Ернст РЪДЪРФОРД (1871-1937), английски физик, един от основателите на учението за радиоактивността и структурата на атома, основател на научна школа, чуждестранен член-кореспондент на Руската академия на науките (1922) и почетен член на Академия на науките на СССР (1925). Директор на Кавендишката лаборатория (от 1919 г.). Открива (1899) алфа и бета лъчите и установява тяхната природа. Създава (1903 г., заедно с Ф. Соди) теорията за радиоактивността. Предложен (1911) планетарен модел на атома. Провежда (1919) първата изкуствена ядрена реакция. Предсказва (1921) съществуването на неутрона. Нобелова награда (1908).

Експериментът на Ръдърфорд (1906 г.) върху разсейването на бързи заредени частици, преминаващи през тънки слоеве материя, направи възможно изследването на вътрешната структура на атомите. В тези експерименти алфа частици са използвани за изследване на атоми - напълно йонизирани атоми на хелий - в резултат на радиоактивното разпадане на радий и някои други елементи. Ръдърфорд бомбардира атоми на тежки метали с тези частици.

Ръдърфорд знаеше, че атомите се състоят от леки отрицателно заредени частици - електрони и тежка положително заредена частица. Основната цел на експериментите е да се разбере как се разпределя положителният заряд вътре в атома. Разсейването на α-частици (т.е. промяна в посоката на движение) може да бъде причинено само от положително заредената част на атома.

Експериментите показват, че някои от α частиците се разпръскват под големи ъгли, близки до 180˚, т.е. те се изхвърлят обратно. Това е възможно само ако положителният заряд на атома е концентриран в много малка централна част на атома - атомното ядро. Почти цялата маса на атома също е концентрирана в ядрото.

Оказа се, че ядрата на различни атоми имат диаметри от порядъка на 10 -14 – 10 -15 cm, докато размерът на самия атом е ≈10 -8 cm, тоест 10 4 – 10 5 пъти по-голям от ядрото.

Така атомът се оказа „празен“.

Въз основа на експерименти върху разсейването на α - частици върху атомни ядра, Ръдърфорд стигна до планетарния модел на атома. Според този модел атомът се състои от малко положително заредено ядро ​​и електрони, обикалящи около него.

От гледна точка на класическата физика, такъв атом трябва да е нестабилен, тъй като електроните, движещи се в орбити с ускорение, трябва непрекъснато да излъчват електромагнитна енергия.

По-нататъшното развитие на идеите за структурата на атомите е направено от Н. Бор (1913) въз основа на квантовите концепции.

Лабораторна работа.

Този експеримент може да се проведе с помощта на специално устройство, чийто чертеж е показан на фигура 1. Това устройство представлява оловна кутия с пълен вакуум вътре в нея и микроскоп.

Разсейването (промяната в посоката на движение) на α-частиците може да бъде причинено само от положително заредената част на атома. По този начин, от разсейването на α частиците е възможно да се определи естеството на разпределението на положителния заряд и масата вътре в атома. Диаграмата на експериментите на Ръдърфорд е показана на Фигура 1. Лъч от α-частици, излъчен от радиоактивно лекарство, се освобождава от диафрагма и след това пада върху тънко фолио от изследвания материал (в този случай злато). След разпръскване α-частиците попадат върху екран, покрит с цинков сулфид. Сблъсъкът на всяка частица с екрана беше придружен от проблясък на светлина (сцинтилация), който можеше да се наблюдава през микроскоп.

При добър вакуум вътре в устройството и при липса на фолио, на екрана се появява ивица светлина, състояща се от сцинтилации, причинени от тънък лъч от α частици. Но когато фолиото беше поставено на пътя на лъча, α-частиците, поради разсейване, бяха разпределени върху по-голяма площ от екрана.

В нашия експеримент трябва да изследваме α-частицата, която е насочена към златното ядро ​​при сключване на ъгъл от 180° (фиг. 2) и да проследим реакцията на α-частицата, т.е. на какво минимално разстояние ще се доближи α-частицата до златното ядро ​​(фиг. 3).

Ориз. 2

Фиг.3

V 0 =1,6*10 7 m/s – начална скорост

Какво е минималното разстояние r min между α частицата и ядрото, което може да бъде постигнато в този експеримент? (фиг. 4)

Фиг.4

В нашия експеримент α-частицата е представена като атом

m neutr kg

Z=2 – протони

N = Au – Z = 4 – 2 = 2 неутрона

Z=79 – брой протони

N = Au – Z = 196 – 79 =117 (неутрони)

Cl 2 /H ∙m 2 – електрическа константа

m 2 =6,6∙10 -27 кг

Z He ∙2∙ - ядрен заряд (He) Z Au ∙ - ядрен заряд (Au)

Зарядът на една α частица е равен на 2 елементарни.

Отговор: r min =4,3·10 -14 m

Заключение: По време на този експеримент беше възможно да се установи, че a-частицата е в състояние да се доближи до атомното ядро ​​на минимално разстояние, което е r min =4,3·10 -14 m и да се върне обратно по същата траектория, по която е започна да се движи.

Когато Ръдърфорд извърши същия експеримент за първи път с такава а-частица, разположена спрямо ъгъл от 180°, той каза изненадано: „Това е почти толкова невероятно, колкото ако изстреляте 15-инчов снаряд по парче от тишу хартия и върнатият снаряд ще дойде при вас и ще ви удари.

И всъщност това е малко вероятно, факт е, че при провеждане на този експеримент под по-малки ъгли, a-частицата със сигурност ще отскочи настрани, както не може камъче от няколко десетки грама при сблъсък с кола забележимо да промени скоростта си (фиг. 5). Тъй като тяхната маса е приблизително 8000 пъти по-голяма от масата на електрона, а положителният заряд е равен по големина на два пъти заряда на електрона. Това не са нищо повече от напълно йонизирани хелиеви атоми. Скоростта на α частиците е много висока: тя е 1/15 от скоростта на светлината. Следователно електроните, поради ниската си маса, не могат забележимо да променят траекторията на α частицата.

