3.9. Открытие атомных ядер

Вы здесь

В 1911 г. Резерфорд экспериментально показал, что большая часть массы атомов сосредоточена в частицах, имеющих очень небольшие размеры по сравнению с самими атомами.

Этот опыт заключался в бомбардировке тонкого слоя какого-либо вещества, в частности металлической фольги, пучком быстро движущихся альфа-частиц и наблюдении, в каком направлении альфа-частицы рассеиваются атомами. Сущность такого эксперимента показана на рис. 3.11. Кусочек радия испускает альфа-частицы во всех направлениях. Небольшое отверстие в свинцовом блоке формирует пучок альфа- частиц. Этот пучок альфа-частиц проходит затем через металлическую фольгу, и направления, в которых альфа-частицы продолжают своедвижение, прослеживаются. Направление движения альфа-частицы можно установить, применяя экран, покрытый сульфидом цинка; при ударе альфа-частицы о такой экран на нем появляется вспышка.

Если бы атомы, бомбардируемые альфа-частицами, были твердыми во всем занимаемом ими объеме, то следовало бы ожидать, что все альфа-частицы, составляющие пучок, должны в какой-то мере изменить направление своего движения. Однако в действительности (по наблюдениям Резерфорда) большинство альфа-частиц проходит через металлическую фольгу без заметного отклонения: в одном из опытов, в котором альфа-частицы проходили через золотую фольгу толщиной 400 нм и, следовательно, проникали через тысячу слоев атомов, всего лишь одна частица приблизительно из 100000 отклонялась от первоначального направления. Эта частица обычно отклонялась очень сильно, зачастую более чем на 90°, как это показано на рис. 3.11. Когда брали фольгу вдвое толще, то оказывалось, что примерно вдвое большее число альфа-частиц отклонялось под большими углами, тогда как подавляющее большинство по-прежнему проходило через фольгу без отклонений.

Эти экспериментальные данные можно понять, если допустить, что большая часть массы атома сосредоточена в очень небольшой частице, которую Резерфорд назвал атомным ядром. Если альфа-частица также очень мала, то вероятность столкновения этих чрезвычайно малых частиц при прохождении альфа-частицы через атом будет небольшой. Большинство альфа-частиц может тогда проходить через фольгу без столкновения с каким-либо из атомных ядер и, следовательно, без отклонения от первоначального направления движения.

 Рис. 3.11. Схема опыта, доказывающего, что атомы имеют небольшие и тяжелые ядра. 1 — свинцовый блок; 2 — экран, покрытый сульфидом цинка, на котором возникают светящиеся точки при ударе альфа-частиц; 3 — небольшое число отклонившихся альфа-частиц; 4 — пучок, содержащий большую часть альфа- частиц с незначительным отклонением; 5 — рассеивающее вещество (золотая фольга); 6 — пучок альфа-частиц; 7 — радий.

Если лишь одна частица из 100 000 отклоняется при прохождении через фольгу, состоящую из 1000 слоев атомов, то примерно одна частица из 100 000 000 будет отклоняться при прохождении через один слой атомов. Исходя из этого, Резерфорд заключил, что тяжелое ядро имеет площадь поперечного сечения, составляющую только 0,00000001 часть площади поперечного сечения всего атома, а, следовательно, диаметрядра составляет всего лишь 1/10 000 диаметра атома (квадратный корень из 0,00000001 равен 1/10 000).

Описанные выше и аналогичные им эксперименты позволили получить совершенно необычную картину атома. Если бы можно было увеличить линейные размеры участка золотой фольги в 1 000 000 000 раз (в миллиард раз), то можно было бы увидеть огромную стопу атомов диаметром около 60 см, каждый из которых имел бы объем более 30 литров. Однако в действительности вся масса атома была бы сосредоточена в единственной частице, в ядре диаметром всего лишь около 0,025 мм, т. е. в частице размером с небольшую песчинку. Это ядро атома окружено такими же маленькими электронами, движущимися вокруг него с очень большой скоростью. Опыт Резерфорда сводится к простреливанию таких 30-литровых атомов пучком маленьких песчинок, каждая из которых будет продолжать двигаться по прямой, если не столкнется с такой же песчинкой, соответствующей ядру атома. Совершенно очевидно, что вероятность такого столкновения чрезвычайно мала. (Альфа-частицы не отклоняются электронами атомов, поскольку альфа-частицы значительно тяжелее электронов.)

Эксперимент Резерфорда следует считать одним из самых важных опытов, когда бы то ни было выполненных человеком, поскольку он дал новые знания о природе атомов.