Главная Обратная связь

Дисциплины:






Опыты Резерфорда по изучению строения атома.



Дальнейшее развитие представлений о строении атома связано с наблюдениями Резерфорда над рассеянием a - частиц. a - частицы представляют собой ионы гелия, несущие двойной положительный заряд +2e и выбрасываемые с очень большой скоростью из атомов радиоактивных элементов. Резерфорд наблюдал, что a - частицы способны проникать через тонкие листочки металлов, и при этом они отклоняются от первоначального направления своего движения. Было естественно допустить, что зти отклонения вызваны отталкиванием положительно заряженных частиц от положительных зарядов атома. Наблюдение рассеяния a - частиц проводилось по следующей схеме:

Металлическая камера А, сверху закрытая стеклянной пластинкой Я, при­креплялась к подстановке В, на окружности которой были нанесены градусные деления. Вся подставка вместе с камерой могла вращаться на шлифе С. Сбоку в камеру А был вделан микроскоп М, перед объ­ективом которого укреплялся экран 5, покрытый сернистым цинком, Источник α - частиц Р. помещался в свинцовом футляре Г, имеющем диафрагму О. На пути пучка α -частиц помещалась рассеивающая металлическая фольга E толщиной в 10-7-10-6 м. Источник и фольга укреплялись неподвижно на трубке Т, проходящей через основание прибора. Через эту трубку из камеры А откачивался воздух, чтобы не происходило рассеяния α - частиц на молекулах воздуха. Попа­дание каждой а-частицы на экран 5 вызывало вспышку — сцинтил­ляцию, обусловленную флуоресценцией экрана. При повороте ка­меры на различные углы на экран попадали α - частицы, рассеянные под соответствующими углами. С помощью описанной установки можно было наблюдать а-частицы, рассеянные под углами до 150°. Опыты, проведенные в лаборатории Резерфорда, показали, что наряду с подавляющим большинством α-частиц, отклоняющихся весьма незначительно от своего первоначального направления, имелись α-частицы, которые при прохождении через тонкие фольги резко отклонялись на весьма большие углы, порядка 135—150°.

Резерфорд теоретически рассмотрел задачу о рассеянии α-частиц в кулоновском электрическом поле ядра, содержащего Р положительно заряженных частиц.

Пусть α-частица на большом расстоянии от ядра движется со скоростью, направленной вдоль прямой ab. Обозначим через r наименьшее расстояние от прямой ab до центра атома O, в котором расположен его положительный заряд Q. Расчёт показывает, что при наличии кулоновских сил взаимодействия между α-частицей и зарядом Q,α-частица движется по гиперболе. Угол, на который отклонится траектория α-частицы определяется равенством ,где m-масса α-частицы.



Из формулы видно, что отклонения тем больше, чем меньше «прицельное расстояние» r.

Пусть в единицу времени через единицу площади поперечного сечения пучка пролетает n0 частиц. Предположим, что отклонение на угол q соответствует «прицельному расстоянию» r, а отклонение на угол q+dq — «прицельное расстояние» r-dr.

Тогда при рассеянии от одного атома на искомый угол отклоняются все те частицы, которые пролетят через площадь кольца, проведённого около атома, как центра, с радиусом r и шириной dr. Число таких частиц равно n0dS, где dS—площадь кольца. Если на единицу площади фольги приходится N атомов, то общее число α-частиц, отклонённых в единицу времени на угол q, равно dn=n0·N·dS. Площадь кольца равна dS=2prdr, и тогда

dn= n0·N·2·p·r·(dr).

 

Учитывая, что

r2=

и дифференцируя это выражение получим

 

Формула (*) дает число частиц dп, рас­сеянных в единицу времени на угол, за­ключенный между данными значениями q, и q+q, Другими словами, dnесть число частиц, пролетающих в пространстве между конусами с углами растворения 2qи 2(q+dq) в единицу времени. Если мы проведем около вершины этих конусов С, как около центра, сферу радиуса r, то конусы вырежут на поверхности сферы полосу (заштрихована на рис.) пло­щадью 2prsin(q)rdq=2pr2sin(q)rdq Все dn частиц попадут на площадь этой полосы. Следовательно, на единицу площади попадет число частиц

Такое именно число частиц и будет зарегистрировано в единицу времени на единице площади эк­рана О. Подставляя в последнее выражение вместо dnего значение, получим

Из формулы вытекает, что при данных условиях опыта произведение · должно оставаться постоянным при изменении угла q. Наблюдения полностью подтвердили этот вывод теории.

1. На основании результатов опытов по рассеянию a-частиц тонкими металлическими фольгами и следствий, к которым при­вели эти опыты, Э. Резерфордом была предложена ядерная модель атома. Согласно этой модели, в ядре атома — малой по сравнению с объемом всего атома области с линейными размерами 10-15—10-14 м.— сосредоточен весь его положительный заряд и практи­чески вся масса атома. Вокруг ядра в области с линейными разме­рами ~10-10 м движутся электроны, масса которых составляет лишь весьма малую долю массы ядра. Статическая ядерная модель атома, в которой электроны были бы неподвижны, физически бес­смысленна. В результате действия кулоновских сил притяжения электроны сразу же упали бы на ядро. Чтобы этого не произошло, электроны должны двигаться около ядра по орбитам, зависящим от энергии электронов. Ядерная модель атома Резерфорда внешне очень напоминает солнечную систему: в центре системы находится «солнце» — ядро, а вокруг него по орбитам движутся «планеты» — электроны. Поэтому данную модель часто называют планетарной. Орбиты электронов в атоме стационарны, атому свойственна исклю­чительная устойчивость, о чем, в частности, свидетель­ствуют оптические линейчатые спектры атомов, отличающиеся опре­деленным для всех атомов данного элемента расположением линий.

2. Устойчивость атома не может быть согласована с классическим истолкованием ядерной модели. Рассмотрим ядерную модель атома водорода, содержащего один электрон и ядро–протон. Скорость электрона по круговой орбите с радиусом R»10-10 м. Должна быть порядка v=106 м/с. (что следует из формулы ), а центростремительное ускорение должно иметь порядок 1022 м/с2. Такой ускоренно движущийся электрон должен вести себя как вибратор, колеблющийся с большой частотой и излучающий электромагнитные волны.

Согласно классическим представлениям, это излучение (и связанная с ним потеря электроном его энергии) должно происходить непрерывно. Поэтому электрон не сможет удержаться на круговой орбите — он должен по спирали приближаться к ядру и частота его обращения вокруг ядра (а, следо­вательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн) должна непрерывно изменяться. Иными словами, электромагнитное излучение атома должно иметь непрерывный, а не линейчатый спектр. Можно было бы избежать трудности с потерей электроном энергии на излучение, если допустить, что он движется с малыми скоростями и ускорениями. Однако в этом случае также неизбежно падение электрона па ядро, потому что при малых скоростях электрон не сможет удержаться на орбите такого радиуса, который соответ­ствует реальным размерам атома.

3. Таким образом, применение классической электродинамики к ядерной модели атома привело к полному противоречию с экспе­риментальными фактами. Согласно классической теории, должны иметь место:

а) непрерывная потеря электроном энергии в виде излучения электромагнитных волн и неустойчивость атома;

б) существование только непрерывного спектра. Спектральных линий существовать не должно.





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...