālā šķērsgriezuma do, integrējot to visās iespējamās dΩ vērtībās. α-daļiņu izkliedes gadījumā formulā vispirms jāievieto dΩ = 2psinðdð un pēc tam jāveic integrācija diapazonā no ð =0 līdz ð = n. Tas dod ð = ∞. Šāds rezultāts ir saprotams. Jo tālāk laukums do tiek noņemts no X ass, jo mazāks ir izkliedes leņķis ð. Daļiņas, kas iet caur attāliem apgabaliem, praktiski netiek novirzītas, t.i., tās iet tuvumā izkliedes leņķim ð = 0. Šādu laukumu kopējā platība un līdz ar to kopējais izkliedēto daļiņu skaits ir bezgalīgi liels. Arī kopējais izkliedes šķērsgriezums ir bezgala liels. Tomēr šim secinājumam ir formāls raksturs, jo mazos izkliedes leņķos Raterforda formula nav piemērojama.

Tagad mēs izveidojam formulu veidlapā, kas ir pieejama eksperimentālai pārbaudei. α-daļiņu izkliedes akti pa dažādiem atomiem ir neatkarīgi. No tā izriet, ka, ja n ir kodolu (atomu) skaits tilpuma vienībā, tad α-daļiņu skaitu, kas izkliedētas par tilpumu V laika vienībā telpiskā leņķī dΩ, nosaka izteiksme

Šajā formā Rezerforda formula tika apstiprināta eksperimentāli. Jo īpaši eksperimentāli ir pierādīts, ka, ja dΩ ir nemainīgs, dN sin4 (ð/2) vērtība ir nemainīga, t.i., nav atkarīga no izkliedes leņķa ð, kā tam vajadzētu būt pēc formulas.

Rezerforda formulas eksperimentālo apstiprinājumu var uzskatīt par Kulona likuma netiešu pierādījumu tik mazos attālumos, kādiem var tuvoties a-daļiņas centri un kodols, kas mijiedarbojas ar to. Vēl viens pierādījums ir Bleketa (1897-1974) eksperimenti par α-daļiņu izkliedi gāzēs. Mākoņu kamerā tika nofotografēts liels skaits α-daļiņu pēdu, izmērītas to leņķiskās novirzes un aprēķināts, cik bieži rodas noteikti izkliedes leņķi. Šie eksperimenti apstiprināja arī Rezerforda formulu. Bet galvenais mērķis tas bija Kulona likuma pārbaudījums. Izrādījās, ka attālumos starp α-daļiņas centriem un mijiedarbojošo kodolu gaisa gadījumā no līdz cm, bet argona gadījumā no līdz cm Kulona likums tiek apstiprināts eksperimentāli. No tā neizriet, ka šis likums ir spēkā jebkurā attālumā starp mijiedarbībā esošo kodolu centriem. Eksperimenti ar paātrinātāju paātrinātu vieglo kodolu elastīgo izkliedi arī uz viegliem, bet nekustīgiem kodoliem parādīja, ka ir krasas novirzes no Kulona likuma, kad norādītais attālums samazinās līdz cm vai mazāk. Šādos attālumos pievilcīgie kodolspēki iedarbojas, pārspējot kodolu Kulona atgrūšanas spēkus.

Formulu var izmantot kodollādiņa mērīšanai. Lai to izdarītu, jums jāmēra dN un es. Pēc tam jūs varat aprēķināt Z, jo visus citus lielumus formulā var uzskatīt par zināmiem. Galvenā grūtība ir tā, ka daudzumi dN un es ir ļoti atšķirīgi viens no otra. Pirmajos eksperimentos tie tika mērīti dažādos iestatījumos, t.i., dažādos apstākļos, kas radīja būtiskas kļūdas. Čedvika (1891-1974) eksperimentos šis trūkums tika novērsts. Izkliedējošajai folijai bija AA" gredzena forma (skat. att.), uz gredzena ass vienādos attālumos no tās tika uzstādīts radioaktīvais preparāts R (α-daļiņu avots) un no ZnS izgatavotais fluorescējošais ekrāns S. .

Lai skaitītu scintilācijas no α-daļiņām, kuras izkaisītas ar foliju, gredzena AA" apertūra tika pārklāta ar ekrānu, kas ir necaurspīdīgs α-daļiņām. Un otrādi, lai izmērītu es scintilācijas tika skaitītas, kad caurums bija brīvs un AA gredzens bija aizvērts.Tā kā šajā gadījumā scintilāciju skaits bija ļoti liels, ekrāna S priekšā tika uzstādīts rotējošs disks ar šauru izgriezumu, lai to samazinātu.Zinot platumu izgriezumu un skaitot scintilāciju skaitu, varam aprēķināt es. Čedviks atrada Z = 77,4 platīnam, Z = 46,3 sudrabam un Z = 29,3 vara. Kodolenerģijas vai kārtas numurišie elementi periodiska sistēma Mendeļejevam ir attiecīgi 78, 47, 29 gadi. zināms rezultāts, ko pirmo reizi noteica Moseley (1887-1915), ka kodollādiņš Z ir tāds pats kā elementa atomu skaits.

Atgriezīsimies pie atoma modeļa, ko pamato Rezerforda eksperimenti. Vai atoma kodols un to apņemošais elektronu apvalks var veidot stabilu sistēmu, kas, protams, ir atoms? Ja tas būtu iespējams, tad šīs daļiņas nevarētu būt miera stāvoklī. Pretējā gadījumā rastos elektrostatiska (praktiski) punktveida lādiņu sistēma, starp kurām iedarbojas Kulona spēki, un šāda sistēma saskaņā ar Ernšova teorēmu ir nestabila. Kulona spēki mainās apgriezti atkarībā no attāluma starp mijiedarbīgajām daļiņām. Taču mainās arī gravitācijas spēki starp planētu sistēmas ķermeņiem. Planētu sistēmas stabilitāti nodrošina planētu rotācija ap Sauli. Tāpēc Rezerfords dabiski nonāca pie atoma planētas modeļa, kurā elektroni griežas ap kodolu.

