Опыт Резерфорда

Опыт Резерфорда — это серия экспериментов по бомбардировке тонкой металлической фольги альфа-частицами, проведённая Эрнестом Резерфордом и его сотрудниками в 1909—1911 годах в Манчестерском университете. Результаты опыта привели к опровержению «пудинговой» модели атома Джозефа Джона Томсона и стали экспериментальным обоснованием планетарной модели атома, в которой положительный заряд сосредоточен в массивном ядре, окружённом электронами.

Предыстория

К началу XX века модель атома, предложенная Дж. Дж. Томсоном в 1904 году, была общепринятой. Согласно этой модели, атом представлял собой равномерно заряженное положительным электричеством сферу, внутри которой, как изюм в пудинге, распределены отрицательно заряженные электроны. Модель хорошо объясняла электронейтральность атома и спектральные закономерности, но не была подтверждена прямыми экспериментами.

Эрнест Резерфорд, изучая явление радиоактивности, обнаружил, что некоторые элементы (например, радий) испускают альфа-частицы — положительно заряженные ядра гелия с высокой кинетической энергией. Резерфорд предложил использовать эти частицы в качестве зонда для исследования внутренней структуры атома.

Устройство и ход эксперимента

Оборудование

Основные компоненты установки Резерфорда:

• Источник альфа-частиц — препарат радия, заключённый в свинцовый контейнер с узким каналом, формирующим коллимированный пучок.
• Мишень — тонкая золотая фольга толщиной около 0,5 мкм (несколько тысяч атомных слоёв). Золото было выбрано благодаря своей ковкости и высокой пластичности, позволявшей получать сверхтонкие плёнки.
• Экран-детектор — пластинка, покрытая сульфидом цинка (ZnS). При попадании альфа-частицы на такой экран возникает вспышка сцинтилляции, видимая в микроскоп.
• Микроскоп — для наблюдения и подсчёта сцинтилляций.

Методика

Эксперимент проводился в вакуумированной камере для исключения рассеяния частиц на молекулах воздуха. Пучок альфа-частиц направлялся на фольгу. За фольгой располагался подвижный экран с микроскопом, позволявший регистрировать частицы, рассеянные под разными углами (от 0° до 180° относительно первоначального направления).

Результаты

Ожидалось, что в соответствии с моделью Томсона альфа-частицы будут проходить через фольгу практически без отклонений, испытывая лишь незначительные рассеяния (на углы не более нескольких градусов) из-за суммарного воздействия слабого электрического поля положительно заряженной сферы.

Однако наблюдения показали принципиально иную картину:

1. Большинство частиц (около 99,9 %) проходили через фольгу без отклонения или с отклонением на малые углы (менее 1°).
2. Небольшая часть частиц (примерно 1 из 8000) отклонялась на значительные углы — от 10° до 90°.
3. Крайне редкие частицы (около 1 из 20 000) отражались назад, то есть рассеивались на угол более 90°, вплоть до 180°.

Сам Резерфорд впоследствии вспоминал: «Это было самым невероятным событием, которое когда-либо случалось со мной в жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы обратно и ударил вас».

Интерпретация и планетарная модель

Для объяснения полученных данных Резерфорд в 1911 году предложил новую модель атома. Ключевые положения:

• В центре атома находится ядро — массивное положительно заряженное тело, занимающее ничтожную долю объёма атома (диаметр ядра примерно в 10 000–100 000 раз меньше диаметра атома).
• Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны, образуя электронную оболочку.
• Большая часть объёма атома — пустота.

Альфа-частицы, проходящие на большом расстоянии от ядра, практически не испытывают отклонения. Те же, что пролетают вблизи ядра, испытывают сильное кулоновское отталкивание и отклоняются на большие углы. Частицы, направленные прямо на ядро, отскакивают назад.

Резерфорд вывел формулу для углового распределения рассеянных частиц, которая полностью совпала с экспериментальными данными. Это подтвердило существование атомного ядра.

Критика и ограничения модели

Несмотря на триумф, планетарная модель Резерфорда содержала внутреннее противоречие, которое не удавалось разрешить в рамках классической физики. Согласно электродинамике Максвелла, электрон, движущийся по криволинейной траектории (с ускорением), должен непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и по спирали падать на ядро за время порядка 10⁻¹¹ секунды. Это означало бы, что атомы не могут существовать стабильно, что противоречило реальности.

Кроме того, модель не объясняла дискретный характер атомных спектров (линейчатые спектры излучения и поглощения).

Значение и развитие

Опыт Резерфорда стал поворотным моментом в физике:

• Доказал существование атомного ядра.
• Заложил основы ядерной физики.
• Стимулировал создание квантовой теории атома.

В 1913 году Нильс Бор, развивая идеи Резерфорда, предложил квантовую модель атома, в которой постулировал стационарные орбиты электронов, не сопровождающиеся излучением. Модель Бора — Резерфорда объяснила спектр водорода и стала переходным этапом к современной квантово-механической модели.

Интересные факты

• Непосредственными исполнителями экспериментов были сотрудники Резерфорда — Ганс Гейгер и Эрнест Марсден. Именно Гейгер и Марсден проводили подсчёт сцинтилляций, сидя в темноте по несколько часов подряд.
• В честь опыта Резерфорда назван метод обратного резерфордовского рассеяния (RBS), используемый в материаловедении для анализа состава и структуры тонких плёнок.
• Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии в 1908 году «за исследования по превращению элементов в химии радиоактивных веществ», ещё до того, как стал знаменит своим опытом с фольгой.

Источники

• Резерфорд Э. Рассеяние α- и β-частиц веществом и строение атома // Избранные научные труды. — М.: Наука, 1971.
• Гейгер Х., Марсден Э. О рассеянии α-частиц тонкими металлическими плёнками // Philosophical Magazine. — 1909. — Т. 18.
• Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1974.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 5. Атомная и ядерная физика. — М.: Физматлит, 2002.