Номер 2, страница 188 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

2. Объясните схему экспериментов Резерфорда по рассеянию $\alpha$-частиц.

Эксперименты по рассеянию $\alpha$-частиц, проведенные под руководством Эрнеста Резерфорда его сотрудниками Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом в 1909–1911 годах, имели целью исследовать внутреннюю структуру атома. В то время доминировала модель атома Томсона ("пудинг с изюмом"), согласно которой положительный заряд был равномерно "размазан" по всему объему атома.

Установка состояла из нескольких ключевых элементов, помещенных в вакуумную камеру, чтобы исключить рассеяние $\alpha$-частиц на молекулах воздуха:

• Источник $\alpha$-частиц: Радиоактивный элемент (например, радий), помещенный в свинцовый контейнер с узким отверстием (коллиматором). Контейнер поглощал излучение во всех направлениях, кроме одного, формируя тонкий, направленный пучок высокоэнергетических $\alpha$-частиц (ядер гелия $He^{2+}$).
• Мишень: Очень тонкая фольга из золота. Золото было выбрано из-за его пластичности, что позволяло изготовить фольгу толщиной всего в несколько сотен атомных слоев. Это было важно для того, чтобы минимизировать вероятность многократного рассеяния одной $\alpha$-частицы.
• Детектор: Подвижный экран, покрытый сульфидом цинка ($ZnS$). При попадании $\alpha$-частицы на экран в этой точке возникала вспышка света (сцинтилляция), которую можно было наблюдать и регистрировать с помощью микроскопа. Экран мог перемещаться вокруг мишени, позволяя измерять количество частиц, рассеянных на разные углы $\theta$.

Пучок $\alpha$-частиц направлялся на золотую фольгу. Наблюдая за вспышками на экране, Гейгер и Марсден подсчитывали, сколько частиц рассеивается на тот или иной угол. Результаты оказались неожиданными и противоречили модели Томсона:

1. Подавляющее большинство $\alpha$-частиц (более 99.9%) проходило через фольгу, не изменяя своей траектории или отклоняясь на очень малые углы (менее $1^\circ$).
2. Небольшое количество частиц отклонялось на заметные углы.
3. Крайне малое число частиц (примерно 1 из 8000) рассеивалось на большие углы (более $90^\circ$), а некоторые даже отбрасывались назад, в сторону источника ($\theta \approx 180^\circ$). Резерфорд позже описал это так: "Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, и он вернулся бы и ударил вас".

На основе этих результатов Резерфорд сделал революционные выводы о строении атома:

• Поскольку большинство частиц пролетало сквозь фольгу без отклонений, большая часть объема атома должна быть пустым пространством.
• Наличие редких, но сильных отклонений положительно заряженных $\alpha$-частиц можно было объяснить только их электростатическим отталкиванием от другого, очень массивного и концентрированного положительного заряда внутри атома.
• Этот положительный заряд и практически вся масса атома (более 99.9%) сосредоточены в чрезвычайно малом объеме в центре атома, который Резерфорд назвал ядром. Расчеты показали, что размер ядра примерно в 10 000 – 100 000 раз меньше размера самого атома.

Эти выводы привели к созданию планетарной (ядерной) модели атома Резерфорда: в центре атома находится массивное положительно заряженное ядро, а вокруг него, подобно планетам вокруг Солнца, по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Эта модель заменила устаревшую модель Томсона и заложила основу современной ядерной физики.

Ответ: Схема эксперимента Резерфорда включала источник $\alpha$-частиц, направлявший узкий пучок на тонкую золотую фольгу, и подвижный флуоресцентный экран для регистрации рассеянных частиц. Результаты эксперимента (большинство частиц проходило насквозь, но некоторые рассеивались на большие углы) позволили сделать вывод, что атом состоит из очень маленького, плотного, положительно заряженного ядра, в котором сконцентрирована почти вся масса, и вращающихся вокруг него электронов, а большая часть атома является пустым пространством.