Эксперимент Гейгера — Марсдена или опыт РезерфордаВпрочем, некоторые исследователи считают это название неправильным, так его можно отнести только к эксперименту самого Резерфорда от 1906 года (Leone et al.). — серия опытов, инициированная Резерфордом, проведённая между 1909 и 1913 годами Хансом Гейгером и Эрнстом Марсденом, которые послужили решающим доказательством планетарной модели атома. Они обнаружили отклонение альфа-частиц на большие углы при их прохождении через тонкую золотую фольгу. На углы более 90° рассеивалась только одна из 8000 альфа-частиц. Иногда наблюдалось обратное рассеяние альфа-частиц (соответствует 180°). Господствующая в то время модель атома Томсона не могла объяснить парадоксальные результаты этих экспериментов, так как вероятность рассеяния на большие углы в этой модели должна была бы быть порядка 10−3500.

Для объяснения рассеяния альфа-частиц на большие углы Резерфорд в своей знаменитой статье, опубликованной в 1911 году, предложил новую планетарную модель атома, в которой почти вся масса атома сосредоточена в крохотном, по сравнению с размерами атома, сверхплотном ядре. По результатам обработки статистики рассеяний, он, в этой же статье, приводит расчёты размера ядра атома золота, и его результат всего на 20 % отличается от современного значения.

Последний эксперимент 1913 года имел весьма важное значение для физики, так как впервые подтвердил гипотезу существования атомного ядра, что привело к дальнейшему развитию планетарной модели атома Резерфорда.

Предыстория

Предшествующие теории строения атома

Популярной теорией атомной структуры во время эксперимента Резерфорда была «модель сливового пудинга» — модель атома Томсона, хотя он сам так свою модель не называл. Эта модель была разработана лордом Кельвином и доработана Дж. Дж. Томсоном. Томсон — исследователь, который открыл электрон, являющийся частью каждого атома. Томсон представлял атом в виде сферы с положительным зарядом, по которой распределены электроны, что немного похоже на изюм в рождественском пудинге. О существовании протонов и нейтронов в то время не было известно. Было известно, что атомы очень крошечные (Резерфорд предположил, что их радиус порядка 10−8 м). Эта модель полностью основана на классической (ньютоновской) физике и электродинамике; в то время как модель, принятая в настоящее время, использует квантовую механику.

Модель Томсона не была общепринятой даже до экспериментов Резерфорда. Сам Томсон так и не смог разработать полную и стабильную модель своей концепции. Японский учёный Хантаро Нагаока отвергал модель Томсона на том основании, что противоположные заряды не могут проникать друг в друга. Вместо этого он предложил, что электроны должны вращаться вокруг положительного заряда, как кольца вокруг Сатурна.

Следствия модели сливового пудинга Альфа-частица — это субмикроскопическая положительно заряженная частица вещества. Согласно модели Томсона, если бы альфа-частица столкнулась с атомом, она просто пролетела бы прямо насквозь, отклонившись максимум на долю градуса. В атомном масштабе понятие «твёрдое вещество» теряет смысл. Атом Томсона — это сфера с положительным электрическим зарядом, закреплённая на месте своей массой. Таким образом, альфа-частица не будет отскакивать от атома, как шар, но может пройти сквозь него, если электрические поля атома достаточно слабые, чтобы позволить это. Модель Томсона предсказывала, что электрические поля в атоме слишком слабы, чтобы сильно влиять на альфа-частицу, пролетающую сквозь него с большой скоростью. И отрицательный, и положительный заряды внутри атома Томсона распределены по всему объёму атома. Согласно закону Кулона, чем менее сконцентрирована сфера электрического заряда, тем слабее будет электрическое поле на поверхности этой сферы

В качестве рабочего примера можно рассмотреть альфа-частицу, проходящую по касательной к атому золота в модели Томсона, где она будет испытывать самое сильное электрическое поле и, таким образом, будет испытывать максимальное отклонение на угол θ. Поскольку электроны очень лёгкие по сравнению с альфа-частицами, то их влиянием можно пренебречь, поэтому атом можно рассматривать как тяжёлую сферу с положительным зарядом.

Qg — положительный заряд атома золота ( = ) Qα — заряд альфа-частицы ( = ) r — радиус атома золота () v — скорость альфа-частицы () m — масса альфа-частицы () k — ()

Используя классическую физику, поперечное изменение импульса py альфа-частицы можно аппроксимировать, используя соотношение между импульсом и выражением для кулоновской силы:

Отсюда при малых углах

Вышеприведённый расчёт — это всего лишь приближение для всего процесса того, что происходит, когда альфа-частица приближается к атому Томсона, но точный ответ для отклонения в лучшем случае будет порядка небольшой доли градуса. Если бы альфа-частица прошла через золотую фольгу толщиной около 0,4 микрометров (2410 атомов) и испытала максимальное отклонение в том же направлении (это маловероятно), то отклонение всё равно было бы небольшим.

Итоги экспериментов По указанию Резерфорда Гейгер и Марсден провели серию экспериментов, в которых они направили пучок альфа-частиц на тонкую металлическую фольгу и измерили диаграмму рассеяния с помощью флуоресцентного экрана. Они заметили, что альфа-частицы отскакивают от металлической фольги во всех направлениях, некоторые прямо в направлении источника. Согласно модели Томсона, это должно было быть невозможно; все альфа-частицы должны были пройти насквозь. Очевидно, эти частицы столкнулись с электростатической силой, намного большей, чем предполагала модель Томсона. Кроме того, только небольшая часть альфа-частиц отклонялась более чем на 90°. Большинство частиц летело прямо через фольгу с незначительным отклонением.

