Как влияет заряд ядра атома «мишени» на угол отклонения α−частиц? Почему?

Чтобы понять, как заряд ядра атома "мишени" влияет на угол отклонения α−частиц, нужно разобраться с основами физических процессов, происходящих при взаимодействии α−частиц с атомными ядрами. Поясним это, опираясь на теорию.

α−частицы — это положительно заряженные частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов (гелиевые ядра). При движении через вещество α−частицы сталкиваются с атомными ядрами "мишени", которые также имеют положительный заряд. Между зарядами α−частиц и ядра "мишени" действует кулоновская сила отталкивания, поскольку оба заряда положительные.

Ключевые аспекты взаимодействия:

1. Кулоновское взаимодействие Между α−частицей и ядром атома возникает кулоновская сила, определяемая законом Кулона: $$ F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}, $$ где:
   • $F$ — сила взаимодействия,
   • $k$ — кулоновская постоянная,
   • $q_1$ и $q_2$ — заряды взаимодействующих частиц,
   • $r$ — расстояние между частицами.

Чем больше заряд ядра $q_2$ атома "мишени", тем сильнее кулоновская сила, воздействующая на α−частицу.

1. Зависимость угла отклонения от силы взаимодействия
   При столкновении α−частица отклоняется от первоначального направления движения. Угол отклонения зависит от силы взаимодействия, которая, в свою очередь, зависит от заряда ядра. Если заряд ядра "мишени" увеличивается, то сила отталкивания становится сильнее, приводя к большему отклонению траектории. Это объясняется тем, что чем сильнее взаимодействие, тем значительнее изменение направления движения α−частицы.

2. Фактор расстояния
   Помимо заряда ядра, важную роль играет расстояние $r$ между α−частицей и ядром. Чем ближе α−частица подходит к ядру, тем сильнее становится кулоновская сила, поскольку она обратно пропорциональна квадрату расстояния. Если α−частица приближается на достаточно близкое расстояние к ядру с большим зарядом, её отклонение будет значительно больше.

3. Энергия α−частицы
   Угол отклонения также зависит от кинетической энергии α−частицы. Если энергия α−частицы велика, она может двигаться ближе к ядру, преодолевая кулоновское отталкивание, но её траектория всё равно будет отклонена. При низкой энергии отклонение будет более заметным, так как α−частица сильнее "замедляется" под влиянием кулоновской силы.

4. Пропорциональность угла отклонения и заряда ядра
   Экспериментально и теоретически установлено, что угол отклонения увеличивается с ростом заряда ядра. Это объясняется тем, что кулоновские силы растут при увеличении заряда ядра атома "мишени".

5. Ядерная модель атома
   Вопрос об отклонении α−частиц был ключевым в эксперименте Резерфорда, который открыл ядро атома. Большие углы отклонения наблюдаются при взаимодействии α−частиц с ядрами атомов с высоким зарядом (например, золото). Это доказывает, что ядро атома имеет положительный заряд и занимает крайне малую часть объёма атома, концентрируя значительную часть его массы.

Вывод:
Угол отклонения α−частиц напрямую зависит от заряда ядра атома "мишени". Чем больше заряд ядра, тем сильнее кулоновская сила взаимодействия и тем больше угол отклонения. Это связано с законом Кулона, который описывает силу взаимодействия между заряженными частицами.