Блестящий ученый, совершивший несколько поистине великих открытий по химии и физике. Какое достижение повернуло физику по новому пути развития? Какие частицы открыл Резерфорд? Подробности биографии и научной деятельности исследователя узнайте далее в статье.

Начало жизненного пути

Биография Резерфорда начинается с маленького городка Спринг-Грув в Новой Зеландии. Там в 1871 году в семье переселенцев и родился будущий физик и ученый. Его отец, шотландец по происхождению, был мастером по деревообработке и имел собственное предприятие. От него Резерфорд приобрел полезные для последующей работы навыки конструирования.

Первые успехи происходят уже в школе, где за отличную учебу он получил стипендию для колледжа. Сначала Эрнест Резерфорд обучается в колледже Нельсона, затем поступает в Кентербери. Обладая прекрасной памятью и блестящими знаниями, он заметно отличается среди других студентов.

Резерфорд получает награду по математике, пишет первую научную работу по физике «Магнетизация железа при высокочастотных разрядах». В связи с работой он изобретает один их первых приборов для распознавания магнитных волн.

В 1895 году физик Резерфорд спорит с химиком Маклореном за обладание Стипендией имени Всемирной Выставки. По стечению обстоятельств соперник отказывается от награды, и Резерфорду предоставляется удачный шанс покорить научный мир. Он уезжает в Англию в Кавендишевскую лабораторию и становится доктором наук под руководством Джозефа Томсона.

Научные труды и достижения

Приехав в Англию, студенту еле хватает выданной стипендии. Он начинает подрабатывать репетитором. Научный руководитель Резерфорда сразу же отметил его огромный потенциал, и не ошибся. Томсон предложил юному физику изучать ионизацию газа рентгеновскими лучами. Вместе ученые открыли, что при этом возникает явление насыщения тока.

После успешной работы с Томсоном, он углубляется в изучение лучей Беккереля, которые позже назовет радиоактивными. В это время он совершает свое первое важное открытие, выявив существование неизвестных до этого частиц, изучает свойства урана и тория.

Позже он становится профессором университета в Монреале. Вместе с Фредериком Содди ученый выдвигает идею о преобразовании элементов в процессе распада. Одновременно с этим Резерфорд пишет научные труды «Радиоактивность» и «Радиоактивные превращения», которые приносят ему известность. Он становится членом Королевского сообщества, награждается дворянским титулом.

За исследования распада радиоактивных элементов в 1908 году Эрнесту Резерфорду присуждают Нобелевскую премию. Ученый открыл эманацию тория, искусственную трансмутацию элементов при облучении ядер азота, написал три тома трудов. Одним из важнейших его достижений является создание модели атомного ядра.

Какие частицы открыл Резерфорд?

В изучении радиоактивного излучения Резерфорд был не первым. До него эту область активно осваивали физик Беккерель и супруги Кюри. Явление радиоактивности тогда было открыто совсем недавно, а энергия считалась внешним источником. Внимательно изучая урановые соли и их свойства, Резерфорд заметил, что лучи, открытые Беккерелем являются неоднородными.

Эксперимент Резерфорда с фольгой показал, что радиоактивный луч делится на несколько потоков частиц. Один поток алюминиевая фольга способна поглотить, другой может проходить сквозь неё. Каждый из них - это множество мелких элементов, названных ученым альфа- и бета-частицами или лучами. Спустя два года француз Виллар открыл третий вид лучей, которые по примеру Резерфорда назвал гамма-лучами.

То, какие частицы открыл Резерфорд, оказало огромное влияние на развитие ядерной физики. Был совершен прорыв и доказано, что энергия исходит из самих атомов урана. Альфа-частицы определялись как положительно заряженные атомы гелия, бета-частицы являлись электронами. Открытые позже гамма-частицы - это электромагнитное излучение.

Радиоактивный распад

Открытие Резерфорда дало толчок не только физической науке, но и ему самому. Он продолжает изучать радиоактивность в Монреальском университете в Канаде. Вместе с химиком Содди они проводят ряд экспериментов, при помощи которых отмечают, что атом изменяется во время испускания своих частиц.

Подобно средневековым алхимикам, ученые преобразуют уран в свинец, совершая очередной научный прорыв. Так был открыт Закон, согласно которому происходит распад, Резерфор и Содди описали в трудах «Радиоактивное превращение» и «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория».

Исследователи определяют зависимость интенсивности распада от количества радиоактивных атомов в образце, а также от прошедшего времени. Было отмечено, что с течением времени активность распада уменьшается в геометрической прогрессии. Для каждого вещества требуется свое время. На основе скорости распада Резерфорду удалось сформулировать принцип полураспада.

Планетарная модель атома

В начале XX века уже было проведено множество экспериментов по изучению природы атомов и радиоактивности. Резерфорд и Виллар открывают альфа-, бета- и гамма-лучи, а Джозеф Томсон в свою очередь Он измеряет отношение заряда к массе электрона и убеждается, что частица входит в состав атома.

На основе своего открытия Томсон создает модель атома. Ученый считает, что последний имеет шарообразную форму, по всей поверхности которой распространены положительно заряженные частицы. Внутри шара находится отрицательно заряженные электроны.

Несколько лет спустя Резерфорд опровергает теорию своего учителя. Он утверждает, что атом имеет ядро, которое заряжено положительно. А вокруг него, словно планеты вокруг солнца, вращаются электроны под действием кулоновских сил.

Схема опыта Резерфорда

Резерфорд был выдающимся экспериментатором. Поэтому, усомнившись в модели Томсона, он решил опровергнуть её опытным путем. Томсоновский атом должен был выглядеть как шарообразное облако из электронов. Тогда альфа-частицы должны свободно проходить сквозь фольгу.

Для эксперимента Резерфорд сконструировал прибор из свинцового ящика с небольшим отверстием, в котором находился радиоактивный материал. Ящик поглощал альфа-частицы во всех направлениях, кроме того, где находилось отверстие. Так создавался направленный поток частиц. Впереди находилось несколько свинцовых экранов с прорезями, чтобы отсеять частицы, отклоняющиеся от заданного курса.

Четко сфокусированный альфа-луч, прошедший через все препятствия, направлялся на очень тонкий лист Позади нее находился люминесцентный экран. Каждый контакт частиц с ним регистрировался в виде вспышки. Так можно было судить об отклонении частиц после прохождения сквозь фольгу.

На удивление самому Резерфорду, многие частицы отклонялись под большими углами, некоторые даже на 180 градусов. Это позволило ученому предположить, что основную массу атома составляет плотное вещество внутри него, которое впоследствии названо ядром.

Схема опыта Резерфорда:

Критика модели

Ядерная модель Резерфорда поначалу подвергалась критике, ведь шла вразрез с законами классической электродинамики. Вращаясь, электроны должны терять энергию и излучать электромагнитные волны, но этого не происходит, а значит, они находятся в состоянии покоя. В таком случае электроны должны падать на ядро, а не вращаться вокруг него.

Разобраться с этим явлением выпало Нильсу Бору. Он устанавливает, что у каждого электрона есть своя орбита. Пока электрон на ней, он не излучает энергию, но ускорение имеет. Ученый вводит понятие квантов - порций энергии, которая высвобождается, когда электроны переходят на другие орбиты.

Таким образом, Нильс Бор стал одним из основоположников новой ветки науки - квантовой физики. Правильность модели Резерфорда была доказана. В результате понятие о материи и её движении полностью изменились. А модель иногда называют атомом Бора-Резерфорда.

Нобелевскую премию Эрнест Резерфорд получил раньше, чем совершил самое важное достижение своей жизни - открыл атомное ядро и установил планетарную модель атома.

Знаменательное открытие Резерфорда привело к появлению новой отрасли, изучающей строение атомного ядра. Она получила название нуклеарная или ядерная физика.

Физик обладал не только исследовательским, но и преподавательским талантом. Двенадцать его учеников были лауреатами Нобелевской премии в области физики и химии. Среди них Фредерик Содди, Генри Мозли, Отто Ган и другие известные личности.

Ученому часто приписывают открытие азота, что является ошибочным. Ведь этим прославился совсем другой Резерфорд. Газ открыл ботаник и химик Даниэль Резерфорд, который проживал на столетие раньше выдающегося физика.

Заключение

Британский ученый Эрнест Резерфорд прославился среди коллег тягой к экспериментам. За всю жизнь ученый провел множество опытов, благодаря которым ему удалось открыть альфа- и бета-частицы, сформулировать закон распада и полураспада, разработать планетарную модель атома. До него считалось, что энергия является внешним источником. Но после того, как научный мир узнал, какие частицы открыл Резерфорд, физики изменили свое мнение. Достижения ученого помогли сделать огромные шаги в развитии физики и химии, а также способствовали появлению такой отрасли как ядерная физика.

Которого нередко справедливо называют одним из титанов физики нашего века, работы нескольких поколений его учеников оказали огромное влияние не только на науку и технику нашего века, но и на жизнь миллионов людей. Он был оптимистом, верил в людей и в науку, которой посвятил всю жизнь».

Эрнест Резерфорд родился 30 августа 1871 года вблизи города Нелсон (Новая Зеландия), в семье переселенца из Шотландии колесного мастера Джеймса Резерфорда. Эрнест был четвертым ребенком в семье, кроме него было еще 6 сыновей и 5 дочерей. Мать его, Марта Томпсон, работала сельской учительницей. Когда отец организовал деревообрабатывающее предприятие, мальчик часто работал под его руководством. Полученные навыки впоследствии помогли Эрнесту при конструировании и постройке научной аппаратуры.

Окончив школу в Хавелоке, где в это время жила семья, он получил стипендию для продолжения образования в колледже провинции Нелсон, куда поступил в 1887 году. Через два года Эрнест сдал экзамен в Кентерберийский колледж - филиал Новозеландского университета в Крайстчерче. В колледже на Резерфорда оказали большое влияние его учителя: преподававший физику и химию Э.У. Бикертон и математик Дж.Х.Х. Кук.

Эрнест обнаружил блестящие способности. После окончания четвертого курса он удостоился награды за лучшую работу по математике и занял первое место на магистерских экзаменах, причем не только по математике, но и по физике. Став в 1892 году магистром искусств, он не покинул колледж. Резерфорд погрузился в свою первую самостоятельную научную работу. Она имела название «Магнетизация железа при высокочастотных разрядах» и касалась обнаружения высокочастотных радиоволн. Для того чтобы изучить это явление, он сконструировал радиоприемник (за несколько лет до того, как это сделал Маркони) и с его помощью получал сигналы, передаваемые коллегами с расстояния полумили. Работа молодого ученого была опубликована в 1894 году в «Известиях философского института Новой Зеландии».

Наиболее одаренным молодым заморским подданным британской короны один раз в два года предоставлялась особая стипендия, дававшая возможность поехать для усовершенствования в науках в Англию. В 1895 году оказалась вакантной стипендия для получения научного образования. Первый кандидат на эту стипендию химик Маклорен отказался по семейным обстоятельствам, вторым кандидатом был Резерфорд. Приехав в Англию, Резерфорд получил приглашение Дж.Дж. Томсона работать в Кембридже в лаборатории Кавендиша. Так начался научный путь Резерфорда.

На Томсона произвело глубокое впечатление проведенное Резерфордом исследование радиоволн, и он в 1896 году предложил совместно изучать воздействие рентгеновских лучей на электрические разряды в газах. В том же году появляется совместная работа Томсона и Резерфорда «О прохождении электричества через газы, подвергнутые действию лучей Рентгена». В следующем году вышла в свет заключительная статья Резерфорда по этой тематике «Магнитный детектор электрических волн и некоторые его применения». После этого он полностью сосредоточивает свои силы на исследовании газового разряда. В 1897 году появляется и его новая работа «Об электризации газов, подверженных действию рентгеновских лучей, и о поглощении рентгеновского излучения газами и парами».

Сотрудничество с Томсоном увенчалось весомыми результатами, включая открытие последним электрона - частицы, несущей отрицательный электрический заряд. Опираясь на свои исследования, Томсон и Резерфорд выдвинули предположение, что, когда рентгеновские лучи проходят через газ, они разрушают атомы этого газа, высвобождая одинаковое число положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы они назвали ионами. После этой работы Резерфорд занялся изучением атомной структуры вещества.

Осенью 1898 года Резерфорд занял место профессора Макгилльского университета в Монреале. Преподавание Резерфорда на первых порах шло не слишком успешно: студентам не понравились лекции, которые молодой и еще не вполне научившийся чувствовать аудиторию профессор перенасыщал деталями. Некоторые затруднения возникли вначале и в научной работе из-за того, что задерживалось прибытие заказанных радиоактивных препаратов. Ведь при всех усилиях он не получал достаточных средств для постройки необходимых приборов. Много необходимой для опытов аппаратуры Резерфорд построил собственными руками.

Тем не менее он работал в Монреале довольно долго - семь лет. Исключение составил 1900 год, когда во время краткого пребывания в Новой Зеландии Резерфорд женился. Его избранницей стала Мэри Джорджин Ньютон, дочь хозяйки того пансиона в Крайстчерче, в котором он некогда жил. 30 марта 1901 родилась единственная дочь четы Резерфорд. По времени это почти совпало с рождением новой главы в физической науке - физики ядра.

«В 1899 году Резерфорд открывает эманацию тория, а в 1902- 03 годах он совместно с Ф. Содди уже приходит к общему закону радиоактивных превращений,- пишет В.И. Григорьев.- Об этом научном событии нужно сказать подробнее. Все химики мира твердо усвоили, что превращение одних химических элементов в другие невозможно, что мечты алхимиков делать золото из свинца следует похоронить навеки. И вот появляется работа, авторы которой утверждают, что превращения элементов при радиоактивных распадах не только происходят, но и что даже ни прекратить, ни замедлить их невозможно. Более того, формулируются законы таких превращений. Мы теперь понимаем, что положение элемента в периодической системе Менделеева, а значит, и его химические свойства, определяются зарядом ядра. При альфа-распаде, когда заряд ядра уменьшается на две единицы (за единицу принимается «элементарный» заряд - модуль заряда электрона), элемент «перемещается» на две клеточки вверх в таблице Менделеева, при электронном бета-распаде - на одну клеточку вниз, при позитронном - на клеточку вверх. Несмотря на кажущуюся простоту и даже очевидность этого закона, его открытие стало одним из важнейших научных событий начала нашего века».

В своей классической работе «Радиоактивность» Резерфорд и Содди коснулись фундаментального вопроса об энергии радиоактивных превращений. Подсчитывая энергию испускаемых радием альфа-частиц, они приходят к выводу, что «энергия радиоактивных превращений, по крайней мере, в 20000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого молекулярного превращения». Резерфорд и Содди сделали вывод, что «энергия, скрытая в атоме, во много раз больше энергии, освобождающейся при обычном химическом превращении». Эта огромная энергия, по их мнению, должна учитываться «при объяснении явлений космической физики». В частности, постоянство солнечной энергии можно объяснить тем, «что на Солнце идут процессы субатомного превращения».

Нельзя не поразиться прозорливости авторов, увидевших еще в 1903 году космическую роль ядерной энергии. Этот год стал годом открытия новой формы энергии, о которой с определенностью высказывались Резерфорд и Содди, назвав ее внутриатомной энергией.

Получивший мировую славу ученый, член Лондонского королевского общества (1903) получает приглашение занять кафедру в Манчестере. 24 мая 1907 года Резерфорд вернулся в Европу. Здесь Резерфорд развернул кипучую деятельность, привлекая молодых ученых из разных стран мира. Одним из его деятельных сотрудников был немецкий физик Ганс Гейгер, создатель первого счетчика элементарных частиц. В Манчестере с Резерфордом работали Э. Марсден, К. Фаянс, Г. Мозли, Г. Хевеши и другие физики и химики.

В 1908 году Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». В своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук К.Б. Хассельберг указал на связь между работой, проведенной Резерфордом, и работами Томсона, Анри Беккереля, Пьера и Марии Кюри. «Открытия привели к потрясающему выводу: химический элемент… способен превращаться в другие элементы»,- сказал Хассельберг. В своей нобелевской лекции Резерфорд отметил: «Есть все основания полагать, что альфа-частицы, которые так свободно выбрасываются из большинства радиоактивных веществ, идентичны по массе и составу и должны состоять из ядер атомов гелия. Мы, следовательно, не можем не прийти к заключению, что атомы основных радиоактивных элементов, таких как уран и торий, должны строиться, по крайней мере частично, из атомов гелия».

После получения Нобелевской премии Резерфорд провел эксперименты по бомбардировке пластинки тонкой золотой фольги альфа-частицами. Полученные данные привели его в 1911 году к новой модели атома. Согласно его теории, ставшей общепринятой, положительно заряженные частицы сосредоточены в тяжелом центре атома, а отрицательно заряженные (электроны) находятся на орбите ядра, на довольно большом расстоянии от него. Эта модель подобна крошечной модели Солнечной системы. Она подразумевает, что атомы состоят главным образом из пустого пространства.

Широкое признание теории Резерфорда началось, когда к работе ученого в Манчестерском университете подключился датский физик Нильс Бор. Бор показал, что в терминах, предложенных Резерфордом, структуры могут быть объяснены общеизвестными физическими свойствами атома водорода, а также атомов нескольких более тяжелых элементов.

Плодотворная работа резерфордовской группы в Манчестере была прервана Первой мировой войной. Английское правительство назначило Резерфорда членом «адмиральского штаба изобретений и исследований» - организации, созданной для изыскания средств борьбы с подводными лодками противника. В лаборатории Резерфорда в связи с этим начались исследования по распространению звука под водой. Лишь по окончании войны ученый смог восстановить свои исследования атома.

После войны он вернулся в манчестерскую лабораторию и в 1919 году сделал еще одно фундаментальное открытие. Резерфорду удалось провести искусственным путем первую реакцию превращения атомов. Бомбардируя атомы азота альфа-частицами, Резерфорд получил атомы кислорода. В результате проведенных Резерфордом исследований резко возрос интерес специалистов по атомной физике к природе атомного ядра.

В том же 1919 году Резерфорд перешел в Кембриджский университет, став преемником Томсона в качестве профессора экспериментальной физики и директора Кавендишской лаборатории, а в 1921- м занял должность профессора естественных наук в Королевском институте в Лондоне. В 1925 году ученый был награжден британским орденом «За заслуги». В 1930 году Резерфорд был назначен председателем правительственного консультативного совета управления научных и промышленных исследований. В 1931 году он получил звание лорда и стал членом палаты лордов английского парламента.

Ученики и коллеги вспоминали об ученом как о милом, добром человеке. Они восхищались его необычайным творческим способом мышления, вспоминали, как он с удовольствием говорил перед началом каждого нового исследования: «Надеюсь, что это важная тема, поскольку существует еще так много вещей, которых мы не знаем».

Обеспокоенный политикой, проводимой нацистским правительством Адольфа Гитлера, Резерфорд в 1933 году стал президентом Академического совета помощи, который был создан для оказания содействия тем, кто бежал из Германии.

Почти до конца жизни он отличался крепким здоровьем и умер в Кембридже 20 октября 1937 года после непродолжительной болезни. В признание выдающихся заслуг в развитии науки ученый был похоронен в Вестминстерском аббатстве.

Опыты Резерфорда

В 1913 г. английский физик Резерфорд проделал классические опыты по рассеянию a -частиц тонкими слоями различных веществ. a -частицы, испускаемые радиоактивными веществами, являются подходящими пробными зарядами для исследования внутриатомных электрических полей. Они представляют собой полностью ионизированные атомы гелия, имеют положительный заряд, равный удвоенному элементарному заряду (q = 3.2·10 -19 Кл), массу m = 6.67·10 -27 кг, обладают высокой энергией (а значит и скоростью), достаточной для проникновения в атомы вещества.

Схема опытов Резерфорда и его учеников Гейгера и Марсдена изображена на рис.1.Внутри герметичной камеры, в которой был создан высокий вакуум, находился свинцовый контейнер с радиоактивным элементом, испускавшим a- частицы. Узкий пучок частиц падал перпендикулярно на поверхность металлической (золотой) фольги, толщиной около 1 мкм (10 -6 м). Регистрация частиц производилась по вспышкам света (сцинтилляциям), вызываемыми ими на экране, покрытом люминофором. Экран был укреплен перед объективом на корпусе микроскопа, с помощью которого визуально наблюдали сцинтилляции и подсчитывали их число. Так определяли количество частиц, движущихся по данному направлению после их взаимодействия с атомами вещества. Микроскоп вместе с экраном мог вращаться вокруг вертикальной оси, походящей через центр камеры, для регистрации рассеянных атомами фольги частиц.

На рисунке: 1- атом золота, 2- a -частицы

Более наглядная схема опыта Резерфорда

По рассеянию α-частиц.

K - свинцовый контейнер с радиоактивным веществом,
Э - экран, покрытый сернистым цинком,
Ф - золотая фольга,
M - микроскоп.

Результаты опытов Резерфорда:

1.большинство частиц проходит через атомы вещества. не рассеиваясь (как через "пустоту");
2.с увеличением угла рассеяния число отклонившихся от первоначального направления частиц резко уменьшается;
3.имеются отдельные частицы, отбрасываемые атомами назад, против их первоначального движения (как мяч от стенки).

Резерфорд вывел формулу, по которой можно рассчитать количество a- частиц, рассеянных под определенными углами. В эту формулу входит характеристический параметр "d ", являющийся поперечным размером образований, отклоняющих частицы.
Для совпадения расчетов с результатами опытов это параметр должен быть порядка 10 -13 см. Атомы имеют диаметр 10 -8 см, т.е. на пять порядков выше. Следовательно, в атоме имеется область занимающая ничтожно малую часть атома, которая и отклоняет частицы на большие углы вплоть до 180 0 .

«Опыт Резерфорда».

