Опыт Резерфорда.

РЕЗЕРФОРД Эрнст (1871-1937), английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, иностранный член-корреспондент РАН (1922) и почетный член АН СССР (1925). Директор Кавендишской лаборатории (с 1919). Открыл (1899) альфа- и бета-лучи и установил их природу. Создал (1903, совместно с Ф. Содди) теорию радиоактивности. Предложил (1911) планетарную модель атома. Осуществил (1919) первую искусственную ядерную реакцию. Предсказал (1921) существование нейтрона. Нобелевская премия (1908).

Опыт Резерфорда (1906 г.) по рассеянию быстрых заряженных частиц при прохождении через тонкие слои вещества позволили исследовать внутреннюю структуру атомов. В этих опытах для зондирования атомов использовались α – частица – полностью ионизированные атомы гелия, - возникающие при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых металлов.

Резерфорду было известно, что атомы состоят из легких отрицательно заряженных частиц – электронов и тяжелой положительно заряженной частицы. Основная цель опытов – выяснить, как распределен положительный заряд внутри атома. Рассеяние α – частиц (то есть изменение направления движения) может вызвать только положительно заряженная часть атома.

Опыты показали, что некоторая часть α – частиц рассеивается на большие углы, близки к 180˚, то есть отбрасывается назад. Это возможно только в том случае, если положительный заряд атома сосредоточен в очень малой центральной части атома – атомном ядре. В ядре сосредоточена также почти вся масса атома.

Оказалось, что ядра различных атомов имеют диаметры порядка 10 -14 – 10 -15 см, в то время как размер самого атома ≈10 -8 см, то есть в 10 4 – 10 5 раз превышает размер ядра.

Таким образом, атом оказался «пустым».

На основании опытов по рассеянию α – частиц на ядрах атомов Резерфорд пришел к планетарной модели атома . Согласно этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра и обращающихся вокруг него электронов.

С точки зрения классической физики такой атом должен быть неустойчив, так как электроны движущиеся по орбитам с ускорением, должны непрерывно излучать электромагнитную энергию.

Дальнейшее развитие представлений о строении атомов было сделано Н. Бором (1913 г.) на основе квантовых представлений.

Лабораторная работа.

Данный опыт возможно провести при помощи специального прибора, чертеж которого изображен на рисунке 1. Этот прибор представляет собой свинцовую коробочку с полным вакуумом внутри её и микроскопом.

Рассеяние (изменение направления движения) α – частиц может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α – частиц можно определить характер распределения положительного заряда и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда показана на рисунке 1. Испускаемый радиоактивным препаратом пучок α – частиц выделялся диафрагмой и после этого падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (в данном случае это золото). После рассеяния α – частицы попадали на экран, покрытый сернистым цинком. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), которую можно было наблюдать в микроскоп.

При хорошем вакууме внутри прибора в отсутствие фольги на экране возникала полоска света, состоящая из сцинтилляций, вызванных тонким пучком α – частиц. Но когда на пути пучка помещалась фольга, α – частицы из-за рассеяния распределялись на большей площади экрана.

В нашем опыте нужно исследовать α – частицу, которая направлена на ядро золота при составлении угла 180° (рис. 2) и проследить за реакцией α – частицы, т.е. на какое минимальное расстояние α – частица приблизится к ядру золота (рис. 3).

Рис. 2 Рис.3

Дано:

V 0 =1,6*10 7 м / с – начальная скорость

d = 10 -13

r min =?

Вопрс:

Какое минимальное расстояние r min между α – частицей и ядром удастся реализовать в данном эксперименте? (Рис. 4)

Рис.4

Решение:

В нашем эксперименте α – частица представлена как атом

m нейтр кг

Z=2 – протонов

N = Au – Z = 4 – 2 = 2 нейтрона

m p = кг

Z=79 – число протонов

N = Au – Z = 196 – 79 =117 (нейтронов)

Кл 2 / H ∙м 2 – электрическая постоянная

Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Основой современных представлений о строении атома явились опыты Резерфорда по рассеиванию - частиц. - частицы возникают в процессе радиоактивного распада, их заряд положителен и равен удвоенному заряду электрона. Кинетическая энергия и скорость - частиц велики:

В опытах Резерфорда выделяемый отверстием (рис. 39) узкий пучок - частиц, испускаемых радиоактивным веществом Р, падал на очень тонкую металлическую фольгу Ф. На атомах фольги происходило рассеяние - частиц. Вокруг фольги располагался экран Э из сернистого цинка. При попадании - частицы на этот экран она давала вспышку света ‑ сцинтилляцию (поэтому такие экраны называются сцинтилляционными экранами), которая регистрировалась с помощью зрительной трубы М. Положение экрана и зрительной трубы могло быть установлено под любым углом к направлению распространения луча - частиц. Тем самым можно было подсчитать число - частиц, распространяющихся под разными углами.

Рис. 39. Опыт Резерфорда

Оказалось, что -частицы могут как проходить через фольгу насквозь по прямой, так и полностью отражаться от нее. Большинство
- частиц отклоняется от прямолинейного пути на углы не более 1-2 градусов. Но небольшая доля - частиц отклонялась на значительно большие углы – так, одна - частица из 20 000 возвращается назад ().

Исходя из рассмотренных результатов опыта, в 1911 г. Резерфорд предложил свою, ядерную (планетарную) модель атома. По Резерфорду, в центре атома находится положительно заряженное (+Ze) ядро (радиус ядра ~ 10 -13 см), вокруг которого расположены Z электронов. Масса ядра намного больше массы электронов.

Ядерная модель атома позволила объяснить наблюдаемое в опыте Резерфорда отклонение - частиц от прямолинейной траектории: между положительно заряженными - частицами и положительно заряженным ядром возникают силы кулоновского отталкивания.

Экспериментальное подтверждение ядерной модели атома, предложенной Резерфордом, тем не менее, не разрешило противоречий этой модели с законами классической механики и электродинамики.

Противоречие 1: поскольку система неподвижных электрических зарядов неустойчива, Резерфорд предположил, что электроны не статичны, а движутся вокруг ядра; а значит, имеют центростремительное ускорение. Но при этом, согласно представлениям классической физики, электрон, как любой ускоренно движущийся заряд, должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Между тем в нормальном состоянии атомы не излучают.

Противоречие 2: теряя энергию в процессе излучения электромагнитных волн, электрон, в конце концов, должен упасть на ядро (расчетное время падения ~ 10 -8 с.). Следовательно, по модели Резерфорда атом является неустойчивой системой, что противоречит реальной действительности.

Противоречие 3: по Резерфорду, электроны при движении вокруг ядра удерживаются кулоновскими силами:

где – заряд ядра, m – масса электрона, – его скорость, r – радиус орбиты. Поскольку на радиус r не накладывается никаких ограничений, скорость электрона, а значит, и его кинетическая энергия может быть любой.

Это значит, что спектр испускания атома должен быть непрерывным. Однако реальные атомные спектры испускания состоят из отдельных линий (которые объединяются в серии линий).

Т.е. ядерная модель атома оказалась неспособна объяснить ни устойчивость атома, ни характер атомного спектра . Выход из ситуации был найден в 1913 г. Бором, который предложил новую модель атома, введя предположения, противоречащие классическим представлениям. В основу своей теории он положил два постулата.

Эксперимент по рассеиванию альфа-частиц

Открытие электрона, рентгеновского излучения и явления радиоактивности свидетельствовало о том, что представление об атоме как неделимой частице являлось неверным. К концу \(XIX\) века стало понятно, что атом должен иметь сложное строение. Большой вклад в изучение строения атома внёс физик-экспериментатор Эрнест Резерфорд .

Эрнест Резерфорд

В \(1904\) году Резерфорд начал свои эксперименты по бомбардировке альфа-частицами тонких металлических пластин (золотых и платиновых) для изучения структуры атомов, из которых состоят пластины.