Ориз. 5

Има неутрални микрообекти (например фотон, неутрино, неутрон). Електрическият заряд на сложен микрообект е равен на алгебричната сума от зарядите на съставните му частици. 4. Идеята за корпускулярно-вълновия дуализъм като методологичен принцип Класическата физика въвежда два вида движение - корпускулярно и вълново. Първият се характеризира с локализирането на обекта в пространството и...

Телевизионно предаване от черния дроб и др. Любопитни ефекти и гениални решения: човешка радиоактивност, радиоактивно сирене, възстановяване на липсващи изображения в снимки, автографи на невидими хора. Търсене и изследователски методи в обучението по физика Увод От митове до прости факти. Необходимостта от разбиране на света в началото доведе до опити да се обясни светът като цяло, веднага да се получат отговори на...

„Опитът на Ръдърфорд“.

Вече почти сто години „учените“ със завидна упоритост, на която всеки фанатик може да завиди, се опитват да измислят закони и формули, които да накарат електроните да се въртят около ядрото. Без дори да допускаме мисълта, че атомите на материята имат съвсем различна структура. И началото на тази история през 1911 г. е поставено от Ърнест Ръдърфорд, който въз основа на резултатите от поредица от експерименти с алфа-частици прави заключение за „планетарната структура на атома“. Както по време на самия експеримент, така и при анализа на резултатите от експеримента Ръдърфорд допусна сериозни грешки и в резултат на това направи напълно неправилно заключение за структурата на атома. Но армията от „учени” физици не само не забеляза напълно очевидните грешки, те теоретично оправдаха обратното в лицето на Нилс Бор. А самият опит и изводите за „планетарната структура на атома“, направени от Ръдърфорд, се превърнаха в „свещена крава“. И вече почти век „опитът на Ръдърфорд“ е такъв „пример за изящество и дълбочина на дизайна“ , и са включени в задължителния гимназиален курс по физика. И сега във всеки учебник по физика, посветен на този въпрос, можем да прочетем следното...

„Преживяването на Ръдърфорд“ от сайта „елементи. ru".

„Ърнест Ръдърфорд е уникален учен в смисъл, че направи основните си открития след получаването на Нобеловата награда. През 1911 г. той успява в експеримент, който не само позволява на учените да надникнат дълбоко в атома и да получат представа за структурата му, но също така се превръща в модел на изящество и дълбочина на дизайна.

Използвайки естествен източник на радиоактивно лъчение, Ръдърфорд построява оръдие, което произвежда насочен и фокусиран поток от частици. Пистолетът представляваше оловна кутия с тесен процеп, вътре в който беше поставен радиоактивен материал. Поради това частиците (в този случай алфа частици, състоящи се от два протона и два неутрона), излъчени от радиоактивното вещество във всички посоки с изключение на една, се абсорбират от оловния екран и само насочен лъч от алфа частици се освобождава през процепа . По-нататък по пътя на лъча имаше още няколко оловни екрана с тесни процепи, които отрязваха частици, отклоняващи се от строго определена посока. В резултат на това идеално фокусиран лъч от алфа частици полетя към целта, а самата цел беше тънък лист златно фолио. Това беше алфа лъчът, който я удари. След като се сблъскат с атомите на фолиото, алфа частиците продължават пътя си и удрят луминисцентен екран, монтиран зад мишената, на който се записват проблясъци, когато алфа частици го ударят. По тях експериментаторът би могъл да прецени в какво количество и колко алфа частиците се отклоняват от посоката на праволинейно движение в резултат на сблъсъци с атоми на фолиото.

Експерименти от този вид са провеждани и преди. Основната им идея беше да натрупат достатъчно информация от ъглите на отклонение на частиците, за да може да се каже нещо определено за структурата на атома. В началото на двадесети век учените вече знаеха, че атомът съдържа отрицателно заредени електрони. Въпреки това, преобладаващата идея беше, че атомът е нещо като положително заредена фина решетка, пълна с отрицателно заредени стафидени електрони – модел, наречен „модел на стафидена решетка“. Въз основа на резултатите от такива експерименти учените успяха да научат някои свойства на атомите - по-специално да оценят реда на техните геометрични размери.

Ръдърфорд обаче отбеляза, че никой от неговите предшественици дори не се е опитал да тества експериментално дали някои алфа частици се отклоняват под много големи ъгли. Моделът на решетката със стафиди просто не позволяваше съществуването на структурни елементи в атома, толкова плътни и тежки, че да могат да отклоняват бързите алфа частици под значителни ъгли, така че никой не си направи труда да тества тази възможност. Ръдърфорд помоли един от своите ученици да преоборудва инсталацията по такъв начин, че да е възможно да се наблюдава разсейването на алфа частици при големи ъгли на отклонение - просто за да изчисти съвестта си, за да изключи напълно тази възможност. Детекторът беше екран, покрит с натриев сулфид, материал, който произвежда флуоресцентна светкавица, когато алфа частица го удари. Представете си изненадата не само на студента, който директно е извършил експеримента, но и на самия Ръдърфорд, когато се оказа, че някои частици се отклоняват под ъгъл до 180°!

В рамките на установения модел на атома резултатът не може да бъде интерпретиран: просто няма нищо в решетката със стафиди, което да отразява мощна, бърза и тежка алфа частица. Ръдърфорд беше принуден да заключи, че в атома по-голямата част от масата е концентрирана в невероятно плътно вещество, разположено в центъра на атома. А останалата част от атома се оказа с много порядъци по-малка плътност, отколкото се смяташе преди. От поведението на разпръснатите алфа-частици също следва, че в тези свръхплътни центрове на атома, които Ръдърфорд нарича ядра, целият положителен електрически заряд на атома също е концентриран, тъй като само силите на електрическо отблъскване могат да причинят разсейването на частиците при ъгли, по-големи от 90°.

