16
С. Козел
Модель опыта Резерфорда
Знаменные опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц на тяжелых ядрах (1906—1911 гг.) сыграми исключительно роль в развитию представления о строении атома. В этих опытах α-частицы, испускаемые радиоактивным источником, пропускались через тонкие пленки золота и других металлов. При прохождения через пленки α-частицы отклонялись от первогоначального направления на различные углы. Рассеяние α-частицы попадали на экран, покрытый сернистым цинком, и вызывал вспышки (сцинитилляции). Наблюдая за этим сцинитилляциями в микросокоп, можно было определить, насоклько изменяется траектория движения части при прохождения слоя металла.
Большинство α-частиц отклонялись от первогоначального направления движения на очень незначительные углы. Но некоторые части отклонялись довольно значительно. И, что было совершено поразительно, неокторые α-частицы (примерно 1 на 20 000) меняли направление движения почти на противоположное. (Регистрировались эти части по всышкам на экране, расположенном так, что на него могли попадать «отраженные» от металла частицы.)
Было совершено ‘очевидно’, что рассеяние α-частиц происходит в результате взаимодействия их с положительным зарядом атома (масса электрона примерно в 8000 раз меньше массы α-частицы, так что электроны не могли заглянуть на характер движения α-частицы). Существовшая в те годы модель атома, согласно которой положительный заряд был распределен равномерно по всему объему атома (эту модель предложил Дж. Томсон), была не в состоянии обязывать результаты экспериментов по рассеянию α-частиц. Размеры атомов к тому времени были уже оценены (~10⁻⁸ cm). А основанный на модели Томсона расчет, проведенный для α-частиц, рассеяющегося на углы ~180°, приводил либо к невероятному большим значением радиуса атома, либо к невозможному большим величиным положительных зарядов в атоме *).
Чтобы обязывать рассеяние на большие углы, необходимо было предположить, что положительный зарядосреднего в очень небольшой (по сравнению с размером атома) области внутри атома. Этот положительный заряд — ядро атома — создает сильное электростатическое поле, и на α-частиц, попадающего в поле ядра, действует кулоновская сила ottalkivания.
Основываясь на таком представлении о строении атома, Резерфорд сделал теоретический расчет количественного распределения числа части по разным углам рассеяния. Его расчеты для прекрасное соглашение с результатами эксперимента.
Итак, мы кратко напомнили историю создания ядерной модели атома.
Перейдем теперь к моделированию опыта Резерфорда. Речь будет идти о механической модели, в котором α-частицы заменены небольшими стальными шариками. Шарики, которые сообщают скорость в горизонтальном направлении, катятся по горизонтальной плоскости, «взбираются» на горку определенного профиля, а затем скатывают с нее вновь на горизонтальном плоскость. Профиль горки должны быть таким, чтобы псетенциальная энергия шариков изменяла по тому же закону, что и по
*) Проведите сами расчет величины положительного заряда, сосредоточенного в сфере радиуса ~10⁻⁸ cm, способного отклонить α-частиц с энергийой 5 Мэв на 180°.