Эксперименты Гейгера – Марсдена
Эксперименты Гейгера-Марсдена (также называемые экспериментом с золотой фольгой Резерфорда ) были знаменательной серией экспериментов , благодаря которым ученые узнали, что у каждого атома есть ядро , в котором сосредоточен весь его положительный заряд и большая часть его массы. Они пришли к этому выводу после измерения того, как луч альфа-частицы рассеивается , когда он сталкивается с тонкой металлической фольгой . Эксперименты проводились между 1908 и 1913 годами Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом под руководством Эрнеста Резерфорда .в Физических лабораториях Манчестерского университета .
Популярной теорией строения атома во время эксперимента Резерфорда была « модель сливового пудинга ». Эта модель была разработана лордом Кельвином и развита Дж. Дж. Томсоном . Томсон открыл электрон и полагал, что каждый атом представляет собой сферу с положительным зарядом, по которой распределены электроны, что-то вроде изюма в рождественском пудинге . Существование протонов и нейтронов в то время было неизвестно. Они знали, что атомы очень малы (Резерфорд предположил, что их радиус составляет порядка 10–8 м [1]) .). Эта модель была полностью основана на классической (ньютоновской) физике; текущая общепринятая модель использует квантовую механику .
Модель Томсона не была общепризнанной даже до экспериментов Резерфорда. Сам Томсон так и не смог разработать полную и устойчивую модель своей концепции. Японский ученый Хантаро Нагаока отверг модель Томсона на том основании, что противоположные заряды не могут проникать друг в друга. [2] Вместо этого он предположил, что электроны вращаются вокруг положительного заряда, как кольца вокруг Сатурна. [3]
Альфа-частица — субмикроскопическая положительно заряженная частица вещества . Согласно модели сливового пудинга Томсона, если бы альфа-частица столкнулась с атомом, она просто пролетела бы насквозь, отклонив ее траекторию не более чем на долю градуса. В атомном масштабе понятие «твердое вещество» бессмысленно. Атом Томсона — это сфера положительного электрического заряда, закрепленная на месте своей массой. Таким образом, альфа-частица не будет отскакивать от атома, как мячик, а может пройти насквозь, если электрические поля атома достаточно слабы, чтобы позволить это сделать. Модель Томсона предсказывала, что электрические поля в атоме слишком слабы, чтобы сильно влиять на пролетающую альфа-частицу (альфа-частицы имеют тенденцию двигаться очень быстро). Как отрицательные, так и положительные заряды внутри атома Томсона распределены по всему объему атома. По закону Кулона, чем менее концентрирована сфера электрического заряда, тем слабее будет ее электрическое поле на ее поверхности. [4] [5]
В качестве рабочего примера рассмотрим альфа-частицу, проходящую вдоль края атома золота, где она будет подвергаться наибольшему воздействию электрического поля и, таким образом, испытать максимальное отклонение θ . Поскольку электроны очень легки по сравнению с альфа-частицами, их влиянием можно пренебречь [6] , поэтому атом можно рассматривать как тяжелую сферу с положительным зарядом.
Используя классическую физику, поперечное изменение импульса альфа-частицы Δp можно аппроксимировать с помощью отношения импульса силы и выражения кулоновской силы :
