Rutherfordov eksperiment disperzije elemenata i čestica. Rutherfordov eksperiment o raspršenju alfa čestica. Razlog zašto su alfa čestice odbijene

Jednog dana, u poljoprivrednom zaleđu onoga što Maori zovu Aotearoa, zemlje dugog bijelog oblaka, mladi doseljenik je kopao krompir. Sa zavidnom upornošću, tip je kopao lopatom u zemlju, izvlačeći žetvu koja će pomoći njegovoj porodici da preživi teška vremena. Malo je vjerovatno da se nadao da će tamo pronaći zlatne grumene - za razliku od drugih dijelova Novog Zelanda, njegova oblast nije bila poznata po rudnicima - ali mu je bila predodređena zlatna budućnost.

Ernest Rutherford, koji je bio predodređen da prvi pogleda u dubine atoma, rođen je u porodici ranih doseljenika na Novom Zelandu. Njegov djed George Rutherford, kolovar iz Dandija u Škotskoj, došao je u koloniju Nelson na vrhu Južnog ostrva da pomogne u izgradnji pilane. Kada je bilo spremno, Rutherford stariji je preselio porodicu u selo Brightwater (sada Spring Grove) južno od Nelsona, u dolini rijeke Wairoa. Tamo se Džordžov sin Džejms, koji je uzgajao lan i od toga zarađivao za život, oženio englesku emigrantkinju Martu, koja je 30. avgusta 1871. rodila Ernesta.

U školi Nelson, a kasnije i na Canterbury Collegeu u Christchurchu, najvećem i najengleskom gradu na Južnom ostrvu, Rutherford se pokazao kao marljiv i sposoban učenik. Jedan od kolega budućeg naučnika pamtio ga je kao „spontanog, iskrenog, jednostavnog i veoma prijatnog mladića koji, iako nije bio čudo od deteta, ako je video cilj, odmah je shvatio ono glavno”11.

Ernest Rutherford (1871-1937), otac nuklearne fizike.

Rutherfordove spretne ruke činile su čuda sa bilo kojim mehaničkim uređajem. Mladački hobiji eksperimentatora su ga dobro pripremili za suptilne manipulacije atomima i atomskim jezgrama. Sa vještinom dostojnom hirurga, rastavljao je satove, kreirao radne modele vodenih mlinova, pa čak i napravio amatersku kameru za fotografisanje. U Canterburyju, nakon što je saznao za elektromagnetne pojave otkrivene u Evropi, krenuo je u izgradnju vlastite instalacije. Prateći Hertza, sastavio je radio predajnik i prijemnik koji je predvidio Markonijev izum bežičnog telegrafa. Rutherford je pokazao da radio valovi mogu putovati na velike udaljenosti, prolaziti kroz zidove i magnetizirati željezo. Njegova originalna iskustva dala su mu priliku da se prijavi za mjesto u Cambridgeu, Engleska.

Slučajno, u godini kada je Rutherford rođen, u Kembridžu je organizovana nova laboratorija za fiziku, čiji je Maksvel postao njen prvi direktor. Laboratorija Cavendish, imenovana. Dakle, u čast briljantnog fizičara Henryja Cavendisha (usput, između ostalog, on je prvi izolirao vodonik kao kemijski element), pretvorio se u svjetski centar atomske fizike. Nalazi se u ulici Free School Lane, u blizini centra poznatog univerzitetskog grada. Sam Maxwell je nadgledao izgradnju i odabir opreme za prvu laboratoriju za fizička istraživanja na svijetu. Nakon Maksvelove smrti 1879. godine, direktorsku fotelju zauzeo je drugi poznati fizičar, lord Rejli. A 1884. godine, neponovljivi J. J. (Joseph John) Thomson preuzeo je uzde vlade.

Ovaj energičan i svestran muškarac duge tamne kose, čupavih brkova i naočala sa žičanim okvirom postao je jedan od pokretača revolucije u naučnom obrazovanju koja je studentima otvorila ogromne mogućnosti istraživanja. Ranije se eksperimentalni rad za studente fizike obavljao samo kao desert na kraju dugog banketa na kojem su se služili matematički predmeti. Međutim, i ovu poslasticu nastavnici su dijelili prilično nevoljko. Nakon što je student položio sve ispite iz mehanike, toplotnih fenomena, optike i drugih teoretskih predmeta, ponekad mu je bilo dozvoljeno da na kratko dotakne neke instrumente. U Cavendishu, sa svojom vrhunskom opremom, ove kratke degustacije pretvorile su se u pun obrok. Thomson je sa entuzijazmom pozdravio novi sistem, koji je omogućio studentu sa drugog univerziteta da dođe u Kembridž i sprovede istraživanje pod nadzorom lokalnog naučnika. Na osnovu njihovih rezultata pozvani je napisao disertaciju i dobio višu diplomu. Danas nosioce doktorata uzimamo zdravo za gotovo jer su oni ti koji se pridružuju akademskom svijetu. Ali krajem 19. vijeka. takav sistem je bio inovativan, a revolucija u fizici nije dugo čekala.

Inovacije su stupile na snagu 1895. godine, a Rutherford je bio među prvim pozvanim studentima. Dobio je „Stipendiju 1851.“, koja se dodjeljuje mladim talentovanim ljudima iz zemalja Britanskog Dominiona (danas zemlja Commonwealtha). Zamijenivši provincijski Novi Zeland za univerzitet u Kembridžu, Rutherford je radio na korist ne samo svoje karijere, već i cjelokupne atomske fizike.

Postoji legenda o tome kako je Rutherford prihvatio ovaj dar sudbine. Kažu da je njegova majka primila telegram sa dobrim vijestima i otišla u njivu gdje je kopao krompir. Kada je svom sinu pročitala kakvu je čast dobio, on u početku nije vjerovao svojim ušima, ali je, jedva shvativši svoju sreću, bacio lopatu i uzviknuo: „Danas sam posljednji put iskopao krompir!“12

Uzevši svoj domaći radio, Rutherford je otplovio u London. Tamo se odmah okliznuo na koru banane i povredio koleno, ali je, na svu sreću, čitavo kasnije putovanje kroz labirinte maglovitog grada prošlo bez problema. Kako se kretao na sjever, magle su ustupile mjesto svježem zraku, a grad su zamijenili engleski pejzaži i sveti obrisi raznih koledža na rijeci Cam. Ovdje se Rutherford nastanio na Triniti koledžu. Velika kapija koledža, koju je 1546. godine osnovao kralj Henri VIII, i legende o Njutnovim slavnim delima i dalje dominiraju stepenicama poštovanja studenata dok ovde ulaze. (Univerzitet Kembridž je podeljen na mnogo koledža na kojima studenti studiraju i žive, a Triniti koledž je najveći od njih.) Nakon što napustite Triniti koledž i uživate u kratkoj šetnji, skoro odmah se nađete u laboratoriji Kevendiš.

Rutherford nije bio jedini iz niza studenata koji su se slijevali iz cijelog svijeta u istraživačke laboratorije Kembridža. Thomson je njegovao duh jedinstva različitosti koji je ovdje vladao i svakog dana nakon ručka pozivao je mlade zaposlenike na čaj. Kasnije se prisećao: „Razgovarali smo o svemu na svetu, ali ne o fizici. Nisam ohrabrivao razgovor o fizici jer smo se sastali da se opustimo... i zato što je lako naučiti govoriti tvoj jezik ptica, ali teško odučiti. A ako se ne naviknete na to, tada će sposobnost održavanja razgovora o općim temama atrofirati kao nepotrebna.”13

Uprkos Thomsonovim pokušajima da ohrabri mlade istraživače, pritisci na Kembridžu su očigledno uzimali danak. “Kada se vratim iz laboratorije, nađem se nemiran i obično u prilično nervoznom stanju”, jednom je napisao Rutherford. Kako bi se malo opustio, počeo je pušiti lulu, zadržavši tu naviku do kraja života. „Ponekad sam udahnuo“, nastavlja Rutherford, „i uspeo sam da se malo koncentrišem... Svaki naučnik bi trebalo da popuši lulu, inače gde može da ima strpljenja? Naučnici bi to trebali imati kao deset Jobsa zajedno.”14

Ulje na vatru su dolili i lokalni studenti, koji se prema posjetiocima ponašaju kao prema strancima. Rutherfordovi drugovi iz zlatne mladosti, zadirkivajući ga kao gorštaka iz Antipodije, nisu učinili ništa da mu podignu raspoloženje. O jednom takvom nasilniku Rutherford je rekao: „Postoji jedan laboratorijski asistent na čijim grudima mi ne bi smetalo, kao pravi Maori, da izvede ratni ples.”15

Thomson je bio pedantan eksperimentator i svojevremeno je s entuzijazmom proučavao svojstva elektriciteta. Nakon što je sastavio originalnu instalaciju, proučavao je kombinovani uticaj električnog i magnetskog polja na takozvane katodne zrake - negativno nabijene snopove električne energije koji dolaze s negativno na pozitivno nabijenu elektrodu (kontakt spojen na odgovarajući pol baterije) . Negativno nabijena elektroda stvara katodne zrake, a pozitivno nabijena elektroda ih privlači.

Naelektrisanja se različito ponašaju u električnom i magnetnom polju. Sila kojom električno polje djeluje na negativan naboj usmjerena je suprotno od smjera polja. Što se tiče magnetnog polja, sila u njemu djeluje pod pravim uglom u odnosu na polje. Osim toga, za razliku od električne sile, magnetna sila ovisi o brzini naboja. Thomson je smislio kako kompenzirati električna i magnetska polja da bi odredio ovu brzinu. I zahvaljujući tome, mogao je odrediti omjer naboja zraka i njihove mase. Stavljajući naboj čestica u snopovima jednak naboju jonizovanog vodonika, Thomson je otkrio da je njihova masa nekoliko hiljada puta manja od mase vodonika. Jednostavno rečeno, katodne zrake se sastoje od elementarnih čestica koje su mnogo lakše od atoma. Mijenjajući uslove i ponavljajući eksperiment iznova i iznova, Thomson je uvijek dobijao isti rezultat. On je te negativno nabijene čestice nazvao korpuskulama, ali su kasnije dobile drugačije ime: od tada je postalo isto - elektroni. Oni su prvi otvorili mali prozor u bogati svijet atoma.

Tomsonovo zapanjujuće otkriće u početku je naučna zajednica dočekala sa skepticizmom. "U početku je malo ljudi vjerovalo da postoje takvi objekti - manji od atoma", prisjetio se. - Mnogo godina kasnije, čak mi je jedan izvanredni fizičar, koji je bio prisutan na mom predavanju na sastanku Kraljevskog društva, rekao da je potpuno siguran da „svima zamajavam glavu“. Njegove riječi me nisu iznenadile. I sam sam se opirao ovom objašnjenju, i tek kada mi eksperimenti nisu ostavili drugog izbora, javno sam proglasio postojanje tijela manjih od atoma.”16

U međuvremenu, s druge strane Lamanša, otkriće radioaktivnog raspada bacilo je sumnju na preovlađujuće ideje o nedjeljivosti atoma. Pariški fizičar Henri Becquerel je 1896. godine posipao soli uranijuma na fotografsku ploču umotanu u crni papir i prilično se iznenadio kada je vidio da je ploča s vremenom potamnila, što je značilo da neke misteriozne zrake dolaze iz soli. Za razliku od rendgenskih zraka, Becquerelovi su se pojavili sami bez ikakvih električnih uređaja. Naučnik je otkrio da radijacija dolazi od bilo kojeg jedinjenja koje sadrži uranijum. Štaviše, što je više uranijuma bilo u spoju, to je više zračilo. Bilo je logično pretpostaviti da su sami atomi uranijuma emitovali ovo zračenje.

Marie Skłodowska-Curie, fizičarka poljskog porijekla, koja je radila u Parizu, ponovila je Becquerelove eksperimente, a također je zajedno sa svojim suprugom Pierreom pronašla misteriozno zračenje u dva elementa koja su otkrili: radijumu i polonijumu. Potonji su emitovali čak intenzivnije od uranijuma, a njihova se količina vremenom smanjivala. Marija je skovala termin "radioaktivnost", kojim je opisala fenomen spontanog raspada atoma, oslobađajući posebno zračenje. Za njihovo značajno otkriće krhkosti atoma u radioaktivnim procesima, Becquerel i Curies dobili su Nobelovu nagradu 1903. Daltonovi vanvremenski elementi, koji su stoljeće vladali naukom, bili su u pokretu.

Rutherford je sa velikim interesovanjem pratio ove događaje. Dok je njegov učitelj Thomson bio zauzet otkrivanjem elektrona, Rutherford je svoju veliku pažnju usmjerio na činjenicu da se plinovi mogu jonizirati radioaktivnim materijalima. Iz nekog razloga, zraci koji dolaze iz uranijuma i drugih radioaktivnih spojeva uklonili su plin iz stanja električne inertnosti i pretvorili ga u električni aktivni provodnik. Radioaktivno zračenje se ponašalo kao dva štapa koji se trljaju jedan o drugi kako bi se stvorila iskra.

Ali što je najvažnije, radioaktivnost je izazvala iskru interesovanja kod Rutherforda i primorala ga da se upusti u metodičko proučavanje njenih svojstava, što je bilo predodređeno da revolucioniše naše ideje o fizici. A početnik, koji je počeo sklapanjem radija i drugih elektromagnetnih uređaja, morao je steći iskustvo i pretvoriti se u eksperimentatora najviše klase, sposobnog da putuje u svijet atoma uz pomoć radioaktivnog zračenja. Znajući da se magnetsko polje odbija od naboja u različitim smjerovima, Rutherford je shvatio da radioaktivne zrake imaju pozitivne i negativne komponente. Dao im je imena alfa i beta zračenja. (Pokazalo se da su beta čestice jednostavno elektroni, a ubrzo je Rutherfordovu klasifikaciju nastavio Villard, koji je otkrio treću, električno neutralnu komponentu - gama zrake.) U magnetskom polju, alfa čestice se uvijaju u jednom smjeru, a beta čestice u drugom , poput konja koji trče po cirkuskoj areni u različitim smjerovima. Rutherford je pogledao koliko je svaka vrsta zračenja blokirana preprekom i dokazao da beta zraci prodiru dublje od alfa zraka. Stoga su alfa čestice veće od beta čestica.

Godine 1898, usred svog istraživanja radioaktivnosti, Rutherford je odlučio napraviti pauzu kako bi riješio probleme srca. Nakratko je otišao na Novi Zeland, gdje se oženio svojom srednjoškolskom ljubavnicom, Mary Newton. Međutim, nisu se vratili u Englesku. Oženjen muškarac bi trebao imati dobra primanja, zaključio je Rutherford i prihvatio mjesto profesora na Univerzitetu McGill u Montrealu, u Kanadi, sa platom od 500 funti godišnje - pristojan novac u ono vrijeme, oko 50.000 dolara u današnjem ekvivalentu. Srećni par otplovio je u hladnu regiju, gdje je naučnik ubrzo nastavio svoje istraživanje.

U McGill-u, Rutherford je više nego ikada bio nestrpljiv da razotkrije alfa čestice i otkrije njihove prave boje. Ponavljajući Thomsonove eksperimente za određivanje omjera naboja i mase s alfa zrakama umjesto elektrona, odjednom je vidio da je naboj alfa čestica isti kao i naboj helijumovih jona. Podigla se sumnja da je najteži proizvod radioaktivnog raspada zapravo helijum koji putuje inkognito.

Taman kada je Rutherfordu mogla koristiti pomoć u rješavanju atomskih misterija, u gradu se pojavio još jedan tragač. Godine 1900. Frederick Soddy (1877-1956), hemičar iz Sussexa, Engleska, dobio je poziciju na Univerzitetu McGill. Saznavši za Rutherfordove eksperimente, želio je dati svoj doprinos i zajedno su počeli proučavati fenomen radioaktivnosti. Pretpostavili su da se radioaktivni atomi poput urana, radijuma i torija raspadaju na jednostavnije atome drugih kemijskih elemenata, oslobađajući pri tom alfa čestice. Soddy, koji je bio fasciniran istorijom srednjeg vijeka, pretpostavio je da su radioaktivne transformacije, na neki način, oličenje njegovanog sna alhemičara koji su pokušavali dobiti zlato iz prostih metala.

1903. godine, ubrzo nakon što je Rutherford objavio njihovu zajedničku teoriju radioaktivnih transformacija, Soddy je odlučio udružiti snage s Williamom Ramsayem sa University College London, priznatim stručnjakom za helijum i plemenite plinove općenito (neon i druge). Ramsay i Soddy izveli su niz pažljivih eksperimenata u kojima su alfa čestice radioaktivnog radijuma sakupljene u posebnu staklenu cijev. Zatim su naučnici ispitali spektralne linije nastalog dovoljno gustog gasa, za koji se pokazalo da je potpuno isti kao i helijum. Spektralne linije su uske pruge u blizini određenih frekvencija (u vidljivom dijelu spektra to su određene boje). Svaki element, emitujući ili upijajući svjetlost, proizvodi vlastiti skup linija. U emisionom spektru helijuma uvijek su vidljive neke ljubičaste, žute, zelene, plavo-zelene i crvene linije, kao i dvije karakteristične plavičaste pruge. Ovi „otisci prstiju“ poslužili su kao nepobitan dokaz u eksperimentima Ramsaya i Soddyja da su alfa čestice i ionizirani helij jedno te isto.

Soddy je također skovao termin "izotop", koji je koristio da opiše varijante istog kemijskog elementa koji su imali različite atomske težine. Na primjer, deuterijum, ili "teški" vodonik, hemijski se ne razlikuje od običnog vodonika, ali je njegova atomska težina otprilike dvostruko veća. Radioaktivni izotop vodika, tricij, općenito je oko tri puta teži od običnog vodonika. Kada se raspadne, proizvodi helijum-3, lagani izotop poznatog helijuma. Soddy je razvio ono što je nazvao zakon radioaktivnog pomaka: kao rezultat alfa raspada, element u periodnom sistemu pomiče se dva razmaka unazad, kao da je imao loš potez u igri na ploči. Beta raspad, naprotiv, daje pravo na jedan pomak naprijed, i dobija se jedan od izotopa elementa koji se nalazi u sljedećoj ćeliji. Živi primjer je raspad tritijuma, koji, pretvarajući se u helijum-3, skače jednu ćeliju dalje.

