Експеримент Гейгера — Марсдена або дослід РезерфордаОднак деякі дослідники вважають цю назву неправильною, оскільки її можна віднести лише до експерименту самого Резерфорда 1906 року (Leone et al.). — серія дослідів, проведених між 1909 і 1913 роками, в ході яких доведено існування атомного ядра — позитивно зарядженої «серцевини» атома, в якій зосереджена майже вся маса і яка займає всього одну мільярдну частину його об'єму. Учасниками цих експериментів були молодий німецький фізик Ганс Гейгер та студент з Нової Зеландії Ернест Марсден. Керував проведенням експерименту Ернест Резерфорд.
Вони виявили відхилення альфа-частинок на великі кути під час їх проходження через тонку золоту фольгу. На кути понад 90° розсіювалася лише одна з 8000 альфа-частинок. Іноді спостерігалося зворотне розсіювання альфа-частинок (відповідає 180°). Панівна на той час модель атома Томсона не могла пояснити парадоксальні результати цих експериментів, оскільки ймовірність розсіювання на великі кути в цій моделі мала б бути близько .
Для пояснення розсіювання альфа-частинок на великі кути Резерфорд у статті, опублікованій 1911 року, запропонував планетарну модель атома, в якій майже вся маса атома зосереджена в крихітному, порівняно з його розмірами, надщільному ядрі. За результатами опрацювання статистики розсіянь, він наводить у цій самій статті розрахунки розміру ядра атома золота, і його результат лише на 20 % відрізняється від сучасного значення.
Останній експеримент 1913 року був дуже важливим для фізики, оскільки вперше підтвердив гіпотезу про існування атомного ядра, що привело до подальшого розвитку планетарної моделі атома Резерфорда.
Передісторія
Попередні теорії будови атома
Популярною теорією атомної структури під час експерименту Резерфорда була «модель сливового пудингу» — модель атома Томсона, хоча він сам так свою модель не називав. Цю модель розробив лорд Кельвін та доопрацював Дж. Дж. Томсон, який відкрив електрон. Томсон уявляв атом у вигляді сфери з позитивним зарядом, по якій розподілено електрони, подібно до родзинок у різдвяному пудингу. Про існування протонів та нейтронів на той час не було відомо. Було відомо, що атоми дуже крихітні (Резерфорд припустив, що їхній радіус близько 10−8 м). Ця модель повністю заснована на класичній (ньютонівській) фізиці та електродинаміці; тоді як сучасна модель використовує квантову механіку.
Модель Томсона не була загальноприйнятою навіть до експериментів Резерфорда. Сам Томсон так і не зміг розробити повну та стабільну модель своєї концепції. Японський вчений Хантаро Наґаока відкидав модель Томсона на підставі того, що протилежні заряди не можуть проникати один в одного. Натомість він запропонував, що електрони мають обертатися навколо позитивного заряду, як кільця навколо Сатурна.
Наслідки моделі сливового пудингу Альфа-частинка — це субмікроскопічна позитивно заряджена частинка речовини. Згідно з моделлю Томсона, якби альфа-частинка зіткнулася з атомом, вона просто пролетіла б наскрізь, відхилившись щонайбільше на частку градуса. В атомному масштабі поняття «тверда речовина» втрачає сенс. Атом Томсона — це сфера з позитивним електричним зарядом, закріплена на місці своєю масою. Таким чином, альфа-частинка не відскакуватиме від атома, як кулька, але може пройти крізь нього, якщо електричні поля атома досить слабкі, щоб дозволити це. Модель Томсона передбачала, що електричні поля в атомі надто слабкі, щоб сильно впливати на альфа-частинку, яка пролітає крізь нього з великою швидкістю. І негативний, і позитивний заряди всередині атома Томсона розподілені по всьому його об'єму. Відповідно до закону Кулона, що менш сконцентрована сфера електричного заряду, то слабшим буде електричне поле на поверхні цієї сфери.