Альфа-частица - ионизированный атом гелия.

Альфа-частица - это массивная (масса альфа-частицы в несколько тысяч раз больше, чем масса электрона) положительно заряженная частица. Заряд альфа-частицы в два раза больше элементарного заряда.

Схематично установка Резерфорда изображена на рисунке ниже.

В толстостенном свинцовом футляре (\(1\)) находится радиоактивное вещество (\(2\)), излучающее поток альфа-частиц. Через небольшое отверстие (\(3\)) поток альфа-частиц направляется на тонкую золотую фольгу (\(4\)) (толщиной порядка \(0,1\) мк). За фольгой располагается экран, покрытый сернистым цинком (\(5\)). При столкновении альфа-частицы на экране наблюдается вспышка.

Согласно модели строения атома по Томпсону, альфа-частицы должны столкнуться с большими плотными атомами и разлететься под разными углами. Однако опыт показал, что большинство альфа-частиц пролетают беспрепятственно через пластинку металла (\(6\)). И только небольшая часть всех альфа-частиц изменяет направление движения, отклоняясь на небольшие углы (\(7\)). А некоторые частицы и вовсе отлетают от фольги в обратном направлении (\(8\)).

Результаты опыта были удивительными. Только в \(1911\) году Резерфорд смог объяснить результаты опытов, предложив новую модель строения атома.

Ядерная модель строения атома

Так как большинство альфа-частиц свободно проходило через фольгу, это означало, что практически всё пространство, через которое проходит поток альфа-частиц - это пустота. Где же тогда «спрятана» вся масса атома? Резерфорд предположил, что практически вся масса атома сосредоточена в очень маленьком объёме - ядре атома. Было очевидно, что ядро должно быть положительно заряжено. Когда альфа-частица пролетает достаточно близко от такого ядра, то из-за Кулоновских сил отталкивания происходит отклонение от первоначального направления движения частицы. А при столкновении с ядром частица отскакивает в обратном направлении. По расчётам Резерфорда, ядро атома должно было иметь размер примерно в \(3000\) раз меньший, чем атом. Остальное пространство атома должны занимать электроны.

Планетарная модель строения атома

Итак, стало понятно, что «пудинговая модель строения атома» неверна. На основе экспериментальных данных была предложена новая модель строения атома, которая получила название «планетарная модель строения атома ».

Обрати внимание!

Согласно модели Резерфорда, атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, размер которого в тысячи раз меньше самого атома, и электронов, которые вращаются вокруг ядра по круговым орбитам.

Модель очень напоминала модель строения Солнечной системы, где вокруг массивного Солнца по круговым орбитам вращаются планеты.

Таким образом, на основе планетарной модели можно было объяснить результаты опытов по рассеянию альфа - частиц. Однако объяснить стабильность атомов не удавалось. Движение электрона в атоме происходит с ускорением. В соответствии с классической электродинамикой это движение должно было сопровождаться излучением электромагнитных волн, в результате чего энергия электрона в атоме непрерывно уменьшалась бы. Электрон стал бы приближаться к ядру по спирали и должен был бы очень скоро упасть на него. Однако атомы стабильны. Следовательно, планетарная модель противоречила законам классической физики.

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопи­лось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

Большие успехи в исследовании строения ато­мов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию а- частиц при про­хождении через тонкие слои вещества. В этих опы­тах узкий пучок α -частиц, испускаемых радиоак­тивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обна­ружено, что большинство α -частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохож­дения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые α -частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние α -частиц Резерфорд объяснил тем, что положитель­ный заряд не распределен равномерно в шаре радиу­сом 10 -10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома - атомном ядре. При прохождении около ядра α -частица, имеющая поло­жительный заряд, отталкивается от него, а при по­падании в ядро - отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует цент­ральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10 -15 μ.

