В начале XX века физики столкнулись с загадкой строения атома. Модель атома Дж. Томсона, известная как «пудинг с изюмом», не могла объяснить удивительные результаты опытов по рассеянию альфа-частиц. Эти опыты, проведенные под руководством Эрнеста Резерфорда, показали, что несмотря на то, что большая часть альфа-частиц пролетала сквозь тонкую золотую фольгу практически без отклонения, некоторая их часть отклонялась на значительные углы, а некоторые даже отскакивали назад.
Описание опыта Резерфорда
В своих знаменитых экспериментах, проведенных в 1909-1911 годах, Эрнест Резерфорд вместе со своими учениками Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом бомбардировал тончайшую золотую фольгу потоком альфа-частиц. Альфа-частицы, несущие положительный заряд, испускались радиоактивным источником – радием, заключенным в свинцовый контейнер с узким отверстием для формирования пучка.
Вокруг фольги располагался экран, покрытый сульфидом цинка, способным светиться при попадании на него альфа-частиц. Это позволяло регистрировать отклонения частиц от первоначального направления. Траектории альфа-частиц после взаимодействия с фольгой тщательно изучались.
Результаты опыта Резерфорда
Результаты опыта Резерфорда оказались неожиданными и опровергли существовавшую в то время модель атома Томсона. Большинство альфа-частиц действительно пролетало сквозь золотую фольгу, практически не отклоняясь от своего пути, как и ожидалось.
Однако, к удивлению ученых, незначительная часть альфа-частиц отклонялась на большие углы. Более того, некоторые частицы отскакивали от фольги, как будто сталкиваясь с чем-то очень плотным и массивным.
Ядерная модель атома
Для объяснения полученных результатов Резерфорд предложил революционную для того времени модель строения атома, которая получила название ядерной. Согласно этой модели, весь положительный заряд атома и практически вся его масса сконцентрированы в крошечном центральном ядре.
Вокруг положительно заряженного ядра, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Именно столкновения с массивным и положительно заряженным ядром и вызывали те самые редкие, но значительные отклонения альфа-частиц, которые наблюдали Резерфорд и его команда.
Объяснение малого количества отклоняющихся α-частиц
Ядерная модель атома позволила элегантно объяснить, почему лишь небольшая часть альфа-частиц испытывала значительные отклонения при прохождении через золотую фольгу.
Поскольку атом в основном состоит из пустого пространства, большинство альфа-частиц пролетало через него, не приближаясь к ядру на расстояние, достаточное для сильного кулоновского взаимодействия. Лишь те немногие частицы, которые пролетали в непосредственной близости от положительно заряженного ядра, испытывали сильное отталкивание и отклонялись на значительные углы.
5.1. Размеры ядра и атома
Анализ результатов опыта Резерфорда позволил не только подтвердить существование ядра, но и оценить размеры атома и его ядра. Оказалось, что ядро невероятно мало по сравнению с размерами всего атома.
Если представить атом размером с футбольный стадион, то ядро будет подобно маленькой монете в его центре. Это наглядно демонстрирует, почему подавляющее большинство альфа-частиц пролетало сквозь фольгу, не встречая на своем пути препятствий в виде ядра.
5.2. Пустое пространство в атоме
Открытие Резерфордом малых размеров ядра и тот факт, что практически вся масса атома сосредоточена в этом ядре, привели к удивительному выводу⁚ атом по большей части состоит из пустого пространства!
Электроны, занимающие огромный по сравнению с ядром объем, не оказывали существенного влияния на движение массивных альфа-частиц. Именно колоссальная «пустота» внутри атома объясняет, почему большая часть альфа-частиц пролетала сквозь золотую фольгу, не отклоняясь.
Значение опыта Резерфорда для науки
Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц стал поворотным пунктом в истории изучения строения атома. Он опроверг модель атома Томсона и заложил основы ядерной модели, которая легла в основу современной атомной физики.
Это открытие имело огромное значение для дальнейшего развития науки и техники, позволив по-новому взглянуть на природу материи и открыв путь к исследованию микромира на более глубоком уровне.
Эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц позволили приоткрыть завесу тайны над строением атома. Ключевым выводом стало понимание того, что атом ‒ это не сплошной шар, а структура, состоящая из крошечного, плотного и положительно заряженного ядра, окруженного облаком электронов, занимающим значительно больший объём.
Именно эта модель объясняет, почему лишь незначительная часть альфа-частиц отклонялась на значительные углы в опытах Резерфорда, тогда как большинство из них пролетало сквозь фольгу практически без изменения траектории.
