Hạt alpha và thí nghiệm của Rutherford

49

Để kết luận, chúng tôi lưu ý rằng vài năm trước, những đặc điểm hoàn toàn bất ngờ và đáng ngạc nhiên của hiệu ứng Hall đã được phát hiện trong cái gọi là lớp điện tử hai chiều, lời giải thích về điều này chỉ có thể được đưa ra bằng lý thuyết lượng tử (bạn có thể đọc về hiệu ứng Hall lượng tử trong bài viết của S. G. Semenchinsky “Hiệu ứng Hall: năm 1879 - năm 1980” trong «Kvant» số 2 năm 1987).

A. I. Chernochan

Hạt alpha và thí nghiệm của Rutherford

Mùa thu năm 1903, Ernest Rutherford, giáo sư vật lý 30 tuổi, đi thuyền từ châu Âu tới Canada. Anh ta mang theo một chiếc hộp kim loại nhỏ có tải miễn phí - ba mươi miligam muối radium.

Hộp đựng lợn đã gây lo ngại cho các quan chức hải quan ở New York - vào thời điểm đó chưa có luật nào liên quan đến việc nhập khẩu radium. Nó là một viên ngọc hay một hóa chất? Có nên đóng thuế không và bằng cách nào? Quan chức bao giờ cũng vậy, quan chức hải quan Mỹ quyết định chuyển hàng hóa nước ngoài cho cấp trên. Nhưng các nhà nghiên cứu cũng ở khắp mọi nơi và luôn giống nhau. Và một báo cáo xuất hiện trong đó các quan chức đã thông báo với cấp trên rằng Tiến sĩ Rutherford tuyệt đối từ chối chia tay kho báu của mình. Và chỉ có cam kết của giáo sư về việc đánh dấu nguyên vẹn lãnh thổ Hoa Kỳ (nghĩa là không suy đoán về nội dung) mới cho phép các quan chức Mỹ chuyển vấn đề thuế lời giải sang phim của các đồng nghiệp Canada của họ. Có lẽ chính nhờ những miligam radium này mà nhiều khám phá tuyệt vời đã được thực hiện trong vật lý.

Tên của Rutherford xuất hiện trong các khóa học vật lý ở trường liên quan đến việc thiết lập mô hình hành tinh của nguyên tử. Nhưng Rutherford là tác giả và nghệ sĩ đa năng với những khám phá không kém phần giá trị đối với vật lý học. Đặc biệt, chúng bao gồm các thí nghiệm nghiên cứu bản chất của tia α. Hãy nói về một số trong số họ.

Trở lại năm 1899, khi đang làm việc tại Phòng thí nghiệm Cavendish (tại Đại học Cambridge), Rutherford đã chứng minh rằng bức xạ của các nguyên tố phóng xạ không đồng nhất. Đây là một thí nghiệm như vậy.

Thí nghiệm 1. Hai tấm kẽm đặt cạnh nhau nằm ngang. Một tấm được nối với một dải pin nối đất và tấm còn lại với điện kế nối đất. Một lớp muối radium mỏng được đổ lên tấm đáy. Bức xạ của muối tạo ra các năng lượng trong không khí, không khí giữa các tấm không còn là chất cách điện và xuất hiện dòng điện, được thiết bị ghi lại.

Nếu muối radium được phủ một tấm kim loại mỏng, một phần bức xạ sẽ bị hấp thụ và dòng điện trở nên yếu hơn hai lần. Nếu bức xạ được che chắn bởi hai tấm, dòng điện sẽ yếu đi gần sáu lần, nếu ba - cùng một lúc. Có vẻ như dòng điện tiếp tục giảm dần (theo quy luật hàm mũ). Nhưng điều đáng ngạc nhiên là các thí nghiệm đã không xác nhận điều này - bắt đầu từ tờ thứ năm, dòng điện thực tế không giảm.

Rõ ràng là có thể giả định rằng quá trình onit hóa không khí xảy ra do ít nhất hai lý do. Hay nói cách khác, bức xạ đó gồm hai loại khác nhau: một loại bức xạ tạo ra khả năng cách nhiệt mạnh, nhưng được kim loại hấp thụ tốt, loại kia - làm ion hóa tác dụng của kim loại, nhưng có độ xuyên thấu cao hơn. Bức xạ đầu tiên của Rutherford được gọi là tia α và bức xạ thứ hai - tia β. Hiện nay các nhà khoa học đang phải đối mặt với vấn đề nghiên cứu bản chất của những tia này.

50

Rất nhanh chóng và khá dễ dàng, người ta có thể chứng minh rằng bức xạ β là một dòng electron tự do. Trong mọi trường hợp, trong điện trường và từ trường, tia β bị ảnh hưởng giống hệt như các electron.

Đối với tia α, độ lệch của chúng trong từ trường không thể được phát hiện trong một thời gian - ngay cả trong trường mạnh độ lệch hóa ra là nhỏ. Cuối cùng, vào năm 1903, Rutherford đã bổ sung thêm các kết quả khả quan và chứng tỏ rằng bức xạ α phải bao gồm các hạt tích điện dương chuyển động với tốc độ cao.

Nhiệm vụ tiếp theo là xác định giá trị điện tích của hạt α.