Резерфорд предположил, что атом устроен по­добно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вра­щаются электроны (как планеты вокруг Солнца). За­ряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов:

электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом - это устойчивая система; при движении по круговой ор­бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непре­рывный спектр, на практике же получается иное:

электроны атомов излучают свет, имеющий линейча­тый спектр. Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

Билет №23

Квантовые постулаты Бора. Испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ

План ответа

1. Первый постулат. 2. Второй постулат. 3. Ви­ды спектров.

В основу своей теории Бор положил два посту­лата. Первый постулат: атомная система может на­ходиться только в особых стационарных или кван­товых состояниях, каждому из которых соответ­ствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.

Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определенных орбитах. Каждой орбите электрона со­ответствует вполне определенная энергия.

Второй постулат: при переходе из одного ста­ционарного состояния в другое испускается или по­глощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: hv = Е m – Ε n ; h = 6,62 10 -34 Дж с, где h - постоянная Планка.

При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную, атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии.

Теория Бора позволила объяснить существова­ние линейчатых спектров.

Спектр излучения (или поглощения) - это набор волн определенных частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества.

Спектры бывают сплошные, линейчатые и по­лосатые.

Сплошные спектры излучают все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот види­мого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в та­ком порядке: Красный, Оранжевый, Желтый, Зеле­ный, Синий и Фиолетовый (Каждый Охотник Желает Знать, где Сидит Фазан).

Линейчатые спектры излучают все вещества в атомарном состоянии. Атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только ему спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные ста­ционарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определен­ных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.

Полосатые спектры излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются от­дельные серии линий, воспринимаемые как отдель­ные полосы.

Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и погло­щается, т. е. спектры излучения по набору излу­чаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует спо­соб определения химического состава вещества мето­дом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава звезд, атмо­сфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.

Билет №24

Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике

Плав ответа

1. Гипотеза Планка. 2. Определение фотоэф­фекта. 3. Законы фотоэффекта. 4. Уравнение Эйн­штейна. 5. Применение фотоэффекта.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк выска­зал гипотезу: свет излучается и поглощается отдель­ными порциями - квантами (или фотонами). Энер­гия каждого фотона определяется формулой Е = hν , где h - постоянная Планка, равная 6,63 10 -34 Дж с, ν - частота света. Гипотеза Планка объяснила мно­гие явления: в частности, явление фотоэффекта, от­крытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Гер­цем и изученного экспериментально русским ученым А. Г. Столетовым.

Фотоэффект - это явление испускания элек­тронов веществом под действием света.

В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта.

1. Сила тока насыщения прямо пропорцио­нальна интенсивности светового излучения, па­дающего на поверхность тела.

2. Максимальная кинетическая энергия фото­электронов линейно возрастает с частотой света и за­висит от его интенсивности.

3. Если частота света меньше некоторой опре­деленной для данного вещества минимальной часто­ты, то фотоэффект не происходит.

Зависимость фототока от напряжения показа­на на рисунке 36.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объясне­ние: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hv . При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (А вых). Работа выхода - это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид: mv 2 /2 = hv - А вых, Это уравне­ние носит название уравнения Эйнштейна.

Если hν < А вых то фотоэффект не происходит. Значит, красная граница фотоэффекта равна ν min = А вых /h

Приборы, в основе принципа действия кото­рых лежит явление фотоэффекта, называют фото­элементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фото­элемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в ки­но для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлемен­ты, в которых под действием света происходит изме­нение концентрации носителей тока.Они использу­ются при автоматическом управлении электрически­ми цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых ис­точников тока в часах, микрокалькуляторах, прохо­дят испытания первые солнечные автомобили, ис­пользуются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных ав­томатических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимиче­ские процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

39. Опыт по рассеянию альфа частиц.

Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных (1903 г.) принадлежит Дж. Томсону. Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 6.1.1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.

Рисунок 6.1.1.

Модель атома Дж. Томсона

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α- частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рис. 6.1.2.

Рисунок 6.1.2.

Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп)

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Его представления находилbcm в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 6.1.3 иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.