9. Построение исторических экскурсов при раскрытии структуры атома

Вводная беседа

Изучение заключительного раздела школьного курса физики должно являться не только самоцелью, но и средством закрепления, углубления, уточнения основных физических представлений. Здесь материал истории физики играет особенно важную роль.

Во вводной беседе нужно повторить путь, приведший физику к проблеме структуры атома и атомного ядра. На основных вехах этого пути можно укрепить знание ряда важных представлений. Кратчайшим путем ведет к цели следующий цепь фактов.

Первая мысль об атомах родилась в Древней Греции. До 20-х годов XIX в. атом - кусочек вещества, маленький шарик. Для объяснения механизма передачи, тепла Ломоносов снабжает этот шарик выступами, зазубринками: атомы подобны колесикам в зубчатых передачах. Затем этот шарик представляется заряженным положительным и отрицательным электричеством. Рождается гипотеза о том, что с каждым весомым атомом связан атом электрический. Эта гипотеза была конкретизирована замечательным английским физиком Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940). Работы Дж. Дж. Томсона и созданной им школы составили важнейшую веху в развитии физики. Чрезвычайно интересна личность ученого. Рассказ о жизни и деятельности Томсона может иметь воспитательное значение.

Томсон родился в 1856 г. в маленьком городке Чэтем Хил - предместье Манчестера. До 14 лет он учился в Оуэне-колледже, в 1876 г. был принят в знаменитый Тринити-колледж Кембриджа, в котором учился Ньютон. Здесь он застает еще Максвелла, но вскоре ему приходится сопровождать гроб с телом великого учителя (1879).

После четырехлетней учебы Томсон блестяще сдает выпускные экзамены. Его выдающиеся способности замечены учеными университета: Томсона приглашают в штат знаменитой Кавендишской научно-исследовательской лаборатории, основанной Максвеллом. Это была одна из первых лабораторий в мире, где развернулись систематические коллективные исследования физических явлений.

В Кавендишской лаборатории Томсон работал всю свою долгую жизнь, е 1880 г. до кончины в 1940 г.

Вначале ом занимается преимущественно теоретической работой. Он Осваивает научное наследие, оставленное Максвеллом, и решает посвятить свою деятельность дальнейшему развитию учения об электрических и магнитных явлениях.

Его первые научные работы получают высокую оценку, и в 1884 г, 28-летний ученый назначается директором Кавендищской лаборатории. С этого времени он постепенно переходит в область тонкого физического эксперимента и начинает создание своей знаменитой школы физиков.

Его жизнь внешне монотонна: лаборатория, отдых в кругу семьи, работа на приусадебном участке. Но она исполнена глубокого внутреннего напряжения. Он в постоянных размышлениях о природе электромагнитных явлений, о структуре материи, обдумывает замыслы своих многообразных экспериментов и программы работы многочисленных учеников.

Томсон был великолепным педагогом. Он обладал необыкновенным чутьем по распознаванию талантов Не случайно он собрал вокруг себя уникальную плеяду молодых ученых: пятеро его учеников стали лауреатами Нобелевской премии, 22 человека были избраны действительными членами английской академии наук - Лондонского королевского общества, 50 заведовали кафедрами в университетах. Его учеником был великий Резерфорд. Он вырастил замечательного физика - своего сына Джорджа Паджета Томсона. Вместе с Пойнтингом Томсон написал учебник по физике, самый популярный в конце XIX в. Из-под его пера вышло 13 книг и 231 статья.

Самым важным результатом работ Томсона было открытие электрона и создание первой электронной модели строения атома.

Путь к открытию был очень сложным. Учащимся можно рассказать об основных вехах этого пути следующим образом.

Постановка проблемы. Вначале была мысль о том, что электричество есть нечто разделенное на элементарные порции. В 1874 г. ирландский физик Георг Стоней предложил. эту элементарную порцию назвать электроном. Он же впервые вычислил значение элементарного заряда (0,3·10^-10 ед. заряда СГСЕ).

Важную информацию дали исследования катодных лучей.

Учащимся нужно показать уже знакомые им опыты с катодными лучами и поставить вопрос: как можно узнать, что катодные лучи являются потоками электронов.

Поучительно сразу же рассказать об ошибке Генриха Герца. Пытаясь раскрыть природу катодного луча, он пропустил его между пластинами плоского конденсатора и... не обнаружил никакого отклонения.