Taču saskaņā ar klasisko elektrodinamiku, lādiņam kustoties, mainās arī elektromagnētiskais lauks, kura avots ir lādiņš. It īpaši, elektriskais lādiņš, pārvietojoties ar paātrinātu ātrumu, izstaro elektromagnētiskos viļņus. Rotējošam elektronam ir paātrinājums, un tāpēc tam ir nepārtraukti jāizstaro. Zaudējot enerģiju starojuma dēļ, elektrons nepārtraukti tuvotos kodolam un galu galā nokristu uz tā. Tādējādi pat kustības klātbūtnē tiek iegūts nestabils atoma modelis. Varētu pieņemt, ka Kulona likums un citi likumi, kas nosaka elektromagnētisko lauku elektrodinamikā, tiek pārkāpti elementārdaļiņu un mazu attālumu gadījumā. Varētu ņemt vērā kodolspēkus un ieviest mums nezināmus hipotētiskus spēkus, kas nodrošina atoma stabilitāti. Bet tas situāciju neglābj. Neatkarīgi no spēkiem, saskaņā ar visparīgie principi Saskaņā ar klasisko mehāniku atoma starojuma spektram jāsastāv no vairākām pamatfrekvencēm un tām atbilstošajiem virstoņiem. Pieredze noved pie pavisam cita modeļa, ko izsaka Ritz (1878-1909) kombinācijas princips. Jākonstatē, ka klasiskā mehānika un elektrodinamika nespēja izskaidrot atomu esamību kā ilgtspējīgas sistēmas atomu kodoli un elektroni. Šīs problēmas risinājums tika iegūts tikai kvantu mehānikas ietvaros.

Rezerforda pieredze.

Raterfords Ernsts (1871-1937), angļu fiziķis, viens no radioaktivitātes teorijas un atoma uzbūves radītājiem, zinātniskās skolas dibinātājs, Krievijas Zinātņu akadēmijas ārvalstu korespondentloceklis (1922) un Krievijas Zinātņu akadēmijas goda loceklis. PSRS Zinātņu akadēmija (1925). Cavendish laboratorijas direktors (kopš 1919). Atvēra (1899) alfa un beta starus un noteica to būtību. Radīja (1903, kopā ar F. Sodiju) radioaktivitātes teoriju. Viņš ierosināja (1911) atoma planētu modeli. Veica (1919) pirmo mākslīgo kodolreakciju. Paredzēja (1921) neitrona esamību. Nobela prēmija (1908).

Eksperimenti ir parādījuši, ka dažas α-daļiņas ir izkliedētas lielos leņķos, tuvu 180˚, tas ir, tās tiek izmestas atpakaļ. Tas ir iespējams tikai tad, ja atoma pozitīvais lādiņš ir koncentrēts ļoti mazā atoma centrālajā daļā – atoma kodolā. Gandrīz visa atoma masa ir koncentrēta arī kodolā.

Izrādījās, ka dažādu atomu kodolu diametrs ir 10 -14 - 10 -15 cm, savukārt paša atoma izmērs ir ≈10 -8 cm, tas ir, 10 4 - 10 5 reizes lielāks par kodols.

Tādējādi atoms izrādījās "tukšs".

Pamatojoties uz eksperimentiem par α-daļiņu izkliedi uz atomu kodoliem, Raterfords nāca uz atoma planētu modeli. Saskaņā ar šo modeli atoms sastāv no maza pozitīvi lādēta kodola un elektroniem, kas griežas ap to.

No klasiskās fizikas viedokļa šādam atomam jābūt nestabilam, jo elektroniem, kas pārvietojas orbītās ar paātrinājumu, nepārtraukti jāizstaro elektromagnētiskā enerģija.

Tālāku ideju attīstību par atomu uzbūvi veica N. Bors (1913), pamatojoties uz kvantu jēdzieniem.

Laboratorijas darbi.

Šo eksperimentu var veikt, izmantojot īpašu ierīci, kuras zīmējums ir parādīts 1. attēlā. Šī ierīce ir svina kaste ar pilnu vakuumu tajā un mikroskopu.

α-daļiņu izkliedi (kustības virziena maiņu) var izraisīt tikai pozitīvi lādētā atoma daļa. Tādējādi pēc α-daļiņu izkliedes ir iespējams noteikt pozitīvā lādiņa un masas sadalījuma raksturu atoma iekšienē. Rezerforda eksperimentu shēma ir parādīta 1. attēlā. Radioaktīvā preparāta izstarotais α-daļiņu stars tika atdalīts ar diafragmu un pēc tam nokrita uz pētāmā materiāla (šajā gadījumā zelta) plānas folijas. Pēc izkliedes α-daļiņas ietriecās ekrānā, kas pārklāts ar cinka sulfīdu. Katras daļiņas sadursme ar ekrānu tika pavadīta ar gaismas zibspuldzi (scintilāciju), ko varēja novērot mikroskopā.

Ar labu vakuumu ierīces iekšpusē, ja nebija folijas, uz ekrāna parādījās gaismas josla, kas sastāvēja no scintilācijām, ko izraisīja plāns α-daļiņu stars. Bet, kad sijas ceļā tika ievietota folija, α-daļiņas izkliedes dēļ tika izplatītas lielākā ekrāna laukumā.