Эксперименты Гейгера-Марсдена с золотой фольгой

Эксперименты Гейгера-Марсдена с золотой фольгой дали физикам первое представление о структуре атомного ядра и физике, лежащей в основе повседневного мира. (Изображение предоставлено: Shutterstock)

Эксперимент Гейгера-Марсдена, также называемый экспериментом с золотой фольгой или экспериментом по рассеянию α-частиц, относится к серии экспериментов начала 20-го века, которые дали физикам их первое представление о структуре атомного ядра и физике, лежащей в основе нашего мира. Впервые он был предложен лауреатом Нобелевской премии по физике Эрнестом Резерфордом.

Какими бы знакомыми нам сейчас ни были такие термины, как электрон, протон и нейтрон, в начале 1900-х годов у ученых было очень мало представлений о фундаментальных частицах, из которых состоят атомы.

На самом деле до 1897 года ученые считали, что атомы не имеют внутренней структуры, и считали их неделимой единицей материи. Такое впечатление производит даже название «атом», учитывая, что оно происходит от греческого слова «atoms», означающего «неделимый».

Модель атома Томсона

Модель атома Томсона

В Модели атома Томсона атом состоит из ряда отрицательно заряженных электронов в сфере однородного положительного заряда, распределенных, как «черника в булочке». (Изображение предоставлено: Shutterstock)

Но в том же году физик из Кембриджского университета Джозеф Джон Томсон открыл электрон и опроверг представление о неделимости атома. Томсон обнаружил, что металлы испускают отрицательно заряженные частицы при освещении высокочастотным светом. (1)

Его открытие электронов также предположило, что в структуре атома было больше элементов. Это связано с тем, что материя обычно электрически нейтральна; поэтому, если атомы содержат отрицательно заряженные частицы, они также должны содержать источник эквивалентного положительного заряда, чтобы уравновесить отрицательный заряд.

К 1904 году Томсон предложил «Модель атома Томсона», которая также называется «моделью сливового пудинга» атома, в которой атом состоит из ряда отрицательно заряженных электронов в сфере однородного положительного заряда, распределенных, как «черника в булочке». (2)

Однако у модели были серьезные недостатки – в первую очередь загадочная природа этой положительно заряженной сферы. Одним ученым, который скептически относился к этой модели атомов, был Резерфорд, получивший Нобелевскую премию по химии за открытие в 1899 году формы радиоактивного распада с помощью α-частиц – двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе и идентичных ядру гелия-4, даже если исследователи того времени не знали этого.

Нобелевское открытие Резерфордом α-частиц легло в основу эксперимента с золотой фольгой, который поставил под сомнение Модель атома Томсона. Его эксперимент должен был исследовать атомную структуру с помощью высокоскоростных α-частиц, испускаемых радиоактивным источником. Сначала он передал свое исследование двум своим протеже, Эрнесту Марсдену и Гансу Гейгеру. (3)

Резерфорд рассудил, что если Модель атома Томсона верна, то, когда α-частица попадает на тонкую золотую фольгу, частица должна пройти сквозь нее с минимальным отклонением. Это связано с тем, что α-частицы в 7000 раз массивнее электронов, которые предположительно составляли внутреннюю часть атома.

Эксперименты с золотой фольгой

Иллюстрация устройства Резерфорда для рассеяния частиц

Вот иллюстрация устройства Резерфорда для рассеяния частиц, которое использовалось в его эксперименте с золотой фольгой. (Изображение предоставлено: BSIP/UIG / Getty Images)

Марсден и Гейгер проводили эксперименты в основном в Физических лабораториях Манчестерского университета в Великобритании между 1908 и 1913 годами.

Дуэт использовал радиоактивный источник α-частиц, обращенный к тонкому листу золота или платины, окруженному флуоресцентными экранами, которые светились при попадании в них отклоняющихся частиц, что позволило ученым измерить угол отклонения.

Исследовательская группа подсчитала, что, если Модель атома Томсона верна, максимальное отклонение должно произойти, когда α-частица заденет атом, с которым она столкнулась, и, таким образом, испытает максимальную поперечную электростатическую силу. Даже в этом случае Модель атома Томсона прогнозировала максимальный угол отклонения всего 0,06 градуса.

