Освіта, наука і техніка у першій половині XX ст. Ернест Резерфорд

.

Разом з Гейгером і Ройдсом Резерфорд зробив серію досвідів, що підтверджували, що астки є ніщо інше як двічі іонізовані (тобто втратили по 2 електрони) атоми гелію. Цей історичний досвід, завдяки якому вже ні в кого не могло залишитися сумніву в правильності його теорії розпаду, полягав у наступному:

.

у запаяну трубку 2 Резерфорд помістив деяку кількість радону — еманації радію. Товщина стінок цієї трубки 0,01 мм. Вони досить тонкі, щоб випуска радоном (-частки могли проходити через них у зовнішню трубку 3. Перед досвідом трубка 3 ретельно откачивалась, і в ній спектрографічним шляхом не можна було знайти ліній гелію. Через кілька днів у трубці 3 виявилося нагромадження газу. Підвищуючи тиск у приладі, що нагромадився газ можна було сконцентрувати в трубці 1. Через трубку пропускався електричний заряд і тоді виявлялося, що в ній спектральний аналіз показує характерні лінії гелію. У трубці був гелій. Але може бути він потрапив у трубку 2 по недогляду разом з радоном, а відтіля проникнув у трубки 3 і 1? Контрольний досвід дав на це питання негативна відповідь. Точно в такий же прилад (у трубку 2) Резерфорд поміщав не радон, а чистий гелій. Однак через кілька днів у трубці 1 лінії гелію не виявлялися. Гелій не міг пройти через скляні стінки трубки 2 у трубку 3. (-частки ж легко проходили через скло і накопичувалися в трубці 3, а потім концентрувалися в трубці 1, де і піддавалися спектральному аналізу, даючи лінії гелію.

Після цей Резерфорд, разом з Гейгером і Марсденом провели нову серію експериментів. Результати зробили переворот у фізику. Це була найбільше драматична глава в науці нашого часу. Резерфорд відкрив атомне ядро і тим самим заснував нову винятково важливу науку — ядерну фізику.

Що це були за експерименти? Резерфорд і Гейгер спочатку продовжили спостереження сцинтилляций, викликуваних (-частками при ударі об люмінесцентний екран із сірчистого цинку. Насамперед досвіди привели Резерфорда до висновку, що кожен спалах (сцинтилляция) викликається однієї (-часткою. У такий спосіб виправдалося припущення, висунуте їм раніше. Резерфорд писав тоді, що спостереження сцинтилляций на екрані із сірчистого цинку являє собою дуже зручний спосіб рахунка часток, якщо кожна частка викликає спалах. Отже, якщо кожен спалах викликаний однієї (-часткою, те перед фізиками відкривається можливість спостерігати за поводженням окремих атомів.

Резерфорд і Гейгер візуально підрахували, що в продовження секунди з випромінювача в одного тисячну грама радію вилітає 130 000 (-часток. Точність підрахунку була бездоганна. Обоє вчених, до яких пізніше приєднався Марсден, помногу годин проводили в затемненій лабораторії за стомлюючим рахунком сцинтилляций. Гейгер розповідав, що йому одному довелося підрахувати в цілому мільйон (-часток.

Свою роботу почав учень Резерфорда Марсден. Йому було доручено вважати (-частки, що проходять через тонкі металеві пластинки. Ці пластинки містилися в прилад між випромінювачем (-часток і люмінесцентним екраном.

Доручаючи Марсдену цю роботу, Резерфорд не розраховував знайти що=або зацікавлене. За умови, що модель атома Томсона правильна (а тоді не було ніяких причин сумніватися в цьому), досвід повинний був показати, що (-частки вільно проходять через металеві перешкоди. Однак щось усе-таки змусило Резерфорда піти на цей новий експеримент.

