Roger Orrit - У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро.

РИСУНОК 1: В приведшем к открытию атомного ядра эксперименте от источника альфа-излучения исходил поток альфа-частиц, бомбардировавших золотую фольгу, которую окружал экран, флуоресцирующий под воздействием альфа-частиц.

РИСУНОК 2: Модель атома Томсона: отрицательно заряженные частицы -плавают· в положительно заряженном веществе.

За тончайшей пластиной из фольги в качестве детектора располагался экран из сульфида цинка. Характеристикой этого вещества является испускание флуоресцентного свечения при воздействии альфа-частиц. В ту эпоху наблюдать флуоресцентное свечение можно было только под микроскопом, направленным на зону воздействия частицы. Современные электронные детекторы с легкостью справляются с подсчетом всех участков воздействия, но в те времена такая работа была возможна только при прямом наблюдении и последовательном подсчете вспышек света. До начала эксперимента глаза должны были привыкнуть к темноте, поскольку при расширенных зрачках легче наблюдать вспышки. Речь идет о кропотливой и монотонной работе, однако вспышки позволяли установить место воздействия частицы на детектор-экран, а значит, проследить траекторию частиц, проникавших сквозь фольгу. Для получения альфа-частиц использовались радий или радон, два высокорадиоактивных элемента. Чтобы направить лучи в нужную сторону, их источник помещали в поглощающий излучение свинцовый сосуд с тонкой щелью, через которую лучи направлялись в вакуумную камеру на расположенную в ней фольгу (рисунок 1).

Единственной известной на тот момент субатомной частицей были электроны, обладающие отрицательным зарядом и массой, ничтожно малой по сравнению с массой атома. Так как общий заряд атома был нейтральным, Дж. Дж. Томсон, открывший электроны, предположил, что отрицательные заряды должны " плавать" в легкой положительно заряженной субстанции, некоем тумане (как если бы атом был аквариумом с рыбками-электронами и положительно заряженной водой). Данная модель атома получила название модели Томсона (рисунок 2), хотя более распространенный термин — "пудинговая модель" (пудинг, изюмом в котором стали электроны). В этой концепции обращает на себя внимание тот факт, что в ней отсутствуют другие частицы, помимо электронов.

РИС.3

РИС. 4

РИС. 5

Согласно модели Томсона атомы состоят из частиц, электронов, -плавающих· в положительно заряженной субстанции.

При бомбардировке атомов альфа- частицами альфа- частицы должны проходить сквозь атомы беспрепятственно, не отклоняясь (рисунок 3). Однако эксперименты показали,что часть из них отклоняется (рисунок 4). Резерфорд пришел к выводу, что внутри атомов вероятно, присутствует что-то еще, не замеченное ранее.

Он предположил, что внутри атома имеется массивное положительно заряженное ядро (рисунок 5).

По логике, в описанном выше эксперименте альфа-частицы должны были проходить сквозь фольгу, практически не отклоняясь, так как согласно предположениям внутри атома не было ничего твердого, кроме электронов, значительно проигрывавших в размере альфа-частицам (см. рисунок 3), а значит, частицы должны следовать по прямой траектории к детектору-экрану. Резерфорда всегда удивляли наблюдаемые им незначительные отклонения, противоречившие модели атома Томсона. Если пудинговая модель верна, то с чем сталкивались частицы? Что изменяло их траекторию? (см. рисунок 4)

Этот досадный и неожиданный феномен всерьез увлек Резерфорда. Проведенные ранее исследования доказывали, что для изменения траектории альфа-частиц требуются тысячи вольт. Были ли связаны наблюдаемые отклонения с неточностями при реализации эксперимента или с расположением аппаратов? Возможно, речь шла о каких-то специфических свойствах элементов, участвовавших в эксперименте?