Thí nghiệm 2. Để xác định điện tích của một hạt α, chúng tôi đã xác định bằng thực nghiệm tổng lượng điện năng được truyền bởi toàn bộ bức xạ từ radium trong một thời gian nhất định và số lượng hạt α được phát ra bởi radium trong thời gian đó. Phần khó nhất là đăng ký một phần. Với mục đích này, Rutherford và Geiger vào năm 1908 đã phát triển một phương pháp đặc biệt để đếm các hạt α, dựa trên hiệu ứng ban đầu của chúng, và tạo ra một thiết bị đặc biệt (máy đếm Geiger nổi tiếng).

Thí nghiệm 3. Một lượng khí phóng xạ đủ lớn được đưa vào ống thủy tinh A (hình 1), mỏng đến mức hầu hết các hạt α đều tự do xuyên qua nó. Ống này được đặt bên trong một ống T rộng hơn, trên đầu ống được gắn một ống chân không nhỏ V với các điện cực được nung chảy trong đó. Siau được đưa vào ống T chân không cho đến khi chạm tới đáy ống A. Các hạt alpha tích tụ trong ống T tạo thành khí. Bằng cách nâng cao 력ы, khí này được hớt ra và một phần được chuyển vào ống chân không V. Sau khi kích thích sự phóng khí ở đó, người ta có thể nghiên cứu thành phần quang phổ của nó. Điều thú vị là chỉ hai ngày sau

51

Kết quả đầu tiên đã xuất hiện - vạch màu vàng (sáng nhất) của quang phổ gel được phát hiện. Sau sáu ngày, toàn bộ quang phổ của gel được quan sát thấy.

Cuối cùng, từ các thí nghiệm về độ lệch của hạt α trong từ trường, khối lượng của chúng có thể được xác định.

Thí nghiệm 4. Một buồng mây, trong đó quỹ đạo của các hạt α được quan sát bằng sự nhấp nháy của chúng, được đặt trong một từ trường rất mạnh. Vì bán kính quỹ đạo dốc của hạt α tỷ lệ thuận với khối lượng của hạt nhân với tốc độ của nó và tỷ lệ nghịch với điện tích của nó, nên khối lượng của hạt α có thể được tính từ các giá trị đã biết. Hóa ra nó bằng 6,62·10⁻²⁴ g.

Vì vậy, nhờ các thí nghiệm của Rutherford và các đồng nghiệp của ông, bản chất, điện tích và khối lượng của hạt α đã được biết đến. Ngoài ra, các nhà vật lý hiện nay còn có một công cụ mới về cơ bản và mạnh mẽ để nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử. Khi bắt đầu những thí nghiệm này của Rutherford về việc thăm dò các nguyên tử bằng hạt alpha, ý tưởng sau đây về cấu trúc của nguyên tử đã phát triển.

Nguyên tử, được mô hình hóa vào năm 1882 bởi giáo viên của Rutherford, J. Thomson, giống như bánh pudding nho khô - nho khô là các electron và bột là không gian nguyên tử. Ưu điểm của mô hình này là nó cho phép người ta giải thích tính trung hòa của nguyên tử và xác định thỏa đáng kích thước của nó. Nhưng có một định lý trong vật lý (định lý Irschow), chỉ ra rằng hệ
Kết quả đầu tiên đã được nhìn thấy - vạch màu vàng (sáng nhất) của quang phổ gel được phát hiện. Sau sáu ngày, toàn bộ quang phổ của gel được quan sát thấy.

Việc bắn phá các nguyên tử bằng các hạt α giúp thiết lập cấu trúc của nguyên tử.

Thí nghiệm 5. Các tấm mỏng của chất đang nghiên cứu bị bắn phá bởi các hạt α và độ lệch của chúng đã được nghiên cứu. Trên hình 2, sơ đồ của thí nghiệm về sự tán xạ của hạt α được hiển thị. Các hạt bắn phá bay ra khỏi chất phóng xạ, đi qua ống chuẩn trực và bắn trúng mục tiêu là một lá vàng rất mỏng trong một chùm tia hẹp. Bằng cách sử dụng một màn được phủ chất nhấp nháy, người ta đã quan sát thấy sự tán xạ của các hạt α. Góc tán xạ của hầu hết các hạt đều nhỏ - vào khoảng 1°, nhưng một số lượng nhỏ các hạt bị phân tán ở các góc lớn, và thậm chí có những hạt chuyển động theo hướng ngược lại.

Sau khi phân tích kết quả thí nghiệm, Rutherford đi đến kết luận rằng sự lệch hướng mạnh của các hạt α trong cột chỉ xảy ra nếu bên trong nguyên tử có một điện trường cực mạnh được tạo ra bởi điện tích liên kết với một khối lượng lớn hơn (hạt nhân nguyên tử). Rutherford cũng phát triển lý thuyết tán xạ của hạt α, lý thuyết này thiết lập sự phân bố của hạt theo góc tán xạ. Về vấn đề này, thực tế này là tò mò.

Để hiểu chi tiết các quá trình xác suất trong quá trình hạt α truyền qua vật chất, Rutherford, một nhà khoa học nổi tiếng thế giới và từng đoạt giải Nobel, muốn trở thành một sinh viên. Anh đến gặp nhà toán học nổi tiếng người Manchester Lamb và xin phép tham gia một khóa học về lý thuyết xác suất từ ​​ông, cũng như tham gia chương trình đào tạo thực tế. Như những người đương thời đã viết, “đó là một sự trưởng thành không hề tầm thường: một người nổi tiếng thế giới ngồi giữa giới trẻ