Физические основы явления

Введение

Зондирование вещества заряженными частицами является одним из методов исследования структуры объектов и свойств микромира.

Суть этого метода состоит в изучении закономерностей рассеяния (упругого и неупругого) частиц (или электромагнитных волн) мишенью. Полученные закономерности представляют собой макроскопические следствия процессов взаимодействия излучения с веществом на микроуровне. Правильная их интерпретация дает возможность воссоздавать картину микромира - определить структуру частиц и вещества, внутренние поля, свойства симметрии микромира и др.

Объекты исследования методом зондирования весьма разнообразны - это поверхности и поры твердых тел, наночастицы, кластеры и отдельные молекулы, атомы, атомные ядра, элементарные частицы.

Энергии связи частиц, входящих в состав этих объектов существенно различны, от долей эВ до тысяч МэВ. Поскольку предметом исследования является выявление законов взаимодействия и структура частиц, то ясно, что энергия зондирующего пучка (излучения) должна охватывать диапазон возможных энергий связи частиц в исследуемых объектах. Это требование приводит к классификации физики столкновений по энергии падающих частиц, так, например, исследования атомных ядер лежат в области средних и высоких энергий зондирующего излучения от ~10⁶ эВ (~МэВ) до ~10⁹ эВ (~ГэВ) и выше, а исследования электронной структуры атомов - в области низких энергий от долей эВ до сотен кэВ. Экспериментальная техника существенно зависит от энергии пучка. Так, если установка для исследования электронной структуры атомов умещается на лабораторном столе, то для исследования ядер и элементарных частиц строятся огромные ускорители заряженных частиц. Эти принципы определяют обязательное присутствие в установке как минимум трех элементов:

- источника зондирующих частиц или излучения (это может быть радиоактивный источник, электронная пушка, ускоритель;

- образца-мишени (металлической, газовой и т.д.);

- детектора рассеянных (выбитых) частиц или первичного излучения.

Исследования обычно сводятся к изучению угловых и энергетических закономерностей излучения, зарядовому и массовому составу выбитых частиц. Именно по этим результатам исследователь восстанавливает свойства вещества и поля.

Физические основы явления

Известно, что, по крайней мере, две модели претендовали на правильное описание структуры атома. Это капельная модель Томсона и планетарная или ядерная модель Резерфорда.

Модель Дж.Дж.Томсона. Атом Томсона - это положительно заряженная "капелька" в которую вкраплены электроны (рис. 1). Проникая в такую каплю a -частицы* рассеиваются как на положительном заряде капли, так и на электронах. Каждая "капля" имеет радиус R ~10^-8 см.

Расчеты показывают, что средний угол рассеяния a -частицы с энергией
~ 5 МэВ на атоме Томсона составляет очень малую величину ~ (0,02 - 0,03)°.

Если в мишень, состоящую, например, из 10⁴ слоев атомов Томсона направить поток a -частиц, то в каждом слое они будут испытывать столкновения в различных направлениях, и при вылете из мишени средний угол отклонений будет составлять 2-3°. Резерфорд вычислил вероятность обратного рассеяния a-частицы в такой среде т.е. на угол 180°. Вероятность такого случая оказалась ~ 10^-3000, то есть практически равной нулю. Это означает, что в мишени, состоящей из атомов Томсона ожидать рассеяния на большие углы бессмысленно.

Модель Э.Резерфорда. Атом Резерфорда представляет собой малый тяжелый керн (ядро), окруженный облаком электронов (рис. 2).

Если рассмотреть рассеяние a -частицы на атоме Резерфорда, то на электронах оно столь же мало, как и в модели атома Томсона, т.е. составляет (0,02 ¸ 0,03)° на отдельном атоме. Рассеяние же на ядре (если масса ядра много больше массы a -частицы) может привести к большим углам, в том числе ~ 180°.

Проследим движение a -частицы в мишени, состоящей из атомов Резерфорда. Если принять, что размеры атома составляют величину ~ 10^-8 см, то площадь мишени, состоящей из 10⁴ атомных слоев, полностью перекрывается атомами. Если a -частица пролетает через электронную оболочку, то она испытывает лишь еле заметные отклонения от первоначальной траектории движения. То есть, если a -частица случайно не натолкнулась на ядро, то она движется также, как и в мишени Томсона (рис. 3 a). Если, однако, a -частица столкнётся с тяжёлым ядром, то направление её траектории изменится существенным образом (рис. 3 b). Такое столкновение значительно менее вероятно, чем столкновение с электронной оболочкой потому, что размер ядра (как выяснилось позднее) на 4-5 порядков меньше размера атома.

Рис. 3

Для проверки описанных теоретических моделей Резерфордом в 1911 году был поставлен эксперимент, в котором по угловому распределению рассеянных a -частиц можно было судить о том, как распределены масса и заряд атома. С этой целью золотая фольга толщиной в 1 мкм обстреливалась пучком a -частиц с энергией в несколько МэВ. Результаты опыта можно свести к двум наиболее важным пунктам: 1) большая часть a -частиц отклонялась на малые углы, в среднем 2°-3° и распределение по углам этих частиц соответствовало нормальному закону, 2) некоторое число частиц отклонялось на большие углы, в том числе на углы, близкие к 180°.

Выводы, сделанные Резерфордом, сегодня общеизвестны: вся масса атома практически целиком сосредоточена в положительно заряженном малом объеме, называемом ядром. Размеры ядра на 4-5 порядков меньше размеров атома, который, по модели Резерфорда, представляет собой систему электронов, движущихся вокруг ядра наподобие планет вокруг Солнца – поэтому такую модель иногда называют планетарной.

Вернемся к деталям задачи рассеяния a -частиц в опыте Резерфорда (схема опыта на рис. 4).

В установке Резерфорда пучок a -частиц вылетал из радиоактивного источника (K) со скоростью ~ 10⁹ см/с и направлялся на мишень (Ф), представляющую собой тонкую золотую фольгу толщиной в 1 мкм, что составляет примерно 10⁴ атомных слоев. Флуоресцирующий экран (Э), поставленный за

Рис. 4

мишенью, вспышками показывал число a -частиц, прошедших через мишень и рассеявшихся на угол q. Оптический индикатор (М) позволял отсчитывать число вспышек т.е. число a -частиц, рассеянных на угол q. Как уже отмечалось, подавляющее число a -частиц отклонялось на малые углы, в среднем 2°-3°. Однако, примерно одна a -частица из 10⁴ падающих на мишень, отклонялась на большие углы, в том числе и соответствующие рассеиванию назад. Было также замечено, что рассеяние на малые углы происходит в соответствии с законом нормального (гауссового) распределения случайных величин.

Теперь, следуя рассуждениям Резерфорда, ответим на вопрос о том, какая из моделей атома более соответствует действительности, Томсона или Резерфорда.

Поиск по сайту: