Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

До опытов Резерфорда преобладала модель Томсона, в которой атом представлялся в виде равномерно заряженной положительной сферы с вкраплёнными в неё электронами. Согласно этой модели, альфа-частицы должны были проходить через атом без значительного отклонения^[2].

Эксперименты Гейгера и Марсдена обнаружили, что небольшая часть альфа-частиц отклоняется на большие углы, вплоть до обратного направления. Это противоречило модели Томсона и указывало на наличие в атоме малого по размеру, но сильно заряженного центра.

Альфа-частицы, испускаемые радиоактивным источником, направлялись на тонкую металлическую фольгу, обычно выполненную из золота. Вокруг фольги располагался экран из сульфида цинка, на котором при попадании альфа-частиц возникали вспышки света. Микроскоп, перемещаемый по кругу вокруг мишени, позволял наблюдать и подсчитывать количество альфа-частиц, рассеянных на различные углы.

В большинстве случаев альфа-частицы проходили через фольгу без отклонений или с малыми отклонениями, что соответствовало ожиданиям. Однако некоторые частицы отклонялись на большие углы, а некоторые — почти на 180°, что было неожиданно и противоречило модели Томсона.

Для объяснения результатов Резерфорд предложил новую модель атома, основанную на следующих положениях:

• Почти вся масса и весь положительный заряд атома сосредоточены в центре — в ядре, радиус которого намного меньше радиуса самого атома;
• Электроны движутся вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца.

Эта модель объясняла большие углы рассеяния альфа-частиц за счёт их взаимодействия с сильным электрическим полем ядра.

Резерфорд вывел формулу для количества альфа-частиц ${\displaystyle N(\theta )}$, рассеиваемых на угол ${\displaystyle \theta }$:

${\displaystyle N(\theta )=N_{0}\left({\dfrac {zZe^{2}}{8\pi \varepsilon _{0}E}}\right)^{2}{\dfrac {1}{\sin ^{4}\left({\dfrac {\theta }{2}}\right)}},}$

где:

• N₀ — общее число падающих частиц,
• z — заряд альфа-частицы,
• Z — заряд ядра,
• e — элементарный заряд,
• ε₀ — электрическая постоянная,
• E — кинетическая энергия альфа-частицы.

Эта формула проверялась экспериментально и показала зависимость рассеяния от заряда ядра и энергии частиц.

Опыты Резерфорда были революционными:

• Опровергли модель Томсона и продемонстрировали существование атомного ядра;
• Заложили основу для развития ядерной физики;
• Привели к пониманию структуры атома и роли ядра и электронов^[3].

Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц показали, что атом имеет сложную структуру с компактным ядром, что стало важнейшим открытием в физике. Планетарная модель атома Резерфорда стала фундаментом для дальнейшего развития квантовой теории и современной физики.