Открытие атомного ядра. Открытие субатомных частиц. Альфа-частицы

Открытие атомного ядра

Вскоре после приезда в Манчестер в 1907 г. Резерфорд начал работать вместе с молодым немецким ученым Хансом Вильгельмом Гейгером (1882—1945)' и еще более юным студентом из Новой Зеландии Эрнестом Марсденом (1889—1970). Гейгер приступил к исследованиям рассеяния альфа-частиц в тонкой металлической фольге—процессу, который Резерфорд впервые наблюдал еще в 1906 г., работая в Мак-Гиллском университете. Альфа-частицы от радиевого источника направлялись на узкую щель в экране, так что из щели выходил лишь узкий пучок частиц. Далее пучок проходил через металлическую фольгу, которая вызывала его рассеяние, поскольку при прохождении альфа-частиц вблизи атомов фольги траектория их движения слегка искривлялась. Рассеяние частиц в фольге измеряли с помощью экрана из сульфида цинка: каждый раз, как на экран падала хоть одна альфа-частица, наблюдалась вспышка видимого света. В 1908 г. Гейгер сообщил, что число рассеянных частиц быстро уменьшается с увеличением угла рассеяния и что, по его наблюдениям, ни одна альфа-частица не рассеивается на угол больше чем несколько градусов.

В этом не было ничего особенно неожиданного. Но в 1909 г. у Резерфорда по ряду причин возникла идея проверить, не могут ли некоторые альфа-частицы рассеиваться на значительно большие углы от первоначального направления пучка. О том, что произошло, Резерфорд вспоминал в одной из своих последних лекций:

Как-то Гейгер, заглянув ко мне, заявил: «Не кажется ли Вам, что молодой Марсден, которого я обучаю методам исследования радиоактивности, должен начать небольшое самостоятельное исследование?» Я согласился с этим и сказал:

«Что, если предложить ему понаблюдать, не рассеиваются ли какие-либо альфа-частицы на большие углы?» Признаться, тогда я не верил, что из этого может что-нибудь получиться, ведь мы знали, что альфа-частица — это очень быстро движущаяся массивная частица с огромным запасом энергии, и можно было без труда показать, что если рассеяние представляет собой эффект накопления ряда рассеяний на малые углы, то вероятность того, что альфа-частица может претерпеть рассеяние в обратном направлении, ничтожно мала. А через два-три дня после нашего разговора Гейгер ворвался ко мне в сильном возбуждении и закричал: «Нам удалось зарегистрировать несколько альфа-частиц, которые претерпели обратное рассеяние!..» Это было поистине самое невероятное событие в моей жизни. Оно было почти также невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а он полетел бы в обратном направлении и попал в вас.

Был ли Резерфорд и в самом деле настолько удивлен или нет, неизвестно, но многие физики действительно были поражены таким результатом. Рассмотрим подробнее, каким же образом наблюдение рассеяния на столь большой угол привело Резерфорда в 1911 г. к представлению об атомном ядре.

Во-первых, как отмечал сам Резерфорд в приведенной выше цитате, представлялось попросту невозможным объяснить рассеяние альфа-частицы на большой угол, основываясь на накоплении большого числа рассеяний на малые углы. В 1909 г. Гейгер и Марсден обнаружили, что наиболее вероятный угол, на который рассеиваются альфа-частицы радия С

(дочерний элемент природного радия) при прохождении через тонкую золотую фольгу (толщиной 4-Ю-⁵ см), составляет 0,87°, но примерно одна из каждых 20 000 альфа-частиц рассеивается назад ;(т. е. на угол, превышающий 90°, что более чем в 100 раз превышает наиболее вероятный угол рассеяния). Резерфорд счел, что рассеяние на большие углы можно объяснить, только предположив существование заметной вероятности того, что альфа-частицы отклоняются на большой угол в единичном столкновении с атомом.

Однако энергия альфа-частиц настолько велика, что, для того чтобы они могли отклониться на большой угол при единичном столкновении с заряженной атомной частицей, они должны были испытывать воздействие чрезвычайно сильных электрических полей, а следовательно, проходить предельно близко к заряженной частице, с которой они сталкиваются. Это можно оценить количественно с помощью несложного расчета, которым и воспользовался Резерфорд в своей статье 1911 г.

Даже если атомная частица имеет электрический заряд, в несколько сотен раз превышающий заряд электрона, то расстояние максимального сближение альфа-частицы с атомной должно было быть меныше 10^-13 м. Это в самом деле очень малое расстояние - примерно одна тысячная размера атома золота, оцененного по величине плотности этого элемента.

Видимо, рассеяние альфа-частицы на большой угол было вызвано соударениями не с объектами величиной порядка самого атома, а с частицами гораздо меньше атома, заключенными внутри его.

Гейгер и Марсден наблюдали альфа-частицы, которые рассеивались в золотой фольге почти точно в обратном направлении. Из этого Резерфорд сделал вывод, что альфа-частицы соударялись с частицами, по крайней мере почти столь же тяжелыми, как они сами. Электроны почти в 8000 раз легче альфа-частиц, следовательно, они полностью исключались как атомные частицы, способные вызвать рассеяние альфа-частиц на большие углы.