Учащимся надо напомнить, что катодный луч - это тот же электронный луч, что чертит кривые на экране осциллографа. Известно, что, подавая напряжение на пластины конденсатора, можно отклонять поток электронов в нужную сторону. А у великого Герца отклонения не получилось...

Дело в том, что в то время физики еще не понимали значения вакуума и не умели его измерять. У Герца вакуум был недостаточный; поток электронов проходил сквозь гущу молекул. При соударениях электронов с молекулами возникали ионы; слегка разреженный ионизированный воздух превращался из диэлектрика в проводник, и пластины конденсатора за мыкались.

На основании этого неудачного опыта Герц сделал ложный вывод, что катодные лучи представляют собой процесс в эфире, аналогичный процессу распространения света.

Однако опыты Дж. Дж. Томсона и других физиков показали, что катодный луч есть поток заряженных частиц. Но что это за частицы?

Первый шаг. Путь к ответу на поставленный вопрос осветили работы Дж. Дж. Томсона, раскрывшие механизм проводимости газов.

В этом пункте имеется хорошая возможность, повторить основное об электропроводимости веществ. Нужно вернуться к тому времени, когда физики не знали природы проводимости веществ. Общая точка зрения существовала только на природу проводимости электролитов: считалось, что она обусловлена движением ионов.

Вопрос о природе газовой проводимости был запутан настолько, что авторитетнейший из физиков конца XIX в. Вильям Томсон считал очевидным, что воздух не может быть наэлектризован положительно или отрицательно.

В 1886-1887 гг. шведский ученый С. Аррениус дал теорию электролитической диссоциации, которая до сих пор изучается в школе. Далее он исследовал проводимости газов и на основании опытных фактов пришел к выводу, что "воздух проводит электролитически".

В 1888 г. Аррениус находит подтверждение своей гипотезы в опытах Герца, показавших, что ультрафиолетовый свет облегчает искровой разряд даже при нормальном давлении. Справедливость этой точки зрения подтвердилась дальнейшими исследованиями, связанными с открытием рентгеновского излучения. В 1895 г. Рентген обнаружил способность нового излучения разряжать положительно или отрицательно заряженные тела. Что же является причиной разряда?

Ж. Перрен во Франции, Дж. Дж. Томсон в Англии и А. Риги в Италии почти одновременно различными путями находят ответ на поставленный вопрос: рентгеновские лучи порождают в воздухе ионы. Однако Томсон увидел в этом факте больше, чем другие.

Второй шаг. В этом пункте можно активизировать мышление учащихся постановкой вопроса: как использовать рентгеновское излучение для раскрытия природы катодных лучей? При этом создается хорошая возможность повторения законов электродинамики, взаимодействия электромагнитных излучений с веществом.

Когда Дж. Дж. Томсон получил сообщение об открытии Рентгена, он сразу же исследовал влияние рентгеновского излучения на проводимость газа. Открылся поразительный факт: под действием рентгеновских лучей газ становился хорошим проводником даже при малых напряжениях. Варьируя мощность излучения, можно было регулировать ток через газ.

Проводимость достигала максимального значения не сразу после облучения и не исчезала мгновенно. Эти факты дали основание для установления современной картины механизма электропроводности газов.

Томсон предположил, что положительный или отрицательный ион может получить от электрического поля кинетическую энергию, достаточную для ионизации при соударении. Сила тока через газ пропорциональйа числу заряженных частиц, которые достигают электродов в единицу времени. Допустим, что рентгеновское излучение в 1 с порождает N₊ положительных ионов и N_- - отрицательных. Согласно кинетической теории газов число столкновений будет пропорционально произведению N₊·N_-. При столкновениях происходит рекомбинация ионов в нейтральные молекулы. После прекращения облучения электропроводность газа уничтожается электрическим полем. Этот факт автоматически вытекал из представления об ионизации.

Особенно важную информацию дала вольт-амперная характеристика проводимости газа. При малых напряжениях ток через газ возрастал линейно, как и в случае металлов и электролитов. Далее он достигал насыщения. Сила тока насыщения оказалась пропорциональной интенсивности рентгеновского излучения^*.

^*(Эти результаты Томсон получил при участии Э. Резерфорда, который делал тогда первые шаги в большой физике.)

В предположении, что электрический ток через газ является потоком положительных и отрицательных ионов, которые непрерывно образуются под действием рентгеновских лучей и направляются электрической силой к электродам, можно было написать уравнение, связывающее силу тока через газ с напряжением между электродами.