Zamislimo da slučajno naiđete na nerazumljivu mašinu sa kuglicama i ne vidite njen sadržaj. Ponekad iz njega iskaču plave kuglice, a mašina jednom trepne, a ponekad crvene kuglice, čije pojavljivanje prate dva bljeska. Kako da shvatimo šta se dešava unutra? Vjerovatno možete pretpostaviti da mašina sadrži homogenu mješavinu crvenih i plavih kuglica, razbacanih tu i tamo, poput grožđica u pudingu.

Do 1904. fizičari su znali da se u radioaktivnim procesima atomi pretvaraju jedni u druge, emitujući čestice različitih naboja i masa, ali niko nije imao pojma o velikoj slici. Thomson se usudio da iznese ideju da su pozitivni i negativni naboji ravnomjerno pomiješani, a potonji, budući da su lakši, imaju veću slobodu kretanja. Kada su eksperimentatori probali ovaj puding, nadao se da će vidjeti koliko je dobar. Ali, nažalost, prvi puding je ispao grudvast. I sudbina je odlučila da ovu presudu donese Thomsonov favorit na Novom Zelandu.

Sljedeći period u Rutherfordovom životu bio je možda najplodonosniji. Godine 1907. Univerzitet u Mančesteru - Daltonov naučni put je nekada prolazio kroz ova severnoengleska mesta - pozvao je naučnika da vodi odeljenje za fiziku. Ono što je Mančester dobio je McGillov gubitak. U to vrijeme, Rutherford je „izjahao svoju sreću“, kako je i sam, ne bez hvale, primijetio svom biografu (i učeniku) Arthuru Eveu17, i već je bio zapažena ličnost u nauci. Kao pravi kormilar, čvrsto je upravljao svojim brodom: angažovao je najbolje mlade istraživače, dodijelio im zanimljive zadatke i otpustio one koji nisu opravdali očekivanja. Glasni, ponekad razdražljivi, a ponekad psovki instrumenti po svaku cijenu, profesor je svojom nepromjenjivom lulom i brkovima zaista ulijevao strah svojim podređenima. Ali izlivi bijesa brzo su prošli, jarko sunce se pojavilo iza oblaka koji su se sušili, a tada na svijetu nije bilo nikog ljubaznijeg, dobrodušnijeg i više podrške od Rutherforda.

Tada mu se zbližio biohemičar iz Manchestera i budući prvi predsjednik Izraela Chaim Weizmann. On je opisao Rutherforda kao „živahnog, energičnog i burnog. Bilo mu je stalo do svega, ne samo do nauke. Rado i energično je raspravljao o svemu na svijetu, čak i ako o nečemu nije imao ni najmanje pojma. Spuštajući se u trpezariju na večeru, već sam u hodniku čuo grmljavinu njegovog prijateljskog glasa... Bio je dobre volje, ali nije mogao da trpi budale”18.

Weizman se prisjetio, upoređujući Rutherforda sa Ajnštajnom, kojeg je također dobro poznavao: „Kao naučnici, ova dva čovjeka su bila suprotna jedan drugome: Ajnštajn je bio sav proračun, Rutherford je bio eksperiment. Ali u životu su bili malo slični. Ajnštajn se činio nedostižnim, a Ruterford je izgledao kao veliki, bučni Novozelanđanin kakav je bio. U polju eksperimenta, Rutherford je, naravno, bio genije, jedan od najboljih. Imao je poseban njuh, i šta god je dotakao, sve se pretvaralo u zlato.”19

U Mančesteru, Rutherford je napravio ambiciozne planove: da razdvoji atom alfa česticama i vidi šta je unutra. Pretpostavio je da su relativno velike alfa čestice idealan uređaj za proučavanje dubinske strukture atoma. Prije svega, želio je testirati snagu Thomsonovog modela pudinga i shvatiti je li istina da je atom kolač od impresivnih pozitivno nabijenih komada i malih negativnih naboja. Odlučan u pobjedi, Rutherford je uspio da ukrade dvije vrijedne nagrade iz nosa svojih konkurenata: toliko željenu zalihu radijuma (za to su se borili s Ramsayem) i svijetlu glavu njemačkog fizičara Hansa Geigera, koji je ranije radio pod bivši načelnik odeljenja. Rutherford je Geigeru postavio zadatak da razvije pouzdan način za detekciju alfa čestica.

Metoda koju je predložio Geiger - brojanje iskri koje skaču između elektroda metalne cijevi kada alfa čestice, jonizujući plin zatvoren unutra, pretvaraju ga u provodnik - činio je osnovu poznatog brojača, nazvanog po autoru izuma, Geigerov brojač. Ovaj mjerač radi zbog činjenice da električne struje kruže u zatvorenim krugovima. Svaki put kada uzorak emituje alfa česticu, krug kroz elektrode i provodni gas se završava i čuje se zvučni klik. Uprkos Geigerovom korisnom otkriću, Rutherford je obično koristio drugačiju metodu registracije. Uzeo je ekran presvučen cink sulfidom, materijalom u kojem bombardiranje alfa čestica izaziva sitne bljeskove svjetlosti, zvane scintilacije.

Godine 1908. Rutherford je prekinuo svoje istraživanje kako bi dobio Nobelovu nagradu za hemiju, dodijeljenu mu za proučavanje alfa čestica. Ali laboratorija je dugo bila prazna. Naoružan pouzdanim metodama detekcije, prešao je na nove eksperimente, u kojima su učestvovali i Geiger i talentovani, iako još ne diplomirani, Ernest Marsden.

Sudbina 20-godišnjeg (1909) Marsdena bila je zapanjujuće slična sudbini samog Rutherforda. Marsden je također došao iz jednostavne pozadine. Njegov otac je radio u provincijskoj fabrici tekstila u Lancashireu u Engleskoj, praveći pamučne tkanine. Rutherford se preselio iz svog rodnog Novog Zelanda u Englesku - za Marsdena se sve kasnije ispostavilo upravo suprotno. Oboje su počeli da rade zanimljive eksperimente još dok su bili na fakultetu. Što se tiče Marsdena, prije nego što je završio studije, već je bio pozvan da testira svoje talente.

Rutherford se kasnije prisjetio tog pitanja za zagrijavanje, koje je rezultiralo plodnom saradnjom između Geigera i Marsdena. “Jednog dana mi je prišao Geiger i rekao: “Možda je vrijeme da mladi Marsden malo istraži?” Već sam razmišljao o ovome, pa sam odgovorio: “Onda neka vidi da li su neke alfa čestice rasute pod velikim uglovima.”20

Rutherford, poznat po svojoj sposobnosti da postavlja prava pitanja u pravo vrijeme, smatrao je da ako se alfa čestice iznenada pojave, leteći natrag iz metala, to će dati trag o strukturi materije. On je, naravno, bio zainteresovan da vidi šta će se desiti, ali nije polagao velike nade u pozitivan ishod eksperimenta. Ali ova opcija nije mogla biti potpuno isključena. Nikad se ne zna, odjednom se unutra krije nešto od čega će se čestice odbijati. Bio bi greh da ne okušam sreću.

U nekim posebno osjetljivim mjerenjima, fizičari čestica moraju biti poput noćnih životinja koje vrebaju za plijenom. Možete uhvatiti njen najmanji pokret ako dobro vidite samo u mraku. U ovoj aktivnosti prednost imaju mladi istraživači. I to čak ne zbog boljeg vida, već zbog strpljenja. Nije iznenađujuće da su Rutherford i Geiger dodijelili dvadesetogodišnjem Marsdenu da prati rasipanje alfa čestica. Dobio je instrukcije da zavjese prozore što je moguće čvršće, zatim sjedne i sačeka dok se zenice ne prošire dovoljno da uhvate i najmanji tračak svjetlosti sa svih strana. Tek tada je bilo moguće početi sa zapažanjima.

Marsden je postavljao ploče različite debljine i od različitih metala (olovo, platina i drugi) pored staklene ampule sa jedinjenjima radijuma i čekao da alfa čestice koje izlaze iz ampule udare u ploču i prođu kroz nju ili se odbiju. Kao scintilator je služio ekran sa cink sulfidom. Pokazalo je koliko se čestica reflektira i pod kojim uglovima. Nakon što je završio sa sljedećim metalom, Marsden je pokazao podatke sa svim svjetlucanjima koje su njegove oštroumne oči primijetile Geigeru. Zajedno su utvrdili da tanki listovi zlata proizvode najviše odsjaja. Ali uglavnom propuštaju i alfa čestice, kao da je folija s onog svijeta. A kada bi se refleksije povremeno dešavale, čestice su imale tendenciju da se odbijaju pod veoma velikim uglovima (90 stepeni ili više). Shodno tome, oni su se očigledno raspršili na čvrstim kondenzacijama u dubinama zlata.

