Опыты Резерфорда

Предмет: Физика
Тип работы: Реферат
Язык: Русский
Дата добавления: 06.09.2019

 

 

 

 

 

  • Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой выпускной квалификационной работой!
  • Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала для самостоятельной подготовки учебной работы.

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Архимед и его законы
Влажность воздуха и ее значение
Природа шаровой молнии
Сила земного притяжения


Введение:

Эрнест Резерфорд один из самых известных физиков первой половины 20-го века. Однажды Резерфорд первым расчленил атом, обнаружив в нем ядро. Он исследовал сложные явления, происходящие в этой поразительно маленькой частице материи, а затем в своей лаборатории он расщепил ядра атомов. 

Еще будучи студентом 2 курса Университета Резерфорда, на одной из конференций он выступил с докладом на тему «Эволюция элементов». Резерфорд предположил, что все химические элементы представляют собой сложные химические системы, состоящие из одинаковых элементарных частиц. В то время атом считался неделимым в физике доминировала теория неделимости атомов Дальтона. 

Опыты Резерфорда

Первая попытка создания атомной модели на основе накопленных экспериментальных данных принадлежит Дж. Томсон. По мнению Томсона, электроны вкраплены в сверхминиатюрную сферу диаметром 10–8 см, в которой положительные заряды распределены равномерно. Вместе с отрицательно заряженными электронами сфера электрически нейтральна. Это атом. В то время Резерфорд, который работал в одной лаборатории с Томсоном, так и думал и даже не мечтал, что сможет создать более совершенную модель, основанную на новых идеях. 

В 1896 году А. Беккерель, изучая свечение различных веществ, случайно обнаружил, что соли урана выделяются без предварительного освещения. Это излучение обладает большой проникающей способностью и способно воздействовать на фотопластинку, завернутую в черную бумагу. Резерфорд немедленно начал изучать лучи Беккереля. Он начал свое исследование рентгеновских лучей, проверив свою гипотезу о связи между рентгеновскими лучами и лучами Беккереля. Эта идея пришла ему в голову по очень простой причине: они оба произвели ионизацию воздуха. Эта идея была неудачной. 

Но самым важным результатом Резерфорда было открытие; -частицы в составе излучения, испускаемого ураном. Резерфорд поместил источник урана в сильное магнитное поле и разделил излучение на три разных типа. Другими словами, он затем обнаружил состав радиоактивности: альфаи бета-частицы и гамма-лучи. 

Получив; -частицы Резерфорд сразу же сделал гениальный вывод, что они являются мощным инструментом для проникновения глубоко в атом. Как позже подтвердилось, это было абсолютно правильно. В последующих работах Резерфорд широко использовал; -частицы, как снаряды, проникающие в сердце атома атомного ядра. 

Резерфорд обнаружил эманацию тория и доказал, что этот радиоактивный газ, выпущенный из тория, является химическим элементом, отличным от самого тория. Позже он определил атомный вес эманации и показал, что это благородный газ нулевой группы системы Д.И. Менделева. 

Резерфорд и Фредерик Содди первыми объясняют радиоактивный распад как спонтанный переход некоторых элементов в другие. После излучения тория Резерфорд обнаружил излучение радия радона. Ученому было ясно, что излучающий радий; -частицы, превращаются в новое активное вещество, подобное эманации тория. Это открытие окончательно подтвердило теорию радиоактивного распада. 

В начале 1903 года Резерфорд экспериментально пытался определить химический состав частиц. Идея состоит в том, чтобы сравнить массу; -частицы с массами атомов известных элементов. Опыт позволил ему быть первым, кто идентифицировал себя; -частицы с атомами гелия. Это было позже подтверждено спектрографически. 

В 1908 году Резерфорд предпринял обширные эксперименты по изучению; -частицы, считая их с помощью сцинтилляционного счетчика Гейгера.

Вместе с Гейгером и Ройдсом Резерфорд провел серию экспериментов, подтверждающих это; -частицы представляют собой не что иное, как дважды ионизированный (т.е. потеряв по 2 электрона каждый) атом гелия. Этот исторический опыт, благодаря которому никто не мог сомневаться в правильности своей теории распада, заключался в следующем: 

В герметичной трубе 2 Резерфорд поместил определенное количество радона эманацию радия. Толщина стенки этой трубки составляет 0,01 мм. Они достаточно тонкие, чтобы излучаться радоном; частицы могли проходить через них во внешнюю трубку 3. Перед экспериментом трубка 3 была тщательно откачена, и было невозможно обнаружить линии гелия в ней спектрографически. Через несколько дней в трубке 3 было обнаружено скопление газа. При увеличении давления в устройстве скопившийся газ мог быть сконцентрирован в трубке 1. Электрический ток пропускался через трубку, а затем оказалось, что в ней проведен спектральный анализ. показал характерные гелиевые линии. В пробирке был гелий. Но, может быть, он попал в трубу 2 через надзор вместе с радоном, а оттуда попал в трубы 3 и 1? Контрольный эксперимент дал отрицательный ответ на этот вопрос. В том же устройстве (трубка 2) Резерфорд поместил не радон, а чистый гелий. Однако через несколько дней в трубке 1 не было обнаружено гелиевых линий. Гелий не мог пройти через стеклянные стенки трубки 2 в трубку 3 .; -частицы легко проходили через стекло и накапливались в пробирке 3, а затем концентрировались в пробирке 1, где их подвергали спектральному анализу, давая гелиевые линии. 