Години по-късно Ръдърфорд обичаше да използва тази аналогия за своето откритие. В една южноафриканска държава митническите служители бяха предупредени, че голяма пратка оръжия за бунтовниците ще бъде внесена контрабандно в страната, скрита в бали памук. И сега, след разтоварването, митничарят се изправя пред цял склад, пълен с бали памук. Как може да определи кои бали съдържат пушки? Митничарят реши проблема просто: той започна да стреля по балите и ако куршумите рикошираха от някоя бала, той идентифицира балите с контрабандно оръжие по този знак. Така Ръдърфорд, виждайки как алфа частиците рикошират от златното фолио, осъзнава, че вътре в атома е скрита много по-плътна структура от очакваното.

Картината на атома, начертана от Ръдърфорд въз основа на резултатите от неговия експеримент, ни е добре известна днес. Атомът се състои от свръхплътно, компактно ядро, което носи положителен заряд, и отрицателно заредени леки електрони около него. По-късно учените предоставиха надеждна теоретична основа за тази картина, но всичко започна с прост експеримент с малка проба радиоактивен материал и парче златно фолио.

L. Cooper “Физика за всеки” Изд. 1973 г

„По това време вече беше известно, че масата на алфа частица е около 6,62 * 10 -24 g, т.е. близка до масата на атом хелий. Освен това беше известно, че има положителен заряд, чиято стойност е два пъти по-голяма от тази на електрона. Известно е също, че алфа частиците, излъчвани от радиоактивен полоний, летят със скорост 1,6 * 10 9 cm/s. Може да се предположи (и такова предположение беше направено), че алфа частиците са атоми на хелий, от които по някакъв начин са били изтръгнати електрони по време на процеса на излъчване. Това предположение беше потвърдено, когато Ръдърфорд и Ройдс успяха да открият хелий в съда, в който изпратиха алфа частици. Гейрер прекарва тези алфа частици през златно фолио с дебелина 4*10 -4 mm (Нито една частица не проникна през около десет пъти по-дебело фолио.) и наблюдава техните отклонения върху екран от цинков сулфид..." "В ранните експерименти, в които златно фолио е използвано като мишена и алфа частици като бомбардиращи частици, за първи път е открито, че практически всички частици, въпреки факта, че 400 слоя от атомите бяха подредени върху златна плоча и преминаха през мишената, без да се отклоняват, сякаш целевите атоми бяха напълно прозрачни за бомбардиращите частици. – Ръдърфорд пише: „Наблюдавах разсейването на алфа частици и д-р Гайгер изучи това явление подробно в моята лаборатория. Той откри, че в тънки метални пластини това разсейване е много малко, от порядъка на един градус. Един ден Гайгър дойде при мен и каза: „Не мислиш ли, че е време младият Марсдън, когото преподавам на радиоактивни методи, да започне да прави малко изследвания?“ Аз също реших, че е време, затова казах: „Защо не му възложим да разбере въпроса дали алфа частиците могат да бъдат разпръснати под големи ъгли?“ Мога да ви кажа една тайна, че аз самият не вярвах, че такъв ефект е възможен, тъй като знаехме, че алфа частицата е много бърза, тежка частица с огромен запас от кинетична енергия, така че вероятността да се разпръсне обратно беше изключително малко, ако приемем, че общото разсейване на една алфа частица се състои от няколко разсейвания под малки ъгли. След това си спомням, че няколко дни по-късно изключително развълнуван Гайгер дойде при мен и каза: „Успяхме да наблюдаваме няколко алфа частици, разпръснати обратно ...” Това беше най-невероятното събитие в живота ми. Беше толкова невероятно, сякаш 15-инчов снаряд, изстрелян в парче тишу, отскочи от него и удари стрелеца.

1). Какво общо има г-н Ръдърфорд с това? „...Гайгер прекара тези алфа частици през златно фолио с дебелина 4*10 -4 mm и наблюдава отклоненията им върху екран от цинков сулфид...” „...Един ден Гайгер дойде при мен и каза: „Недей мислиш ли, че младият Марсдън, когото преподавам на радиоактивни методи, е време да започне малко изследване?..." "...няколко дни по-късно един изключително развълнуван Гайгер дойде при мен и каза: „Успяхме да наблюдаваме няколко алфа частици, разпръснати обратно...” Представете си тази ситуация: Треньорът д-р Гайгер въвежда състезателя „Мардсен Ройдс” в Олимпийските игри, президентът на Националния олимпийски комитет „Е. Ръдърфорд” не вярва в спортиста и резултата, но няма друг кандидат и той любезно се съгласява. Но неочаквано за всички и най-вече за президента на Националния олимпийски комитет, спортистът печели състезанието със световен рекорд. На церемонията по награждаването президентът на НОК „Е. Ръдърфорд” и върху него започват да валят ордени и медали, дипломи и награди и т.н., и т.н.... Въпреки факта, че г-н Ръдърфорд е откраднал самия планетарен модел на атома от френския физик Жан Батист Перен (1870 г. - 1942), който беше още през 1901 г., след като изследва потока на електрони в катодна тръба през различни материи,предложи ядрено-планетарната структура на атома.

2) . Четене „Използвайки естествен източник на радиоактивно излъчване, Ръдърфорд построи оръдие, което произвежда насочен и фокусиран поток от частици... и самата цел беше тънък лист златно фолио... Основната им идея беше да натрупат достатъчно информация от ъглите на отклонението на частиците, според което може да се каже нещо определено за структурата на атома. Ето как, скъпи читателю, Ръдърфорд и други учени правят всичко просто, те приемат, че материята се състои от атоми, вземат по-тънък лист материя и се оказва, че вече държат отделни атоми в ръцете си. Лист златно фолио, добри господа, това е материя иБомбардирайки го с алфа частици, ще изучавате структурата на материята, но не и атома.

