Л/Р: Изучение опытов Резерфорда и строения атома по Резерфорду-Бору

Цель работы

Изучить с помощью компьютерного моделирования и расчетов результаты опытов Резерфорда и Чадвика по просвечиванию α-частицами металлических пластинок и теорию рассеяния α-частиц. Проанализировать построение модели атома Резерфорда-Бора для разных значений зарядового числа элемента.


16.3. Описание лабораторной установки

Данная работа проводится расчетным методом на персональном компьютере. Для ее выполнения используется специальная программа, которая загружена в компьютер. Программа предназначена для изучения особенностей рассеяния α-частиц при взаимодействии с различными ядрами атомов в опытах Резерфорда и в опытах Чадвика. Кроме того, программа позволяет построить различные модели атомов по Резерфорду – Бору для заданного зарядового числа атома Z .

Функционально программа состоит из нескольких блоков, которые позволяют:

1. изучить схему опыта Резерфорда и построить график зависимости числа рассеянных α-частиц при соударении с различными ядрами атомов;
2. построить траекторию полета α-частицы вблизи выбранного ядра атома;
3. изучить схему опыта Чадвика и рассчитать таблицу результатов этого опыта;
4. построить модель атома Резерфорда – Бора для выбранного числа протонов и нейтронов в ядре атома.

Для успешного выполнения работы надо иметь лишь элементарные навыки пользования компьютером. Эти навыки сводятся к умению работать с клавиатурой компьютера. В случае, если таких навыков у студента нет, необходимо перед

выполнением работы проконсультироваться у преподавателя и выполнение работы проводить только в присутствии лаборанта или преподавателя.

КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ нажимать на клавиатуре компьютера какие-либо клавиши, кроме букв алфавита, цифр, клавиш перемещения курсора и клавиши "ВВОД". Все остальные клавиши нажимаются только с разрешения и в присутствии лаборанта.



16.4. Методика проведения эксперимента и обработка результатов
16.4.1. Методика эксперимента

Заложенная в компьютер программа предполагает выполнение следующих расчетных операций:

1. построить на экране монитора схему опыта Резерфорда;
2. рассчитать и построить график зависимости числа рассеянных α-частиц (для различных энергий этих частиц) при соударении с различными ядра-ми атомов;
3. построить на экране монитора траекторию пролета α-частицы вблизи вы-бранного ядра атома;
4. изобразить на экране схему опыта Чадвика и рассчитать таблицу результатов, получаемых в этом опыте;
5. построить и изобразить на экране модель атома Резерфорда – Бора для выбранного числа протонов и нейтронов в ядре атома.

Все эти построения и расчеты могут выполняться для широкого интервала значений вводимых величин заряда ядра, энергии изучаемых α-частиц и других значений, которые вводятся в начале выполнения работы. После всех расчетов на экран монитора выводятся рассчитанные значения необходимых величин и графики

Все графики могут рассматриваться на экране монитора, зарисовываться в протокол работы или распечатываться на принтере для сравнения и анализа полученных результатов. Расчет всех операций выполняется на компьютере довольно быстро (порядка 15- 20 минут), что позволяет проводить его неоднократно в течение занятия. После выполнения всей работы ее можно повторить для других значений параметров, вводимых в процессе работы, а затем сравнить полученные результаты.


16.4.2. Порядок выполнения работы

1. При домашней подготовке запишите в протокол (в произвольной форме) значения заряда и массы α-частицы. Выберите и запишите значения зарядов ядер (не менее трех), предполагаемых для изучения рассеяния α-частиц.

В лаборатории перед началом работы обсудите с преподавателем целесообразность расчетов для выбранных параметров. Затем проверьте, включены ли компьютер и монитор (а также, при возможности, принтер). Если Вы впервые работаете на данном типе компьютера, получите необходимый инструктаж по его эксплуатации у лаборанта.

Получив разрешение на работу, запустите программу и приступайте к выполнению задания.

2. Введите выбранные значения заряда ядра и энергии α-частицы. Помните, что после набора соответствующего числа нужно нажимать клавишу "ВВОД" для отправки этого числа в расчетную программу.

3. Приготовьте Ваш протокол работы для того, чтобы вписать в него расчетные значения получаемых величин и зарисовать графики. Сделайте эти записи и зарисовки в протоколе.

4. Закончив зарисовку всех графиков для каждого из заданий, нажмите любую клавишу и перейдите к построению модели атома Резерфорда – Бора. Повторите выполнение этого задания для нескольких значений вводимого числа протонов и нейтронов в ядре. Зарисуйте полученную модель атома в протокол работы.

5. Выполнив тем самым весь цикл работы, при наличии времени повторите ее для других параметров вводимых величин, зарисовывая результаты в протокол своей работы. Для окончания работы на запрос программы о продолжении работы нажмите клавишу „N". На этом Ваше выполнение работы закончено.



16.4.3. Обработка результатов работы

При домашней обработке результатов проанализируйте и сравните полученные графики и значения рассчитанных величин. Сравните построенные модели атомов Резерфорда – Бора. Сделайте выводы об особенностях взаимодействия α-частиц с ядрами атомов и о принципах построения модели атома Резерфорда – Бора. Сравните ваши результаты с теоретическими [1-3]. Ответьте на контрольные вопросы.



16.5. Перечень контрольных вопросов

1. В чем суть опытов Резерфорда? Что они показали?
2. Какие законы лежат в основе количественной теории рассеяния α-частиц на ядрах атомов? Выведете формулу, определяющую угол отклонения α-частицы в поле ядра.
3. Как определяется эффективное сечение ядра для рассеяния α-частиц и число рассеянных ядром частиц? Выведете соответствующие формулы.
4. Для чего проводились и что показали опыты Чадвика?
5. Какова модель атома Резерфорда – Бора? Сформулируйте постулаты Бора.
6. Каковы принципы построения теории Бора, ее результаты, преимущества и недостатки?
7. Какова методика эксперимента в данной работе и какие выводы можно сделать из полученных результатов?

1. Шпольский Э.В. Атомная физика, т.1, М.: Физматгиз, 1963. - § 25-28, 52, 90, 107, 115.
2.  Савельев И.В. Курс общей физики, т.3, М.: Наука, 1979. - § 13-17.
3. Трофимова Т.И. Курс физики, М.: Высшая школа, 1994. - § 208, 210, 212.
4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики, М.: Высшая школа, 1989. -§ 38.1, 38.2, 38.4.