Опыты Резерфорда
мог быть только в одном случае: если (-частица, проникнув в атом,
натыкалась на какую-нибудь массивную преграду, имеющуюся в нем, и
отбрасывалась, получив при столкновении мощный удар.
На основании этих исследований Резерфорд предположил ядерную
(планетарную) модель атома. Согласно этой модели, вокруг положительного
ядра, имеющего заряд ze (z – порядковый номер элемента в системе
Менделеева, e – элементарный заряд), размер 10-15 – 10-14 м и массу,
практически равную массе атома, в области с линейными размерами порядка 10-
10 м по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку
атома. Так как атомы нейтральны, то заряд ядра равен суммарному заряду
электронов, т.е. вокруг ядра должно вращаться z электронов.
Для простоты предположим, что электрон движется вокруг ядра по
круговой орбите радиуса r. При этом кулоновская сила взаимодействия между
электроном и ядром сообщает электрону центростремительное ускорение. Второй
закон Ньютона для электрона, движущегося по окружности под действием
кулоновской силы, имеет вид [pic], где me и v – масса и скорость электрона
на орбите радиуса r, [pic] - электрическая постоянная.
Данное уравнение содержит два неизвестных: r и v. Следовательно,
существует бесчисленное множество значений радиуса и соответствующих ему
значений скорости (а значит и энергии), удовлетворяющих этому уравнению.
Поэтому величины r, v (следовательно и E) могут меняться непрерывно, т.е.
может испускаться любая, а не вполне определенная порция энергии. Тогда
спектры атомов должны быть сплошными. В действительности же опыт
показывает, что атомы имеют линейчатый спектр. Также из данного выражения
следует, что при [pic]м скорость движения электронов [pic]м/с, а ускорение
[pic]м/с2. Согласно классической электродинамике, ускоренно движущиеся
электроны должны излучать электромагнитные волны и вследствие этого
непрерывно терять энергию. В результате электроны будут приближаться к
ядру и в конце концов упадут на него. Таким образом, атом Резерфорда
оказывается неустойчивой системой, что опять-таки противоречит
действительности.
Попытки построить модель атома в рамках классической физики не привели
к успеху: модель Томсона была опровергнута опытами Резерфорда, ядерная же
модель оказалась неустойчивой электродинамически и противоречила опытным
данным. Преодоление возникших трудностей потребовало создания качественно
новой – квантовой – теории атома.
В 1914 году началась первая мировая война и Резерфорду пришлось на
время отложить свои исследования. Но периодически, работая на военную
промышленность, он возвращался к своим собственным экспериментам. В своих
следующих экспериментах Резерфорд планировал взломать атом.
Эти попытки увенчались полным и потрясающим успехом. Новый взлет
Резерфордовского гения привел к открытию, которое впоследствии
революционизировало всю науку и технику современности. Был дан первый
сигнал к началу атомного века. Резерфорд расщепил атомное ядро.
Мысль об этом возникла у Резерфорда при наблюдении в камере Вильсона
(к тому времени она была уже изобретена и усовершенствована) и в
стинцилляционном счетчике загадочных треков (следов), гораздо более
длинных, чем треки (-частиц, хорошо знакомых ему по бесчисленным опытам. Он
подумал, что существуют какие-то неизвестные ему причины резкого удлинения
пробега (-частиц. Другое предположение (оно оказалось правильным)
заключается в том, что длинные следы оставляют другие неопознанные частицы.
Перед исследователем возникла задача выяснить, какое из двух предположений
истинно.
Для получения ответа на свои вопросы Резерфорд решил выполнить серию
опытов по бомбардировке (-частицами различных веществ. Он построил прибор,
который нам кажется теперь необыкновенно простым. Но мы должны признать
также, что только он был наиболее пригоден для наглядного решения задачи. В
нем мишенями для бомбардировки должны были быть газы (т.е. легкие атомы), а
не металлические пластинки, обычно использовавшиеся Резерфордом во многих
предыдущих опытах.
Собственно построенный Резерфордом прибор, с помощью которого ему
удалось впервые расщепить ядра атомов легких элементов, схематически
изображен на рисунке.
Латунная трубка 6 длиной 20 см с двумя кранами наполняется газом.
Внутри трубки находится диск радиоактивного излучателя 7, испускающего (-
частицы. Диск этот укреплен на стойке, двигающейся по рельсу 4. Во время
опыта один конец трубки закрывается матовой стеклянной пластинкой, а другой
конец – стеклянной пластинкой (прикрепляемой воском). Маленькое
прямоугольное отверстие в латунной пластинке закрывалось серебряной
пластинкой 3. Серебряная пластинка обладала способностью задерживать (-
частицы, эквивалентные слою воздуха толщиной примерно 5 см. Против
отверстия помещался люминесцирующий экран из цинковой обманки. Для счета
сцинтилляций исследователь пользовался зрительной трубой 1.
Когда Резерфорд наполнил трубку азотом, то в поле зрения появились
частицы, оставляющие очень длинный след, подобно тому, что он уже наблюдал.
Конечно, Резерфорд, прежде чем прийти к окончательным выводам, проделал еще
много опытов. Но окончательное заключение было таково: при столкновении (-
частиц с ядрами азота, некоторые из этих ядер разрушаются, испуская ядра
водорода – протоны, а затем происходит образование ядра кислорода.
Колоссальное значение этого открытия было с самого начала ясно самому
Резерфорду и его сотрудникам. Впервые осуществилось расщепление атомных
ядер. Непоколебимые, как казалось до этого, представления о
«неразложимости» химических элементов были наглядно опровергнуты.
Открывались совершенно новые и удивительные возможности искусственного
получения одних элементов из других, выделения огромной энергии,
содержащейся в ядрах, и т.д.
Продолжая исследования, он получает экспериментальное подтверждение
ранее уже установленного им положения – что небольшое количество атомов
азота при бомбардировке распадается, испуская быстрые протоны – ядра
водорода. В свете позднейших исследований, писал Резерфорд , «общий
механизм этого превращения вполне ясен. Время от времени (-частицы
действительно проникают в ядро азота, образуя на мгновение новое ядро типа
ядра фтора с массой 18 и зарядом 9. Это ядро, которое в природе не
существует, чрезвычайно неустойчиво и сразу же распадается, выбрасывая
протон и превращаясь в устойчивое ядро кислорода с массой 17 …»
В результате длительных экспериментов Резерфорду удалось вызвать
ядерные реакции в 17 легких элементах.
Продолжая опыты по расщеплению ядер, Резерфорд пришел к следующему
выводу: хотя (-частицы и обладают большой энергией, но для проникновения в
ядра элементов они все же являются недостаточно мощными снарядами. Он решил
повысить энергию частиц, разгоняя их в высоковольтной установке. Так был
сделан первый шаг в развитии ускорительной техники.
(
Список литературы :
Ф.Федоров. «Цепная реакция идеи», изд. «Знание», М., 1975г.
Т.И.Трофимова. «Курс физики», изд. «Высшая школа», М., 1999г.
«Курс общей физики», Г.А.Зисман, О.М.Тодес, изд. «Эдельвейс», Киев, 1994г.
| | скачать работу |
Опыты Резерфорда |