Вот уже без малого сто лет "учёные" с завидным упорством, которому может позавидовать любой фанатик, пытаются сочинить законы и формулы, что бы заставить электроны крутиться вокруг ядра. Не допуская даже мысли о том, что атомы материи имеют совершенно другое строение. А начало этой истории в 1911 году положил Эрнест Резерфорд, который по результатам серии опытов с альфа-частицами, сделал заключение о «планетарном строении атома». Как при проведении самого опыта, так и при анализерезультатов эксперимента Резерфорд допустил серьёзные ошибки, и как следствие сделал абсолютно неверный вывод о строении атома. Но армия «учёных» физиков не только не заметила совершенно очевидных промахов, анаоборот в лице Нильса Бора теоретически обосновала. А сам опыт и выводы о «планетарном строении атома» сделанные Резерфордом превратила в «священную корову». И вот уже почти целый век «опыт Резерфорда» является «образцом изящества и глубины замысла» , и входят в обязательный курс физики средней школы. И сейчас в любом учебнике физики посвящённой данному вопросу мы можем прочесть следующее…

«Опыт Резерфорда» с сайта « elementy . ru ».

«Эрнест Резерфорд — уникальный ученый в том плане, что свои главные открытия он сделал уже после получения Нобелевской премии. В 1911 году ему удался эксперимент, который не только позволил ученым заглянуть вглубь атома и получить представление о его строении, но и стал образцом изящества и глубины замысла.

Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд построил пушку, дававшую направленный и сфокусированный поток частиц. Пушка представляла собой свинцовый ящик с узкой прорезью, внутрь которого был помещен радиоактивный материал. Благодаря этому частицы (в данном случае альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемые радиоактивным веществом во всех направлениях, кроме одного, поглощались свинцовым экраном, и лишь через прорезь вылетал направленный пучок альфа-частиц. Далее на пути пучка стояло еще несколько свинцовых экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от строго заданного направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный пучок альфа-частиц, а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги. В нее-то и ударял альфа-луч. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании на него альфа-частиц регистрировались вспышки. По ним экспериментатор мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы отклоняются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги.

Эксперименты подобного рода проводились и раньше. Основная их идея состояла в том, чтобы по углам отклонения частиц накопить достаточно информации, по которой можно было бы сказать что-либо определенное о строении атома. В начале ХХ века ученые уже знали, что атом содержит отрицательно заряженные электроны. Однако преобладало представление, что атом представляет собой что-то похожее на положительно заряженную тонкую сетку, заполненную отрицательно заряженными электронами-изюминами, — модель так и называлась «модель сетки с изюмом». По результатам подобных опытов ученым удалось узнать некоторые свойства атомов — в частности, оценить порядок их геометрических размеров.

Резерфорд, однако, заметил, что никто из его предшественников даже не пробовал проверить экспериментально, не отклоняются ли некоторые альфа-частицы под очень большими углами. Модель сетки с изюмом просто не допускала существования в атоме столь плотных и тяжелых элементов структуры, что они могли бы отклонять быстрые альфа-частицы на значительные углы, поэтому никто и не озабочивался тем, чтобы проверить такую возможность. Резерфорд попросил одного из своих студентов переоборудовать установку таким образом, чтобы можно было наблюдать рассеяние альфа-частиц под большими углами отклонения, — просто для очистки совести, чтобы окончательно исключить такую возможность. В качестве детектора использовался экран с покрытием из сульфида натрия — материала, дающего флуоресцентную вспышку при попадании в него альфа-частицы. Каково же было удивление не только студента, непосредственно проводившего эксперимент, но и самого Резерфорда, когда выяснилось, что некоторые частицы отклоняются на углы вплоть до 180°!

В рамках устоявшейся модели атома полученный результат не мог быть истолкован: в сетке с изюмом попросту нет ничего такого, что могло бы отразить мощную, быструю и тяжелую альфа-частицу. Резерфорд вынужден был заключить, что в атоме большая часть массы сосредоточена в невероятно плотном веществе, расположенном в центре атома. А вся остальная часть атома оказывалась на много порядков менее плотной, нежели это представлялось раньше. Из поведения рассеянных альфа-частиц вытекало также, что в этих сверхплотных центрах атома, которые Резерфорд назвал ядрами , сосредоточен также и весь положительный электрический заряд атома, поскольку только силами электрического отталкивания может быть обусловлено рассеяние частиц под углами больше 90°.

Годы спустя Резерфорд любил приводить по поводу своего открытия такую аналогию. В одной южноафриканской стране таможню предупредили, что в страну собираются провезти крупную партию контрабандного оружия для повстанцев, и оружие будет спрятано в тюках хлопка. И вот перед таможенником после разгрузки оказывается целый склад, забитый тюками с хлопком. Как ему определить, в каких именно тюках спрятаны винтовки? Таможенник решил задачу просто: он стал стрелять по тюкам, и, если пули рикошетили от какого-либо тюка, он по этому признаку и выявлял тюки с контрабандным оружием. Так и Резерфорд, увидев, как альфа-частицы рикошетируют от золотой фольги, понял, что внутри атома скрыта гораздо более плотная структура, чем предполагалось.

Картина атома, нарисованная Резерфордом по результатам опыта, нам сегодня хорошо знакома. Атом состоит из сверхплотного, компактного ядра, несущего на себе положительный заряд, и отрицательно заряженных легких электронов вокруг него. Позже ученые подвели под эту картину надежную теоретическую базу, но началось всё с простого эксперимента с маленьким образцом радиоактивного материала и куском золотой фольги».

Л. Купер «Физика для всех» Изд. 1973г.

«В то время уже было известно, что масса альфа-частицы порядка 6.62*10 -24 г., т. е. близка к массе атома гелия. Кроме того, было известно, что она обладает положительным зарядом, величина которого вдвое больше заряда электрона. Было известно также, что альфа-частицы, излучённые радиоактивным полонием, летят со скоростью 1.6*10 9 см/с. Можно было предположить (и такое предположение делалось), что альфа-частицы представляют собой атомы гелия, из которых в процессе излучения были каким-то образом вырваны электроны. Это предположение подтвердилось, когда Резерфорду и Ройдсу удалось обнаружить гелий в сосуде, в который они направляли альфа-частицы. Гейрер пропускал эти альфа-частицы через золотую фольгу толщиной 4*10 -4 мм (Через фольгу примерно в десять раз толще не проникала ни одна частица.) и наблюдал их отклонения на сернисто-цинковом экране…» «В ранних экспериментах, в которых в качестве мишени использовалась золотая фольга, а в качестве бомбардирующих частиц – альфа частицы, было прежде всего обнаружено, что практически все частицы, несмотря на то, что на пластинке золота укладывалось 400 слоёв атомов, проходили через мишень, не отклоняясь, как если бы атомы мишени были совершенно прозрачны для бомбардирующих частиц. – Резерфорд писал: «Я наблюдал рассеяние альфа-частиц, а д-р Гейгер исследовал в моей лаборатории это явление подробно. Он обнаружил, что в тонких металлических пластинах это рассеяние очень мало, порядка одного градуса. Однажды Гейгер пришёл ко мне и сказал: «Не думаете ли Вы, что молодому Марсдену, которого я обучаю радиоактивным методам, пора приступить к небольшому исследованию?» Я тоже считал, что пора, поэтому сказал: «Почему бы не поручить ему выяснить вопрос о том, могут ли альфа-частицы рассеиваться на большие углы?» По секрету могу вам сказать, что сам я не верил, что такой эффект возможен, так как мы знали, что альфа-частица представляет собой очень быструю, тяжёлую частицу с огромным запасом кинетической энергии, так что вероятность рассеяния назад для неё была чрезвычайно мала, если считать, что суммарное рассеяние альфа-частицы слагается из нескольких рассеяний на малые углы. Далее я помню, что через несколько дней ко мне пришёл крайне возбуждённый Гейгер и заявил: «Нам удалось наблюдать несколько альфа-частиц, рассеянных назад…» Это было самым невероятным событием в моей жизни. Оно было столь же невероятным, как если бы 15-дюймовый снаряд, выпущенный в кусок папиросной бумаги, отскочил от неё и ударил бы в стреляющего.»