Эти исследования послужили вехой к достижению основной цели: раскрытию структуры вещества.

Третий этап. В этом параграфе содержится материал для закрепления важнейшего представления о неразрывной связи заряда и массы, о роли удельного заряда.

Основную роль в установлении факта существования электрона сыграло изучение отклонения катодных лучей в электрическом и магнитном полях. Э. Вихерт, В. Кауфман, Ф. Ленард - в Германии, Дж. Дж. Томсон и его ученики, А. Шустер - в Англии, Симон во Франции преследуют одну и ту же цель: найти возможность точного измерения удельного заряда катодных частиц.

Почему это было важно? Из законов Фарадея следовала возможность определения отношения заряда иона к массе соответствующего атома.

Пусть к электроду за время t подошло N ионов. Тогда они принесут массу

где m - масса одного иона. Допустим, что с каждым ионом связано Z элементарных (некомпенсированных) зарядов e₀. Тогда они вместе с массой М принесут заряд

Поделив (1) на (2), получаем

Измеряя М и q, зная валентность атома Z, можно определить отношение е₀/m.

Величина е₀/m различна для разных ионов, но ее максимальное значение совершенно определенно - оно равно отношению заряда к массе легчайшего из ионов - иона водорода. Отсюда естественно вытекал вопрос: существуют ли в природе частицы с большим значением отношения е₀/m?

Если принять гипотезу об атомах электричества, то минимальное значение заряда известно. Следовательно, вопрос сводился к следующему: существуют ли в природе частицы с массой, меньшей массы атома водорода? Точное измерение удельного заряда катодных корпускул могло дать ответ на вопрос, волновавший умы выдающихся ученых. Многие искали решение, но Томсон глубже всех проник в проблему, ему и его ученикам принадлежат наиболее точные и убедительные эксперименты.

Четвертый (решающий) этап. Содержание этого параграфа создает богатую возможность для повторения материала, связанного с движением заряженных частиц в электрических и магнитных полях, законов для электрических и магнитных сил. Важно обратить внимание учащихся на значение точных физических измерений, получение количественных результатов, на основании которых гипотеза становится фактом, отражением реальности.

Измерение отклонения катодных лучей - потоков электронов в электрическом и магнитном полях сыграло решающую роль.

Томсон впервые вводит измерение вакуума и обнаруживает причину отрицательного результата опытов Герца: поскольку вакуум был недостаточно высокий, катодные лучи вызывали интенсивную ионизацию газа; образующиеся заряды разрушали электрическое поле конденсатора.

Отклонение катодного луча в электрическом поле было впервые получено в следующем опыте (рис. 18).

Рис. 18. Опыт Томсона

Луч от катода С проходил через щель в аноде А, представляющую металлическую пробку, притертую к трубке и соединенную с землей. После прохождения через вторую щель в другой заземленной металлической пробке В луч распространялся между двумя параллельными алюминиевыми пластинами D и Е длиной 5 см и шириной 2 см, отстоявшими друг от друга на 1,5 см. Пройдя конденсатор, луч падал на экран, где давал резко очерченный фосфоресцирующий след. По шкале, наклеенной на внешней поверхности экрана, можно было измерять величину отклонения луча.

Ученый наблюдал отклонение катодного луча в электрическом и магнитном полях. Результат был однозначен: направление отклонения соответствует отрицательному знаку заряда частиц.

После этого оставалось самое главное: выяснить, с какими частицами связан этот отрицательный заряд.

"Что это за частицы? - спрашивает Томсон,-Атомы это или молекулы, или материя в состоянии еще более тонкого дробления?" (подчеркнуто мною. -В. Д.).

Мысль о существовании частиц вещества более мелких, нежели атомы, была в то время смелой гипотезой.

Чтобы ответить на поставленный вопрос, Томсон предпринимает серию измерений величины e0/т для катодных частиц. Выло применено два независимых метода. Идея первого заключалась в следующем.

Рассмотрим пучок однородных катодных лучей. Пусть m - масса каждой частицы, е₀ - заряд, переносимый ею. Пусть N - число частиц, проходящих через сечение пучка в данное время; тогда заряд q, переносимый этими частицами, будет равен:

Как измерить заряд q?

Чтобы ответить на этот вопрос, учащиеся должны вспомнить закон сохранения электрического заряда, измерение заряда с помощью электрометра. Нужно только сказать, что для измерений нужен более чувствительный прибор, нежели знакомый им демонстрационный электрометр.