Резерфорд поставил перед Гейгером и в особенности перед Марсденом задачу создать аппарат, в котором было бы расширено поле детектора вспышек (см. рисунок 1). Ранее экран был установлен только в центральной части, так как предполагалось, что траектория будет прямой или с незначительным отклонением. Возможно ли обнаружение вспышки вне ограниченных пределов, в которых велось исследование до того момента? Техническая сложность состояла в необходимости передвигать микроскоп по всей камере для наблюдения воздействия, причем эти передвижения не должны были повлиять на вакуум внутри камеры. Марсден вместе с Гейгером пришли к изящному и эффективному решению.

Согласно расчетам, на каждый грамм радия испускалось 30 миллиардов альфа-лучей. Марсден заметил, что их огромная часть, в соответствии с высказанными предположениями, проходила сквозь фольгу без отклонений. Однако в одном из 8000 опытов имело место необъяснимое отклонение. Марсден повторял эксперимент и сосчитал тысячи вспышек воздействия, но аномалия возникала постоянно.

Более того, к общему удивлению, исследователи обнаружили, что в некоторых случаях угол отклонения был равен 90*, а иногда 180* (то есть альфа-частица отскакивала от золотой фольги и возвращалась к точке испускания). По мере того как зона наблюдения смещалась от предполагаемой зоны попадания следующих по прямой траектории альфа-частиц, процент вспышек уменьшался, но не становился нулевым. Эксперимент неоспоримо доказывал, что строение атома не такое, как было принято считать. Внутри атома, несомненно, имелось нечто "твердое", но при этом занимающее небольшое пространство в сравнении с размером самого атома, что объясняет незначительный процент отклонения лучей (см. рисунок 5). "Это было так же невероятно, как если бы 15-дюймовый снаряд ударился о лист бумаги и поразил стрелявшего человека", — такими словами Резерфорд выразил свое крайнее удивление открытием, хотя позже приписал эту фразу Гейгеру. Результаты эксперимента Марсдена и Гейгера были опубликованы в 1909 году в престижном научном издании Proceedings of the Royal Society.

Никто не мог интерпретировать результаты эксперимента.

А Резерфорд, имея на руках полученные данные, снова взялся за учебу. Понимая, что если он хочет распространить основанные на небольшом образце идеи об атоме на все атомы Вселенной, ему придется овладеть теорией вероятностей и математической статистикой. И несмотря на полученную Нобелевскую премию, Резерфорд не смущаясь поступил на соответствующий курс университета.

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.

Эрнест Резерфорд

Шаг к принятию атомного ядра и обнаружению протона — несущей электрический заряд частицы — был непростым. После статистического анализа данных об альфа-частицах, которые проходили насквозь и отклонялись, стало очевидно, что должна существовать небольшая внутренняя структура. В конце 1910 года Резерфорд объявил, что решение найдено, и 7 марта 1911 года появилась статья "Рассеивание альфа- и бета-частиц веществом и структура атома". В статье говорилось не об атомном ядре, ученый упомянул только о "центральном заряде, распределенном по малому объему", он также не решился настаивать на знаке заряда этой центральной частицы. Два года спустя в книге Radioactive Substances and Their Radiations ("Радиоактивные вещества и их излучение>) он все же ввел понятие атомного ядра и предположил, что ядро имеет положительный заряд, а отрицательно заряженные частицы вращаются вокруг него.

В 1911 году Резерфорд опубликовал статью "Рассеивание альфа- и бета- частиц веществом и структура атома", в которой описал свою новую теорию атома:

"Хорошо известно, что альфа- и бета- частицы при столкновениях с атомами вещества испытывают отклонения от прямолинейного пути. [...] 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. [...] Наблюдения, проведенные Гейгером и Марсденом по рассеянию альфа-лучей, показали, что некоторое количество альфа-частиц при однократном столкновении испытывают отклонение на угол, больший 90°. [...] По-видимому, разумнее предположить, что отклонения на большой угол обусловлены однократным атомным столкновением. [...] Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле. [...] При рассмотрении данных в целом, по-видимому, наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему. [...] При сопоставлении излагаемой в данной статье теории с экспериментальными результатами предполагалось, что атом состоит из сконцентрированного в точке центрального заряда*.