ТЕМА № 24 (4лц+4пр+8ср)

АТОМНАЯ ФИЗИКА

СТРОЕНИЕ ВОДОРОДОПОДОБНЫХ СИСТЕМ

1. Модель атома Томсона

Атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар с линейным размером порядка см, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, потому атом нейтрален.

Рисунок 1. Атом Томсона

2. Опыты Резерфорда

Для экспериментального подтверждения этой модели Резерфорд (1911г) исследовал рассеяние α-частиц, испускаемых радиоактивными веществами. Сущность эксперимента состояла в том, что пучок α-частиц направлялся в вакууме на тонкую металлическую фольгу (толщиной ― см) и рассеивался ею. Применяли визуальный метод регистрации рассеянных α-частиц. При ударе о флуоресцирующий экран из сернистого цинка α-частица оставила на нем вспышку.

Оказалось, что подавляющее число α-частиц рассеивалось на небольшие углы порядка 1-3 . Однако наблюдались также и отдельные α-частицы, отклоняющиеся на большие углы, доходившие до 150 .

Резерфорд сделал вывод, что каждое большое отклонение появляется в результате единичного акта взаимодействия какого-то практически точечного силового центра с близко пролетающей α-частицей. Таким силовым центром является положительно заряженное ядро атома. Сама α-частица есть также атомное ядро, именно ядро атома гелия. Это подтверждается тем, что α-частица может быть получена в результате двукратной ионизации атома гелия. Электростатическое взаимодействие между двумя ядрами и вызывает рассеяние α-частиц на большие углы.

Резерфорд теоретически рассмотрел задачу с рассеяниями α-частиц в кулоновском электрическом поле ядра, содержащего Р положительно заряженных частиц, как показано на рис. 2.

Рисунок 2. Опыт Резерфорда

Обозначим: n ― плотность потока -частиц, налетающих на ядро, т.е. число частиц, падающих на единицу площади за единицу времени ( , ), а dN ― число -частиц, рассеянных в единицу времени внутри темного угла dΩ.

Отношение

=dσ

называется дифференциальным эффективным сечением рассеяния α-частиц в кулоновском поле ядра атома. Согласно формуле Резерфорда

dσ= ,

где ― угол рассеяния α-частиц; Е ― энергия α-частиц; dΩ=2 ; d имеет размерность площади.

Из формулы резерфорда следует, что число -частиц, рассеянных за единицу времени внутри единичного угла, равно

.

Формула (*) позволяет по измерительному числу частиц, рассеянных над некоторым углом , определить число Р элементарных положительных зарядов, содержащихся в ядре атомов данной рассеивающей фольги.

Опыты показали, что число Р равно порядковому номеру Z элемента в периодической системе Менделеева, т.е.

Р=Z. ()

Таким образом, идея Резерфорда о сосредоточении положительного заряда атома в его ядре не только получила блестящее экспериментальное подтверждение, но и позволила установить физический смысл порядкового номера в периодической системе элементов.

По известному заряду ядра Zq можно установить верхний предел размера ядра. При рассеянии -частицы ядром не происходит их столкновение в механической смеси этого слова, т.к. в случае такого столкновения закон взаимодействия v= и вытекающая из него формула Резерфорда не были бы справедливы. Сумма радиусов ядра и -частицы меньше того минимального расстояния , на которое сближаются их центры при столкновении.

Для оценки расмотрим центральный удар -частицы о ядро, соответствующее углу рассеяния . Из закона сохранения энергии следует, что в момент наибольшего сближения -частицы с ядром её кинетическая энергия полностью перейдёт в потенциальную энергию их взаимодействия:

Здесь m – масса – частицы,

v- её начальная скорость вдали от ядра =

Формула Резерфорда примет вид (Е = ):

d =