Как же измерить число частиц N, переносящих заряд q? Это трудный для учащихся вопрос, но поставить его интересно и далее рассказать о решении Томсона - воспользоваться законом сохранения энергии. Здесь снова важный объект повторения!

Если заряженные частицы попадают на твердое тело, то температура последнего будет возрастать: кинетическая энергия движущихся частиц превращается во внутреннюю энергию. Определив возрастание температуры тела с известной теплоемкостью, мы можем измерить кинетическую энергию частиц W. Если v - скорость частиц, то

В этой формуле кроме подлежащей измерению величины N содержится искомая величина т.

Энергия катодных частиц измерялась следующим образом. Пучок катодных лучей направлялся на отверстие металлического цилиндра, соединенного с электрометром. Внутри цилиндра помещался термостолбик, который нагревался ударами частиц. Теплоемкость цилиндра с его содержимым была измерена предварительно. Таким путем можно было получить величины, нужные для определения удельного заряда.

Итак, мы имеем два соотношения:

Поделив (3) на (4), получаем искомую величину:

Видно, что для определения удельного заряда неизвестных частиц нужно еще определить их скорость v.

Как измерить скорость? Снова вопрос, активизирующий мышление учащихся. Ответ на этот вопрос служит повторению важной истины: движение заряженных частиц в полях при скоростях, значительно меньших скорости света, подчиняется законам Ньютона.

Пусть частица движется со скоростью v в магнитном поле с магнитной индукцией В. На нее действует сила Лоренца f = ev B sinα. Допустим, что угол α = 90°. Под действием силы Лоренца частица приобретает центростремительное ускорение a = v²/r, где r - радиус кривизны траектории электрона. Второй закон Ньютона в форме запишется так: mv²/r = evB.

Отсюда искомая скорость:

Подставляя (6) в (5), получаем:

Здесь в правой части уже все величины доступны измерениям. Однако количество теплоты, выделяющейся при бомбардировке термостолбика катодными частицами, было очень малым, его измерение неизбежно сопровождалось существенными ошибками. Кроме того, сомнительным было предположение, что при ударе катодная частица полностью передает свою энергию.

Более надежные результаты дал так называемый метод постоянного отклонения, в котором Томсон использовал одновременное отклонение частиц в электрическом и магнитном полях.

Пусть l-расстояние, проходимое частицей под действием однородного электрического поля напряженностью Е. Время l, необходимое для прохождения этого пути со скоростью о, равно t = l/v.

На частицу действует электрическая сила F = eE, которая сообщает ускорение α в направлении вектора . Скорость v₁ в направлении вектора будет возрастать по закону v = at. Тогда a = v₁/t, и второй закон Ньютона запишется так: еЕ = mv₁/t, откуда

Допустим, что луч под действием электрического поля отклоняется на небольшой угол φ, тогда

Если на луч вместо электрической действует магнитная сила, перпендикулярная направлению скорости v, то скорость в направлении действия силы будет

Пусть под действием этой силы луч отклонится на угол а, тогда

Из (7) и (8) имеем:

В опытах Томсон подбирал поля так, что φ = а, тогда получается:

Измерения и вычисления по этой формуле дали значение, близкое к известному в настоящее время значению удельного заряда электрона,

Томсон тогда еще не имел оснований говорить об электроне. Пока катодная частица - корпускула. Он писал:

"Объяснение, которое кажется мне наиболее простым и прямым для данных фактов, использует точку зрения на строение химических элементов, которая поддерживается многими химиками: эта точка зрения предполагает, что атомы различных химических элементов представляют различные агрегации атомов одного и того же рода. В той форме, которую придал этой гипотезе Проут, атомы различных химических элементов есть атомы водорода; в этой примитивной форме гипотеза является уязвимой, но если мы заменим водород некоторой неизвестной первородной субстанцией...

В очень сильном электрическом поле вблизи катода молекулы газа диссоциируют и расщепляются не на обычные химические атомы, а на названные первородные атомы, которые мы будем для краткости называть корпускулами; и если эти корпускулы заряжены электричеством и отбрасываются от катода электрическим полем, то они будут вести себя точно так же, как катодные лучи".

Так была сформулирована мысль о существовании элементарной частицы вещества. Но это было только начало.