Марсдена вразило, що астки в цьому простому досвіді поводяться інакше, чим повинні вести, якщо прийняти модель атома такий, який її запропонував Томсон. Відповідно до моделі Томсона позитивний заряд розподілений по всьому обсязі атома і врівноважується негативним зарядом електронів, кожний з який має масу набагато меншу, чим маса астки. Тому навіть у рідких випадках, коли астка зштовхнеться з набагато більш легким у порівнянні з нею електроном, вона може лише незначно відхилитися від свого прямолінійного шляху. Але в досвідах Марсдена астки аж ніяк не безперешкодно проходили через металеву пластинку. Ні, деякі з них відхилялися після удару об пластинку на кут близько 150 про, тобто майже назад поверталися до випромінювача. Таких часток, що поверталися, було, щоправда, дуже мало. Коли експериментатор перепиняв шлях (-часткам більш товстою пластинкою, то в його поле зору з’являлося більше (-часток, що відхилилися на великі кути. Це вказувало, що замічене Марсденом розсіювання (-часток не являє собою якогось поверхневого ефекту, тобто воно не зв’язано з поверхнею пластинки. Але Марсден не міг висловити яких-небудь розумінь із приводу побаченого їм дивного поводження (-часток. Він розповів докладно про свої спостереження Резерфорду.

Пізніше Резерфорд зізнався, що повідомлення Марсдена зробило на нього приголомшливе враження: «це було майже неправдоподібно, як якби ви вистрілили пятнадцатифунтовим снарядом у шматок цигаркового папера і снаряд відскочив би назад і вразив вас» .

Резерфорд відразу уявив собі, що ефект, що спостерігається Марсденом, міг бути тільки в одному випадку: якщо астка, проникнувши в атом, натикалася на яку-небудь масивну перешкоду, що мається в ньому, і відкидалася, одержавши при зіткненні могутній удар.

На підставі цих досліджень Резерфорд припустила ядерну (планетарну) модель атома. Відповідно до цієї моделі, навколо позитивного ядра, що має заряд ze (z — порядковий номер елемента в системі Менделєєва, e — елементарний заряд), розмір 10−15 — 10−14 м і масу, практично рівну масі атома, в області з лінійними розмірами порядку 10−10 м по замкнутих орбітах рухаються електрони, утворити електронну оболонку атома. Тому що атоми нейтральні, то заряд ядра дорівнює сумарному заряду електронів, тобто навколо ядра повинне обертатися z електронів.

Для простоти припустимо, що електрон рухається навколо ядра по круговій орбіті радіуса r. При цьому кулоновская сила взаємодії між електроном і ядром повідомляє електрону доцентрове прискорення. Другий закон Ньютона для електрона, що рухається по окружності під дією кулоновской сили, має вид $$\frac{\text{zee}}{4{}_0{r}^2}=\frac{m_e{v}^2}{r}$$, де me і v — маса і швидкість електрона на орбіті радіуса r, $${}_0$$ — електрична постійна.

Дане рівняння містить два невідомих: r і v. Отже, існує незліченна безліч значень радіуса і відповідних йому значень швидкості (а значить і енергії), що задовольняють цьому рівнянню. Тому величини r, v (отже і E) можуть мінятися безупинно, тобто може випускатися будь-яка, а не цілком визначена порція енергії. Тоді спектри атомів повинні бути суцільними. У дійсності ж досвід показує, що атоми мають лінійчатий спектр. Також з даного вираження випливає, що при $$r{\text{10}}^{-\text{10}}$$ м швидкість руху електронів $$v{\text{10}}^6$$ м/с, а прискорення $$v^2/r{\text{10}}^{\text{22}}$$ м/с2. Відповідно до класичної електродинаміки, що прискорено рухаються електрони повинні випромінювати електромагнітні хвилі і внаслідок цього безупинно втрачати енергію. У результаті електрони будуть наближатися до ядра і зрештою упадуть на нього. Таким чином, атом Резерфорда виявляється хитливою системою, що знов-таки суперечить дійсності.

Спроби побудувати модель атома в рамках класичної фізики не привели до успіху: модель Томсона була спростована досвідами Резерфорда, ядерна ж модель виявилася хитливої Електродинамически і суперечила досвідченим даним. Подолання виниклих труднощів зажадало створення якісно нової - квантової - теорії атома.

У 1914 році почалася перша світова війна і Резерфорду довелося на час відкласти свої дослідження. Але періодично, працюючи на воєнну промисловість, він повертався до своїх власних експериментів. У своїх наступних експериментах Резерфорд планував зламати атом.

Ці спроби увінчалися повним і приголомшливим успіхом. Новий зліт Резерфордовского генія привів до відкриття, що згодом революціонізувало всю науку і техніку сучасності. Був даний перший сигнал до початку атомного століття. Резерфорд розщепив атомне ядро.

