Кабинет физики СПбАППО

Из статьи Э. Резерфорда «Рассеяние α- и β-частиц веществом и строение атома»

 

Хорошо известно, что α- и β-частицы при столкновениях с атомами вещества испытывают отклонения от прямолиней­ного пути. Это рассеяние гораздо более заметно у β-частиц, нежели у α-частиц, так как они обладают значительно меньшими импульсом и энергией. Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим внутри атомной системы. Обычно предполагалось, что рассеяние пучка α- или β-лучей при прохождении через тонкую пластинку вещества есть результат наложения многочисленных малых рассеяний при прохождении атомов вещества. Однако наблюдения, проведенные Гейгером и Марсденом по рассеянию α -лучей, показали, что некоторое количество α-частиц при однократном столкновении испытывает отклонение на угол, больший 90°. Они обнаружили, например, что небольшая часть падающих α-частиц, примерно 1 из 20 000, поворачивается в среднем на 90° при прохождении сквозь слой золотой фольги толщиной 0,00004 см, что эквивалентно тормозной способности α-частицы в 1,6 мм воздуха. Гейгер позднее показал, что наиболее вероятный угол отклонения пучка α-частиц, проходящих сквозь золотую фольгу указанной толщины, составляет около 0,87°. Простой расчет, основанный на теории вероятности, показывает, что вероятность отклонения α-частицы на 90° исчезающе мала. К тому же, как будет видно из дальнейшего, угловое распределение α-частиц при больших отклонениях не подчиняется вероятностному закону, если считать, что такие большие отклонения есть результат большого числа малых отклонений. По-видимому, разумнее предположить, что отклонения на большой угол обусловлены однократным атомным столкновением, так как вероятность такого же повторного столкновения в большинстве случаев чрезвычайно мала. Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле, чтобы при однократ­ном столкновении создавалось столь большое отклонение.Недавно Дж. Дж. Томсон предложил теорию, объясняющую рассеяние заряженных частиц при прохождении сквозь тонкие слои вещества. В ней предполагается, что атом состоит из N отрицательно заряженных электронов и равного количества положительного электричества, равномерно распределенного внутри сферы. Отклонение отрицательно заряженных частиц при прохождении через атом обусловлено двумя причинами: 1) отталкиванием от электронов, расположенных внутри атома; 2) притяжением положительного электричества атома... Теория Дж. Дж. Томсона основана на допущении, что рассеяние, обусловленное единичным атомным столкновением, мало и что предполагаемая структура атома не создает очень больших отклонений α-частиц при прохождении ими атома, если не предполагается, что диаметр сферы положительного электричества мал по сравнению с диаметром сферы влияния атома.Поскольку α- и β-частицы пересекают атом, то из подробного изучения характера отклонений можно извлечь некоторые представления о структуре атома, создающего наблюдаемые эффекты. Действительно, рассеяние быстро движущихся заряженных частиц представляет собой один из наиболее перспективных методов решения этой проблемы. Появление сцинтилляционного метода счета отдельных α-частиц создает необычайные возможности для исследования, и опыты Гейгера с помощью этого метода уже многое внесли в наши знания о рассеянии α-частиц веществом......Рассмотрим теоретически однократные столкновения* с атомом простой структуры, способной обеспечить большие отклонения α-частицы, а затем сравним выводы из теории с имеющимися экспериментальными данными.Рассмотрим  атом,  в  центре которого имеется заряд ± Ne, окруженный сферой электричества е зарядом ± Ne, который, по предположению, равномерно   распределен   внутри    сферы радиуса R (е— фундаментальная единица заряда, равна 4,65 10-10 эл.-стат. ед.). Предположим, что на расстояниях, меньших 10-12 см, как центральный заряд, так и заряд α-частицы можно считать сосредоточенными в точке. Будет показано, что основные выводы теории не зависят от того, каков центральный заряд — положительный или отрицательный. Для удобства примем положительный знак. На данной стадии нет надобности рассматривать вопрос об устойчивости предполагаемого атома, так как это, по всей видимости, будет зависеть от деталей строения атома и движения входящих в его состав заряженных частей...