После этого Резерфорд вместе с Гейгером и Марсденом провел новую серию экспериментов. Результаты произвели революцию в физике. Это была самая драматичная глава в науке нашего времени. Резерфорд открыл атомное ядро ​​и основал новую чрезвычайно важную науку ядерную физику. 

Что это были за эксперименты? Сначала Резерфорд и Гейгер продолжали наблюдать сцинтилляции, вызванные частицами, когда они попадают на люминесцентный экран из сульфида цинка. Прежде всего, эксперименты привели Резерфорда к выводу, что каждая вспышка (сцинтилляция) вызвана одной; -частицы. Таким образом, высказанное им ранее предположение было оправданным. В то время Резерфорд писал, что наблюдение сцинтилляций на экране из сульфида цинка очень удобный способ подсчета частиц, если каждая частица вызывает вспышку. Поэтому, если каждая вспышка вызвана одной; -частица, то у физиков есть возможность наблюдать за поведением отдельных атомов. 

Резерфорд и Гейгер визуально подсчитали, что в течение одной секунды излучатель излучает одну тысячную грамма радия. Точность подсчета была безупречна. Оба ученых, к которым позднее присоединился Марсден, провели много часов в затемненной лаборатории, занимаясь утомительным подсчетом сцинтилляций. Гейгер сказал, что он один должен был насчитать миллион; -частиц. 

Студент Резерфорда Марсден начал свою работу. Ему было поручено считать; -частицы, проходящие через тонкие металлические пластины. Эти пластины были размещены в устройстве между излучателем; -частицы и люминесцентный экран. 

Доверив Марсдену эту работу, Резерфорд не ожидал найти ничего интересного. При условии, что модель атома Томсона верна (и тогда нет оснований сомневаться в этом), эксперимент должен был показать, что частицы свободно проходят через металлические препятствия. Однако что-то все же заставило Резерфорда предпринять этот новый эксперимент. 

Марсден был поражен этим; частицы в этом простом эксперименте ведут себя иначе, чем они должны вести себя, если принять модель атома, предложенную Томсоном. Согласно модели Томсона, положительный заряд распределяется по всему объему атома и уравновешивается отрицательным зарядом электронов, каждый из которых имеет гораздо меньшую массу, чем масса частицы. Поэтому даже в редких случаях, когда частица сталкивается с электроном, который намного легче по сравнению с ним, она может лишь незначительно отклоняться от своего прямолинейного пути. Но в экспериментах Марсдена; частицы не прошли беспрепятственно через металлическую пластину. Нет, некоторые из них отклоняются после удара пластины под углом около 150 °, то есть практически обратно к излучателю. Однако таких возвращающихся частиц было очень мало. Когда экспериментатор заблокировал путь; частицы с более толстой пластинкой, чем больше появлялись в его поле зрения; -частицы отклонены на большие углы. Это указывало на то, что рассеяние; -частицы, наблюдаемые Марсденом, не представляют какой-либо поверхностный эффект, то есть он не связан с поверхностью пластины. Но Марсден не мог выразить какие-либо мысли о странном поведении, которое он видел; -частиц. Он подробно рассказал Резерфорду о своих наблюдениях. 

Новый рост гения Резерфорда

Позже Резерфорд признал, что послание Марсдена произвело на него поразительное впечатление: «Это было почти невероятно, как будто вы выпустили 15-фунтовый снаряд в кусок папиросной бумаги, и снаряд отскочил бы и ударил бы вас».

Резерфорд сразу вообразил, что эффект, наблюдаемый Марсденом, может быть только в одном случае: если; -частица, проникнув в атом, столкнулась с неким массивным препятствием в нем и была выброшена, получив мощный удар при столкновении.

На основании этих исследований Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно этой модели, вокруг положительного ядра, имеющего заряд ze (z порядковый номер элемента в системе Менделеева, e элементарный заряд), размер составляет 10-15 10-14 м, а масса практически равна к массе атома, в области с линейными размерами порядка 10-10 м по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Поскольку атомы нейтральны, заряд ядра равен общему заряду электронов, т.е. z-электроны должны вращаться вокруг ядра. 

Для простоты будем считать, что электрон движется вокруг ядра по круговой орбите с радиусом r. В этом случае кулоновская сила взаимодействия между электроном и ядром придает электрону центростремительное ускорение. Второй закон Ньютона для электрона, движущегося по кругу под действием кулоновской силы, имеет вид, где me и v масса и скорость электрона на орбите радиуса r, электрическая постоянная. 