Пятый этап - убеждение в реальности электрона. Результатом опытов было определение не массы элементарной частицы, а отношения заряда к массе. Но ведь малость этого отношения могла быть обусловлена комбинацией двух величин е0 и т. Гипотеза могла быть основательной только при наличии доказательства, что каждая частица имеет одинаковый заряд, равный заряду одновалентного иона при электролизе или заряду одновалентного газового иона. Эта мысль была ключом к решению проблемы. Ее впервые четко сформулировал Дж. Дж. Томсон в рассмотренной работе. Под его руководством в этом же 1897 г. в Кэмбриджской лаборатории начались измерения той величины, которую Стоней назвал электроном. (Напомним, что Стоней вычислил элементарный заряд.)

Первую работу провел ученик Томсона Генри Таунсенд. Он получил значение элементарного заряда, близкое к современному.

Поскольку речь шла об утверждении новой фундаментальной истины, сам Томсон и его ученики варьировали условия экспериментов с целью убедиться в том, что во всех случаях электрон имеет один и тот же заряд и удельный заряд. Однако различные опыты давали заметно отличающиеся друг от друга значения e₀ и е₀/m. (Нужно иметь в виду несовершенство измерительной техники того времени!) Это порождало сомнения в существовании электрона. Они были окончательно рассеяны лишь после опытов Милликена.

Томсон, однако, был глубоко убежден в реальности электрона и смело шел дальше.

Первый шаг к раскрытию структуры атомов. Нужно теперь повторить основные этапы пути, приведшего к открытию электрона. Вначале была установлена природа катодных лучей. Оказалось, что это поток частиц. Затем было выяснено, что все частицы одинаковы, все они отрицательно заряжены. Измерение отношения заряда к массе показало, что частицам следует приписать массу, примерно в тысячу раз меньшую массы легчайшего из атомов. Отсюда идея Томсона о том, что эти частицы - осколки атомов, причем осколки одинаковые. Томсон убежден, что, кроме деления материи на атомы, есть еще "более тонкое дробление" на корпускулы, каждая из которых несет элементарный заряд e₀. (Пока еще корпускула не называется электроном.)

Открытие радиоактивного γ-излучения (1895), термоэлектричества (1897), исследование фотоэффекта (1898) еще более укрепило уверенность Томсона в существовании элементарной частицы материи. И он выступил в 1898 г. с решительным заявлением: "Я рассматриваю атом составленным из большого числа малых тел, которые я буду называть корпускулами; эти корпускулы одинаковы... В нормальном атоме этот ансамбль корпускул образует электрическую нейтральную систему...

Электризацию газа я рассматриваю как явление, сводящееся к расщеплению некоторых из атомов газа, что приводит к отделению корпускул от этих атомов. Отщепившиеся корпускулы ведут себя подобно отрицательным ионам, каждый из которых переносит постоянный отрицательный заряд, который мы будем для краткости называть единичным зарядом; в то же время оставшаяся часть атома ведет себя подобно положительному иону с единичным положительным зарядом и массой, большой по сравнению с массой отрицательного иона".

"Корпускулы являются повозкой, с помощью которой электричество переносится от одного атома к другому" (подчеркнуто мною.- В. Д.).

Далее Томсон пытается построить количественную теорию атома. Он исходит из представления об атоме как сферическом теле, заполненном положительным зарядом, внутри которого вращаются электроны. Скорость вращения не может превосходить некоторой предельной величины. Если электронов больше восьми, то они располагаются несколькими кольцами; число электронов в каждом кольце уменьшается с уменьшением радиуса кольца. Так впервые появилось представление об электронных оболочках атомов.

Теория Томсона открыла путь к объяснению химических свойств атомов, структуры периодической системы химических элементов Менделеева. Однако возможности теории Томсона оказались ограниченными, большинству явлений она могла дать лишь качественное описание.

Открытие атомного ядра. Нужно обратить внимание учащихся на то, что в модели Томсона была важная деталь, которая не следовала из опыта. Действительно, положительный заряд считался равномерно распределенным по всему объему атома. Опыт не давал оснований для этой гипотезы. Отрицательный заряд связан с частицами, делится на одинаковые порции, почему же положительный заряд представляется в виде какой-то гипотетической жидкости?

Если так поставить вопросы, учащиеся, наверное, будут убеждены в необходимости дальнейших исследований по раскрытию структуры атома и будут с интересом следить за дальнейшим ходом событий.

Установление структуры атома было сделано в Манчестерской лаборатории, руководимой Э. Резерфордом.

