Резерфорд. Атомное ядро - Роджер Корхо Оррит

Резерфорд не возлагал больших надежд на этот эксперимент, но он был необходим, чтобы действовать методом исключения (который всегда обеспечивал ему успех). Резерфорд предложил студенту провести опыт, похожий на тот, который делал сам с момента начала работы в лаборатории в 1907 году.

Незадолго до этого Резерфорд направлял альфа-лучи на минерал, называемый слюдой, и в результате узнал, что альфа-лучи несколько отклонялись от своей траектории. Он не понимал только причину, по которой это происходило.

ВНУТРИ АТОМА

Эрнст Марсден был тем самым студентом, о котором говорил Гейгер. Данный эксперимент оказался простым, изящным и привел к находке, которая сделала его одним из самых необыкновенных опытов в истории физики.

Выяснив, как устроено ядро атомов, мы столкнулись с величайшей тайной в мире, если не считать тайны самой жизни.

Эрнест Резерфорд

Эксперимент заключался в направлении альфа-частиц, то есть частиц, возникающих в результате радиоактивных процессов и, как выяснилось позже, представляющих собой ядра гелия, на металлическую пластину в вакуумной камере.

Резерфорд и Гейгер наблюдали, что при прохождении лучей через пластину имели место случайные отклонения. Для эксперимента они выбрали пластины из золотой фольги, чтобы альфа-частицы не полностью поглощались металлом и было возможным изучить взаимодействие при прохождении через пластину.

Резерфорд не случайно остановился на альфа-частицах. Исследование радиоактивности несколькими годами ранее обеспечило ему Нобелевскую премию. Теперь альфа-частицы были для него не основным объектом интереса, а скорее инструментом для изучения внутреннего строения атомов, своеобразным ключом к пониманию составляющих материи.

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.