3). Преди Мардсен Ройдс да открие алфа частици, които отскачат обратно, научният свят си е представял, че материята се състои от определени тухли - атоми, свързани помежду си чрез силата на гравитацията, без никакви празнини между тях. Но наличието на алфа частици, отразени в обратната посока, напълно опровергава тази теория за структурата на материята и ясно показва, че материята се различава от нематерията по наличието в нея на малки частици (атоми), заемащи малък обем от общия обем. на материята. Г-н Ръдърфорд и други „учени” не можаха да осъзнаят този факт и произволно увеличиха геометричните размери на атомите, прикрепвайки към тях електрони, които уж се въртят около ядрото. Когато нито един от експерименталните резултати не показва, че нещо се върти около тези частици (атоми). Така че ядреният планетарен модел на атома е плод на болното въображение на Ръдърфорд и подписалите се с него долу.

4). Във всички учебници експериментът на Ръдърфорд е придружен от приблизително следните илюстрации:

Нека прочетем отново какво пише самият Ръдърфорд в доклада. „Наблюдавах разсейването на алфа частици и д-р Гайгер изучи това явление подробно в моята лаборатория. Той откри, че в тънки метални пластини това разсейване е много малко, от порядъка на един градус ... " В резултатите от експериментите разсейването на алфа частиците не надвишава един градус, но илюстрациите към експеримента показват сноп от частици, разпръснати на 20 - 30 градуса.И по-късно, в произведения, посветени на опита на Ръдърфорд, виждаме следната картина:

„Резултатите от експериментите на Ръдърфорд:
1. повечето частици преминават през атомите на дадено вещество. без да се разсейва (като чрез „празнота“);
2. с увеличаване на ъгъла на разсейване броят на частиците, отклоняващи се от първоначалната посока, рязко намалява;
3. има отделни частици, изхвърлени обратно от атоми, срещу първоначалното им движение (като топка от стена).“

Преди Ройдс да открие обратното отклонение на частиците, нито една частица не е била записана да се отклонява повече от един градус. Тези експерименти са провеждани много пъти и асистентите на Ръдърфорд са разглеждали всичко, но никога не са регистрирали частици, които се отклоняват с повече от един градус. Освен това подобни експерименти са проведени от други изследователи, където също са регистрирани отклонения на алфа частиците в рамките на един градус. Господа „учени” и не толкова, резултатите от експериментите не регистрират частици, които се отклоняват с няколко градуса и няма нужда да ги измисляте. Експерименталните резултати съдържат само частици, които са се отклонили в рамките на един градус и са се върнали обратно (около една на осем хиляди). Но във всички трудове, посветени на тази тема, в резултатите от експеримента се появяват алфа частици, които се отклоняват с: 5, 10, 20 или повече градуса, такива невероятни метаморфози.

5). Но по логиката на нещата би трябвало да има отклонения на частици под други ъгли, но такива отклонения на алфа частици не са регистрирани, което на пръв поглед изглежда напълно невероятно. Но само на пръв поглед всъщност всичко е естествено.

Първо, нека да разберем защо се появява светкавица, когато удари екран от цинкова сяра.

По време на експеримента беше установено, че алфа-частицата не е нищо повече от атом на хелий, това е пряко посочено от факта, че хелият е открит в съда, в който е насочен потокът от алфа-частици. Хелият е инертен газ, следователно, когато алфа частица удари екран от цинкова сяра, не може да се говори за никаква химическа реакция. Въпреки това, в същото време виждаме светкавица, въпросът е защо? Алфа частиците, когато се ударят в цинков сулфиден екран, предизвикват вибрации на атомите на екрана, които от своя страна се предават на атомите на етера и в етера се появяват електромагнитни вълни от видимия спектър, които нашите очи виждат. Скорост на полета на алфа частица≈16 000 km/s и е разумно да се предположи, че при по-ниска скорост на полета кинетичната енергия на частиците няма да е достатъчна, за да предизвика вибрации на атомите на екрана. По-точно във въздуха ще има вибрации, но не във видимия спектър, а в инфрачервения диапазон, който не се вижда с просто око. За да видите тези светкавици, имате нужда от инфрачервен детектор.

От размера и пространственото разположение на атомите помежду си можем да заключим, че в допълнение към силата на взаимно привличане, противодействаща сила действа върху атомите, предотвратявайки падането им един върху друг. При челен сблъсък на алфа частица със златен атом, атомът се измества, след което тези сили влизат в действие, връщайки атома на законното му място, и на алфа частицата се дава почти 100% обратен импулс и алфа частица лети в обратна посока със скорост най-малко 15 000 km/s, което е достатъчно, за да предизвика светкавица на екран от цинков сулфид във видимия спектър. И дори при малък тангенциален сблъсък, поне десет процента от енергията на частицата се прехвърля към атома, но той вече не я получава обратно, тя е прелетяла. Скоростта на полета му пада под 14 000 - 15 000 km/s и кинетичната енергия вече не е достатъчна, за да предизвика светкавица на цинково-сярния екран. По-точно, ударът на алфа частица със скорост под 14 000 - 15 000 km/s предизвиква светкавица на екрана, само че честотата на електромагнитните вълни, генерирани от удара на частицата, е в инфрачервения диапазон, под видимия спектър електромагнитни вълни, които не се виждат с просто око. Именно затова не са регистрирани отклонения на алфа частиците в други ъгли. По време на експеримента не е определен прагът на чувствителност на записващото устройство (екран от цинкова сяра). Въпреки че може да греша и това е известно, но във всички източници, които прочетох, описващи този експеримент, не се споменава нито дума за него и този факт не е маловажен в крайните изводи за резултатите от експеримента. (Доколкото знам такива експерименти не са правени, който има възможност да направи подобен експеримент, да се захване, темата е отворена...)