1). А при чём здесь вообще господин Резерфорд? «…Гейгер пропускал эти альфа-частицы через золотую фольгу толщиной 4*10 -4 мм и наблюдал их отклонения на сернисто-цинковом экране…» «…Однажды Гейгер пришёл ко мне и сказал: «Не думаете ли Вы, что молодому Марсдену, которого я обучаю радиоактивным методам, пора приступить к небольшому исследованию?...» «…через несколько дней ко мне пришёл крайне возбуждённый Гейгер и заявил: «Нам удалось наблюдать несколько альфа-частиц, рассеянных назад…» Представьте такую ситуацию: Тренер д-р Гейгер выставляет на олимпийские игры спортсмена «Мардсена Ройдса», президент национального олимпийского комитета «Э. Резерфорд» в спортсмена и результат не верит, но другой кандидатуры нет, и он милостиво соглашается. Но неожиданно для всех и особеннодля президента национального олимпийского комитета спортсмен выигрывает соревнование с мировым рекордом. На церемонии награждения победителем соревнований и автором мирового рекорда объявляют президента национального олимпийского комитета «Э. Резерфорда», и начинают на него сыпаться ордена и медали, грамоты и премии и т. д. и т. п… При том что саму планетарную модель атома господин Резерфорд спёр у французского физика Жана Батиста Перена (1870 - 1942), который ещё в 1901 г. после исследования прохождения потока электронов в катодной трубке через различную материю, высказал предположение о ядерно-планетарном устройстве атома.

2) . Читаем «Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд построил пушку, дававшую направленный и сфокусированный поток частиц... а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги... Основная их идея состояла в том, чтобы по углам отклонения частиц накопить достаточно информации, по которой можно было бы сказать что-либо определенное о строении атома.» Вот так уважаемый читатель, как у Резерфорда и других учёных всё просто получается, предположили что материя состоит из атомов, взяли лист материи потоньше, и оказывается уже держат в руках отдельные атомы. Лист золотой фольги, господа хорошие, это есть материя, и бомбардируя её альфа-частицами вы будете изучать строение материи, но никак не атома.

3). До того как Мардсен Ройдс обнаружил альфа-частицы отскочившие назад учёный мир представлял, что материя состоит из неких кирпичиков-атомов, связанных между собой силой гравитации, без каких либо промежутков между ними. Но наличие альфа-частиц отражённых в обратную сторону эту теорию строения материи полностью опровергают, и ясно показывают, чтоматерия отличается от не материи присутствием в ней небольших частиц (атомов) занимающих небольшой объём, от общего объёма материи. Данный факт господин Резерфорд и другие «учёные» не смогли осознать и произвольно увеличили геометрические размеры атомов, приплетя к ним электроны которые якобы вращаются вокруг ядра. Когда ни один из результатов опыта не указывает на то, что вокруг этих частиц (атомов), что-то вращается. Так что ядерно-планетарная модель атома плод больного воображения Резерфорда и ниже с ним подписавшихся.

Давайте ещё раз прочитаем, что писал в отчёте сам Резерфорд. «Я наблюдал рассеяние альфа-частиц, а д-р Гейгер исследовал в моей лаборатории это явление подробно. Он обнаружил, что в тонких металлических пластинах это рассеяние очень мало, порядка одного градуса…» В результатах опытов рассеяние альфа частиц не превышало одного градуса, но на иллюстрациях к опыту показывается пучок частиц рассеянный на 20 – 30 градусов. А в дальнейшем в работах посвящённых опыту Резерфорда мы наблюдаем следующую картину:

«Результаты опытов Резерфорда:
1. большинство частиц проходит через атомы вещества. не рассеиваясь (как через "пустоту");
2. с увеличением угла рассеяния число отклонившихся от первоначального направления частиц резко уменьшается;
3. имеются отдельные частицы, отбрасываемые атомами назад, против их первоначального движения (как мяч от стенки).»

До того как Ройдс открыл отклонение частиц назад, не было зафиксировано ни одной частицы отклонившейся более чем на один градус. Эти опыты проводились многократно, и помощники Резерфорда все глаза проглядели, но так и не зафиксировали частиц отклонившиеся более чем на один градус. Кроме того, подобные эксперименты проводились и другими исследователями, где так же были зафиксированы отклонения альфа-частиц в пределах одного градуса. Господа «учёные» и не очень, в результатах опытов не было зафиксировано частиц отклонившихся на несколько градусов и не нужно их придумывать. В результатах опытов есть только частицы, отклонившиеся в пределах одного градуса и отскочившие назад (примерно одна на восемь тысяч). Но во всех работах посвящённых данной теме в результатах опыта появляются альфа-частицы, отклонившиеся на: 5, 10, 20 и более градусов, вот такие удивительные метаморфозы.

5). А ведь по логике вещей должны быть отклонения частиц на другие углы, но таких отклонений альфа-частиц зафиксировано не было, что на первый взгляд кажется совершенно не вероятным. Но только на первый взгляд, на самом деле всё закономерно.

Для начала разберёмся, почему при попадании на сернисто-цинковый экран возникает вспышка.

В процессе проведения опыта было выяснено, что альфа-частица представляет собой не что иное, как атом гелия, на это прямо указывает факт обнаружения гелия в сосуде, в который был направлен поток альфа-частиц. Гелий является инертным газом, следовательно при попадании альфа-частицы на сернисто-цинковый экран, ни о какой химической реакции, речи быть не может. Однако при этом мы видим вспышку, вопрос почему? Альфа-частицы при попадании в сернисто-цинковый экран, вызывают колебания атомов экрана, которые в свою очередь передаются атомам эфира и в эфире возникают электромагнитные волны видимого спектра, которые и видят наши глаза. Скорость полёта альфа-частицы ≈ 16000 км/с, и разумно будет предположить, что при меньшей скорости полёта кинетической энергии частиц не хватит, чтобы вызвать колебания атомов экрана. Точнее колебания в эфире будут, но только уже не в видимом спектре, а в инфракрасном диапазоне, который не видим простому глазу. Для того, что бы увидеть эти вспышки, нужен инфракрасный детектор.

