împrăștierea particulelor

Rezumatul prelegerii cu demonstrație

Sarcina noastră: exemplul descoperirii existenței nucleului într-un atom, realizat de E. Rutherford în 1911, pentru a demonstra metoda principală de studiu microcosmos pentru a defini conceptul de secțiune transversală efectivă interacțiune.

Omul - o ființă percepția directă macroscopică, și inaccesibile pentru noi obiecte microscopice. Toate măsurătorile în fizica nucleară - indirectă. Să vedem cum se face acest lucru în atomul de elucidare exemplu, structura.

Atomii lung, prezentate sub formă de particule indivizibile ale materiei (Atomos cuvântul grecesc - indivizibile). Dimensiunea atom este de ordinul a 10 -10 m.

In ultimul secol XIX deceniu a făcut o serie de descoperiri (raze X, radioactivitate naturală, existența încărcare-purtător de electroni elementar), care să conducă la realizarea că atomii au o structură complexă. Deoarece compoziția include un atom, electroni și atomi neutri, atomul trebuie să conțină o sarcină pozitivă.

Două modele posibile pot oferi. Primul model al atomului propus de J. Thomson. Taxa pozitivă ocupă întregul volum al atomului și electronii încorporate în ea. Cea de a doua structură - sarcină pozitivă este concentrată în nucleu, numit kernel-ul. Rutherford cu angajații au efectuat experimente pentru detectare a atomilor de particule alfa. La începutul secolului trecut ar putea fi vorba de acceleratoare. La dispoziția experimentatori au fost izotopi radioactivi numai. Particulele alfa sunt produse prin dezintegrarea radiului, și alte elemente cum sunt nuclee de heliu, adică ionizat complet atomi de heliu. Masa particulei alfa este de aproape 8000 de ori mai mare decât masa de electroni, deci nu se așteaptă ca într-o coliziune cu electronii se întâmplă schimbare apreciabilă în direcția. Scattering (schimbare de direcție), poate determina numai o parte încărcată pozitiv al atomului. Rutherford, cu toate acestea, a observat că anumite particule alfa se abate de la direcția de așteptat, într-o măsură mult mai mare decât este permis teoria J.. Thomson. Lucrul cu Ernest Marsden, un student de la Universitatea din Manchester au oamenii de știință au confirmat că un număr destul de mare de particule alfa deviază mai mult decât era de așteptat, iar unele la un unghi mai mare de 90 de grade. Reflectând asupra acestui fenomen, Rutherford în 1911 a propus un nou model al atomului. Conform teoriei sale, care astăzi a devenit comună, particule încărcate pozitiv sunt concentrate în centrul unui atom greu și încărcat negativ (electroni) se deplasează în jurul nucleului, la o distanță considerabilă de el. Experimentul a rezolvat problema structurii atomice în favoarea modelului nuclear.

Deci, există două modele. Ca ipoteză de lucru presupunem existența kernel-ului. Alte calcule sunt realizate și comparate cu rezultatele experimentale. Dacă primiți un acord satisfăcător, acceptăm ipoteza.

Presupunem următoarea notație: ze - particulele de sarcină (particule alfa lovește z = 2), Ze - taxa nucleară, m # 945; - masa particulelor alfa, M - masa nucleului, v - viteza de particule alfa. Este logic să ia în considerare coliziunea particulelor în CMS. Apoi, în loc de a rezolva problema de mișcare a două particule (particule alfa și nuclee) rândul său, la problema de mișcare a unei singure particule cu masă redusă # 956; în raport cu centrul fix în cazul în care # 956;

Energia interacțiunii Coulomb a particulelor egal cu U

Scriem legile de conservare a energiei (1) și momentul unghiular (2)

Soluția sistemului (vezi. Apendice) conduce la formula privind parametrul de impact b și unghiul de împrăștiere în CMS # 952;.

Dar, o încercare de a verifica dacă această expresie în practică eșuează. în cazul în care energia particulei alfa, să zicem, 5 MeV, unghiul de împrăștiere de aproximativ 30 de grade, distanța de impact de ordinul a 10 -14 m, adică dincolo de măsurabile.

Rezultatul Pregătirea supus verificării experimentale

Să presupunem că avem o singură placă pătrată cu găuri (Figura 2). N Suprafața totală a deschiderilor fiecare s0. În această placă se cade perpendicular particule punctiforme n. Ce procent din particule vor trece prin placa? evident

Proporția de particule cu experiență de interacțiune (în acest caz, a trecut prin gaura), împărțit la numărul de site-uri de interacțiune pe zona țintă unitate. numit secțiunea transversală de interacțiune eficientă (de ce eficiente explica mai târziu). În acest exemplu, secțiunea # 963; = S0.

Deoarece relația dintre unghiul de împrăștiere # 952; și parametrul de impact b unic gama de împrăștiere unghiuri de # 952; la # 952; + d # 952; corespunde gamei de parametri de impact de la b la b + db. Noi calcula proporția de particule alfa, distanța de impact care se află între # 952; și # 952; + d # 952;. Particulele alfa care îndeplinesc această condiție, introduceți inelul interior și exterior cu raza b b + db (vezi. Figura). Având în vedere micimea dB. zona inel 2πbdb. În cazul în care unitatea de suprafață 1 un nucleu țintă, obținem

Aici dn - numărul de particule care intră în ring, n - numărul de particule incidente pe o unitate de suprafață. Găsim b și un db diferențial. folosind formula (3)

Semnul „-“ în ultima ecuație arată că o creștere a unghiului b # 952; scade. La calcularea zona inelului, am omite.