6). Прочетете. „От поведението на разпръснатите алфа частици също следва, че в тези свръхплътни центрове на атома, които Ръдърфорд нарича ядра, също е концентриран целият положителен електрически заряд на атома, тъй като само силите на електрическо отблъскване могат да причинят разсейването на частиците под ъгли, по-големи от 90°. Дори не знам как да коментирам тези глупости. И господата „учени” го публикуваме в учебниците, които децата четат, и после се чудим защо нашите деца имат психични отклонения. Уважаеми „учени“, билярдните топки отскачат една от друга според законите на геометрията и запазването на импулса, а не защото са заредени с нещо.

МИНИСТЕРСТВО НА ВИСШЕТО И СРЕДНОТО СПЕЦИАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ НА RF.

НОВОСИБИРСК ДЪРЖАВЕН АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЕН УНИВЕРСИТЕТ

Катедра по физика

РЕЗЮМЕ

Експериментите на Ръдърфорд

Завършено: Кузнецов И.А. (група 226)

Проверено: Berkhoer L.D.

Новосибирск 2000 г

Ърнест Ръдърфорд е един от най-известните физици от първата половина на 20 век. Някога Ръдърфорд беше първият, който направи дисекция на атом, откривайки ядро ​​в него. Той изследва сложните явления, случващи се в тази удивително малка частица материя, а след това в своята лаборатория разделя ядрата на атомите.

Докато все още е студент 2-ра година в университета, Ръдърфорд изнася презентация на една от конференциите на тема „Еволюция на елементите“. Ръдърфорд предполага, че всички химически елементи са сложни химически системи, състоящи се от едни и същи елементарни частици. По това време атомът се смяташе за неделим - във физиката доминираше теорията на Далтън за неделимостта на атомите.

Първият опит за създаване на атомен модел въз основа на натрупаните експериментални данни е направен от Дж. Дж. Томсън. Електроните, както смята Томсън, са вградени в субминиатюрна сфера с диаметър 10–8 cm, в която положителните заряди са равномерно разпределени. Заедно с отрицателно заредените електрони, сферата е електрически неутрална. Това е атомът. По това време Ръдърфорд, който работи в същата лаборатория с Томсън, също мислеше така и дори не мечтаеше, че може да създаде по-усъвършенстван модел, базиран на нови идеи.

През 1896 г., докато изучава луминесценцията на различни вещества, А. Бекерел случайно открива, че урановите соли излъчват без предварително осветяване. Това лъчение има голяма проникваща сила и е в състояние да въздейства върху фотографска плака, увита в черна хартия. Ръдърфорд незабавно започва да изучава Бекереловите лъчи. Той започва изследването си върху рентгеновите лъчи, като тества хипотезата си за връзката между рентгеновите лъчи и бекереловите лъчи. Тази идея му хрумна по много проста причина: и двете произвеждаха йонизация на въздуха. Тази идея не беше успешна.

Но най-важният резултат на Ръдърфорд е откриването на -частици в радиацията, излъчвана от урана. Ръдърфорд поставя източник на уран в силно магнитно поле и разделя радиацията на три различни вида. С други думи, след това той открива състава на радиоактивността: алфа и бета частици и гама лъчи.

След като получи частиците, Ръдърфорд веднага направи блестящото заключение, че те представляват мощен инструмент за проникване в дълбините на атома. Както по-късно беше потвърдено, това беше абсолютно вярно. В следващите си работи Ръдърфорд широко използва -астиците като снаряди, проникващи в сърцето на атома - атомното ядро.

Ръдърфорд открива излъчването на торий и доказва, че този радиоактивен газ, освободен от тория, е химичен елемент, различен от самия торий. По-късно той определя атомното тегло на еманацията и показва, че това е благороден газ от нулевата група на системата Д. И. Менделев.

Ръдърфорд и Фредерик Соди са първите, които обясняват радиоактивния разпад като спонтанен преход на един елемент в друг. След еманацията на торий, Ръдърфорд открива еманацията на радий - радон. За учения беше ясно, че радият, излъчвайки частици, се превръща в ново активно вещество, подобно на еманацията на торий. Това откритие окончателно потвърди теорията за радиоактивния разпад.

В началото на 1903 г. Ръдърфорд се опитва експериментално да определи химичния състав на частиците. Идеята е да се сравни масата на една частица с масите на атомите на известни елементи. Опитът му позволява да бъде първият, който идентифицира частици с атоми на хелий. По-късно това беше потвърдено спектрографски.

През 1908 г. Ръдърфорд започва обширни експерименти в изследването на частиците, като ги брои с помощта на сцинтилационен брояч на Гайгер.

Заедно с Гайгер и Ройдс Ръдърфорд провежда серия от експерименти, потвърждаващи, че -частиците не са нищо повече от двойно йонизирани (т.е. загубили 2 електрона) хелиеви атоми. Този исторически опит, благодарение на който никой не може да се съмнява в правилността на неговата теория за разпадането, се състои в следното:

Ръдърфорд постави известно количество радон, еманация на радий, в запечатана тръба 2. Дебелината на стената на тази тръба е 0,01 mm. Те са достатъчно тънки, така че частиците, излъчвани от радона, да могат да преминат през тях във външната тръба 3. Преди експеримента тръба 3 беше внимателно вакуумирана и линиите на хелий не можеха да бъдат открити в нея спектрографски. Няколко дни по-късно беше открито натрупване на газ в тръба 3. Чрез увеличаване на налягането в устройството натрупаният газ може да се концентрира в тръба 1. През тръбата беше прекаран електрически заряд и тогава се оказа, че спектралният анализ показва характерни линии на хелий в нея. В тръбата имаше хелий. Но може би е попаднал в тръба 2 чрез пропуск заедно с радона и оттам е проникнал в тръби 3 и 1? Контролният експеримент даде отрицателен отговор на този въпрос. В абсолютно същото устройство (в тръба 2) Ръдърфорд постави не радон, а чист хелий. Въпреки това, след няколко дни, не бяха открити линии на хелий в тръба 1. Хелият не можеше да премине през стъклените стени на тръба 2 в тръба 3. -частиците лесно преминаваха през стъклото и се натрупваха в тръба 3, след което се концентрираха в тръба 1, където бяха подложени на спектрален анализ, давайки линии на хелий.