Думка про це виникла в Резерфорда при спостереженні в камері Вильсона (на той час вона була уже винайдена й удосконалена) і в стинцилляционном лічильнику загадкових треків (слідів), набагато більш довгих, чим треки (-часток, добре знайомих йому по незліченних досвідах. Він подумав, що існують якісь невідомі йому причини різкого подовження пробігу (-часток. Інше припущення (воно виявилося правильним) полягає в тім, що довгі сліди залишають інші непізнані частки. Перед дослідником виникла задача з’ясувати, яке з двох припущень істинно.

Для одержання відповіді на свої питання Резерфорд вирішив виконати серію досвідів по бомбардуванню (-частками різних речовин. Він побудував прилад, що нам здається тепер незвичайно простим. Але ми повинні визнати також, що тільки він був найбільш придатний для наочного рішення задачі. У ньому мішенями для бомбардування повинні були бути гази (тобто легкі атоми), а не металеві пластинки, що звичайно використовувалися Резерфордом у багатьох попередніх досвідах.

Власне побудований Резерфордом прилад, за допомогою якого йому удалося вперше розщепити ядра атомів легких елементів, схематично зображений на малюнку.

Латунна трубка 6 довжиною 20 див із двома кранами наповняється газом. Усередині трубки знаходиться диск радіоактивного випромінювача 7, що випускає (-частки. Диск цей укріплений на стійці, що рухається по рейці 4. Під час досвіду один кінець трубки закривається матовою скляною пластинкою, а інший кінець — скляною пластинкою (прикріплюва воском). Маленький прямокутний отвір у латунній пластинці закривалося срібною пластинкою 3. Срібна пластинка мала здатність затримувати (-частки, еквівалентні шарую повітря товщиною приблизно 5 див. Проти отвору містився люминесцирующий екран з цинкової обманки. Для рахунка сцинтилляций дослідник користався зоровою трубою 1.

Коли Резерфорд наповнив трубку азотом, то в поле зору з’явилися частки, що залишають дуже довгий слід, подібно тому, що він уже спостерігав. Звичайно, Резерфорд, перш ніж прийти до остаточних висновків, проробив ще багато досвідів. Але остаточний висновок був таке: при зіткненні (-часток з ядрами азоту, деякі з цих ядер руйнуються, випускаючи ядра водню — протони, а потім відбувається утворення ядра кисню.

Колосальне значення цього відкриття було із самого початку ясно самому Резерфорду і його співробітникам. Уперше здійснилося розщеплення атомних ядер. Непохитні, як здавалося до цього, представлення про «нерозкладність» хімічних елементів були наочно спростовані. Відкривалися зовсім нові і дивні можливості штучного одержання одних елементів з інших, виділення величезної енергії, що міститься в ядрах, і т.д.

Продовжуючи дослідження, він одержує експериментальне підтвердження раніше уже встановленого їм положення — що невелика кількість атомів азоту при бомбардуванні розпадається, випускаючи швидкі протони — ядра водню. У світлі пізніших досліджень, писав Резерфорд, «загальний механізм цього перетворення цілком ясний. Час від часу (-частки дійсно проникають у ядро азоту, утворити на мить нове ядро типу ядра фтору з масою 18 і зарядом 9. Це ядро, що у природі не існує, надзвичайно хитливо і відразу ж розпадається, викидаючи протон і перетворюючи в стійке ядро кисню з масою 17 …» .

У результаті тривалих експериментів Резерфорду удалося викликати ядерні реакції в 17 легких елементах.

Продовжуючи досвіди по розщепленню ядер, Резерфорд прийшов до наступного висновку: хоча (-частки і мають велику енергію, але для проникнення в ядра елементів вони все-таки є недостатньо могутніми снарядами. Він вирішив підвищити енергію часток, розганяючи їх у високовольтній установці. Так був зроблений перший крок у розвитку ускорительной техніки.

4>

Список літератури:

1. 1)Ф.Федоров. «Ланцюгова реакція ідеї», изд. «Знання», М., 1975р.

2. 2)Т.И.Трофимова. «Курс фізики», изд. «Вища школа», М., 1999р.

3. 3)" Курс загальної фізики", Г. А. Зисман, О. М. Тодес, изд. «Едельвейс», Київ, 1994р.

4. 4)Курс Всесвітньої історії. Підручник. — К., 1999.