Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
2. Если изложенная модель атома соответствует действительности, то атом должен быть в высокой степени прозрачным для пронизывающих его частиц. Для пучка электронов это было установлено еще Ленардом. Однако окончательное экспериментальное доказательство этой модели атома было дано Резерфордом (1871 —1937) в 1911 г. Поэтому она по справедливости называется моделью Резерфорда. По предложению и под руководством Резерфорда его ученики Гейгер и Марсден (1889— 1970) исследовали количественно рассеяние а-частиц, испускаемых радиоактивными веществами. В их опытах параллельный
ЯДЕРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА И ОПЫТЫ РЕЗЕРФОРДА
51
пучок а-частиц направлялся в вакууме на тонкую металлическую фольгу и рассеивался ею. Применялся визуальный метод регистрации рассеянных а-частиц. При ударе о флуоресцирующий экран из сернистого цинка а-частица оставляла на нем вспышку (сцинтилляцию). Отдельные сцинтилляции можно было наблюдать в темноте через лупу или микроскоп. И экспериментаторы производили подсчет таких сцинтилляций.
Оказалось, что подавляющее число а-частиц рассеивалось на небольшие углы порядка 1—3°. Угловое распределение таких частиц хорошо описывалось кривой случайных ошибок Гаусса (1777—1855). Однако наблюдались также отдельные а-части-цы, отклоняющиеся на большие углы, доходившие до 150°. Относительное число таких частиц было ничтожно. Например, при прохождении через платиновую фольгу пучка а-частиц от RaC1) из 8000 падающих частиц в среднем только одна частица отклонялась на угол, превышавший 90°. Но и этого было бы слишком много, если бы большие отклонения возникали в результате накопления множества случайных отклонений.
Резерфорд сделал вывод, что каждое большое отклонение появляется в результате единичного акта взаимодействия какого-то практически точечного силового центра с близко пролетающей а-частицей. Таким силовым центром и является положительно заряженное ядро атома. Сама а-частица есть также атомное ядро, именно ядро атома гелия. Это подтверждается тем, что а-частица может быть получена в результате двукратной ионизации атома гелия, как это было уже ранее установлено тем же Резерфордом. Электростатическое взаимодействие между этими двумя ядрами и вызывает рассеяние а-частиц на большие углы.
Изложенное подтверждается снимками треков а-частиц в камере Вильсона. Обычно конец трека а-частицы никакими особенностями не отличается. Но изредка наблюдаются треки, заканчивающиеся изломами и «вилками». Такой случай воспроизведен на рис. 17. Здесь зафиксировано столкновение а-частицы с ядром. В результате столкновения направление движения а-частицы резко изменилось, а пришедшее в движение ядро оставило новый трек, который вместе с треком самой а-частицы образовал «вилку».
3. Резерфорд разработал и количественную теорию рассеяния а-частиц. В1 этой теории к взаимодействию а-частицы с ядром применяется закон Кулона. Это, конечно, гипотеза, так как а-частица может подходить к ядру на расстояния порядка 10~12 см (см. задачу 1 к этому параграфу), а на таких расстоя
') На самом деле исследовавшиеся а-частицы испускались RaC', являю щимся короткоживущим продуктом RaC (Период полураспада RaC' — около 10-6 с.)
52
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ И СПЕКТРЫ АТОМА
[ГЛ. II
ниях закон Кулона не был проверен экспериментально. Разумеется, движение а-частицы в поле ядра Резерфордом рассматривалось классически. Применимость классической механики в рассматриваемом случае можно обосновать с помощью квантовой механики, возникшей несколько позднее (см. § 20). Наконец, масса ядра предполагается большой по сравнению с массой а-частицы, так что ядро может считаться неподвижным. От
последнего предположения легко освободиться, заменив массу а-частицы приведенной массой.
В опытах Резерфорда применялись очень тонкие металлические фольги с толщиной порядка 10~5— 10-4 см. В таких случаях при рассеянии на большие углы можно было не учитывать многократные столкновения а-частицы с атомными ядрами. Вероятность двукратных, а тем более многократных столкновений с большими отклонениями ничтожна. Ничтожна вероятность рассеяния на большие углы и
на электронах ввиду малости их
масс. Многократные столкновения с ядрами и с электронами атомных оболочек играют роль только при очень малых углах рассеяния. Такие углы мы исключим из рассмо-№с.трения. Тогда, учитывая взаимо-
действие а-частицы только с одним ядром, к которому а-частица подходит наиболее близко, мы придем к задаче двух тел. От всех остальных ядер а-частица проходит много дальше, и поэтому взаимодействием с ними пренебрегается. Таким образом, теория Резерфорда применима для больших отклонений, когда отклонение вызывается только электрическим полем одного ядра, так что по сравнению с этим отклонением все прочие отклонения, вместе взятые, пренебрежимо малы. Соответствующее рассеяние называется резерфор-довским. Оно является упругим в том смысле, что кинетическая энергия а-частицы в результате рассеяния не изменяется, т. е. не растрачивается на возбуждение атомов, а тем более атомных ядер.
Сформулированная задача формально аналогична задаче