След това Ръдърфорд, заедно с Гайгер и Марсдън, провеждат нова серия от експерименти. Резултатите революционизираха физиката. Това беше най-драматичната глава в науката на нашето време. Ръдърфорд открива атомното ядро ​​и с това основава нова и изключително важна наука - ядрената физика.

Що за експерименти бяха това? Ръдърфорд и Гайгер първоначално продължиха своите наблюдения на сцинтилации, причинени от γ-частици при удар с луминисцентен екран, направен от цинков сулфид. Първо, експериментите доведоха Ръдърфорд до заключението, че всяка светкавица (сцинтилация) се причинява от една частица. Така предположението, което направи по-рано, беше оправдано. Тогава Ръдърфорд написа, че наблюдаването на сцинтилации върху екран с цинков сулфид е много удобен начин за преброяване на частици, ако всяка частица предизвиква светкавица. Следователно, ако всяко изригване е причинено от една частица, тогава физиците имат възможност да наблюдават поведението на отделните атоми.

Ръдърфорд и Гайгер визуално изчисляват, че в течение на секунда 130 000 α-частици се излъчват от излъчвател от една хилядна от грам радий. Точността на преброяването беше безупречна. И двамата учени, към които по-късно се присъединява Марсдън, прекарват много часове в затъмнена лаборатория, правейки досадни сцинтилационни изчисления. Гайгер каза, че само той трябва да преброи общо милион частици.

Ученикът на Ръдърфорд Марсдън започва своята работа. Той имаше за задача да преброи частиците, преминаващи през тънки метални пластини. Тези плочи бяха поставени в устройството между излъчвателя на частици и луминесцентния екран.

Поверявайки тази работа на Марсдън, Ръдърфорд не очакваше да открие нещо интересно. При условие, че моделът на атома на Томсън е правилен (и тогава няма причина да се съмняваме в него), експериментът трябва да е показал, че -частиците преминават свободно през метални бариери. Но все пак нещо принуди Ръдърфорд да предприеме този нов експеримент.

Марсдън беше поразен от факта, че частиците в този прост експеримент се държат по различен начин, отколкото би трябвало, ако приемем модела на атома, предложен от Томсън. Според модела на Томсън положителният заряд е разпределен в целия обем на атома и се балансира от отрицателния заряд на електроните, всеки от които има маса много по-малка от масата на частицата. Следователно, дори в редки случаи, когато частица се сблъска с електрон, който е много по-лек в сравнение със себе си, тя може само леко да се отклони от правия си път. Но в експериментите на Марсдън частиците не преминават безпрепятствено през металната плоча. Не, някои от тях се отклониха след удар в плочата под ъгъл около 150o, т.е. почти обратно към излъчвателя. Имаше обаче много малко такива връщащи се частици. Когато експериментаторът блокира пътя на частиците с по-дебела плоча, в полезрението му се появяват повече частици, отклонени под големи ъгли. Това показва, че разсейването на частиците, наблюдавано от Марсдън, не представлява някакъв повърхностен ефект, т.е. не е свързан с повърхността на плочата. Но Марсдън не можа да изрази никакви мисли относно странното поведение на частиците, които видя. Той докладва своите наблюдения подробно на Ръдърфорд.

По-късно Ръдърфорд признава, че докладът на Марсдън е имал невероятен ефект върху него: „Беше почти невероятно, сякаш сте изстреляли петнадесетфунтов снаряд по парче тишу и снарядът е отскочил и ви е ударил.“

Ръдърфорд веднага си представи, че ефектът, наблюдаван от Марсдън, може да възникне само в един случай: ако частицата, проникнала в атома, се натъкне на някакво масивно препятствие, присъстващо в него, и бъде изхвърлена назад, получавайки силен удар при сблъсък.

Въз основа на тези изследвания Ръдърфорд предлага ядрен (планетарен) модел на атома. Според този модел около положително ядро ​​със заряд ze (z е атомният номер на елемента в системата на Менделеев, e е елементарен заряд), размерът е 10 -15 - 10 -14 m, а масата е почти равна на масата на атома, в област с линейни размери от порядъка на 10 -10 m електроните се движат по затворени орбити, образувайки електронната обвивка на атома. Тъй като атомите са неутрални, зарядът на ядрото е равен на общия заряд на електроните, т.е. z електроните трябва да се въртят около ядрото.

За простота приемаме, че електронът се движи около ядрото по кръгова орбита с радиус r. В този случай силата на Кулон на взаимодействие между електрона и ядрото придава центростремително ускорение на електрона. Вторият закон на Нютон за електрон, движещ се в кръг под въздействието на силата на Кулон, има формата , където m e и v са масата и скоростта на електрона в орбита с радиус r, и е електрическата константа.

Това уравнение съдържа две неизвестни: r и v. Следователно има безброй стойности на радиус и съответните стойности на скорост (и следователно енергия), които удовлетворяват това уравнение. Следователно стойностите на r, v (и следователно E) могат да се променят непрекъснато, т.е. Може да се излъчва всякаква и не много специфична порция енергия. Тогава спектрите на атомите трябва да са непрекъснати. В действителност опитът показва, че атомите имат линеен спектър. От този израз също следва, че при m скоростта на електроните е m/s, а ускорението е m/s 2. Според класическата електродинамика ускорените електрони трябва да излъчват електромагнитни вълни и в резултат на това непрекъснато да губят енергия. В резултат на това електроните ще се приближат до ядрото и в крайна сметка ще паднат върху него. Така атомът на Ръдърфорд се оказва нестабилна система, което отново противоречи на реалността.