Osijan od radosti, Geiger je otrčao do Rutherforda i, na krajnje oduševljenje potonjeg, objavio: „Konačno smo pronašli alfa čestice koje odbijaju!“

"Bio je to najnevjerovatniji događaj u mom životu", prisjetio se Rutherford. “Skoro je nevjerovatno kao da ste bacili granatu od 15 inča na ekran od papirnog papira i ona se odbila na vas.”21

Ako je atom, kao što je Thomson mislio, zaista poput pudinga od grožđica, onda amorfna mješavina naboja unutar atoma zlata ne bi trebala snažno odbiti alfa čestice koje lete u foliju, pa bi se one češće raspršile pod malim uglovima. Ali Geiger i Marsden su učinili nešto drugačije. Kao da dobar igrač bejzbola sjedi unutar atoma: kada je projektil u zoni udara, udarač ga udara svom snagom, a ako projektil izađe izvan ove zone, slobodno leti dalje.

Godine 1911. Rutherford je odlučio predložiti vlastiti umjesto Thomsonovog modela. “Mislim da sam smislio mnogo bolji atom od Jayjaya”, podijelio je sa kolegom22. U članku je iznio revolucionarnu ideju da svaki atom ima sićušno, pozitivno nabijeno jezgro u svom središtu, koje sadrži najveći dio mase atoma. Kada su se alfa čestice sudarile sa atomima zlata, ovaj šišmiš ih je odbacio, a i tada samo oni najprecizniji koji su uspjeli pogoditi oko.

Ispostavilo se da se atom uglavnom sastoji od praznine. Jezgro zauzima jadan dio njegovog volumena, sve ostalo je ništavilo bez dna. Ako atom uvećate na veličinu Zemlje, jezgro bi bilo otprilike prečnika fudbalskog stadiona. Rutherford je živopisno uporedio pucanje na metu topovskom đulom sa pokušajem lociranja komarca u Royal Albert Hallu, ogromnoj koncertnoj dvorani u Londonu.

Unatoč svojoj maloj veličini, jezgro igra važnu ulogu u određivanju svojstava atoma. Rutherford je pretpostavio da položaj atoma u periodnom sistemu, ili, drugim riječima, atomski broj ovisi o veličini pozitivnog naboja jezgra. U vodiku, nuklearni naboj je po apsolutnoj vrijednosti jednak naboju elektrona, a za ostale elemente ovaj iznos naboja se mora pomnožiti s atomskim brojem. Na primjer, zlato, 79. element, ima pozitivan nuklearni naboj jednak sedamdeset i devet naboja elektrona. Pozitivno centralno naelektrisanje je uravnoteženo odgovarajućim brojem negativno nabijenih elektrona. Kao rezultat toga, atom je, ako nije joniziran, električno neutralan. Kao što je Rutherford tvrdio, ovi elektroni su ravnomjerno raspoređeni po sferi sa središtem na jezgru.

Iako je Rutherfordov model podigao fiziku na novi nivo, neka pitanja su ostala otvorena. To je savršeno objasnilo eksperimente Geiger-Marsdenovog raspršivanja, ali mnoga eksperimentalna svojstva atoma poznata u to vrijeme ostala su misterija. Uzmimo, na primjer, spektralne linije - u okviru modela nije bilo jasno zašto u vodiku, heliju i drugim elementima formiraju karakterističan uzorak. Ako su elektroni u atomu jednoliko pomiješani, zašto su atomski spektri tako heterogeni? I gdje u cjelokupnoj slici možemo naći mjesto za Planckovu kvantnu ideju i Ajnštajnov fotoelektrični efekat, u kojem elektron prima i oslobađa energiju u konačnim porcijama?

Srećnom stjecajem okolnosti, u proljeće 1912. godine u Rutherfordovu laboratoriju stigao je gost iz Danske, čije je znanje dobro došlo. Niels Bohr, snažno građen mladić krupnih crta lica, nedavno je odbranio disertaciju u Kopenhagenu i, nakon što je šest mjeseci proveo s Thomsonom u Cambridgeu, otišao je u Manchester. Unaprijed je napisao pismo Rutherfordu, rekavši da mu ne smeta da radi u radioaktivnosti. Od Thomsona je znao za Rutherfordovu ideju o jezgru i želio je detaljnije proučiti njene posljedice. Jednom, kada je Bohr proračunao proces sudara alfa čestica s atomima, pala mu je na pamet hipoteza: što ako energija elektrona koji oscilira u blizini jezgra poprimi strogo određene vrijednosti, višekratne Planckove konstante? Tako je Bohr jednim naletom bacio atome u kaleidoskop kvantne teorije.

Vrativši se u Kopenhagen u ljeto te godine, Bohr je nastavio razmišljati o strukturi atoma. Zanimalo ga je pitanje zašto atomi ne kolabiraju spontano. Nešto mora zadržati negativne elektrone kako se ne bi srušili u pozitivno nabijeno jezgro, kao meteorit u Zemlju. U Njutnovskoj fizici postoji posebna očuvana veličina, ugaoni moment (ugaoni moment). Jednostavno rečeno, kada se tijelo rotira, i broj okretaja i smjer ose teže da ostanu nepromijenjeni. Naime, proizvod mase, brzine i orbitalnog radijusa često je konstantna vrijednost. Nije uzalud što klizač počinje brže da se okreće kada pritisne ruke uz tijelo. Bohr je tražio da ugaoni moment elektrona poprimi vrijednosti koje su višekratne Planckove konstante podijeljene sa dva "pi" (π = 3,1415). Tada čestica može zauzimati orbite samo sa određenom energijom. Odnosno, elektroni se mogu nalaziti samo na određenim udaljenostima od atomskog jezgra, ili, drugim riječima, zauzimati diskretne nivoe - kvantna stanja.

Borova pretpostavka je odmah omogućila veliki napredak u pitanju zašto su skupovi spektralnih linija u atomima upravo onakvi kakvi jesu, a ne drugi. U Borovom modelu atoma, elektroni, ako su u nekom specifičnom kvantnom stanju, ne primaju niti oslobađaju energiju – kao da, poput planete, lete u apsolutno stabilnoj, idealnoj orbiti. Prema Boru, elektroni su, grubo govoreći, nešto poput malih Merkura i Venera koji se okreću oko sunčevog jezgra. Ali umjesto sile gravitacije, povlači ih prema centru elektrostatička sila koja djeluje iz pozitivno nabijenog jezgra. Tu se, međutim, završava analogija sa Sunčevim sistemom, a Borova teorija tada poprima potpuno drugačiji zaokret. Za razliku od planeta, elektroni ponekad skaču iz jednog kvantnog stanja u drugo, u jezgro ili, obrnuto, iz jezgra. Skokovi su nepredvidivi i trenutni, a elektron dobija ili gubi energiju u zavisnosti od toga da li skoči na viši ili niži nivo. Kao i kod fotoelektričnog efekta, frekvencija rezultirajućeg zračenja može se izračunati dijeljenjem prenesene energije s Planckovom konstantom. Sami dijelovi energije kasnije su nazvani fotoni ili svjetlosne čestice. Dakle, karakteristične linije boja u emisionim spektrima vodika i drugih elemenata objašnjavaju se činjenicom da elektron, odbacujući svjetlosni balast, čini neku vrstu ronjenja. Što dublje ide, to je veća frekvencija. Bohrov model je bio trijumf. Njena predviđanja su se iznenađujuće tačno poklopila sa poznatim formulama koje daju rastojanje između spektralnih linija vodonika.

U zimu 1913. Bohr je prijavio rezultate Rutherfordu i, na svoje razočaranje, od njega je dobio prilično mješovit odgovor. Praktično razmišljajući, Rutherford je pronašao ono što mu se činilo velikom manom modela. Napisao je Boru: “Otkrio sam ozbiljnu poteškoću u vezi s vašom hipotezom, koje ste, bez sumnje, potpuno svjesni; to je ovo: kako elektron može znati na kojoj frekvenciji bi trebao oscilirati kada prelazi iz jednog stacionarnog stanja u drugo? Čini mi se da ste prisiljeni pretpostaviti da elektron unaprijed zna gdje će se zaustaviti.”23

Ovom prikladnom primjedbom, Rutherford je identificirao jednu od glavnih nedosljednosti u Borovom atomskom modelu. Kako znati kada će tačno elektron napustiti spokoj svog trenutnog stanja i krenuti u potragu za avanturom? Kako znate koju državu će izabrati? Borovljev model je ovdje bio nemoćan. To je upravo ono što se Rutherfordu nije svidjelo.

Odgovor na Rutherfordove primjedbe primljen je tek 1925. godine, ali je to također dovelo do zabune među mnogima. Do tada je Bor stekao svoj Institut za teorijsku fiziku u Kopenhagenu (sada Institut Niels Bohr), a pod njegovim vodstvom radila je čitava plejada mladih naučnika. Među njima se istakao njemački fizičar Werner Heisenberg (1901-1976), koji se školovao u Minhenu i Getingenu. On je bio taj koji je predložio alternativni opis ponašanja elektrona u atomu. Njegov model također nije objasnio zašto elektroni skaču, ali je omogućio da se precizno izračuna kolika je vjerovatnoća da će to učiniti.

Hajzenbergova "matrična mehanika" uvela je nove apstraktne koncepte u fiziku, što je uveliko zbunilo naučnike stare škole i naišlo je na neprijateljstvo od strane nekih istaknutih fizičara koji su razumeli šta ti koncepti podrazumevaju. Jedan od upečatljivih primjera je Ajnštajn, koji je bio neumoljivi protivnik matrične mehanike. Ona je bacila pokrivač neizvjesnosti na atom - i na cijelu prirodu na ovim i manjim skalama, izjavivši: ne mogu se sva fizička svojstva izmjeriti odjednom.

S duhom pobune karakterističnim za mladost, Heisenberg je započeo svoje izlaganje odbacivanjem većine ideja koje su vladale među njegovim starijima. Odbio je da percipira elektron kao česticu u orbiti i zamenio ga čistom apstrakcijom: matematičkim stanjem. Da bi izračunao položaj, impuls (masa puta brzinu) i druga vidljiva fizička svojstva, Heisenberg je pomnožio ovo stanje različitim veličinama. Njegov naučni supervizor, fizičar iz Getingena Maks Born, predložio je pisanje ovih veličina u obliku tabela ili matrica. Otuda i termin “matrična mehanika” (sinonim za kvantnu mehaniku). Naoružan moćnim matematičkim aparatom, Heisenberg više nije vidio nikakve prepreke na svom putu u dubine atoma. Tada se prisjetio: „Imao sam osjećaj da mi se kroz površinu atomskih fenomena otkriva nešto zadivljujuće lijepo i gotovo mi se zavrtjelo u glavi pri pomisli da ću uskoro uroniti u ovaj bogati svijet matematičkih struktura koje priroda tako velikodušno predstavljeno mi.” rašireno”24.

U klasičnoj Njutnovoj fizici, položaj i impuls se mogu meriti istovremeno. U kvantnoj mehanici, kao što je Heisenberg elegantno pokazao, to uopšte nije slučaj. Ako na stanje djelujete matricama koordinata i momenta, redoslijed ovih operacija je od velike važnosti. Kada prvo primijenite koordinatnu matricu, a zatim matricu zamaha, odgovor će najvjerovatnije biti drugačiji nego kada učinite suprotno: prvo zamah, a kasnije koordinate. Operacije kod kojih je bitan redosled izvršenja nazivaju se nekomutativnim. Svi smo dobro upoznati sa komutativnim opcijama: u aritmetici su to množenje i sabiranje („od promene mesta članova...“). Zbog nekomutativnosti postaje nemoguće istovremeno znati obje fizičke veličine sa savršenom tačnošću. Heisenberg je ovu činjenicu formulisao u obliku principa nesigurnosti.

Na primjer, ako fiksirate položaj elektrona, Heisenbergov princip nesigurnosti u kvantnoj mehanici osigurava da je impuls razmazan što je više moguće. Ali impuls je proporcionalan brzini, što znači da nam elektron ne može istovremeno reći gdje se nalazi i kojom brzinom leti. Elektron ima ne samo sedam, već niko ne zna koliko petka u sedmici. Da su se planete ponašale kao elektroni, drevni astrolozi bi napustili svoj rad prije nego što su i počeli.

Iako je, prema Heisenbergu, kvantna mehanika po svojoj prirodi svojstvena neizvjesnosti, ona pruža recept kako izračunati vjerovatnoću. Odnosno, ne garantuje da ćete dobiti opkladu, ali vam govori kakve su vam šanse. Recimo, kvantna mehanika daje vjerovatnoću da će elektron skočiti sa date pozicije na neku drugu. Ako je ova vjerovatnoća nula, sigurno znate da je takav prijelaz zabranjen. Ako nije, rješava se i linije s odgovarajućom frekvencijom mogu se vidjeti u atomskom spektru.

Godine 1926, fizičar Erwin Schrödinger predložio je lakšu za razumijevanje verziju kvantne mehanike, nazvanu valna mehanika. Razvijajući teoriju koju je izgradio Francuz Louis de Broglie, Schrödinger je počeo da tumači elektrone kao "talase materije". Nešto poput svjetlosnih valova, ali predstavljeno ne elektromagnetnim zračenjem, već materijalnim česticama. Kako ove valne funkcije reagiraju na fizičke sile opisano je Schrödingerovom jednačinom. Recimo, u atomu, talasne funkcije elektrona pod uticajem elektrostatičkog privlačenja iz jezgra formiraju „oblake“ različitih oblika, energija i sa različitim prosečnim udaljenostima od centra. Ovi oblaci nemaju materijalni sadržaj. Oni samo pokazuju kolika je vjerovatnoća da će elektron završiti u određenoj tački u svemiru.

Ove valne strukture mogu se uporediti sa vibracijama žice gitare. Na žici pričvršćenoj na oba kraja nakon čupanja pojavljuje se stajaći val. Ležeći na plaži, vidimo kako trče talase koji se kotrljaju na obalu. Nasuprot tome, stojeći talas je predodređen da se kreće samo gore-dole. Ali čak i uz takvo ograničenje, može imati nekoliko vrhova (maksima): jedan, dva ili više - glavna stvar je da ovaj broj mora biti cijeli broj, a ne razlomak. Talasna mehanika uspostavlja korespondenciju između glavnog kvantnog broja elektrona i broja maksimuma, što prirodno objašnjava zašto ova određena stanja postoje, a ne druga.

Na Hajzenbergovu veliku žalost, mnoge njegove kolege preferirale su Schrödingerovu sliku. Možda zato što su im talasni procesi bili nekako bliži - postojala je analogija i sa zvukom i sa svetlošću... Matrice su izgledale previše apstraktno. Međutim, pronicljivi bečki fizičar Wolfgang Pauli dokazao je da su Heisenbergov i Schrödingerov modeli potpuno ekvivalentni. To je kao digitalni i analogni displeji - nijedan od njih nije inferioran u odnosu na drugi, a koji odabrati je stvar ukusa.

Sam Pauli je ostavio u naslijeđe kvantnu mehaniku: ideju da dva elektrona ne mogu zauzeti isto kvantno stanje. Paulijev princip isključenja naveo je dva holandska naučnika, Samuela Goudsmita i Georga Uhlenbecka, na ideju da se elektron može poravnati u dva smjera, odnosno da ima spin. Kao što ime govori (engleski spin - "brza rotacija"), spin karakteriše unutrašnji ugaoni moment elektrona. Ali, prije svega, zanimljiva su svojstva spina u odnosu na magnetsko polje. Ako stavite elektron u vertikalno magnetsko polje (recimo, unutar magnetne zavojnice), elektron će, poput mini-magneta, biti okrenut ili u smjeru polja („okreće se prema gore“) ili prema njemu („okreće se prema dolje“). ”).

Elektron je sluga dvaju gospodara: obično postoji u mješovitom stanju, gdje su pozicije “spin up” i “spin down” zastupljene u jednakim udjelima. Čekaj, kako ista čestica može imati dva međusobno isključiva svojstva? U svakodnevnom životu igla kompasa ne može istovremeno da pokazuje i sever i jug, ali u kvantnom svetu postoje drugačija pravila igre. Dok ne izmerimo spin, po principu nesigurnosti, on nema jasno definisanu vrednost. Ali tada eksperimentator uključuje vanjsko magnetsko polje, a zatim elektron okreće svoj spin ili gore ili dolje - dolazi do kolapsa valne funkcije, kako kažu.

Recimo da su dva elektrona u snopu. Zatim, ako jedan ima okret koji se okreće, drugi se odmah okreće prema dolje. Ovo okretanje se dešava čak i ako su elektroni daleko jedan od drugog. U ovom kontraintuitivnom fenomenu, Ajnštajn je video trikove „duha dalekosežne akcije“. Zbog ovih čudnih odnosa, Ajnštajn je bio uvjeren da će kvantnu mehaniku jednog dana zamijeniti dublja i jasnija teorija.

Što se tiče Bora, on se nije odrekao paradoksa, naprotiv, osjećao se kao riba u vodi među nespojivim pojmovima. Na primjer, on je bio taj koji je formulirao princip komplementarnosti, koji kaže da je elektron i val i čestica. S vremena na vrijeme Bohr također nije bio nesklon izgovoriti još jedan aforizam. Jednom je rekao: “Duboka istina je istina čija je suprotnost također duboka istina.” Bilo mu je potpuno u duhu da taoistički simbol jedinstva suprotnosti - jin-jang - stavi u samo središte svog grba.

Uprkos svojoj nepopustljivoj filozofskoj poziciji, Einstein se složio s Borom da je kvantna mehanika odlično objašnjenje eksperimentalnih podataka. Jedan od znakova priznanja njenih zasluga bila je Ajnštajnova nominacija Heisenberga i Schrödingera za Nobelovu nagradu za fiziku. Heisenbergu je to dodijeljeno 1932., a Schrödinger je tu čast podijelio s britanskim kvantnim mehanikom Paulom Diracom 1933. godine. (Einstein i Bohr su bili laureati 1921. i 1922. godine)

Rutherford je, međutim, nastavio s oprezom tretirati kvantnu teoriju i svoju glavnu pažnju posvetio je eksperimentalnim proučavanjima atomskog jezgra. Godine 1919. Thomson je dao ostavku na titulu profesora u Cavendishu i napustio mjesto direktora Laboratorije Cavendish, a Rutherford je preuzeo ovu počasnu poziciju. Tokom svoje posljednje godine u Manchesteru i prvih godina nakon preseljenja u Cambridge, bombardirao je razna jezgra brzim alfa česticama. Marsden je jednom primijetio da s mjesta gdje alfa čestice udare u plin vodonik, počinju letjeti još brže čestice veće prodorne moći. Ispostavilo se da su to jezgra atoma vodika. Rutherford je ponovio Marsdenove eksperimente, ali je vodonik zamijenio dušikom. Zamislite njegovo iznenađenje kada su i jezgra vodonika počela da lete iz azota. Istina, scintilacije vodonikovih jezgara koje su ulazile u fluorescentni ekran nisu bile jako sjajne i mogle su se vidjeti samo kroz mikroskop. Ali pružili su nepobitne dokaze da atomi dušika mogu emitirati čestice iz svojih dubina. Otkriće radioaktivnosti pokazalo je da se atomi mogu spontano transformirati jedni u druge (proći transmutaciju), a iz Rutherfordovih eksperimenata bombardiranja bilo je moguće umjetno promijeniti izgled atoma.

Rutherford je pozitivno nabijene čestice koje su dio svih jezgara počeo nazivati protonima. Drugi naučnici su htjeli da ih nazovu "pozitivnim elektronima", ali Rutherford se tome oštro protivio. On je odgovorio da su protoni mnogo teži od elektrona i da generalno imaju malo zajedničkog. Kada se Diracovo predviđanje obistinilo i kada je otkriven pravi pozitivno nabijen elektron, dobio je naziv "pozitron". Pozitroni su postali prvi poznati predstavnik takozvane antimaterije, koja je po svemu slična običnoj materiji, ali ima naboj suprotnog predznaka. Protoni su pak sastavni dio materije koja nam je poznata.

Novi detektor čestica, komora za oblake, pritekao je u pomoć Rutherfordu i njegovim saradnicima. Omogućio je promatranje tragova čestica (na primjer, protona) koje lete iz ciljnog jezgra. Dok su scintilacija i Geigerovi brojači davali samo tok emitovanih čestica, komora u oblaku mogla bi pokazati kako se te čestice kretale kroz svemir, čime bi pomogla da se bolje razumiju njihova svojstva.

Izumio ga je škotski fizičar Charles Wilson. Dok se penjao na planinu Ben Nevis, primetio je da se u vlažnom vazduhu kapljice vode lakše kondenzuju u prisustvu jona, odnosno naelektrisanih čestica. Naboji privlače molekule i talože se iz zraka, ostavljajući kondenzacijski trag u području zasićenom električnom energijom. Wilson je shvatio da je na ovaj način moguće registrirati čestice nevidljive oku. Uzeo je komoru, napunio je hladnim, vlažnim vazduhom i počeo da posmatra lance kondenzovane pare od naelektrisanih čestica kako lete pored. Mlazni avioni ostavljaju isti trag na nebu. Ovi tragovi, snimljeni na fotografijama, pružaju obilje vrijednih informacija o napretku eksperimenta.

Iako je Wilson sastavio prvi prototip svoje komore 1911. godine, oni su počeli da se koriste u nuklearnoj fizici tek 1924. Tada je Patrick Blackett, diplomirani student u Rutherfordovoj grupi, koristio ovaj uređaj za otkrivanje protona iz radioaktivnog raspada dušika. . Njegovi podaci su se odlično slagali sa Rutherfordovim scintilacionim eksperimentima, pružajući tako nepobitne dokaze o vještačkom nuklearnom raspadu.

Jezgro ne naseljavaju samo protoni. Godine 1920., svojim legendarnim šestim čulom, Rutherford je pretpostavio da osim protona, jezgro služi i kao utočište za neke neutralne čestice. Dvadeset godina kasnije, Rutherfordov učenik James Chadwick otkrio je neutron - istu masu kao proton, ali bez naboja, a Heisenberg je ubrzo nakon toga napisao historijski članak "O strukturi atomskog jezgra", gdje je izložio sada prihvaćeni model jezgro koje se sastoji od protona i neutrona.

Ova slika može objasniti različite vrste radioaktivnosti. Alfa raspad se dešava kada jezgro emituje dva protona plus dva neutrona u isto vreme – izuzetno stabilna kombinacija. Beta raspad se tada dešava kada neutron proizvodi proton i elektron. Beta zračenje se sastoji upravo od ovih elektrona. Ali, kako je Pauli pokazao, priča se tu ne završava: u raspadu neutrona, određena količina zamaha i energije negdje nestaje. Pauli ih je odlučio pripisati gotovo neuhvatljivoj čestici, koja je kasnije otkrivena i nazvana neutrin. Konačno, gama komponenta se javlja kada jezgro prelazi iz kvantnog stanja visoke energije u stanje niske energije. Alfa i beta raspad mijenjaju broj protona i neutrona u jezgru i nastaje novi kemijski element, dok gama zraci ostavljaju nepromijenjen sastav jezgra.

Rutherfordova briljantna otkrića i metode naučile su nas lekciju: da bismo zavirili u prirodni svijet na malim udaljenostima, moramo se obratiti elementarnim česticama. U zoru nuklearne fizike, njihov izvor su bile radioaktivne supstance koje šikljaju alfa česticama. Bili su idealno prikladni za eksperimente raspršenja, iz kojih su Geiger i Marsden vidjeli da atom ima minijaturno jezgro. Ali Rutherford je već shvatio: bez energičnijih alata nema o čemu razmišljati da bi se ozbiljnije i dublje prodrlo u prirodu jezgra. Za nuklearnu tvrđavu trebat će vam posebno jak ovan, odnosno ovnovi - čestice ubrzane u umjetnim uvjetima do fenomenalno velikih brzina. Rutherford je, ne bez razloga, odlučio da će Laboratorija Cavendish moći izgraditi akcelerator čestica, iako bi njegova implementacija, priznao je naučnik, zahtijevala određene teorijske napore. Srećom, jedan pametan mladić uspio je da se iskrade iz Staljinove tvrđave i ponese vreću kvantnog znanja sa sobom u Free School Lane.

Atomska struktura je složen. To potvrđuju otkrića fenomena poput elektrona, rendgenskih zraka i radioaktivnosti. Kao rezultat teorijskih istraživanja i brojnih eksperimenata, a teorija strukture atoma. Posebno važan doprinos stvaranju teorije atomske strukture dao je engleski fizičar Ernest Rutherford(1871 - 1937), koji je provodio eksperimente za proučavanje prolaska alfa čestica kroz tanke metalne ploče od zlata i platine.

Rutherford je 1906. godine predložio sondiranje atoma teških elemenata alfa česticama s energijom od 4,05 MeV, koje je emitovala jezgra uranijuma ili radijuma. Stoga je predloženo proučavanje raspršivanja (promjena smjera kretanja) alfa čestica u materiji.

Masa alfa čestice je otprilike 8000 puta veća od mase elektrona. Pozitivni naboj je po veličini jednak dvostrukom naboju elektrona 2e. Brzina alfa čestice je 1/15 brzine svjetlosti ili 2 * 10 7 m/s. Alfa čestica je potpuno jonizovani atom helijuma.

Pojednostavljeni dijagram Rutherfordovih eksperimenata prikazan je na Sl. 1.1. Alfa čestice emitovao je radioaktivni izvor 1 smješten unutar olovnog cilindra 2 sa uskim kanalom 3. Uski snop alfa čestica iz kanala padao je na foliju 4 od ispitivanog materijala, okomito na površinu folije. Iz olovnog cilindra alfa čestice su prolazile samo kroz kanal, a ostatak je olovo apsorbiralo. Alfa čestice koje prolaze kroz foliju i raspršuju se po njoj padale su na prozirni ekran 5, koji je bio obložen luminiscentnom supstancom (cink sulfat). Ova supstanca je bila sposobna da zablista kada je alfa čestica udarila u nju. Sudar svake čestice sa ekranom bio je praćen bljeskom svjetlosti. Ovaj blic se zove scintilacija(od latinskog scintilacija - iskričav, kratkotrajni bljesak svjetlosti). Iza ekrana se nalazio mikroskop 6. Da bi se sprečilo dodatno rasipanje alfa čestica u vazduhu, ceo uređaj je smešten u posudu sa dovoljnim vakuumom.

Rice. 1.1. Pojednostavljena shema Rutherfordovih eksperimenata.

U nedostatku folije, na ekranu se pojavio svijetli krug koji se sastoji od scintilacija uzrokovanih tankim snopom alfa čestica. Ali kada je tanka zlatna folija debljine približno 0,1 μm (mikrona) stavljena na put alfa čestica, slika koja se posmatra na ekranu se uveliko promijenila: pojedinačni bljeskovi su se pojavljivali ne samo izvan prethodnog kruga, već su se čak mogli i pojaviti. posmatrano sa suprotne strane zlatne folije.