Из размера и пространственного расположения атомов между собой можно заключить, что помимо силы взаимного притяжения, на атомы действует противодействующая сила, не дающая им упасть друг на друга. При лобовом столкновении альфа-частицы с атомом золота, атом смещается, после чего в действие вступают эти силы возвращая атом на его законное место, а альфа-частице дают почти 100% обратный импульс и альфа-частица летит в противоположную сторону со скоростью не менее 15000 км/с, коей хватает, что вызвать вспышку на сернисто-цинковом экране в видимом спектре. А даже при небольшом касательном столкновении как минимум процентов десять энергии частицы передаётся атому, а обратно она их уже не получает, пролетела. Скорость её полёта падает ниже14000 - 15000 км/с и кинетической энергии уже не достаточно, что бы вызвать вспышку на сернисто-цинковом экране. Точнее попадание альфа частицы при скорости ниже14000 - 15000 км/с вызывает вспышку на экране, только частота электромагнитных волн образующихся от попадания частицы лежит в инфракрасном диапазоне, ниже видимого спектра электромагнитных волн, не видимому простому глазу. Вот именно поэтому и не были зафиксированы отклонения альфа-частиц на другие углы. При проведении опыта не был выяснен порог чувствительности регистрирующего прибора (сернисто-цинкового экрана). Хотя может я ошибаюсь и он известен, но во всех источниках описывающих данный опыт которые я читал, про это не было сказано ни слова, а это факт не маловажен при окончательных выводах результатов эксперимента. (Насколько мне известно подобных экспериментов не проводилось, у кого есть возможность провести подобный опыт дерзайте, тема открыта...)

Образование

Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц (кратко)

Эрнест Резерфорд - это один из основателей фундаментального учения о внутреннем строении атома. Родился ученый в Англии, в семье эмигрантов из Шотландии. Резерфорд был четвертым ребенком в своей семье, при этом оказался самым талантливым. Особый вклад ему удалось внести в теорию строения атома.

Первоначальные представления о строении атома

Нужно отметить, что до того, как был проведен знаменитый опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц, господствующей на то время идеей о строении атома была модель Томпсона. Этот ученый был уверен, что положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома целиком. Отрицательно заряженные электроны, считал Томпсон, были будто бы вкраплениями в него.

Предпосылки к научному перевороту

После окончании школы Резерфорд как самый талантливый ученик получил грант в 50 фунтов для дальнейшего обучения. Благодаря этому он сумел поступить в колледж в Новой Зеландии. Далее молодой ученый сдает экзамены в Кентерберийском университете и начинает серьезно заниматься физикой и химией. В 1891 году Резерфорд сделал свой первый доклад на тему «Эволюция элементов». В нем впервые в истории была обозначена идея о том, что атомы представляют собой сложнейшие структуры.

Тогда в научных кругах господствовала идея Дальтона о том, что атомы неделимы. Всем, кто окружал Резерфорда, его идее показались совершенным безумием. Молодому ученому приходилось постоянно приносить извинения коллегам за свою «чепуху». Но через 12 лет Резерфорд все же сумел доказать свою правоту. У Резерфорда появился шанс продолжить свои исследования в Кавендишской лаборатории в Англии, где он начал изучать процессы ионизации воздуха. Первым открытием Резерфорда были альфа- и бета-лучи.

Опыт Резерфорда

Кратко об открытиии можно рассказать так: в 1912 году Резерфорд вместе со своими помощниками провел свой знаменитый опыт - альфа-частицы испускались из свинцового источника. Все частицы, кроме тех, что оказывались поглощенными свинцом, двигались вдоль установленного канала. Их узкий поток попадал на тонкий слой фольги. Эта линия была перпендикулярна листу. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц доказал: те частицы, которые проходили сквозь лист фольги насквозь, вызывали так называемые сцинтилляции на экране.

Этот экран был покрыт особым веществом, которое начинало светиться при попадании на него альфа-частиц. Пространство между слоем золотой фольги и экраном было заполнено вакуумом для того, чтобы альфа-частицы не рассеивались в воздухе. Такой прибор позволил исследователям наблюдать частицы, рассеивающиеся под углом порядка 150°.

Если же фольгу не использовали в качестве препятствия перед пучком из альфа-частиц, то на экране образовывался светлый кружок из сцинтилляций. Но как только перед их лучом ставили барьер из золотой фольги, то картина сильно менялась. Вспышки появлялись не только вне этого кружка, но и на противоположной стороне фольги. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц показал, что большинство частиц проходит через фольгу без заметных изменений в траектории движения.

При этом некоторые частицы отклонялись под довольно большим углом и даже отбрасывались назад. На каждые 10 000 свободно проходящих через слой золотой фольги частиц лишь одна отклонялась на угол, превышавший 10° - в виде исключения одна из частиц отклонялась на такой угол.

Причина, по которой отклонялись альфа-частицы

То, что детально рассмотрел и доказал опыт Резерфорда - строение атома. Такое положение свидетельствовало о том, что атом не представляет собой сплошное образование. Большинство частиц свободно проходили через фольгу толщиной в один атом. И поскольку масса альфа-частицы практически в 8 000 раз больше массы электрона, то последний не мог бы существенно повлиять на траекторию альфа-частицы. Это могло бы быть сделанным лишь атомным ядром - телом малых размеров, обладающим почти всей массой и всем электрическим зарядом атома. На тот момент это стало значительным прорывом английского физика. Опыт Резерфорда считается одной из важнейших ступеней в становлении науки о внутреннем строении атома.

Другие открытия, полученные в процессе изучения атома

Эти исследования стали прямым доказательством того, что положительный заряд атома находится внутри его ядра. Эта область занимает весьма малое пространство по сравнению с его целостными размерами. В таком малом объеме рассеяние альфа-частиц оказалось очень маловероятным. А те частицы, которые проходили вблизи области атомного ядра, испытывали резкие отклонения от траектории, ведь отталкивающие силы между альфа-частицей и ядром атома были очень мощными. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц доказал вероятность того, что альфа-частица попадет прямо в ядро. Правда, вероятность была очень мала, но все же не равна нулю.

Это был не единственный факт, который доказал опыт Резерфорда. Кратко строение атома изучали и его коллеги, которые сделали ряд других важных открытий. Кроме учения о том, что альфа-частицы представляют собой быстро движущиеся ядра гелия.

Ученый смог описать строение атома, в котором ядро занимает незначительную часть всего объема. Его опыты доказали, что практически весь заряд атома сосредоточен внутри его ядра. При этом происходят как случаи отклонения альфа-частиц, так и случаи их столкновения с ядром.

Опыты Резерфорда: ядерная модель атома

В 1911 году Резерфорд после многочисленных исследований предложил модель строения атома, которую назвал планетарной. Согласно данной модели, внутри атома расположено ядро, которое содержит в себе практически всю массу частицы. Электроны движутся вокруг ядра подобно тому, как это делают планеты вокруг Солнца. Из их совокупности образуется так называемое электронное облако. Атом же имеет нейтральный заряд, как показал опыт Резерфорда.

Строение атома в дальнейшем заинтересовало ученого по имени Нильс Бор. Именно он доработал учение Резерфорда, ведь до Бора планетарная модель атома стала сталкиваться с трудностями объяснения. Так как электрон движется вокруг ядра по определенной орбите с ускорением, рано или поздно он должен упасть на ядро атома. Однако Нильс Бор смог доказать, что внутри атома законы классической механики уже не действуют.

Документальные учебные фильмы. Серия «Физика».

В первой четверти 20-го века было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки. Линейные размеры ядра порядка 10“13- 10“12 см. Размеры самого атома* определяемые электронной оболочкой, примерно в 10 5 раз больше. Однако почти вся масса атома (не менее 99,95 %) сосредоточена в ядре. Это связано с тем, что ядро состоит из «тяжелых» протонов и нейтронов, а электронная оболочка - из одних только «легких» электронов (m p - 1836,15mе , mп = 1838,68mе ). Число электронов в оболочке нейтрального атома равно заряду ядра, если за единицу принять элементарный заряд (т. е. заряд электрона по абсолютной величине). Но электронная оболочка может терять или приобретать электроны. Тогда атом становится электрически заряженным, т. е. превращается в положительный или отрицательный ион.