Як приклад можна розглянути альфа-частинку, що проходить по дотичній до атома золота в моделі Томсона, де вона зазнаватиме дії найсильнішого електричного поля і, отже, набуде максимального відхилення на кут θ. Оскільки електрони дуже легкі порівняно з альфа-частинками, їх впливом можна знехтувати, тому атом можна розглядати як важку сферу з позитивним зарядом.
— позитивний заряд атома золота ( = ) — заряд альфа-частинки ( = ) — радіус атома золота () — швидкість альфа-частинки () — маса альфа-частинки () — електростатична стала ()
Спираючись на класичну фізику, поперечну зміну імпульсу альфа-частинки можна апроксимувати, використавши співвідношення між імпульсом і виразом для кулонівської сили:
Звідси за малих кутів
Наведений розрахунок — це лише наближення для процесу, що відбувається, коли альфа-частка наближається до атома Томсона, але точне значення відхилення в кращому випадку буде порядку невеликої частки градуса. Якби альфа-частинка пройшла через золоту фольгу завтовшки близько 0,4 мкм (2410 атомів) і зазнала максимального відхилення в тому ж напрямку (це малоймовірно), то відхилення все одно було б незначним.
Передумови експерименту Основу дослідження атома заклав Ернест Резерфорд: ще в Канаді він почав здогадуватися, що альфа-частинки можна використовувати для зондування структури атомів, однак зайнявся цим на практиці вже в Манчестері. В Манчестерському університеті працював німецький фізик-експериментатор Ганс Гейгер, який став основним помічником Резерфорда. 1909 року він сказав шефові, що старшокурсник Ернест Марсден шукає тему дипломного дослідження. Резерфорд згадав про свій канадський задум і запропонував Марсдену зайнятися відбиттям альфа-частинок від металевих поверхонь.
Експериментальна установка Гейгера-Марсдена Марсден спроєктував експериментальну установку і сам її виготовив. Це була герметична свинцева камера, всередині якої лежав шматочок радію. Альфа-частинки, які випромінював радій, проходили через вузький отвір у свинцевій пластині, з них утворювався добре колімований пучок, який падав на мішень з тонкої золотої фольги. Перед початком чергової серії спостережень із камери викачували повітря. У ній був покритий сірчистим цинком пересувний екран, що випромінював унаслідок ударів альфа-частинок слабкі спалахи світла. Змінюючи положення екрана, можна було реєструвати частинки, що відбилися від мішені під будь-яким кутом. Спалахи спостерігали через віконце у стінці камери за допомогою 50-кратного мікроскопа.
Підсумки експериментів За вказівкою Резерфорда Гейгер і Марсден провели низку експериментів, у яких вони спрямували пучок альфа-частинок на тонку металеву фольгу та виміряли діаграму розсіювання за допомогою флуоресцентного екрана. Вони помітили, що альфа-частинки відскакують від металевої фольги у всіх напрямках, деякі — прямо в напрямі джерела. Відповідно до моделі Томсона, це мало бути неможливо; всі альфа-частинки мали пройти наскрізь. Очевидно, ці частинки зіткнулися з електростатичною силою набагато більшою, ніж передбачала модель Томсона. Крім того, лише невелика частина альфа-частинок відхилялася більш ніж на 90 °. Більшість частинок летіли прямо через фольгу з незначним відхиленням.
Щоб пояснити цей результат, Резерфорд припустив, що позитивний заряд атома зосереджений у крихітному ядрі в його центрі. Це, своєю чергою, означало, що більшість об'єму атома була порожнім простором.
Історія низки експериментів Ернест Резерфорд був професором фізики в нині Манчестерський університет). Він уже отримав багато нагород за дослідження радіації. Резерфорд відкрив альфа-промені, бета-промені та гамма-промені, і довів, що вони були наслідком розпаду атомів. 1906 року його відвідав німецький фізик Ганс Гейгер, і Резерфорд був настільки вражений, що попросив Гейгера залишитися і допомогти йому в його дослідженнях. Ернест Марсден був студентом-фізиком, який навчався у Гейгера.
