Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Из результатов опытов Гейгера и Марсдена можно сделать два важных вывода:
1) в атоме имеется область размером около 10"15 м, т. е. примерно в 10 тысяч раз меньшая, чем сам атом, в которой сосредоточен значительный электрический заряд;
2) в этой же области сосредоточена и большая часть массы атома, так как в противном случае а-частицы не смогли бы сильно отклоняться (вспомним пример с пулей и комаром).
В дальнейшем это внутриатомное образование получило название атомного ядра. Для того чтобы уточнить размер атомного ядра и значение его заряда, Резерфорд предпринял серию новых экспериментов по рассеянию а-частиц. Он и его сотрудники измеряли число а-частиц, рассеянных фольгами различных металлов на разные углы. Очевидно, что чем дальше пролетает а-частица от ядра, тем слабее она отклоняется. А так как точное попадание всегда менее вероятно, чем менее точное, то следует ожидать, что на малые углы отклонится значительно больше частиц, чем на большие (что и наблюдалось на опыте). Резерфорд вывел формулу, согласно которой число частиц N9 рассеянных ядрами на угол B9
если фольга настолько тонка, что каждая частица сталкивается не более чем с одним ядром. В этой формуле N0 — общее число падающих частиц; п — число атомов в 1 см3 вещества; s —
43
толщина фольги; Z — заряд ядра-мишени, выраженный в единицах элементарного заряда; т и v — масса и скорость падающих частиц. Значения N9 N0 и 0 измеряются непосредственно при проведении опыта, т и v можно считать известными. Неизвестно только значение Z9 которое и определяют с помощью написанной формулы.
Оказалось, что ядра различных элементов имеют разные заряды, причем, как заметил Ван ден Брук, Z совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Таким образом, с ростом массы атома увеличивается и заряд атомного ядра. В первом приближении масса и заряд ядра даже пропорциональны друг другу. Однако в некоторых случаях эта пропорциональность нарушается. Известно, что для соблюдения определенной последовательности чередования свойств элементов Д. И. Менделееву пришлось допустить в трех случаях отступления от требования постепенного увеличения атомных масс элементов (обратите внимание на атомные массы следующих пар элементов: аргон—калий, кобальт—никель и теллур—иод). В то же время правило Ван ден Брука не знает исключений. Таким образом, Резерфорд и Ван ден Брук немного уточнили закон Менделеева, который следует формулировать так: химические свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ихадер.
Эти же опыты позволили более точно определить размеры атомных ядер. Измеряя число рассеянных на разные углы а-частиц, Резерфорд, Гейгер и Марсден установили, что на тяжелых элементах рассеяние происходит точно в соответствии с формулой Резерфорда, т. е. число отклоненных частиц уменьшается обратно пропорционально sin4 (0/2). Для легких элементов при малых углах оно тоже обратно пропорционально sin4 (0/2), однако, начиная с некоторого угла 0Макс> эта зависимость резко нарушается. При выводе формулы Резерфорда предполагалось, что а-частицы и ядра взаимодействуют друг с другом как заряженные шарики или точки. Нарушение формулы Резерфорда говорит о вступлении в действие каких-то новых сил. Такими силами могут быть, например, силы сцепления, упругости или трения при соприкосновении поверхностей а-частицы и ядра. Другими словами, естественно допустить, что аномально рассеянные а-частицы соприкасались с ядром. Расчет показывает, что в случае справедливости формулы Резерфорда расстояние между центрами а-частицы и ядра в момент наибольшего сближения d (рис. 7) связано
44
Рис. 7. Движение заряженных частиц в поле ядра
с углом рассеяния соотношением
2Ze1 I 7~
d --- \ / 1 + cosec — .
47Te0^v V 2
Если подставить в эту формулу значение 0Макс> при котором начинаются нарушения нормального рассеяния, то получится расстояние dQ между центрами а-частицы и ядра в момент касания, равное сумме радиусов а-частицы и ядра. Радиус самой а-частицы легко определить при изучении рассеяния на ядрах гелия, так как в этом случае d0 = 2га. Вычитая полученный таким образом радиус а-частицы из найденных для других элементов значений d0y можно было определить радиусы ядер этих элементов.
Понятно, что так можно измерить радиусы ядер лишь тех элементов, для которых наблюдается "аномальное" рассеяние а-частиц. Выше отмечалось, что к этой группе относятся только самые легкие элементы с небольшим зарядом ядра. Более тяжелые ядра имеют настолько большие заряды, что энергии а-частицы не хватает на преодоление электростатического отталкивания. Поэтому даже в случае лобового удара касания не происходит, / рассеяние оказывается целиком "нормальным" и размер ядра никак не проявляется. Для того чтобы и на тяжелых ядрах рассеяние было "аномальным", необходимо, чтобы энергии а-частиц были гораздо больше, чем энергии а-частиц, образующихся при радиоактивном распаде существующих в природе элементов. Выход из этого положения был найден после создания ускорителей частиц, о которых будет рассказано в гл. 6.