Химические свойства атома определяются электронной оболочкой, точнее, её наружными электронами. Такие электроны сравнительно слабо связаны с атомом и поэтому наиболее подвержены электрическим воздействиям со стороны наружных электронов соседних атомов. То же относится к силам притяжения или отталкивания между нейтральными атомами и молекулами (к молекулярным силам). Напротив, протоны и нейтроны прочно связаны внутри ядра. Чтобы воздействовать на ядро, нужны силы, в миллионы раз превосходящие те силы, которые достаточны для отрыва наружных электронов атома. Однако строение и свойства электронной оболочки определяются в конце концов электрическим полем ядра атома.

Если изложенная модель атома соответствует действительности, то атом должен быть в высокой степени прозрачным для пронизывающих его частиц. Для пучка электронов это было установлено еще Ленардом. Однако окончательное экспериментальное доказательство этой модели атома было дано Резерфордом (1871-1937) в 1911 г. Поэтому она по справедливости называется моделью Резерфорда. По предложению и под руководством Резерфорда его ученики Гейгер и Марсден (1889- 1970) исследовали количественно рассеяние α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами. В их опытах параллельный пучок α-частиц направлялся в вакууме на тонкую металлическую фольгу и рассеивался ею. Применялся визуальный метод регистрации рассеянных α-частиц. При ударе о флуоресцирующий экран из сернистого цинка α-частица оставляла на нем вспышку (сциптилляцию). Отдельные сцинтилляции можно было наблюдать в темноте через лупу или микроскоп. И экспериментаторы производили подсчет таких сцинтилляций.

Оказалось, что подавляющее число α-частиц рассеивалось на небольшие углы порядка 1-3°. Угловое распределение таких частиц хорошо описывалось кривой случайных ошибок Гаусса (1777-1855). Однако наблюдались также отдельные α-частицы, отклоняющиеся на большие углы, доходившие до 150°. Относительное число таких частиц было ничтожно. Например, при прохождении через платиновую фольгу пучка α-частиц от RaC из 8000 падающих частиц в среднем только одна частица отклонялась на угол, превышавший 90°. Но и этого было бы слишком много, если бы большие отклонения возникали в результате накопления множества случайных отклонений.

Резерфорд сделал вывод, что каждое большое отклонение появляется в результате единичного акта взаимодействия какого-то практически точечного силового центра с близко пролетающей α-частицей. Таким силовым центром и является положительно заряженное ядро атома. Сама α-частица есть также атомное ядро, именно ядро атома гелия. Это подтверждается тем, что α-частица может быть получена в результате двукратной ионизации атома гелия, как это было уже ранее установлено тем же Резерфордом. Электростатическое взаимодействие между этими двумя ядрами и вызывает рассеяние α-частиц на большие углы.

Изложенное подтверждается снимками треков α-частиц в камере Вильсона. Обычно конец трека α-частицы никакими особенностями не отличается. Но изредка наблюдаются треки, заканчивающиеся изломами и «вилками». В результате столкновения направление движения α-частицы резко изменяется, а пришедшее в движение ядро оставило новый трек, который вместе с треком самой α-частицы образовал «вилку».

Резерфорд разработал и количественную теорию рассеяния α-частиц. В этой теории к взаимодействию α-частицы с ядром применяется закон Кулона. Это, конечно, гипотеза, так как α-частица может подходить к ядру на расстояния порядка 10~12 см, а на таких расстояниях закон Кулона не был проверен экспериментально. Разумеется, движение α-частицы в поле ядра Резерфордом рассматривалось классически. Наконец, масса ядра предполагается большой по сравнению с массой α-частицы, так что ядро может считаться неподвижным. От последнего предположения легко освободиться, заменив массу α-частицы приведенной массой.

В опытах Резерфорда применялись очень тонкие металлические фольги с толщиной порядка 10“5- 10"4 см. В таких случаях при рассеянии на большие углы можно было не учитывать многократные столкновения α-частицы с атомными ядрами. Вероятность двукратных, а тем более многократных столкновений с большими отклонениями ничтожна. Ничтожна вероятность рассеяния на большие углы и на электронах ввиду малости их масс. Многократные столкновения с ядрами и с электронами атомных оболочек играют роль только при очень малых углах рассеяния. Такие углы мы исключим из рассмотрения. Тогда, учитывая взаимодействие α-частицы только с одним ядром, к которому α-частица подходит наиболее близко, мы придем к задаче двух тел. От всех остальных ядер α-частица проходит много дальше, и поэтому взаимодействием с ними пренебрегается. Таким образом, теория Резерфорда применима для больших отклонений, когда отклонение вызывается только электрическим полем одного ядра, так что по сравнению с этим отклонением все прочие отклонения, вместе взятые, пренебрежимо малы. Соответствующее рассеяние называется резерфордовским. Оно является упругим в том смысле, что кинетическая энергия а-частицы в результате рассеяния не изменяется, т.е. не растрачивается на возбуждение атомов, а тем более атомных ядер.

Сформулированная задача формально аналогична задаче Кеплера (1571 -1630) о движении планеты вокруг Солнца. И тут и там сила взаимодействия тел - центральная и меняется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. В случае планеты это сила притяжения, в случае α-частицы - сила отталкивания. Это проявляется в том, что планета (в зависимости от ее полной энергии) может двигаться и по эллипсу, и по гиперболе, а α-частица- только по гиперболе. Но в математических вычислениях это не имеет значения. Угол рассеяния α-частицы û равен углу между асимптотами ее гиперболической траектории.

Для него была получена формула:

Здесь m - масса α-частицы, v - ее скорость в «бесконечности», т.е. вдали от ядра, Ze- заряд ядра, 2е - заряд α-частицы, равный удвоенному элементарному заряду е. (Число Z называется зарядовьм числом ядра. Ради краткости его часто называют просто зарядом ядра, подразумевая, что за единицу принят элементарный заряд е.) Через b обозначено прицельное расстояние, т.е. длина перпендикуляра, опущенного из ядра на невозмущенную прямолинейную траекторию а-частицы (или, что то же самое, на касательную к реальной траектории, когда а-частица находилась бесконечно далеко от ядра).

Экспериментальной проверке в области атомных явлений, разумеется, доступна не сама формула, а статистические следствия из неё. Введем так называемое дифференциальное эффективное сечение рассеяния. Обозначим через I интенсивность плоскопараллельного пучка α-частиц, налетающих на ядро, т.е. число α-частиц пучка, проходящих в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к потоку. Из этого числа через элементарную площадку do, также перпендикулярную к потоку, проходит dN 1 =I do α-частиц. После рассеяния эти частицы попадают в элементарный телесный угол dΩ. Конечно, величина телесного угла dΩ и направление его оси определяются величиной и положением площадки do. Поэтому dN 1 имеет также смысл числа α-частиц, рассеиваемых ядром в единицу времени в телесный угол dΩ. Отношение dN1 к I равно do и имеет размерность площади. Оно и называется дифференциальным эффективным сечением ядра для рассеяния α-частиц в телесный угол dΩ. Это понятие применяется к рассеянию не только α-частиц, но и любых частиц, а также к другим процессам, происходящим с частицами. Таким образом, по определению т.е. дифференциальное эффективное сечение рассеяния есть отношение числа частиц, рассеянных атомом в единицу времени в телесный угол dΩ, к интенсивности I падающих частиц. Таким образом по определению т.е. дифференциальное эффективное сечение рассеяния есть отношение числа частиц, рассеянных атомов в единицу времени в телесный угол dΩ, к интенсивности I падающих частиц.