Опыты Резерфорда

Это уравнение содержит два неизвестных: r и v. Следовательно, существует бесчисленное множество значений радиуса и соответствующих значений скорости (и, следовательно, энергии), которые удовлетворяют этому уравнению. Следовательно, величины r, v (и, следовательно, E) могут изменяться непрерывно, т. е. может излучаться любая, но не совсем определенная часть энергии. Тогда спектры атомов должны быть непрерывными. Фактически, опыт показывает, что атомы имеют линейный спектр. Из этого выражения также следует, что при m скорость электронов равна м / с, а ускорение равно м / с2. Согласно классической электродинамике, ускоренные электроны должны излучать электромагнитные волны и, как следствие, постоянно терять энергию. В результате электроны приблизятся к ядру и в конце концов упадут на него. Таким образом, атом Резерфорда оказывается неустойчивой системой, что опять-таки противоречит реальности. 

Попытки построить модель атома в рамках классической физики не привели к успеху: модель Томсона была опровергнута экспериментами Резерфорда, а модель ядра оказалась электродинамически нестабильной и противоречила экспериментальным данным. Преодоление возникших трудностей потребовало создания качественно новой квантовой теории атома. 

В 1914 году началась Первая мировая война, и Резерфорду пришлось на некоторое время отложить свои исследования. Но периодически, работая на военную промышленность, он возвращался к собственным экспериментам. В своих следующих экспериментах Резерфорд планировал взломать атом. 

Эти попытки увенчались полным и огромным успехом. Новый рост гения Резерфорда привел к открытию, которое впоследствии произвело революцию во всей науке и технике нашего времени. Первый сигнал был дан для начала атомного века. Резерфорд расколол атомное ядро. 

Идея этого возникла в Резерфорде при наблюдении в камере Вильсона (к тому времени она уже была изобретена и улучшена) и в сцинтилляционном счетчике таинственных следов (следов), намного длиннее следов; частицы, хорошо известные ему по бесчисленным экспериментам. Он думал, что есть некоторые неизвестные причины для резкого увеличения диапазона частиц. Другое предположение (оно оказалось верным) состоит в том, что другие неопознанные частицы оставляют длинные следы. Перед исследователем стояла задача выяснить, какое из двух предположений является верным. 

Чтобы получить ответ на свои вопросы, Резерфорд решил провести серию экспериментов по бомбардировке частицами различных веществ. Он построил устройство, которое сейчас кажется нам необычайно простым. Но мы также должны признать, что только он был наиболее подходящим для визуального решения проблемы. В нем мишенями для бомбардировки должны были быть газы (то есть легкие атомы), а не металлические пластины, обычно используемые Резерфордом во многих предыдущих экспериментах. 

Устройство, фактически построенное Резерфордом, с помощью которого он первым разделил ядра атомов легких элементов, схематично показано на рисунке.

Латунная трубка 6 длиной 20 см с двумя кранами заполнена газом. Внутри трубки находится диск радиоактивного излучателя 7, излучающий; -частиц. Этот диск закреплен на подставке, движущейся вдоль рельса 4. Во время эксперимента один конец трубки покрыт матовой стеклянной пластиной, а другой конец стеклянной пластиной (прикрепленной воском). Небольшое прямоугольное отверстие в латунной пластине было покрыто серебряной пластиной 3. Серебряная пластина обладала способностью удерживать частицы, эквивалентные слою воздуха толщиной около 5 см. Люминисцентный экран с цинковой обманкой был помещен напротив отверстия. Для подсчета сцинтилляций исследователь использовал телескоп 1. 

Когда Резерфорд наполнил трубку азотом, в поле зрения появились частицы, оставив очень длинный след, подобный тому, что он уже наблюдал. Конечно, Резерфорд провел еще много экспериментов, прежде чем прийти к окончательным выводам. Но окончательный вывод был такой: при столкновении; частицы с ядрами азота, некоторые из этих ядер разрушаются, испуская ядра водорода протоны, а затем образуется ядро ​​кислорода. 

Колоссальное значение этого открытия с самого начала было ясно самому Резерфорду и его сотрудникам. Деление атомных ядер было проведено впервые. Непоколебимая, как казалось раньше, идея «неразрывности» химических элементов была явно опровергнута. Открылись совершенно новые и удивительные возможности искусственного производства одних элементов из других, высвобождения огромной энергии, содержащейся в ядрах и т. д. 

Заключение

Продолжая свои исследования, он получает экспериментальное подтверждение уже установленной им позиции что небольшое количество атомов азота распадается во время бомбардировки, испуская быстрые протоны ядра водорода. В свете более поздних исследований, Резерфорд писал: «Общий механизм этого превращения совершенно ясен. Временами; -частицы фактически проникают в ядро ​​азота, образуя на мгновение новое ядро, такое как ядро ​​фтора с массой 18 и зарядом 9. Это ядро, которого не существует в природе, чрезвычайно нестабильно и немедленно распадается, выбрасывая протон и превращение в стабильное ядро ​​кислорода с массой 17». 

В результате длительных экспериментов Резерфорд смог вызвать ядерные реакции в 17 легких элементах.

Продолжая эксперименты по делению ядер, Резерфорд пришел к следующему выводу: хотя; -частицы имеют высокую энергию, они все еще недостаточно мощные снаряды, чтобы проникать в ядра элементов. Он решил увеличить энергию частиц, ускоряя их в высоковольтной установке. Это был первый шаг в развитии ускорительной технологии.