Эксперимент Гейгера — Марсдена


Эксперимент Гейгера — Марсдена или опыт Резерфорда[1][К 1][2] — 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[3][⇨].

Для объяснения рассеяния альфа-частиц на большие углы Резерфорд в своей знаменитой статье[4], 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[⇨].

Популярной теорией атомной структуры во время эксперимента Резерфорда была «модель сливового пудинга» — модель атома Томсона, хотя он сам так свою модель не называл[5]. 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[6]. 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[4]). Эта модель полностью основана на классической (ньютоновской) физике и электродинамике; в то время как модель, принятая в настоящее время, использует квантовую механику[7].

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[8]. Вместо этого он предложил, что электроны должны вращаться вокруг положительного заряда, как кольца вокруг Сатурна[9].


В этих экспериментах альфа-частицы, испускаемые радиоактивным источником (A), наблюдались после отражения от металлического отражателя (R) и попадания на флуоресцентный экран (S) на другой стороне свинцовой пластины (P).
Это устройство было описано в статье 1913 года Гейгером и Марсденом. Оно было разработано для точного измерения диаграммы рассеяния альфа-частиц, производимой металлической фольгой (F). Микроскоп (M) и экран (S) были прикреплены к вращающемуся цилиндру и могли перемещаться по всему кругу вокруг фольги, для подсчёта вспышек на экране под любым углом[25].
Этот прибор использовался для измерения меняющейся картины рассеяния альфа-частиц в зависимости от толщины фольги, атомного веса материала и скорости альфа-частиц. Вращающийся диск в центре имел шесть отверстий, которые можно было закрыть фольгой[25].