Как показывает простой расчет, при всех отклонениях, больших 1°, без заметной ошибки можно считать, что отклонение обусловлено только полем центрального заряда. Возможные однократные отклонения, обусловленные отрицательным электричеством, если оно распределено в виде частиц, на данной стадии теории не принимаются во внимание. Дальше будет показано, что обычно его влияние мало по сравнению с действием центрального поля....Измеренное Гейгером распределение рассеянных α-частиц под разными углами находится в хорошем согласии с теорией однократного рассеяния, и это распределение нельзя объяснить по теории сложного рассеяния....Данные по рассеянию β-лучей, как и для α-лучей, пока­зывают, что центральный заряд в атоме приблизительно про­порционален атомному весу...При сопоставлении ... теории с экспериментальными результатами предполагалось, что атом состоит из сконцентрированного в точке центрального заряда и что большие однократные отклонения α- и β-частиц обусловлены главным образом воздействием сильного центрального поля, через которое эти частицы проходят. Влиянием равного, но противоположного по знаку компенсирующего заряда, по предположению равномерно распределенного внутри сферы, мы пренебрегли.Рассмотрим кратко некоторые данные, поддерживающие сделанные предположения. Для определенности рассмотрим прохождение быстро движущейся α-частицы сквозь атом, имеющий положительный центральный заряд Ne, который окружен компенсирующим зарядом N электронов. Помня, что масса, импульс и кинетическая энергия α-частиц намного больше соответствующих величин для быстродвижущегося электрона, из соображений динамики кажется невозможным, чтобы α-частица могла отклоняться под большим углом вследствие того, что близко подошла к электрону, даже если он быстро движется и удерживается большими электрическими силами. Разумно предположить, что вероятность однократных отклонений на большой угол в данном случае если и не равна нулю, то должна быть чрезвычайно мала по сравнению с рассеянием на центральном заряде.Интересно проверить, насколько экспериментальные данные позволяют решить вопрос о размерах центрального заря­да. Пусть, например, центральный заряд состоит из N единичных зарядов, распределенных по такому объему, что большое однократное отклонение обусловлено главным образом составляющими зарядами, а не внешним полем, образованным этими зарядами. В § 3 было показано, что доля α-частиц, рассеянных под большим углом, пропорциональна (NeE)2 (где Ne — сосредоточенный в точке центральный заряд, Ε заряд отклоненной частицы). Если, однако, эти заряды расположены в отдельных точках, то доля α-частиц, рассеянных под данным углом, пропорциональна Ne2, а не N2e2. В этом расчете пренебрегается влиянием массы составных частиц и учитывается лишь действие электрического поля.Было показано, что величина центрального точечного заряда для золота равна 100, поэтому величина распределенного заряда, необходимая для создания той же относитель­ной доли однократных отклонений на большой угол, должна быть равна 10000. В этих условиях масса составляющих частиц должна быть мала по сравнению с массой α-частиц, и сразу же возникают трудности получения больших однократных отклонений. Кроме того, при столь большом распределен­ном заряде относительная роль сложного рассеяния окажется более значительной, нежели однократного. Например, вероятный малый угол отклонения пучка α-частиц, проходящих через тонкую золотую фольгу, должен быть намного больше наблюдавшегося экспериментально Гейгером... Таким образом, рассеяние на большой и малый углы нельзя объяснить на основе предположения о центральном заряде одной и той же величины.При рассмотрении данных в целом, по-видимому, наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему, и что большие однократные отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его составными частями. * Отклонение частицы на значительный угол при столкновении с одним атомом в этой статье будет называться «однократным» рассеянием, а отклонение частицы вследствие множества малых отклонений «сложным» рас сеянием — Прим авт. 

