Ответьте на вопросы, страница 204 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопрос

Почему для рассеяния $\alpha$-частиц была использована золотая фольга?

В знаменитом эксперименте по рассеянию альфа-частиц, который был проведен Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом под руководством Эрнеста Резерфорда в 1909 году, золотая фольга была выбрана в качестве мишени по нескольким ключевым причинам, обусловленным уникальными свойствами золота.

1. Высокая пластичность (ковкость)

Золото — один из самых пластичных и ковких металлов. Это свойство позволило изготовить чрезвычайно тонкую фольгу, толщиной всего в несколько сотен атомных слоев (около 400 нанометров). Такая малая толщина была критически важна для чистоты эксперимента:

• Она сводила к минимуму вероятность того, что $\alpha$-частица столкнется с несколькими ядрами на своем пути. Целью эксперимента было изучение эффекта однократного рассеяния. Многократные столкновения исказили бы картину и усложнили интерпретацию результатов.
• Тонкий слой уменьшал поглощение $\alpha$-частиц самой фольгой, позволяя большему их числу пройти сквозь нее и достичь детекторов, расположенных под разными углами.

2. Большой заряд и масса ядра атома золота

Атом золота (Au) имеет один из самых больших атомных номеров ($Z=79$) и, соответственно, одно из самых тяжелых ядер ($A \approx 197$) среди стабильных элементов.

• Большой положительный заряд ядра ($q_{ядра} = +79e$): Положительно заряженные $\alpha$-частицы ($q_{\alpha} = +2e$) испытывали сильное кулоновское отталкивание от массивного положительного заряда ядра золота. Согласно формуле Резерфорда, вероятность рассеяния на определенный угол пропорциональна квадрату заряда ядра мишени ($Z^2$). Высокое значение $\text{Z}$ для золота значительно увеличивало вероятность рассеяния на большие углы, делая эти редкие, но чрезвычайно важные события, доступными для наблюдения. Именно эти события (рассеяние назад) и опровергли модель атома Томсона.
• Большая масса ядра: Ядро золота почти в 50 раз массивнее $\alpha$-частицы (масса ядра Au $\approx 197$ а.е.м., масса $\alpha$-частицы $\approx 4$ а.е.м.). Благодаря этому, при столкновении ядро золота оставалось практически неподвижным, и его отдачей можно было пренебречь. Это существенно упростило теоретические расчеты, так как задача сводилась к рассеянию легкой частицы в неподвижном центральном силовом поле.

3. Химическая инертность

Золото — благородный металл, который практически не вступает в химические реакции с компонентами воздуха, то есть не окисляется. Это гарантировало, что фольга представляла собой чистый элемент, а не его оксид или другое соединение. Использование химически чистой мишени было необходимо для того, чтобы быть уверенным, что рассеяние происходит именно на ядрах золота, что обеспечивало достоверность и однозначность результатов эксперимента.

Совокупность этих трех факторов — возможность создания сверхтонкой мишени, наличие тяжелого и сильно заряженного ядра, а также химическая чистота — сделала золото идеальным материалом для проведения этого фундаментального эксперимента, который привел к открытию атомного ядра и созданию планетарной модели атома.

Ответ: Золотая фольга была использована благодаря своей исключительной пластичности (что позволяло сделать ее очень тонкой для изучения однократных столкновений), большому заряду и массе ядра (что обеспечивало сильное рассеяние $\alpha$-частиц и упрощало теоретическую модель), а также химической инертности (что гарантировало чистоту мишени).