Substituind expresiile pentru b și db în formula (5) înmulțirea numărătorul și numitorul prin 2sin (# 952; / 2).

Numărătorul a porțiunii de colț este o expresie pentru elementul de unghi solid d # 937;. Și, în final, obținem formula pentru diferențial împrăștiere secțiune transversală, cunoscută sub numele de formula Rutherford

Sensul său - fracția de particule dispersate într-un unghi solid unitate lângă # 952;. împărțit la numărul de site-uri de interacțiune pe zona țintă unitate.

Dacă avem este un detector de unghi # 952;. care subîntinde un unghi solid de țintă # 916; # 937;. obiectivul are o grosime t, iar concentrația nuclee NC. numărul particulelor dispersate care intră în detector, precum

Cifra din partea stângă a camerei (5), alfa-particule de la sursa (1) incidente pe folie (2). Particulele dispersate cad pe un ecran transparent (3) acoperite cu ZnS, cauzând flash-uri de lumină observate la microscop (4). Un ecran cu un microscop poate fi rotit în jurul țintei. flash-uri de lumină. estompate Experimentatorul a stat timp de aproximativ o oră în întuneric pentru a crește sensibilitatea ochilor, și apoi 15 minute a văzut particulele împrăștiate nu mai sunt permise oboseala.

Din formulele (8) și (9), că atunci când unghiul # 952;

Constanța acestei lucrări, și verificat prin experiment. Rezultatele pentru folia de împrăștiere a tabelului dat de aur.

Unghiul de deviere # 952;. grindină

Tabelul arată că numărul de probe variază în limite foarte largi (aproximativ 3500 de ori), în timp ce produsul dN # 149; păcatul 4 (# 952; / 2) rămâne aproximativ constant (variază doar cu 30%).

Concluzionăm. ipoteza prezenței în nucleul atom de sarcină Ze adevărat. dar teoria necesită clarificare.

Intr-adevar, formula (8) nu poate fi corect, deoarece la # 952; → 0 expresie tinde la infinit. Ceea ce nu este luată în considerare în derivarea? Problema imprastierea particulelor alfa dintr-un punct de sarcină Ze. De fapt, nucleul este înconjurat de electroni, iar la parametrii de impact mare (corespunzând împrăștierii mici unghi # 952; ) Taxa efectivă va fi mai puțin și mai puțin de imprastiere. B Dacă ordinul a 10 -10 m atom neutru. Pentru imprastiere unghiuri mari b de ordinul a 10 -14 m, și trebuie să țină cont de dimensiunea finită a nucleului, care reduce împrăștierea și în această regiune a unghiurilor # 952;. De asemenea, atunci când # 952;> 90 ° sunt forțe nucleare eficiente de atracție.

L ORD E RNEST R UTHERFORD pentru investigațiile sale în dezintegrarea elementelor și chimia substanțelor radioactive.

Ernest Rutherford - Premiul Nobel pentru Chimie (1908), Premiul.. Ea a fost acordat pentru cercetările sale în domeniul de degradare a elementelor în chimia substanțelor radioactive

interacțiune Primechanie.Sechenie se numește eficientă. deoarece, în cazuri rare (de exemplu, absorbția neutronilor, cu o energie de aproximativ 10 nuclee MeV) coincide cu cea mai mare suprafață a centrului de interacțiune. Pentru absorbția neutronilor lentă secțiune transversală poate fi de un milion de ori mai mare (datorită existenței proprietăților undelor de neutroni), neutrinii la - particule slab interacționând - 10 de 19 ori mai puțin.

Aproximativ 40 de ani după experimentele E.Rezerforda împrăștierea particulelor este utilizat pentru studiile structurii nucleare. Deoarece mărimea nucleului este de aproximativ 10.000 de ori mai mici decât particulele de atom-Marcatori electroni accelerați servit la energii de aproximativ 10 până la 2 MeV. Și instalații de înregistrare a electronilor împrăștiate (a se vedea. Foto) este un primitiv cu un cont vizual al particulelor, și spectrometrul, care permite de a primi, în plus față de distribuția unghiulară și energia de electroni. Toate această mașină se deplasează pe șine pentru a seta unghiul de imprastiere # 952;. Schema de distribuție a găsi taxa în nucleu # 961; (r) este după cum urmează. Calculat și comparat cu parametrii experimentali sunt selectați # 961; (r). oferind o mai bună înțelegere.

Aplicație. Unghiul de dispersie de comunicare # 952; și parametrul de impact b

Figura 1b de impulsuri la împrăștierea particulelor - după împrăștiere. Conservarea energiei necesită ca particulele energetice inițiale și finale și, deci, pulsurile de module (în convergența și îndepărtarea particulelor de energie cinetică este mai întâi redusă datorită repulsiei Coulomb și apoi restabilește valoarea sa). Prin urmare, triunghi - isoscel. schimbarea de impuls în unitatea de împrăștiere este

Acum, amintiți-vă mecanicii, și anume, modul în care să se refere schimbare în ritmul și puterea

O proiectam în direcția egalității

Figura 1 arată că

Asigurați schimbarea variabilelor în (P3), integrează deasupra colțului # 966;. Noi luăm în considerare faptul că

Acum vom echivala (P1) și (P6), și în final se obține ecuația (3).