Определим теперь дифференциальное сечение для рассеяния α-частиц на отдельном ядре атома. Задача сводится к определению величины площадки do, пройдя через которую α-частица после рассеяния попадает внутрь заданного телесного угла dΩ. Возьмем за ось X прямолинейную траекторию той α-частицы, которой соответствует прицельное расстояние Ь= О (такая частица испытала бы с ядром лобовое столкновение). Используя цилиндрическую симметрию, для упрощения заменим do на кольцевую площадку do = 2πbdb, перпендикулярную к потоку. Внутренний радиус такой площадки равен Ь, наружный b + db, а центр расположен на оси X. Интервалу b, b + db соответствует интервал углов рассеяния û, û+ dû, причем по формуле

Введя телесный угол в который рассеиваются α-частицы, прошедшие через кольцевую площадку, нетрудно получить

В таком виде формула справедлива для любой элементарной площадки do, а не только для кольцевой. Она и называется формулой Резерфорда.

Введем понятие полного сечения рассеяния или какого-либо другого процесса. Оно определяется как отношение полного числа частиц, претерпевших рассматриваемый процесс в единицу времени, к интенсивности падающего пучка частиц. Полное сечение ð может быть получено из дифференциального сечения do путем интегрирования его по всем возможным значениям dΩ. В случае рассеяния α-частиц в формуле следует сначала положить dΩ = 2πsinðdð, а затем выполнить интегрирование в пределах от ð =0 до ð = п. Это дает ð = ∞. Результат этот понятен. Чем дальше площадка do удалена от оси X, тем меньше угол рассеяния ð. Частицы, проходящие через удаленные площадки, практически не отклоняются, т. е. проходят в окрестности угла рассеяния ð = 0. Суммарная площадь таких площадок, а с ней и полное число рассеянных частиц бесконечно велики. Бесконечно велико и полное поперечное сечение рассеяния. Впрочем, этот вывод имеет формальный характер, так как при малых углах рассеяния формула Резерфорда неприменима.

Приведем теперь формулу к виду, доступному для экспериментальной проверки. Акты рассеяния α-частиц различными атомами независимы. Отсюда следует, что если n - число ядер (атомов) в единице объема, то число α-частиц, рассеиваемых объемом V в единицу времени в телесный угол dΩ, определяется выражением

В таком виде формула Резерфорда и была подтверждена на опыте. В частности, на опыте было показано, что при постоянстве dΩ величина dN sin4 (ð/2) постоянна, т. е. не зависит от угла рассеяния ð, как это и должно быть согласно формуле.

Подтверждение формулы Резерфорда на опыте может рассматриваться как косвенное доказательство закона Кулона на таких малых расстояниях, на какие могут сближаться центры а-частицы и взаимодействующего с ней ядра. Другим доказательством могут служить опыты Блэкетта (1897-1974) по рассеянию α-частиц в газах. Фотографировалось большое количество треков α-частиц в камере Вильсона, измерялись угловые отклонения их и подсчитывалось, как часто встречаются определенные углы рассеяния. Эти опыты также подтвердили формулу Резерфорда. Но главной целью их была проверка закона Кулона. Оказалось, что при расстояниях между центрами α-частицы и взаимодействующего ядра в случае воздуха от до см, а в случае аргона от до см закон Кулона подтверждается экспериментально. Отсюда не следует, что этот закон справедлив на любых расстояниях между центрами взаимодействующих ядер. Опыты по упругому рассеянию легких ядер, ускоренных ускорителями, также на легких, но неподвижных ядрах показали, что наблюдаются резкие отступления от закона Кулона, когда указанное расстояние уменьшается до см и меньше. На таких расстояниях проявляют свое действие ядерные силы притяжения, перекрывающие кулоновские силы отталкивания ядер.

Формулу можно применить для измерения заряда ядра. Для этого надо измерить dN и I . После этого можно вычислить Z, так как все прочие величины в формуле могут считаться известными. Основная трудность состоит в том, что величины dN и I очень сильно отличаются друг от друга. В первых опытах они измерялись на различных установках, т. е. в разных условиях, что вносило значительные ошибки. В опытах Чэдвика (1891-1974) этот недостаток был устранен. Рассеивающая фольга имела форму кольца АА" (см. рис.), радиоактивный препарат R (источник α-частиц) и флуоресцирующий экран S из ZnS устанавливались на оси кольца на одинаковых расстояниях от него.

Для подсчета сцинтилляций от α-частиц, рассеянных фольгой, отверстие кольца AА" закрывалось экраном, непрозрачным для α-частиц. Наоборот, для измерения I производился подсчет сцинтилляций, когда отверстие было свободно, а кольцо АА" закрыто. Так как в этом случае число сцинтилляций было очень велико, то для его уменьшения перед экраном S устанавливался вращающийся диск с узким вырезом. Зная ширину выреза и сосчитав число сцинтилляций, можно вычислить I . Чэдвик нашел для платины Z = 77,4, серебра Z = 46,3, меди Z = 29,3. Атомные или порядковые номера этих элементов в периодической системе Менделеева равны соответственно 78, 47, 29. Тем самым был подтвержден уже известный результат, впервые установленный Мозли (1887-1915), что заряд ядра Z совпадает с атомным номером элемента.

Вернемся к модели атома, обоснованной опытами Резерфорда. Могут ли атомное ядро и окружающая его электронная оболочка образовать устойчивую систему, какой, несомненно, является атом? Если бы это было возможно, то эти частицы не могли бы находиться в покое. В противном случае получилась бы электростатическая система (практически) точечных зарядов, между которыми действуют кулоновы силы, а такая система, согласно теореме Ирншоу, неустойчива. Кулоновы силы меняются обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. Но так же меняются гравитационные силы между телами планетной системы. Устойчивость планетной системы обеспечивается вращением планет вокруг Солнца. Поэтому Резерфорд естественно пришел к планетарной модели атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра.

Однако, согласно классической электродинамике, при движении заряда меняется и электромагнитное поле, источником которого является заряд. В частности, электрический заряд, движущийся ускоренно, излучает электромагнитные волны. Вращающийся электрон имеет ускорение, а потому должен непрерывно излучать. Теряя энергию на излучение, электрон непрерывно приближался бы к ядру и в конце концов упал бы на него. Таким образом, и при наличии движения получается неустойчивая модель атома. Можно было бы предположить, что закон Кулона и прочие законы, определяющие электромагнитное поле в электродинамике, нарушаются в случае элементарных частиц и малых расстояний. Можно было бы учесть ядерные силы и ввести неизвестные нам гипотетические силы, обеспечивающие устойчивость атома. Но и это не спасает положения. Каковы бы ни были силы, согласно общим принципам классической механики спектр излучения атома должен состоять из нескольких основных частот и соответствующих им обертонов. Опыт приводит к совсем иной закономерности, выражаемой комбинационным принципом Ритца (1878-1909). Приходится констатировать, что классическая механика и электродинамика оказались не в состоянии объяснить существование атомов как устойчивых систем атомных ядер и электронов. Решение этой проблемы было получено только в рамках квантовой механики.