Чем можно объяснить наблюдаемое в опыте Резерфорда отклонение от первоначального направления небольшой части α−частиц и даже возвращение нескольких из них назад при прохождении потока этих частиц через золотую фольгу?

Для объяснения наблюдаемого в опыте Резерфорда отклонения α−частиц от их первоначального направления, а также их редкого возвращения назад, необходимо рассмотреть структуру атома и взаимодействие между α−частицами и атомами вещества, через которое они проходят.

1. Альфа−частицы: Альфа−частицы ($\alpha$−частицы) представляют собой ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Они имеют положительный заряд, так как их состав включает два протона. Из−за своей массы и энергии, они способны проходить через тонкие материалы, такие как золотая фольга, взаимодействуя при этом с атомами.

2. Модель атома до опыта Резерфорда: До проведения эксперимента Резерфорда, наиболее распространённой была модель Томсона, также известная как "пудинговая модель". Она представляла атом как однородную сферу, заполненную положительным зарядом, внутри которой "вкраплены" электроны. Согласно этой модели, плотность положительного заряда распределена равномерно, и альфа−частицы должны были бы проходить через атомы практически без отклонений.

3. Эксперимент Резерфорда: В своем знаменитом опыте Резерфорд направил поток альфа−частиц на тонкую золотую фольгу и наблюдал, как они рассеиваются. Большинство частиц прошло через фольгу практически без отклонений, что подтверждало, что атомы в основном состоят из пустого пространства. Однако, небольшая часть частиц отклонялась на значительные углы, а некоторые даже отражались обратно.

4. Объяснение результатов:

   • Резерфорд предположил, что атом имеет ядро — очень маленькую, но очень плотную центральную часть, в которой сосредоточена почти вся масса атома и весь его положительный заряд.
   • При прохождении через атомы золотой фольги большинство альфа−частиц не взаимодействовало с ядром, так как ядро занимает лишь малую часть объема атома (остальное пространство почти пустое). Такие частицы проходили через фольгу без значительных отклонений.
   • Некоторые альфа−частицы проходили достаточно близко к ядру, чтобы их траектория сильно отклонялась из−за электростатического отталкивания между положительно заряженной альфа−частицей и положительно заряженным ядром.
   • В редких случаях альфа−частицы попадали практически прямо в ядро или очень близко к нему. Это приводило к тому, что их движение полностью изменяло направление, и они отбрасывались назад.

5. Электростатическое взаимодействие:

   • По закону Кулона силы взаимодействия между двумя заряженными частицами обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними. Чем ближе α−частица подходит к ядру, тем сильнее сила отталкивания.
   • Так как ядро имеет очень маленький радиус (порядка $10^{-15}$ м) по сравнению с размерами атома ($10^{-10}$ м), вероятность того, что α−частица пройдет близко к ядру, крайне мала, что объясняет редкость сильных отклонений.

6. Вывод из опыта:

   • Большинство пространства внутри атома является пустым.
   • Положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его центре — в ядре.
   • Ядро занимает чрезвычайно малую часть объема атома, но обладает большой плотностью и зарядом.

Таким образом, отклонение α−частиц и их возвращение назад объясняется существованием плотного заряженного ядра в центре атома и электростатическим взаимодействием между ним и α−частицами. Этот опыт стал основой для ядерной модели атома Резерфорда и революционизировал представление о структуре материи.