Prebrojavanjem broja scintilacija u jedinici vremena na različitim mjestima na ekranu, moguće je utvrditi raspodjelu rasutih alfa čestica u prostoru. Broj alfa čestica se brzo smanjuje sa povećanjem ugla raspršenja.

Slika uočena na ekranu dovela je do zaključka da većina alfa čestica prolazi kroz zlatnu foliju bez primjetne promjene smjera njihovog kretanja. Međutim, neke su čestice odstupile pod velikim uglovima od prvobitnog pravca alfa čestica (oko 135 o ... 150 o) i čak su bile odbačene. Istraživanja su pokazala da kada alfa čestice prolaze kroz foliju, na svakih 10.000 padajućih čestica samo jedna odstupi za ugao veći od 10° od prvobitnog smjera kretanja. Samo kao rijedak izuzetak, jedna od ogromnog broja alfa čestica odstupa od prvobitnog smjera.

Činjenica da su mnoge alfa čestice prošle kroz foliju bez odstupanja od svog smjera kretanja sugerira da atom nije čvrst entitet. Budući da je masa alfa čestice skoro 8000 puta veća od mase elektrona, elektroni koji su dio atoma folije ne mogu primjetno promijeniti putanju alfa čestica. Rasipanje alfa čestica može uzrokovati pozitivno nabijena čestica atoma - atomsko jezgro.

Atomsko jezgro- ovo je malo tijelo u kojem je koncentrirana gotovo sva masa i gotovo sav pozitivan naboj atoma.

Što se alfa čestica bliže približila jezgru, to je veća sila električne interakcije i veći je ugao čestica je bila sklonjena. Na malim udaljenostima od jezgra, pozitivno nabijena alfa čestica doživljava značajnu odbojnu silu F od jezgra, koja je određena Coulombovim zakonom:

gdje je r udaljenost od jezgra do alfa čestice; ε 0 – električna konstanta u SI jedinicama; p – broj protona u jezgru; e = 1,6*10-19 C – apsolutna vrijednost elementarnog električnog naboja (naboja elektrona); 2e – naboj alfa čestice

Slika 1.2 prikazuje putanje alfa čestica koje lete na različitim udaljenostima od jezgra.

Rutherford je uspio uvesti formulu koja povezuje broj alfa čestica raspršenih pod određenim kutom s energijom alfa čestica i protona p u jezgri atoma. Eksperimentalna verifikacija formule potvrdila je njenu valjanost i pokazala da je broj protona u jezgru jednak broju intra-atomskih elektrona Z i određen je atomskim brojem hemijskog elementa (tj. atomskim brojem element u periodičnom sistemu D.I. Mendeljejeva):

p = Z

Rice. 1.2. Putanja alfa čestica.

Brojeći broj alfa čestica rasutih pod različitim uglovima, Rutherford je mogao da proceni linearne dimenzije jezgra. Da bi pozitivno jezgro bacilo alfa česticu nazad, potencijalna energija elektrostatičke (kulonove) odbijanja na granicama atomskog jezgra mora biti jednaka kinetičkoj energiji alfa čestice:

Ispostavilo se da jezgro ima prečnik:

D i = 10 -13 ...10 -12 cm = 10 -15 ...10 -14 m

Linearni prečnik samog atoma:

D a = 10 -8 cm = 10 -10 m

Planetarni model atoma

Nakon analize brojnih eksperimenata, Rutherford je predložio 1911 planetarni atomski model(nuklearni model atoma).

Prema ovom modelu, u centru atoma nalazi se pozitivno nabijeno jezgro, u kojem je koncentrisana gotovo cijela masa atoma. Negativno nabijeni elektroni kruže oko jezgra. Elektroni se kreću oko jezgra na relativno velikim udaljenostima, slično kao što planete kruže oko Sunca. Iz kolekcije ovih elektrona nastaje elektronska školjka ili elektronski oblak.

Atom je u cjelini neutralan, stoga je apsolutna vrijednost ukupnog negativnog naboja elektrona jednaka pozitivnom naboju jezgra: broj Z*e protona u jezgru jednak je broju elektrona u jezgru. elektronski oblak i poklapa se sa serijskim brojem (atomskim brojem) Z atoma datog hemijskog elementa u periodnom sistemu D. I. Mendeljejeva.

Na primjer, atom vodika ima atomski broj Z = 1, stoga se atom vodika sastoji od pozitivnog jezgra s nabojem jednakim apsolutnoj vrijednosti naboja elektrona. Jedan elektron se okreće oko jezgra. Jezgro atoma vodika naziva se proton. Atom litijuma ima atomski broj Z = 3, dakle, 3 elektrona rotiraju oko jezgra atoma litija.

A klonulog zgloba e spektri, optički spektri, koji su rezultat emisije ili apsorpcije svjetlosti (elektromagnetnih valova) slobodnih ili slabo vezanih atoma; Monatomski gasovi i pare, posebno, imaju takve spektre. A. s. su obložene - sastoje se od pojedinačnih spektralnih linija. A. s. promatraju se u obliku svijetlih linija kada plinovi ili pare svijetle u električnom luku ili pražnjenju (emisioni spektri) i u obliku tamnih linija (apsorpcijski spektri). Svaku spektralnu liniju karakteriše određena frekvencija oscilovanja v emitovane ili apsorbovane svetlosti i odgovara određenom kvantnom prelazu između energetskih nivoa E i i E k atoma prema odnosu: hv = E i - E k, gde je h je Plankova konstanta). Zajedno sa frekvencijom, spektralnu liniju možemo okarakterisati talasnom dužinom l = c/v, talasnim brojem 1/l = v/c (c je brzina svetlosti) i energijom fotona hv.

A. s. nastaju tokom prelaza između energetskih nivoa spoljašnjih elektrona atoma i posmatraju se u vidljivom, ultraljubičastom i bliskom infracrvenom području. I neutralni i jonizovani atomi imaju takve spektre; oni se često nazivaju spektri luka i iskre, respektivno (neutralni atomi se lako pobuđuju i daju spektre emisije u električnim lukovima, dok se pozitivni ioni teže pobuđuju i daju emisione spektre pretežno u iskričnim električnim pražnjenjima). Spektri jonizovanih atoma se pomeraju u odnosu na spektre neutralnih atoma u područje viših frekvencija, odnosno u ultraljubičasto područje. Ovo pomicanje je veće, što je veća brzina jonizacije atoma - više elektrona je izgubio. Spektri neutralnog atoma i njegovih sukcesivnih jona se u spektroskopiji označavaju brojevima I, II, III,... U stvarno posmatranim spektrima, linije neutralnih i jonizovanih atoma često su prisutne istovremeno; Tako kažu, na primjer, o linijama FeI, FeII, FeIII u spektru željeza, koje odgovaraju Fe, Fe +, Fe 2+.

Linije A. s. formiraju regularne grupe koje se nazivaju spektralni nizovi. Praznine između linija u seriji se smanjuju prema kraćim talasnim dužinama, a linije konvergiraju prema granici serije. Najjednostavniji spektar je atom vodonika. Valni brojevi linija njegovog spektra određeni su s velikom preciznošću Balmerovom formulom:

1/l = R(1/n 2 1 - 1/n 2 2), gdje je n 1 i n 2 vrijednosti glavnog kvantnog broja za nivoe energije između kojih se javlja kvantni prijelaz

Rutherford je predložio korištenje atomskog sondiranja pomoću ?-čestica koje nastaju tijekom radioaktivnog raspada radijuma i nekih drugih elemenata. Masa β-čestica je otprilike 7300 puta veća od mase elektrona, a pozitivni naboj je jednak dvostrukom elementarnom naboju. U svojim eksperimentima, Rutherford je koristio?-čestice kinetičke energije od oko 5 MeV (brzina takvih čestica je vrlo velika - oko 107 m/s, ali je ipak znatno manja od brzine svjetlosti). ?-čestice su potpuno jonizovani atomi helijuma. Rutherford je bombardirao atome teških elemenata (zlato, srebro, bakar, itd.) ovim česticama. Elektroni koji čine atome, zbog svoje male mase, ne mogu primjetno promijeniti putanju čestice. Rasipanje, odnosno promjenu smjera kretanja?-čestica, može izazvati samo teški, pozitivno nabijeni dio atoma.
Iz radioaktivnog izvora zatvorenog u olovni kontejner, γ čestice su usmjerene na tanku metalnu foliju. Rasute čestice padale su na ekran prekriven slojem kristala cink sulfida, koji su mogli da zablistaju kada ih udare čestice koje se brzo naelektrišu. Bljesci na ekranu su posmatrani okom uz pomoć mikroskopa. Utvrđeno je da većina β čestica prolazi kroz tanak sloj metala bez ikakvog otklona. Međutim, mali dio čestica se skreće pod značajnim uglovima većim od 30°. Vrlo rijetke?-čestice (otprilike jedna od deset hiljada) iskusile su otklone pod uglovima blizu 180°.
Ovaj rezultat bio je potpuno neočekivan čak i za Rutherforda. To je bilo u oštroj suprotnosti s Thomsonovim modelom atoma, prema kojem je pozitivni naboj raspoređen po cijelom volumenu atoma. Sa takvom raspodjelom, pozitivni naboj ne može stvoriti jako električno polje sposobno da odbaci ?-čestice nazad. Rutherford je zaključio da je atom skoro prazan, a sav njegov pozitivni naboj koncentrisan je u malom volumenu. Rutherford je ovaj dio atoma nazvao atomskim jezgrom. Tako je nastao nuklearni model atoma. Ubrzo je, oslanjajući se na klasične ideje o kretanju mikročestica, Rutherford predložio planetarni model atoma. Prema ovom modelu, u centru atoma nalazi se pozitivno nabijeno jezgro, u kojem je koncentrisana gotovo cijela masa atoma. Atom kao celina je neutralan. Elektroni rotiraju oko jezgra, poput planeta, pod uticajem Kulonovih sila iz jezgra.Elektroni ne mogu mirovati, jer bi pali na jezgro.

