6.8. Ядерная модель атома

Ассистент Томсона Эрнест Резерфорд – (лауреат Нобелевской премии 1908) вместе со своими студентами Гейгером и Марсденом провели ряд опытов по рассеянию α-частиц очень тонкой золотой фольгой.

Эти опыты показали несостоятельность модели Томсона и позволили Резерфорду высказать предположения, что в атоме содержится массивное положительное ядро диаметром 10^-14м, оно окружено облаком электронов, размер атома 10^{-10 м. большая часть атома пуста.}

Предложил бомбардировать золотую фольгу альфа-частицами Ро-214. исследовав углы рассеяния α-частиц можно определить структуру атомов-мишеней.

α→=2qeg потеря заряда α-частиц при присоединении 2х электронов превращается в атом гелия.

Оказалось, что некоторое количество α-частиц рассеивается на очень большие углы, примерно равные 180^°. Такое сильное отклонение возможно только в случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле, которое создается зарядом, связанным с большой массой и сконцентрированным в малом объеме.

В 1911 Резерфорд преложил ядерную модель атома. Атом представляет собой систему зарядов, в центре расположено тяжелое положительно заряженное ядро размером 10^{-14 м, а вокруг распределяются по всему объему электроны. Отклонения α-частиц обусловлено воздействием со стороны атомных ядер. При лобовом соударении α-частицы и ядра φ=180˚, т.е. α-частицы отражаются назад.}

α-частицами облучалась золотая фольга. Ядро атома золота (197 а.е.м.) значительно больше (4 а.е.м. - масса α-частицы) так, что энергией отдачи можно пренебречь. α-частица не проникает в область, где действуют ядерные силы и ядерное взаимодействие не учитывают.

Р₁, Р₂ импульсы α-частиц до и после соударения с ядром.

(откуда Р₁=Р₂).

Движение происходит под действием центральной силы (F), направленной вдоль линии столкновения r. Момент L импульса сохраняется неизменным, т.к. по закону Ньютона

L=bp₁=b′p₂ b=b′

Из второго закона Ньютона следует

2р₁Нnφ/2, тогда

2р₁Нnφ/2-.

При замене переменных

2р₁Нnφ/2=,,

где угловая скорость α-частиц.

Из закона сохранения момента импульса

mυ₁b=mυ_θr

υ_θ=ωr- поперечная компонента скорости

υ₁b=ω₀r².

После подстановки F и ω получим

2р₁Нnφ/2=

=,

учитывая, что К_α=

b=.

Чем меньше b, тем больше φ

b=,

где Д – расстояние максимального приближения.

Последние уравнения нельзя проверить экспериментально. В действительности измеренное число частиц dN с углами рассеяния φ +φ в пределах телесного угла d =2πНnφdφ

Все частицы меньше рассеиваются на углы больше φ.

f ==nσe=nπb²e

f =N/N₀ по окружности

f =.

Продифференцировав их по φ и разделив на dΩ получим

.

Так как dΩ=dS/r²

,

где n=- число ядер в единице объема, ρ – плотность, N_А – Авогадро, μ-киломоль, Д=.

Результат опытов свидетельствует в пользу ядерной модели. Однако, ядерная модель оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии, Резерфорду пришлось отказаться от статистической модели предположить, что электроны движутся вокруг ядра, описывая искривленную траекторию. Но электрон движется с ускорением, и он должен испускать свет - электромагнитный волны, т.е. терять энергию и, в конечном счёте, должен упасть на ядро.