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

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 -частки 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 -частки. Тому навіть у рідких випадках, коли -частка зштовхнеться з набагато більш легким у порівнянні з нею електроном, вона може лише незначно відхилитися від свого прямолінійного шляху. Але в досвідах Марсдена -частки 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 -частка, 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 , де me і v – маса і швидкість електрона на орбіті радіуса r, - 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 м швидкість руху електронів м/с, а прискорення 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.