Эрнест Резерфорд родился в 1871 г. в семье мелкого фермера в Новой Зеландии. После окончания Новозеландского университета в 1894 г. он получает правительственную стипендию для продолжения образования в Англии. Выдающиеся способности Резерфорда сразу же замечает Дж. Дж. Томсон и представляет ему возможность самостоятельной научной работы в Кавендишской лаборатории. Первые работы Резерфорда были посвящены изучению ионизации газов. Он установил существование тока насыщения в газе при действии ионизатора. Уже в 26 лет Резерфорд был приглашен занять кафедру физики в университете Монреаля. Здесь он начал исследования радиоактивности, феноменальные по плодотворности результатов. В 1907 г. его приглашает Манчестерский университет. Здесь интересы Резерфорда сосредоточиваются на проблеме рассеяния радиоактивных излучений веществом, решение которой привело к установлению структуры атома. С 1919 г. до смерти в 1937 г. Резерфорд - профессор Кембриджского университета и директор Кавендишской лаборатории.

Проблема рассеяния α-частиц веществом привлекла Резерфорда в 1906 г., когда он заметил, что если отверстие коллиматора, через который проходил пучок α-частиц, закрыть иластинкой слюды толщиной всего 20 мкм, то пятно на фотопластинке, поставленной за коллиматором, расплывается. Расплывание соответствовало отклонению а-частиц приблизительно на 2°. Расплывание могло быть только результатом действия внутреннего электрического поля атомов. Резерфорд оценил напряженность поля и, получив значение порядка 10⁸ В/см, заключил: "Такой результат определенно означает, что в атомах материи должны быть сосредоточены огромные электрические силы".

В 1908 г. Резерфорд поручил своему аспиранту из Германии Гансу Гейгеру изучить картину рассеяния α-частиц. Руководящей была идея Резерфорда: картина рассеяния атомами заряженных частиц должна содержать информацию о структуре атома. В качестве зондирующих снарядов естественно было выбрать α-частицы. Во-первых, природа предоставила естественные источники α-частиц - радиоактивные препараты; во-вторых, эти частицы обладают достаточно большой массой и энергисй для получения четкой картины рассеяния; в-третьих, преимуществом α-частиц было то, что от них легко видимы сцинтилляции.

Хотя визуальный подсчет сцинтилляций представлял утомительную процедуру, он был единственным в то время надежным способом измерения угла рассеяния α-частиц тонкими пластинками. Вначале Гейгер подсчитал число сцинтилляций, вызванных α-частицами, отклоненными от оси пучка лишь до 10 мм по экрану. При расстоянии от щели до экрана 54 см это соответствовало примерно отклонению на 1°. Далее Гейгер вместе с аспирантом Резерфорда Эрнстом Марсденом начали подсчет сцинтилляций, вызванных α-частицами, отклоненными на большие урлы. Резерфорд впоследствии писал: "Я не верил в это, потому что мы знали, что α-частица, т. е. очень быстрая тяжелая частица с огромной энергией, и можно показать, что если рассеяние обусловлено накоплением эффекта от последовательных рассеяний на малые углы, то вероятность рассеяния а-частиц назад должна быть очень мала".

Однако Гейгер и Марсден обнаружили множество случаев рассеяния α-частиц. на большие углы. Резерфорд вспоминал: "Я помню, ко мне пришел очень взволнованный Гейгер и сказал: "Мы, кажется, получили несколько случаев рассеяния α-частиц назад". Это самое невероятное событие; которое было в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в папиросную бумагу и он, отразившись от нее, пошел бы в вас. При анализе этого я понял, что такое рассеяние назад должно быть результатом однократного столкновения, и, произведя расчеты, увидел, что это никоим образом невозможно, если не предположить, что подавляющая часть массы атома сконцентрирована в крошечном ядре. Именно тогда у меня зародилась идея об атоме с крошечным массивным центром, в котором сосредоточен заряд".

В 1911 г. Резерфорд опубликовал теорию рассеяния α-частиц ядрами атомов, из которой следовала доступная прямой экспериментальной проверке закономерность: вероятность отклонения α-частицы фольгой толщиной l на угол φ пропорциональна t·cosec⁴ φ/2.

Далее последовала серия экспериментов Гейгера и Марсдена. В 1913 г. они смогли подвести итог:

"Мы полностью подтвердили теорию профессора Резерфорда". Существование атомных ядер стало реальностью.

Методическое замечание. В таком расчлененном, поэтапном раскрытии учащиеся увидят динамику становления физической истины, механизм научного поиска, и это будет способствовать возбуждению познавательных эмоций и более глубокому усвоению основных физических представлений.