Опыт резерфорда
Существование в атоме почти точечного, но очень тяжелого положительно заряженного ядра было доказано английским физиком Эрнестом Резерфордом.
В 1906-1912 гг. он изучал прохождение α-частиц с энергией в несколько МэВ через тонкие пластины (фольгу) золота и других металлов. Большинство частиц пролетало сквозь фольгу, практически не меняя направления своего движения.
Но некоторые из них резко отклонялись от своего пути. При толщине фольги в 1 мкм в среднем всего 1 из 10 000 частиц отклонялась на угол больше 90°.
Это казалось достаточно странным, так как, пролетая через фольгу, α-частица должна пройти мимо нескольких тысяч атомов.
Столь редкие взаимодействия заставили Резерфорда предположить, что масса в веществе распределена не равномерно, а в виде отдельных, очень маленьких сгустков. Основное количество частиц пролетает между этими сгустками, а рассеиваются только те, которые в них попадают.
Поскольку атомы в твердом теле расположены достаточно близко друг от друга, расстояния между ними примерно такие же, как размеры самого атома, они не могут быть этими сгустками. Поэтому Резерфорд пришел к выводу, что вещество сконцентрировано в центре атома, в его «ядре».
К моменту проведения своих опытов ученый уже установил заряд и массу α-частиц. Он знал, что α-частицы несут положительный заряд, по величине в два раза превышающий заряд электрона, и что они достаточно тяжелые, примерно в 7000 раз тяжелее электронов.
Если α-частицы отклоняются ядрами, значит, ядра тоже несут положительный заряд.
Резерфорд рассчитал доли частиц, которые должны рассеиваться в определенные интервалы углов точечными ядрами. Результаты расчетов и экспериментов прекрасно согласуются, если положить заряд ядра равным Z|e|, где Z — атомный номер элемента, из которого сделана фольга.
Интересно отметить, что данные опытов Резерфорд сравнивал с расчетами, выполненными в рамках классической физики. Однако, как выяснилось после создания квантовой механики, полученная им для описания рассеяния α-частиц «классическая» формула (формула Резерфорда) справедлива и в квантовой физике.
Этим фактом он очень гордился. Ведь чтобы самому проделать вычисления, Резерфорд специально вместе со студентами прослушал курс теории вероятностей, хотя к тому времени он уже был нобелевским лауреатом, директором лаборатории, признанным мэтром экспериментальной физики!
Исходя из результатов опытов Резерфорда можно оценить верхнюю границу размеров ядра. Для этого найдем минимальное расстояние R, на которое α-частица с энергией Eкин может подойти к ядру. При максимальном сближении с ядром кинетическая энергия α-частицы переходит в потенциальную энергию кулоновского взаимодействия:
Eкин = 2keZe / R.
При Eкин порядка нескольких МэВ, а именно такими были энергии α-частиц в опытах Резерфорда, получим: R ~ 10-14 м. Резерфорд в своих расчетах полагал ядро точечным, поэтому можно утверждать, что размеры ядер не превышают полученной цифры и до расстояний ~10-14 м взаимодействие α-частиц с ядрами носит кулоновский характер. Правда, для частиц, которые испытывали лобовое столкновение и отклонялись почти на 180°, наблюдались небольшие расхождения с распределением, следующим из закона Кулона.
Это указывало на то, что на расстояниях, меньших ~10-14 м, начинают действовать какие-то другие, не электростатические силы. Теперь мы знаем, что на таких расстояниях вступает в действие сильное (ядерное) взаимодействие.
Таким образом, Резерфорд установил в 1911 г. наличие в атомах ядер, размеры которых по крайней мере в 104 раз меньше размеров атомов и в которых сосредоточена практически вся масса атома. После опытов Резерфорда стало ясно, что вещество в основном состоит «из пустоты».
А за свои исследования Резерфорд заслужил в научном мире титул «отца атомной теории».
Резерфорд изучал строение атомов, бомбардируя их α-частицами. Он часто говорил: «Smash the atom» — «Расшибить атом». До сих пор обстрел частицами высоких энергий остается главным методом изучения структуры микрообъектов, изменились только инструменты.
Созданы более точные регистрирующие приборы, методы компьютерной обработки результатов, а главное, современные мощные ускорители, которые позволяют получать бомбардирующие частицы очень высоких энергий.