 

Из статьи «Столкновение α-частиц с легкими атомами»

Из ядерной теории строения атома следует, что ядра легких атомов при столкновениях с α-частицами должны приводиться в быстрое движение. Рассматривая эти соударения, можно просто показать, что в результате лобового столкновения атом водорода приобретает скорость, превышающую в 1,6 раза ту скорость, которую α-частица имела до удара, причем энергия атома водорода будет составлять 0,64 энергии падающей α –частицы. Такие Н-атомы, летящие с большой скоростью, могут быть легко зарегистрированы с помощью метода сцинтилляций. 

Экспериментальная установка

Для экспериментов с водородом и другими газами активный диск D (см. рис.) устанавливался на соответствующей высотe параллельно экрану на металлической штанге В,  вдвигавшейся в прямоугольный латунный ящик А длиной 18  см, высотой 6 см и шириной 2 см. По обеим сторонам ящика находились металлические направляющие, соответствующие расстоянию между прямоугольными полюсами большого электромагнита. Один конец закрывался шлифованной стеклянной пластинкой С, а другой - навощенной латунной пластинкой S, в центре которой имелось прямоугольное отверстие длиной 1 см и шириной 3 мм. Это отверстие закрывалось тонкой пластикой из серебра, алюминия или железа, тормозная способность которых по отношению к α-частицам эквивалентна от 4 до 6 см воздуха. Экран F из сернистого цинка прикреплялся против отверстия на расстоянии 1 - 2 мм от металлической пластинки. С помощью двух кранов сосуд наполнялся исследуемым газом либо путем откачки, либо вытеснением. Расположение экрана из сернистого цинка вне прибора имеет большие преимущества, так как этим исключается загрязнение улетучивающимся активным веществом и, кроме того, между металлической пластинкой и экраном легко могут вводиться поглощающие материалы. Источник устанавливался в латунном сосуде на необходимом расстоянии от экрана, и откачивался воздух. Пройдя через металлическую пластинку S, α-частицы попадали на экран. Возникавшее при этом хорошо заметное свечение давало возможность установить микроскоп Μ в центре отверстия. Диаметр поля зрения (2 мм) был меньше ширины отверстия (3 мм).Поскольку число наблюдавшихся Н-атомов в обычных условиях было более чем в 100 раз меньше числа α-частиц, то обнаружить Н-атомы, вылетевшие в направлении α-частиц, можно было только в том случае, когда α-частицы задержи­вались поглощающими экранами. Ближе 3 см от экрана уста­навливать интенсивный источник было невозможно, так как под действием γ-излучения и быстрых β-лучей возникало свечение, мешавшее проводить счет слабых сцинтилляций. Для отклонения β-лучей, вызывающих хорошо заметное свечение экрана, требовалось сильное магнитное поле... Аномальный эффект в азоте. ...Если в объем вводился сухой кислород или углекислый газ, то число сцинтилляций уменьшалось примерно до величины, ожидаемой исходя из тормозной способности слоя газа.Неожиданный эффект, однако, был обнаружен, когда ввели сухой воздух. Вместо уменьшения число сцинтилляций возросло и для поглощения, соответствующего около 19 см воздуха, это число стало примерно вдвое больше, чем в вакууме. Из этого эксперимента было ясно, что α-частицы при прохождении через воздух дают начало длиннопробежным сцинтилляциям, яркость которых глазу кажется примерно такой же, как яркость Н-сцинтилляций...Аномальный эффект наблюдался в воздухе и не наблюдался в кислороде или двуокиси углерода, поэтому он должен быть вызван азотом или другим газом, присутствующим в атмосферном воздухе. В чистом азоте число длиннопробежных сцинтилляций в тех же условиях превышало число сцинтилляций в воздухе. В результате тщательных экспериментов было найдено, что отношение эффектов равно 1,25, т. е. той величине, которую и следовало ожидать, если сцинтилляции вызваны азотом... Длиннопробежные атомы в азоте как по своему пробегу, так и по яркости сцинтилляций чрезвычайно похожи на Η-атомы и, по всей вероятности, представляют собой атомы водорода. если это действительно так, то мы должны сделать вывод, что атомы азота распадаются под действием громадных сил, развивающихся при. близком столкновении с быстрой α-частицей, и что освобождающийся атом водорода образует составную часть ядра азота...Если принять во внимание громадную энергию движения α-частицы, испускаемой радием С, то близкое столкновение такой α-частицы с легким атомом представляется наиболее подходящим средством разрушения ядра. Возникающие в ядре при столь близких столкновениях силы, по-видимому, наибольшие из всех, которые могут быть получены в настоящее время доступными способами. Если учесть огромные развивающиеся здесь силы, то не столь удивительно, что распадается атом азота, сколько то, что сама α-частица избегает разрушения на свои компоненты. В целом результаты указывают, что если экспериментально станет возможным получать α-частицы или подобные им снаряды еще большей энергии, то мы могли бы, вероятно, разрушить ядерные структуры многих легких атомов.

Рекомендуем использовать новую версию сайта!

Рейтинг@Mail.ru www.EduSpb.com Объединение учителей Санкт-Петербурга www.PackAndCandle.com Индекс цитирования


Hosted by DELFA