Конечно, α-частица, проходящая через очень тонкую золотую фольгу, все же встретит около 1000 атомов, и поэтому ее отклонения будут, по существу, случайными. Даже при таком случайном рассеянии максимальный угол преломления, если Модель атома Томсона верна, будет чуть больше половины градуса. Вероятность того, что α-частица отразится обратно, составляла всего 1 из 10^1000 (1 с тысячей нулей).

Тем не менее, когда Гейгер и Марсден провели свой одноименный эксперимент, они обнаружили, что примерно в 2% случаев α-частица претерпевает большие отклонения. Еще более шокирующим было то, что примерно 1 из 10 000 α-частиц отражалась прямо от золотой фольги.

Резерфорд объяснил, насколько экстраординарным был этот результат, сравнив его со стрельбой 38-сантиметровым снарядом по листу папиросной бумаги, который отскакивает обратно к вам. (4)

Модель атома Резерфорда

Какими бы экстраординарными они ни были, результаты экспериментов Гейгера-Марсдена не сразу вызвали сенсацию в сообществе физиков. Поначалу данные оставались незамеченными или даже игнорировались, если верить книге «Квантовая физика: введение» Дж. Мэннерса.

Однако результаты оказали глубокое влияние на Резерфорда, который в 1910 году приступил к разработке модели атомной структуры, которая заменит Модель атома Томсона, как писал Мэннерс в своей книге.

Модель атома Резерфорда, выдвинутая в 1911 году, предполагала ядро, в котором сосредоточена большая часть массы частицы. Это крошечное центральное ядро ​​окружали электроны, и расстояние, на котором они вращались, определяло размер атома. Модель предполагала, что большая часть атома представляет собой пустое пространство. (3)

Когда α-частица приближается на расстояние 10^-13 метров к компактному ядру в Модели атома Резерфорда, она испытывает силу отталкивания примерно в миллион раз более мощную, чем в Модели атома Томсона. Это объясняет рассеяние на большие углы, наблюдаемое в экспериментах Гейгера-Марсдена.

Более поздние эксперименты Гейгера-Марсдена также сыграли важную роль; испытания 1913 года помогли определить верхние пределы размера атомного ядра. Эти эксперименты показали, что угол рассеяния α-частицы был пропорционален квадрату заряда атомного ядра, или Z, согласно книге «Квантовая физика материи», опубликованной в 2000 году под редакцией Алана Дюрранта. (5)

В 1920 году Джеймс Чедвик использовал аналогичную экспериментальную установку для определения значения Z для ряда металлов. Британский физик открыл нейтрон в 1932 году, обозначив его как отдельную частицу от протона, сообщило Американское физическое общество. (6)

В чем Модель атома Резерфорда оказалась права и неправа?

Тем не менее Модель атома Резерфорда разделяла критическую проблему с более ранней Моделью атома Томсона: вращающиеся по орбите электроны в обеих моделях должны непрерывно излучать электромагнитную энергию, что заставит их терять энергию и в конечном итоге по спирали двигаться к ядру. На самом деле электроны в модели Резерфорда должны были существовать менее 10^-5 секунд.

Другая проблема, связанная с Моделью атома Резерфорда, заключается в том, что она не учитывает размеры атомов.

Несмотря на эти недостатки, модель Резерфорда, полученная из экспериментов Гейгера-Марсдена, стала источником вдохновения для Боровской модели водородоподобного атома Нильса Бора, за которую он получил Нобелевскую премию по физике.

Бор объединил Модель атома Резерфорда с квантовыми гипотезами Макса Планка, чтобы определить, что электроны в атоме могут принимать только дискретные значения энергии, тем самым объяснив, почему они остаются стабильными вокруг ядра, если только они не излучают или не поглощают фотон или частицу света.

Таким образом, работы Резерфорда, Гейгера (впоследствии прославившегося изобретением детектора частиц) и Марсдена помогли сформировать основы как квантовой механики, так и физики элементарных частиц.

Идея Резерфорда о стрельбе лучом по цели была адаптирована к ускорителям частиц в 20 веке. Возможно, лучшим примером такого рода экспериментов является Большой адронный коллайдер недалеко от Женевы, который разгоняет пучки частиц почти до скорости света и сталкивает их друг с другом.

Live Science