Альфа-частинки — це крихітні позитивно заряджені частинки, спонтанно випромінювані деякими речовинами, такими як уран і радій. Резерфорд відкрив їх 1899 року. 1908 року він намагався точно виміряти для них відношення заряду до маси (питомий електричний заряд). Для цього йому спочатку потрібно було дізнатися, скільки альфа-частинок випускає його зразок радію (після чого він вимірював їхній загальний заряд і ділив одну величину на іншу). Альфа-частинки занадто малі, щоб їх можна було побачити в мікроскоп, але Резерфорд знав, що вони йонізують молекули повітря, і якщо повітря перебуває в електричному полі, то йони створюватимуть електричний струм. На цьому принципі Резерфорд і Гейгер розробили простий лічильний пристрій, який складався з двох електродів у скляній трубці. Кожна альфа-частинка, що пройшла через трубку, створює імпульс електрики, кількість яких можна підрахувати. Це була рання версія лічильника Гейгера.
Лічильник виявився ненадійним, тому що альфа-частинки надто сильно відхилялися через їхні зіткнення з молекулами повітря всередині камери приладу. Значна зміна траєкторій альфа-частинок означала, що не всі вони при проходженні через газ генерували однакову кількість іонів, що призводило до помилкових показів. Це спантеличило Резерфорда, оскільки він вважав альфа-частинки надто важкими, щоб їх можна було так сильно відхилити. Резерфорд попросив Гейгера з'ясувати, як сильно речовина може розсіювати альфа-промені.
Експерименти, які вони розробили, включали бомбардування металевої фольги альфа-частинками, для спостереження, як фольга розсіює їх залежно від товщини та властивостей матеріалу. Для визначення траєкторії частинок вони використовували флуоресцентний екран. Кожне попадання альфа-частинки на екран спричиняло крихітний спалах світла. Гейгер годинами працював у затемненій лабораторії, підраховуючи ці крихітні сцинтиляції за допомогою мікроскопа. Резерфорду не вистачило витримки для цієї роботи, тому він залишив її молодшим колегам. Вони випробували фольгу з багатьох металів, але вибрали золото, ковкість якого дала змогу зробити фольгу дуже тонкою. Як джерело альфа-частинок Резерфорд використав радон, речовину в кілька мільйонів разів радіоактивнішу, ніж уран.
Експеримент 1908 року
У статті Гейгера 1908 року «Про розсіювання α-частинок речовиною» описано такий експеримент. Він побудував довгу скляну трубку довжиною майже 2 м. На одному кінці трубки була деяка кількість «еманації радію» (R), яка слугувала джерелом альфа-частинок. Протилежний кінець трубки закривав фосфоресцентний екран (Z). У середині трубки був проріз завширшки 0,9 мм. Альфа-частинки від джерела R проходили через щілину і створювали на екрані світні плями. Для підрахунку сцинтиляцій на екрані та їх розкиду використовували мікроскоп із 50-разовим збільшенням (M). Гейгер відкачав усе повітря з трубки, щоб альфа-частинки не надто сильно розсіювалися, і вони залишили на екрані яскраве і чітке зображення, що відповідає формі щілини. Потім Гейгер впустив у трубку трохи повітря, і світна пляма стала розмитішою. Потім Гейгер відкачав повітря і помістив на щілину AA золоту фольгу. Це теж збільшило розмиття світлової плями на екрані. Цей експеримент продемонстрував, що і повітря, і тверда речовина можуть помітно розсіювати альфа-частинки. Апарат, однак, давав змогу спостерігати тільки невеликі кути відхилення. Резерфорд хотів знати, чи розсіюються альфа-частинки під ще більшими кутами - можливо, більшими від 90°.
Експеримент 1909 року