Опитите да се изгради модел на атома в рамките на класическата физика не доведоха до успех: моделът на Томсън беше опроверган от експериментите на Ръдърфорд, докато ядреният модел се оказа електродинамично нестабилен и противоречи на експерименталните данни. Преодоляването на възникналите трудности изисква създаването на качествено нова – квантова – теория на атома.

През 1914 г. започва Първата световна война и Ръдърфорд трябва да отложи изследванията си за известно време. Но периодично, докато работи за военната индустрия, той се връща към собствените си експерименти. В следващите си експерименти Ръдърфорд планира да хакне атома.

Тези опити се увенчаха с пълен и зашеметяващ успех. Новият възход на гения на Ръдърфорд доведе до откритие, което впоследствие революционизира цялата наука и технологии на нашето време. Даден е първият сигнал за началото на атомната ера. Ръдърфорд раздели атомното ядро.

Идеята за това възниква у Ръдърфорд при наблюдение в облачна камера (по това време тя вече е изобретена и подобрена) и в светкавичен брояч на мистериозни следи (следи), много по-дълги от следите на частиците, добре известни на него от безброй експерименти. Той смяташе, че има някакви неизвестни причини за рязкото увеличаване на пътя на частиците. Друга възможност (която се оказа вярна) е дългите следи да са оставени от други неидентифицирани частици. Изследователят беше изправен пред задачата да разбере кое от двете предположения е вярно.

За да получи отговор на въпросите си, Ръдърфорд решава да проведе серия от експерименти за бомбардиране на различни вещества с частици. Той създаде устройство, което сега ни изглежда невероятно просто. Но също така трябва да признаем, че само той беше най-подходящ за визуално решение на проблема. В него мишените за бомбардиране трябваше да бъдат газове (т.е. леки атоми), а не металните пластини, обикновено използвани от Ръдърфорд в много от предишните му експерименти.

Действителното устройство, построено от Ръдърфорд, с което той успява да раздели ядрата на атомите на леките елементи за първи път, е показано схематично на фигурата.

Месингова тръба 6 дължини ох 20 см с два крана се пълни с газ. Вътре в тръбата има диск с радиоактивен излъчвател 7, излъчващ частици. Този диск е монтиран на стойка, движеща се по релса 4. По време на експеримента единият край на тръбата е покрит с матирано стъкло, а другият край със стъклена пластина (прикрепена с восък). Малък правоъгълен отвор в месинговата плоча беше затворен със сребърна плоча 3. Сребърната плоча имаше способността да задържа частици, еквивалентни на слой въздух с дебелина приблизително 5 см. Срещу отвора беше поставен луминисцентен екран, направен от цинкова смес. За да преброи сцинтилациите, изследователят използва телескоп 1.

Когато Ръдърфорд напълни тръбата с азот, частици се появиха в зрителното поле, оставяйки много дълга следа, подобна на това, което той вече беше наблюдавал. Разбира се, Ръдърфорд прави още много експерименти, преди да стигне до окончателните заключения. Но окончателното заключение беше следното: когато β-частиците се сблъскат с азотни ядра, някои от тези ядра се разрушават, излъчвайки водородни ядра - протони, след което се образува кислородно ядро.

Колосалното значение на това откритие беше ясно от самото начало на самия Ръдърфорд и неговите сътрудници. За първи път атомните ядра бяха разделени. Досегашните непоклатими идеи за „неразложимостта“ на химичните елементи бяха ясно опровергани. Откриха се напълно нови и удивителни възможности за изкуствено получаване на едни елементи от други, освобождаване на огромна енергия, съдържаща се в ядрата и т.н.

Продължавайки изследванията си, той получава експериментално потвърждение на позицията, която е установил по-рано - че малък брой азотни атоми се разпадат по време на бомбардировка, излъчвайки бързи протони - водородни ядра. В светлината на по-късните изследвания Ръдърфорд пише, „общият механизъм на тази трансформация е доста ясен. От време на време -частиците действително проникват в ядрото на азота, като моментално образуват ново ядро ​​като флуорно ядро ​​с маса 18 и заряд 9. Това ядро, което не съществува в природата, е изключително нестабилно и незабавно разпада се, излъчвайки протон и превръщайки се в стабилно ядро ​​кислород с маса 17 ..."

В резултат на продължителни експерименти Ръдърфорд успя да предизвика ядрени реакции в 17 леки елемента.

Продължавайки експериментите си върху ядреното делене, Ръдърфорд стигна до следното заключение: въпреки че β-частиците имат голяма енергия, те все още не са достатъчно мощни снаряди, за да проникнат в ядрата на елементите. Той решава да увеличи енергията на частиците, като ги ускори в инсталация с високо напрежение. Това беше първата стъпка в развитието на ускорителната технология.

-

Библиография:

1) Ф. Федоров. „Верижна реакция на една идея“, изд. „Знание“, М., 1975 г.

2) Т. И. Трофимова. "Курс по физика", изд. "Висше училище", М., 1999 г.

3) „Курс по обща физика“, G.A.Zisman, O.M.Todes, изд. "Еделвайс", Киев, 1994 г.

Атомът се състои от компактно и масивно положително заредено ядро ​​и отрицателно заредени леки електрони около него.

Ърнест Ръдърфорд е уникален учен в смисъл, че вече е направил основните си открития следполучаване на Нобелова награда. През 1911 г. той успява в експеримент, който не само позволява на учените да надникнат дълбоко в атома и да получат представа за структурата му, но също така се превръща в модел на изящество и дълбочина на дизайна.

