Рассеяние Резерфорда
В физике рассеиванием Резерфорда называется феномен, описанный Эрнестом Резерфордом в 1909 году[1], и приведший к развитию планетарной модели Бора-Резерфорда. Рассеивание Резерфорда также называют Кулоновским рассеиванием потому, что оно базируется исключительно на силах электростатического взаимодействия, и минимальное расстояние между частицами зависит только от потенциала поля. Классическое рассеивание Резерфорда представляет из себя рассеивание α-частиц на ядрах атомов золота (бомбардировка золотой пластинки α-частицами), что является примером так называемого «эластичного рассеивания» («упругого рассеивания»), так как энергия и скорость рассеянной частицы такая же, как и у налетающей.
Также Резерфорд анализировал неупругое рассеивание α-частиц на протонах (ядрах атома водорода), этот процесс не является классическим рассеиванием Резерфорда, хотя наблюдался им ранее, чем классический. При приближении α-частицы к протону возникают некулоновские силы, которые, вместе с энергией налетающей частицы на лёгкую мишень, меняют результаты эксперимента. Эти эффекты позволяют строить предположения о внутренней структуре мишени. Похожий процесс был применён в 1960-ых для исследования внутренней структуры ядра под названием «глубокое неупругое рассеяние».
Первоначальное открытие было сделано Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом в 1909 году — эксперимент Гейгера — Марсдена — под руководством Резерфорда, в котором они бомбардировали α-частицами мишень, состоящую из нескольких сверхтонких (толщиной менее одного микрона) слоёв золотой фольги. Во время эксперимента предполагалось, что атом является аналогией пудинга с изюмом (согласно Томпсоновской модели атома), где отрицательные заряды (изюм) распределены по положительно заряженному шару (пудинг). Если Томпсоновская модель атома верна, то положительно заряженный пудинг будет более протяжённым, чем ядро атома в модели Бора-Резерфорда, и не сможет создавать большие силы кулоновского отталкивания, вследствие чего α-частицы будут отклоняться на малые углы от своего первоначального вектора скорости.
Однако, эксперимент показал, что 1 из 8000 частиц отражается на углы более 90°, когда основная масса частиц проходит через фольгу с небольшим отклонением или вообще без него. Исходя из этого Резерфорд заключил, что основная масса и заряд вещества заключена в крошечном положительно заряженном пространстве (ядре) окруженном электронами. Когда положительная α-частица пролетает очень близко от ядра, то испытывает на себе силы кулоновского отталкивания и отражается на большие углы. Маленький размер ядра атома объясняется малым количеством α-частиц отражённых подобным образом. Используя описанный метод, Резерфорд показал, что размер ядер меньше чем 10 − 14m (насколько «меньше» Резерфорд не мог уточнить опираясь только на этот эксперимент).
Дифференциальное сечение
Отталкивающее рассеяние на точечной заряженной частице.
Установленная Резерфордом в 1911 году формула дифференциального сечения:
Все частицы проходящие через кольцо слева попадают в кольцо справа.