Физические основы явления
Известно, что, по крайней мере, две модели претендовали на правильное описание структуры атома. Это капельная модель Томсона и планетарная или ядерная модель Резерфорда.
М
одель
Дж.Дж.Томсона.
Атом Томсона - это положительно заряженная
"капелька" в которую вкраплены
электроны (рис. 1). Проникая в такую каплю
-частицы
рассеиваются как на положительном
заряде капли, так и на электронах. Каждая
"капля" имеет радиус R10-8
см.
Расчеты показывают, что средний угол рассеяния -частицы с энергией 5 МэВ на атоме Томсона составляет очень малую величину ~ (0,02 - 0,03)°.
Если в мишень, состоящую, например, из 104 слоев атомов Томсона направить поток -частиц, то в каждом слое они будут испытывать столкновения в различных направлениях, и при вылете из мишени средний угол отклонений будет составлять 2-3°. Резерфорд вычислил вероятность обратного рассеяния -частицы в такой среде т.е. на угол 180°. Вероятность такого случая оказалась ~ 10-3000, то есть практически равной нулю. Это означает, что в мишени, состоящей из атомов Томсона ожидать рассеяния на большие углы бессмысленно.
М
одель
Э.Резерфорда.
Атом Резерфорда представляет собой
малый тяжелый керн (ядро), окруженный
облаком электронов (рис. 2).
Если рассмотреть рассеяние -частицы на атоме Резерфорда, то на электронах оно столь же мало, как и в модели атома Томсона, т.е. составляет (0,02 0,03)° на отдельном атоме. Рассеяние же на ядре (если масса ядра много больше массы -частицы) может привести к большим углам, в том числе 180°.
Проследим движение -частицы в мишени, состоящей из атомов Резерфорда. Если принять, что размеры атома составляют величину ~ 10-8 см, то площадь мишени, состоящей из 104 атомных слоев, полностью перекрывается атомами. Если -частица пролетает через электронную оболочку, то она испытывает лишь еле заметные отклонения от первоначальной траектории движения. То есть, если -частица случайно не натолкнулась на ядро, то она движется также, как и в мишени Томсона (рис. 3 a). Если, однако, -частица столкнётся с тяжёлым ядром, то направление её траектории изменится существенным образом (рис. 3 b). Такое столкновение значительно менее вероятно, чем столкновение с электронной оболочкой потому, что размер ядра (как выяснилось позднее) на 4-5 порядков меньше размера атома.
Рис. 3
Для проверки описанных теоретических моделей Резерфордом в 1911 году был поставлен эксперимент, в котором по угловому распределению рассеянных -частиц можно было судить о том, как распределены масса и заряд атома. С этой целью золотая фольга толщиной в 1 мкм обстреливалась пучком -частиц с энергией в несколько МэВ. Результаты опыта можно свести к двум наиболее важным пунктам: 1) большая часть -частиц отклонялась на малые углы, в среднем 2°-3° и распределение по углам этих частиц соответствовало нормальному закону, 2) некоторое число частиц отклонялось на большие углы, в том числе на углы, близкие к 180°.
Выводы, сделанные Резерфордом, сегодня общеизвестны: вся масса атома практически целиком сосредоточена в положительно заряженном малом объеме, называемом ядром. Размеры ядра на 4-5 порядков меньше размеров атома, который, по модели Резерфорда, представляет собой систему электронов, движущихся вокруг ядра наподобие планет вокруг Солнца – поэтому такую модель иногда называют планетарной.
Вернемся к деталям задачи рассеяния -частиц в опыте Резерфорда (схема опыта на рис. 4).
В установке Резерфорда пучок -частиц вылетал из радиоактивного источника (K) со скоростью ~ 109 см/с и направлялся на мишень (Ф), представляющую собой тонкую золотую фольгу толщиной в 1 мкм, что составляет примерно 104 атомных слоев. Флуоресцирующий экран (Э), поставленный за
Рис. 4
мишенью, вспышками показывал число -частиц, прошедших через мишень и рассеявшихся на угол . Оптический индикатор (М) позволял отсчитывать число вспышек т.е. число -частиц, рассеянных на угол . Как уже отмечалось, подавляющее число -частиц отклонялось на малые углы, в среднем 2°-3°. Однако, примерно одна -частица из 104 падающих на мишень, отклонялась на большие углы, в том числе и соответствующие рассеиванию назад. Было также замечено, что рассеяние на малые углы происходит в соответствии с законом нормального (гауссового) распределения случайных величин.
Теперь, следуя рассуждениям Резерфорда, ответим на вопрос о том, какая из моделей атома более соответствует действительности, Томсона или Резерфорда.