Използвайки естествен източник на радиоактивно лъчение, Ръдърфорд построява оръдие, което произвежда насочен и фокусиран поток от частици. Пистолетът представляваше оловна кутия с тесен процеп, вътре в който беше поставен радиоактивен материал. Поради това частиците (в този случай алфа частици, състоящи се от два протона и два неутрона), излъчени от радиоактивното вещество във всички посоки с изключение на една, се абсорбират от оловния екран и само насочен лъч от алфа частици се освобождава през процепа . По-нататък по пътя на лъча имаше още няколко оловни екрана с тесни процепи, които отрязваха частици, отклоняващи се от строго определена посока. В резултат на това идеално фокусиран лъч от алфа частици полетя към целта, а самата цел беше тънък лист златно фолио. Това беше алфа лъчът, който я удари. След като се сблъскат с атомите на фолиото, алфа частиците продължават пътя си и удрят луминисцентен екран, монтиран зад мишената, на който се записват проблясъци, когато алфа частици го ударят. По тях експериментаторът би могъл да прецени в какво количество и колко алфа частиците се отклоняват от посоката на праволинейно движение в резултат на сблъсъци с атоми на фолиото.

Експерименти от този вид са провеждани и преди. Основната им идея беше да натрупат достатъчно информация от ъглите на отклонение на частиците, за да може да се каже нещо определено за структурата на атома. В началото на двадесети век учените вече знаеха, че атомът съдържа отрицателно заредени електрони. Въпреки това, преобладаващата идея беше, че атомът е нещо като положително заредена фина решетка, пълна с отрицателно заредени стафидени електрони – модел, наречен „модел на стафидена решетка“. Въз основа на резултатите от такива експерименти учените успяха да научат някои свойства на атомите - по-специално да оценят реда на техните геометрични размери.

Ръдърфорд обаче отбеляза, че никой от неговите предшественици дори не се е опитал да тества експериментално дали някои алфа частици се отклоняват под много големи ъгли. Моделът на решетката със стафиди просто не позволяваше съществуването на структурни елементи в атома, толкова плътни и тежки, че да могат да отклоняват бързите алфа частици под значителни ъгли, така че никой не си направи труда да тества тази възможност. Ръдърфорд помоли един от своите ученици да преоборудва инсталацията по такъв начин, че да е възможно да се наблюдава разсейването на алфа частици при големи ъгли на отклонение - просто за да изчисти съвестта си, за да изключи напълно тази възможност. Детекторът беше екран, покрит с натриев сулфид, материал, който произвежда флуоресцентна светкавица, когато алфа частица го удари. Представете си изненадата не само на студента, който директно е извършил експеримента, но и на самия Ръдърфорд, когато се оказа, че някои частици се отклоняват под ъгъл до 180°!

В рамките на установения модел на атома резултатът не може да бъде интерпретиран: просто няма нищо в решетката със стафиди, което да отразява мощна, бърза и тежка алфа частица. Ръдърфорд беше принуден да заключи, че в атома по-голямата част от масата е концентрирана в невероятно плътно вещество, разположено в центъра на атома. А останалата част от атома се оказа с много порядъци по-малка плътност, отколкото се смяташе преди. От поведението на разпръснатите алфа частици също следва, че в тези свръхплътни центрове на атома, които Ръдърфорд нарича ядра, целият положителен електрически заряд на атома също е концентриран, тъй като само силите на електрическо отблъскване могат да причинят разсейване на частици под ъгли, по-големи от 90°.

Години по-късно Ръдърфорд обичаше да използва тази аналогия за своето откритие. В една южноафриканска държава митническите служители бяха предупредени, че голяма пратка оръжия за бунтовниците ще бъде внесена контрабандно в страната, скрита в бали памук. И сега, след разтоварването, митничарят се изправя пред цял склад, пълен с бали памук. Как може да определи кои бали съдържат пушки? Митничарят реши проблема просто: той започна да стреля по балите и ако куршумите рикошираха от някоя бала, той идентифицира балите с контрабандно оръжие по този знак. Така Ръдърфорд, виждайки как алфа частиците рикошират от златното фолио, осъзнава, че вътре в атома е скрита много по-плътна структура от очакваното.

Картината на атома, начертана от Ръдърфорд въз основа на резултатите от неговия експеримент, ни е добре известна днес. Атомът се състои от свръхплътно, компактно ядро, което носи положителен заряд, и отрицателно заредени леки електрони около него. По-късно учените предоставиха надеждна теоретична основа за тази картина ( см. Bohr Atom), но всичко започна с прост експеримент с малка проба от радиоактивен материал и парче златно фолио.

Вижте също:

Ърнест Ръдърфорд, първи барон Ръдърфорд от Нелсън, 1871-1937 г.

новозеландски физик. Роден в Нелсън, син на занаятчия фермер. Печели стипендия за обучение в университета Кеймбридж в Англия. След дипломирането си е назначен в канадския университет Макгил, където заедно с Фредерик Соди (1877-1966) установява основните закономерности на явлението радиоактивност, за което получава Нобелова награда за химия през 1908 г. Скоро ученият се премества в университета в Манчестър, където под негово ръководство Ханс Гайгер (1882-1945) изобретява своя прочут брояч на Гайгер, започва да изследва структурата на атома и през 1911 г. открива съществуването на атомното ядро. По време на Първата световна война той участва в разработването на сонари (акустични радари) за откриване на вражески подводници. През 1919 г. той е назначен за професор по физика и директор на Кавендишката лаборатория в университета в Кеймбридж и през същата година открива ядрен разпад в резултат на бомбардиране от високоенергийни тежки частици. Ръдърфорд остава на тази позиция до края на живота си, като в същото време е дълги години президент на Кралското научно общество. Погребан е в Уестминстърското абатство до Нютон, Дарвин и Фарадей.