Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома

Для выяснения характера распределения зарядов в атоме, было необходимо непосредственное опытное «зондирование» внутренних областей атома. Такое зондирование осуществили Резерфорд с помощью a-частиц, наблюдая изменение направления их полета (рассеяние) при прохождении через тонкие слои вещества.

Известно, что a-частицы образуются при радиоактивном распаде некоторых веществ и летят со скоростями V порядка 10³ см/сек и имеют положительный заряд, равный удвоенному элементарному заряду. При потере этого заряда (при присоединении двух электронов) a-частица превращается в атом гелия.

Схема опыта показана на рис. 2. Внутри полости, сделанной в куске свинца, помещалось радиоактивное вещество Р, служившее источником a-частиц. На пути получавшегося узкого пучка a-частиц располагалась тонкая металлическая фольга Ф. При прохождении через фольгу a-частицы отклонялись от первоначального направления движения на различные углы q. Рассеянные a-частицы ударялись об экран Е, покрытый сернистым цинком, и вызываемые ими сцинтилляции (свечения) наблюдались в микроскоп М. Микроскоп и экран можно было вращать вокруг оси, проходящей через центр рассеивающей фольги, и устанавливать таким образом под любым углом q.

Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 4.

Оказалась, что некоторые a-частицы рассеивается на очень большие углы (почти до 180°). Проанализировав результаты опыта, Резерфорд пришел к выводу, что столь сильное отклонение a-частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле, которое создается зарядом, связанным с большой массой и сконцентрированным в очень малом объеме. Основываясь на этом выводе, Резерфорд предложил ядерную модель атома, согласно которой атом представляет собой систему зарядов, в центре которой расположено тяжелое положительное ядро с зарядом Ze имеющее размеры, не превышающие 10^-12 см, а вокруг ядра распределены Z электронов по всему объему, занимаемому атомом. Исходя из таких предположений, Резерфорд разработал количественною теорию рассеяния a-частиц и вывел формулу для распределения рассеянных частиц по значениям угла q. При выводе формулы Резерфорд полагал, что отклонения a-частиц обусловлены воздействием на них со стороны атомных ядер. Заметного отклонения из-за взаимодействия с электронами не может быть, поскольку масса электрона на четыре порядка меньше массы a-частицы. Когда частица пролетает вблизи ядра, на нее действует кулоновская сила отталкивания f = 2Ze²/r², под действием которой a-частица начинает двигаться по гиперболе, асимптоты которой образуют между собой угол q (рис. 3). Этот угол характеризует отклонение частицы от первоначального направления. Расстояние b от ядра до первоначального направления полета a-частицы называется прицельным параметром. Чем ближе пролетает частица от ядра (чем меньше b), тем, естественно, сильнее она отклоняется (тем больше q). Между величинами b и q можно установить соотношение, называющееся формулой Резерфорда:

, (6)

где dN – число частиц рассеянных в пределах углов q…q + dq (рис. 4), N – полное число рассеянных в пучке частиц.

Резерфорд с сотрудниками произвели проверку этой формулы путем подсчета сцинтилляций, наблюдавшихся под разными углами q за одинаковые промежутки времени. В условиях опыта счету подвергались
a-частицы, заключенные в пределах одного и того же телесного угла (определявшегося площадью экрана и расстоянием его от фольги), поэтому число сцинтилляций, наблюдавшихся под разными углами, должно было быть, в соответствии с формулой Резерфорда, пропорционально 1/sin⁴(q/2). Этот результат хорошо подтвердился на опыте. Зависимость рассеяния от толщины фольги и скорости a-частиц также оказалась в соответствии с формулой (6).

Справедливость теории, исходящей из кулоновского взаимодействия между a-частицей и ядром атома, свидетельствует о том, что даже отбрасываемая в обратном направлении a-частица не проникает в область положительного заряда атома (как мы видели при рассмотрении модели атома Томсона. Летящая точно по направлению к ядру a-частица подошла бы к его центру на расстояние, которое можно определить, приравняв кинетическую энергию a-частицы потенциальной энергии взаимодействия a-частицы с ядром в момент полной остановки частицы. Полученное значение имеет порядок 10^-12 см и соответствует области, где локализован положительный заряд.

Таким образом, результаты опытов по рассеянию a-частиц свидетельствуют в пользу ядерной модели атома, предложенной Резерфордом. Однако ядерная модель оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии, Резерфорду пришлось отказаться от статической модели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра, описывая замкнутые траектории. Но в этом случае электрон будет двигаться с ускорением, в связи с чем, согласно классической электродинамике, он должен непрерывно излучать электромагнитные (световые) волны. Процесс излучения сопровождается потерей энергии, так что электрон должен двигаться по спирали со все уменьшающимся расстоянием до ядра и в конечном счете упасть на ядро.