Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
dN=Vnld,~Vnl(-^y(9.4)
В таком виде формула Резерфорда и была подтверждена на опыте. В частности, на опыте было показано, что при постоянстве dQ величина dN sin4 ({>/2) постоянна, т. е. не зависит от угла рассеяния Ф, как это и должно быть согласно формуле
(9.4).
Подтверждение формулы Резерфорда на опыте может рассматриваться как косвенное доказательство закона Кулона на таких малых расстояниях, на какие могут сближаться центры а-частицы и взаимодействующего с ней ядра. Другим доказательством могут служить опыты Блэкетта (1897—1974) по рассеянию а-частиц в газах. Фотографировалось большое количество треков а-частиц в камере Вильсона, измерялись угловые отклонения их и подсчитывалось, как часто встречаются определенные углы рассеяния. Эти опыты также подтвердили формулу Резерфорда. Но главной целью их была проверка закона Кулона. Оказалось, что при расстояниях между центрами а-частицы и взаимодействующего ядра в случае воздуха от 3-Ю-12 до 5-Ю-10 см, а в случае аргона от 7-Ю-12 до 10~9 см закон Кулона подтверждается экспериментально. Отсюда не следует, что этот закон справедлив на любых расстояниях между центрами взаимодействующих ядер. Опыты по упругому рассеянию легких ядер, ускоренных ускорителями, также на легких, но неподвижных ядрах показали, что наблюдаются резкие отступления от закона Кулона, когда указанное расстояние уменьшается до 10~12 см и меньше. На таких расстояниях проявляют свое действие ядерные силы притяжения, перекрывающие куло-новские силы отталкивания ядер.
7. Формулу (9.4) можно применить для измерения заряда ядра. Для этого надо измерить dN и /. После этого можно вычислить Z, так как все прочие величины в формуле (9.4) могут считаться известными. Основная трудность состоит в том, что величины dN и / очень сильно отличаются друг от друга. В первых опытах они измерялись на различных установках, т. е. в разных условиях, что вносило значительные ошибки. В опытах Чэдвика (1891—1974) этот недостаток был устранен. Рассеивающая фольга имела форму кольца АА' (рис. 19), радиоактивный препарат R (источник а-частиц) и флуоресцирующий экран 5 из ZnS устанарлирались из оси кольца на одинаковых
56
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ И СПЕКТРЫ АТОМА
[ГЛ. II
расстояниях от него. Для подсчета сцинтилляций от а-частиц, рассеянных фольгой, отверстие кольца АА' закрывалось экраном, непрозрачным для а-частиц. Наоборот, для измерения / производился подсчет сцинтилляций, когда отверстие было свободно, а кольцо АА' закрыто. Так как в этом случае число сцинтилляций было очень велико, то для его уменьшения перед экраном S устанавливался вращающийся диск с узким вырезом. Зная ширину выреза и сосчитав число сцинтилляций, можно вычислить /. Чэдвик нашел для платины Z == 77,4, серебра Z = 46,3, меди Z = 29,3. Атомные или порядковые номера этих
окружающая его электронная оболочка образовать устойчивую систему, какой, несомненно, является атом? Если бы это было возможно, то эти частицы не могли бы находиться в покое. В противном случае получилась бы электростатическая система (практически) точечных зарядов, между которыми действуют кулоновы силы, а такая система, согласно теореме Ирншоу (см. т. III, § 9), неустойчива. Кулоновы силы меняются обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. Но так же меняются гравитационные силы между телами планетной системы. Устойчивость планетной системы обеспечивается вращением планет вокруг Солнца. Поэтому Резерфорд естественно пришел к планетарной модели атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра.
Однако, согласно классической электродинамике, при движении заряда меняется и электромагнитное поле, источником которого является заряд. В частности, электрический заряд, движущийся ускоренно, излучает электромагнитные волны. Вращающийся электрон имеет ускорение, а потому должен непрерывно излучать. Теряя энергию на излучение, электрон непрерывно приближался бы к ядру и в конце концов упал бы на него (см. задачу 4 к этому параграфу). Таким образом, и при наличии движения получается неустойчивая модель атома. Можно было бы предположить, что закон Кулона и прочие законы, определяющие электромагнитное поле в электродинамике, нарушаются в случае элементарных частиц и малых расстояний- Можно было бы учесть ядерные силы и ввести неизвестные
элементов в периодическои системе Менделеева равны соответственно 78, 47, 29. Тем самым был подтвержден уже известный результат,
R
S впервые установленный Мозли (1887—1915), что заряд ядра Z совпадает с атомным номером элемента (см. § 48).
Рис. 19
8. Вернемся снова к модели атома, обоснованной опытами Резерфорда. Могут ли атомное ядро и
ЯДЕРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА И ОПЫТЫ РЕЗЕРФОРДА
67
нам гипотетические силы, обеспечивающие устойчивость атома. Но и это не спасает положения. Каковы бы ни были силы, согласно общим принципам классической механики спектр излучения атома должен состоять из нескольких основных частот и соответствующих им обертонов. Опыт приводит к совсем иной закономерности, выражаемой комбинационным принципом Рит-ца (1878—1909) (см. § И). Приходится констатировать, что классическая механика и электродинамика оказались не в состоянии объяснить существование атомов как устойчивых систем атомных ядер и электронов. Решение этой проблемы было получено только в рамках квантовой механики.