Borovi postulati.

Borovi postulati:

Postoje stacionarna stanja atoma u kojima on ne emituje energiju. Za takva stanja, elektron u atomu, koji se kreće po kružnoj orbiti, mora imati kvantizirane vrijednosti ugaonog momenta koji zadovoljavaju uvjet: gdje je m0 masa elektrona, V je brzina njegovog kretanja po orbiti od radijus r, i Plankova konstanta.

Kada atom pređe iz stacionarnog stanja sa brojem n u stacionarno stanje sa brojem m, jedan foton sa energijom se emituje ili apsorbuje:

gdje su En i Em energija elektrona u odgovarajućim orbitama.

22. Rutherfordovi eksperimenti o raspršenju -čestica. Nuklearni model atoma. Borovi kvantni postulati

Riječ "atom" u prijevodu s grčkog znači "nedjeljiv". Dugo vremena, sve do početka 20. vijeka, atom je označavao najmanje nedjeljive čestice materije. Do početka 20. vijeka. Nauka je prikupila mnoge činjenice koje ukazuju na složenu strukturu atoma.

Veliki napredak u proučavanju strukture atoma postignut je u eksperimentima engleskog naučnika Ernesta Rutherforda na rasejanju čestica koje prolaze kroz tanke slojeve materije. U ovim eksperimentima, uski snop čestica koje je emitirala radioaktivna supstanca bio je usmjeren na tanku zlatnu foliju. Iza folije je postavljen ekran koji je mogao svijetliti pod udarima brzih čestica. Otkriveno je da tok -čestica nakon prolaska kroz foliju odstupa od pravolinijskog prostiranja, odnosno raspršuje se, a neke -čestice se uglavnom vraćaju nazad. Rutherford je tako objasnio raspršivanje čestica pozitivan naboj nije ravnomjerno raspoređena u kugli poluprečnika 10 -10 m, kao što se ranije pretpostavljalo, već je koncentrisana u centralnom dijelu atoma - atomskom jezgru. Prilikom prolaska u blizini jezgra, čestica koja ima pozitivan naboj se odbija od nje, a kada udari u jezgro, vraća se nazad u suprotnom smjeru. Tako se ponašaju čestice koje imaju isti naboj, dakle postoji centralni, pozitivno inficirani dio atoma, u kojem je koncentrisana značajna masa atoma. Proračuni su pokazali da je za objašnjenje eksperimenata potrebno uzeti polumjer atomskog jezgra otprilike 10 -15 m.

Rutherford je sugerirao da je atom strukturiran poput planetarnog sistema. Suština Rutherfordovog modela strukture atoma je sljedeća: u središtu atoma nalazi se pozitivno nabijeno jezgro, u kojem je koncentrisana sva masa; elektroni rotiraju oko jezgra kružnim orbitama na velikim udaljenostima (kao planete oko Sunca). Naboj jezgra se poklapa sa brojem hemijskog elementa u periodnom sistemu.

Rutherfordov planetarni model strukture atoma nije mogao objasniti niz poznatih činjenica: elektron koji ima naboj mora pasti na jezgro zbog Kulombovih privlačnih sila, a atom je stabilan sistem; Prilikom kretanja po kružnoj orbiti, približavajući se jezgru, elektron u atomu mora emitovati elektromagnetne valove svih mogućih frekvencija, tj. emitirana svjetlost mora imati kontinuirani spektar, ali u praksi je rezultat drugačiji: elektroni atoma emituju svjetlost koji ima linijski spektar. Danski fizičar Niels Bohr prvi je pokušao da razriješi kontradikcije u planetarnom nuklearnom modelu strukture atoma.

Bohr je svoju teoriju zasnovao na dva postulata. Prvi postulat: atomski sistem može biti samo u posebnim stacionarnim ili kvantnim stanjima, od kojih svako ima svoju energiju; U stacionarnom stanju, atom ne zrači.

To znači da elektron (na primjer, u atomu vodika) može biti u nekoliko dobro definiranih orbita. Svaka orbita elektrona odgovara vrlo specifičnoj energiji.

Rutherfordovo iskustvo.

Ernst RUTHERFORD (1871-1937), engleski fizičar, jedan od osnivača doktrine o radioaktivnosti i strukturi atoma, osnivač naučne škole, strani dopisni član Ruske akademije nauka (1922) i počasni član Akademija nauka SSSR (1925). Direktor Laboratorije Cavendish (od 1919). Otkrio (1899) alfa i beta zrake i utvrdio njihovu prirodu. Kreirao (1903, zajedno sa F. Soddyjem) teoriju radioaktivnosti. Predložio (1911) planetarni model atoma. Izveo (1919) prvu umjetnu nuklearnu reakciju. Predvidio (1921) postojanje neutrona. Nobelova nagrada (1908).

Rutherfordov eksperiment (1906) o raspršivanju brzih nabijenih čestica koje prolaze kroz tanke slojeve materije omogućio je proučavanje unutrašnje strukture atoma. U ovim eksperimentima alfa čestice su korištene za ispitivanje atoma - potpuno ioniziranih atoma helija - koji su rezultat radioaktivnog raspada radijuma i nekih drugih elemenata. Rutherford je bombardirao atome teških metala ovim česticama.

Rutherford je znao da se atomi sastoje od lakih negativno nabijenih čestica - elektrona i teške pozitivno nabijene čestice. Glavni cilj eksperimenata je otkriti kako je pozitivni naboj raspoređen unutar atoma. Rasipanje α - čestica (tj. promjena smjera kretanja) može biti uzrokovano samo pozitivno nabijenim dijelom atoma.

Eksperimenti su pokazali da su neke od α čestica raspršene pod velikim uglovima, blizu 180˚, odnosno odbačene su nazad. Ovo je moguće samo ako je pozitivni naboj atoma koncentrisan u vrlo malom središnjem dijelu atoma - atomskom jezgru. Gotovo cijela masa atoma također je koncentrisana u jezgru.

Pokazalo se da jezgra različitih atoma imaju prečnike reda 10-14 – 10-15 cm, dok je veličina samog atoma ≈10-8 cm, odnosno 10 4 – 10 5 puta veća od jezgro.

Tako se ispostavilo da je atom "prazan".

Na osnovu eksperimenata o rasejanju α - čestica na atomskim jezgrima, Rutherford je došao do na planetarni model atoma. Prema ovom modelu, atom se sastoji od malog pozitivno nabijenog jezgra i elektrona koji kruže oko njega.

Sa stanovišta klasične fizike, takav atom mora biti nestabilan, jer elektroni koji se kreću po orbitama uz ubrzanje moraju kontinuirano emitovati elektromagnetnu energiju.

Daljnji razvoj ideja o strukturi atoma napravio je N. Bohr (1913) na osnovu kvantnih koncepata.

Laboratorijski rad.

Ovaj eksperiment se može izvesti pomoću posebnog uređaja, čiji je crtež prikazan na slici 1. Ovaj uređaj je olovna kutija u kojoj se nalazi potpuni vakuum i mikroskop.

Rasipanje (promjena smjera kretanja) α-čestica može biti uzrokovano samo pozitivno nabijenim dijelom atoma. Dakle, iz raspršivanja α čestica moguće je odrediti prirodu raspodjele pozitivnog naboja i mase unutar atoma. Dijagram Rutherfordovih eksperimenata je prikazan na slici 1. Snop α-čestica koje je emitirao radioaktivni lijek oslobađao je dijafragma i zatim padao na tanku foliju materijala koji se proučava (u ovom slučaju zlata). Nakon raspršivanja, α-čestice su pale na ekran obložen cink sulfidom. Sudar svake čestice sa ekranom bio je praćen bljeskom svjetlosti (scintilacijom), koji se mogao posmatrati kroz mikroskop.

Uz dobar vakuum unutar uređaja i u nedostatku folije, na ekranu se pojavila traka svjetlosti koja se sastoji od scintilacija uzrokovanih tankim snopom α čestica. Ali kada je folija stavljena na putanju zraka, α-čestice su se, usled raspršivanja, rasporedile na veću površinu ekrana.

U našem eksperimentu trebamo ispitati α-česticu koja je usmjerena na zlatnu jezgru pri stvaranju kuta od 180° (slika 2) i pratiti reakciju α-čestice, tj. na kojoj minimalnoj udaljenosti će se α-čestica približiti zlatnom jezgru (slika 3).