Чтобы объяснить этот странный результат, Резерфорд предположил, что положительный заряд атома сосредоточен в крошечном ядре в его центре. Это, в свою очередь, означало, что большая часть объёма атома была пустым пространством.

История серии экспериментов

Эрнест Резерфорд был профессором физики в (ныне Манчестерский университет). Он уже получил множество наград за свои исследования радиации. Резерфорд открыл существование альфа-лучей, бета-лучей и гамма-лучей и доказал, что они были следствием распада атомов. В 1906 году его посетил немецкий физик по имени Ханс Гейгер, и Резерфорд был настолько впечатлён, что попросил Гейгера остаться и помочь ему в его исследованиях. Эрнест Марсден был студентом-физиком, который учился у Гейгера.

Альфа-частицы — это крошечные положительно заряженные частицы, которые самопроизвольно испускаются некоторыми веществами, такими как уран и радий. Резерфорд открыл их в 1899 году. В 1908 году он пытался точно измерить для них отношение заряда к массе (). Для этого ему сначала нужно было узнать, сколько альфа-частиц испускает его образец радия (после чего он измерял их общий заряд и делил одну величину на другую). Альфа-частицы слишком малы, чтобы их можно было увидеть в микроскоп, но Резерфорд знал, что альфа-частицы ионизируют молекулы воздуха, и если воздух находится в электрическом поле, то ионы будут создавать электрический ток. На этом принципе Резерфорд и Гейгер разработали простое счётное устройство, которое состояло из двух электродов в стеклянной трубке. Каждая альфа-частица, прошедшая через трубку, создаёт импульс электричества, количество которых можно будет подсчитать. Это была ранняя версия счётчика Гейгера.

Счётчик, придуманный Гейгером и Резерфордом, оказался ненадёжным, потому что альфа-частицы слишком сильно отклонялись из-за их столкновений с молекулами воздуха внутри камеры прибора. Сильно изменяющиеся траектории альфа-частиц означали, что не все они генерировали одинаковое количество ионов при прохождении через газ, что приводило к ошибочным показаниям. Это озадачило Резерфорда, потому что он считал альфа-частицы слишком тяжёлыми, чтобы их можно было так сильно отклонить. Резерфорд попросил Гейгера выяснить, как сильно вещество может рассеивать альфа-лучи.

Эксперименты, которые они разработали, включали бомбардировку металлической фольги альфа-частицами, для наблюдения, как фольга рассеивает их в зависимости от толщины и свойств материала. Они использовали флуоресцентный экран для измерения траектории частиц. Каждое попадание альфа-частицы на экран производило крошечную вспышку света. Гейгер часами работал в затемнённой лаборатории, считая эти крошечные сцинтилляции с помощью микроскопа. Резерфорду не хватило выдержки для этой работы, поэтому он оставил её своим младшим коллегам. Что касается металлической фольги, они протестировали множество металлов, но выбрали золото, потому что из-за ковкости золота его фольгу можно сделать очень тонкой. В качестве источника альфа-частиц Резерфорд использовал радон, вещество в несколько миллионов раз более радиоактивное, чем уран.

Эксперимент 1908 года

В статье Гейгера 1908 года «О рассеянии α-частиц материей» описан следующий эксперимент. Он построил длинную стеклянную трубку, почти два метра в длину. На одном конце трубки находилось некоторое количество «эманации радия» (R), которое служило источником альфа-частиц. Противоположный конец трубки закрывали фосфоресцирующим экраном (Z). В середине трубки была прорезь шириной 0,9 мм. Альфа-частицы от источника R проходили через щель и создали на экране светящиеся пятна. Микроскоп с 50-кратным увеличением (M) использовался для подсчёта сцинтилляций на экране и их разброса. Гейгер откачал весь воздух из трубки так, чтобы альфа-частицы не слишком сильно рассеивались, и они оставили на экране яркое и чёткое изображение, соответствующее форме щели. Затем Гейгер впустил немного воздуха в трубку, и светящееся пятно стало более размытым. Затем Гейгер откачал воздух и поместил немного золотой фольги на щель AA. Это тоже привело к тому, что световое пятно на экране стало более размытым. Этот эксперимент продемонстрировал, что и воздух, и твёрдое вещество могут заметно рассеивать альфа-частицы. Аппарат, однако, позволял наблюдать только небольшие углы отклонения. Резерфорд хотел знать, рассеиваются ли альфа-частицы под ещё большими углами — возможно, более 90°.

Эксперимент 1909 года

В статье 1909 года «О диффузном отражении α-частиц» Гейгер и Марсден описали эксперимент, с помощью которого они доказали, что альфа-частицы действительно могут рассеиваться на углы более 90°. В своём эксперименте они приготовили небольшую коническую стеклянную трубку (AB), содержащую «излучение радия» (радон), «радий A» (настоящий радий) и «радий C» (висмут- 214); его открытый конец был запломбирован слюдой. Трубка служила излучателем альфа-частиц. Затем они установили свинцовую пластину (P), за которой они поместили флуоресцентный экран (S). Трубка удерживалась на противоположной стороне пластины, так что испускаемые ею альфа-частицы не могли напрямую попадать на экран. Они заметили несколько мерцаний на экране, потому что некоторые альфа-частицы облетали пластину, отскакивая от молекул воздуха. Затем они поместили металлическую фольгу (R) сбоку от свинцовой пластины. Они направили трубку на фольгу, чтобы увидеть, могут ли альфа-частицы отразиться от неё и ударить по экрану с другой стороны пластины, и наблюдали увеличение количества сцинтилляций на экране. Подсчитав сцинтилляции, они обнаружили, что металлы с более высокой атомной массой, такие как золото (свинец, платина), отражают больше альфа-частиц, чем более лёгкие, такие как алюминий.