Кіріспе
Зарядталған бөлшектердің Куломб күшінің эластикалық шашырауы Бөлшектер физикасында, Резерфорд шашырауы – зарядталған бөлшектердің Куломб әрекеттесуінің эластикалық шашырауы. Бұл 1911 жылы Эрнест Резерфорд түсіндірген физикалық құбылыс, ол атомның планеталық Резерфорд моделінің және, әрі қарай, Бор моделінің дамуына әкелді. Резерфорд шашырауы алғаш рет Куломб шашырауы деп аталды, себебі ол тек статикалық электр (Куломб) потенциалына негізделген, ал бөлшектер арасындағы ең аз қашықтық осы потенциалмен толық анықталады. Альфа бөлшектерінің алтын ядроларына қарсы классикалық Резерфорд шашырауы – «эластикалық шашыраудың» мысалы, өйткені альфа бөлшектері де, алтын ядролары да ішкі түрде қоздырылмайды. Резерфорд формуласы (төменде қараңыз) үлкен нысана ядросының кері толқу кинетикалық энергиясын ескермейді. Алғашқы жаңалықты 1909 жылы Ханс Гейгер мен Эрнест Марсден Резерфордпен бірлесіп алтын фольгасымен эксперимент жүргізген кезде жасады, олар бірнеше атом қалыңдығындағы алтын фольгасына альфа бөлшектерінің (гелий ядролары) шоғын бағыттады. Эксперимент кезінде атомды Ж.Дж. Томсон ұсынғандай, теріс зарядталған электрондармен (қара құрамы) толы оң сфералық матрицадан (құрамы) тұратын бисквитке (plum pudding) ұқсас деп есептеді. Егер бисквит моделі дұрыс болса, оң «құрамы», дұрыс ядролық модельге қарағанда кеңірек тарағандықтан, мұндай үлкен Куломб күштерін тудыра алмас еді, ал альфа бөлшектері тек кішкентай бұрыштармен ғана бұрылуы керек еді. Бірақ қызықты нәтижелер көрсетті, шамамен 20 000 альфа бөлшектің біреуі өте үлкен бұрыштармен (90°-тан жоғары) бұрылды, ал қалғаны аз бұрылыспен өтті. Осыдан Резерфорд массаның көп бөлігі электрондармен қоршалған кішкентай, оң зарядталған аймақта (ядрода) шоғырланған деген қорытынды жасады. Оң (альфа) бөлшек ядроға жеткілікті жақын келгенде, ол жоғары бұрыштармен кері секіруге жеткілікті күшпен итеріледі. Ядроның кішкентай өлшемі осылайша кері секіріп кеткен альфа бөлшектерінің азын түсіндіреді. Резерфорд төменде сипатталған әдіс арқылы ядроның өлшемі шамамен e=14-тен кіші екенін көрсетті (бұл өлшемнен қаншалықты кіші екенін Резерфорд тек осы эксперименттен анықтай алмады; ең кішкентай өлшем мәселесі туралы төменде көбірек қараңыз). 1-суретте бұлт камерасының газындағы ядромен альфа бөлшегінің бұрылуы көрсетілген. Резерфорд шашырауы қазір материалтану қауымдастығында Рутерфордтың кері шашырауы деп аталатын талдамалық техника ретінде қолданылады.
In particle physics, Rutherford scattering is the elastic scattering of charged particles by the Coulomb interaction. It is a physical phenomenon explained by Ernest Rutherford in 1911 that led to the development of the planetary Rutherford model of the atom and eventually the Bohr model. Rutherford scattering was first referred to as Coulomb scattering because it relies only upon the static electric (Coulomb) potential, and the minimum distance between particles is set entirely by this potential. The classical Rutherford scattering process of alpha particles against gold nuclei is an example of "elastic scattering" because neither the alpha particles nor the gold nuclei are internally excited. The Rutherford formula (see below) further neglects the recoil kinetic energy of the massive target nucleus. The initial discovery was made by Hans Geiger and Ernest Marsden in 1909 when they performed the gold foil experiment in collaboration with Rutherford, in which they fired a beam of alpha particles (helium nuclei) at foils of gold leaf only a few atoms thick. At the time of the experiment, the atom was thought to be analogous to a plum pudding (as proposed by J. J. Thomson), with the negatively charged electrons (the plums) studded throughout a positive spherical matrix (the pudding). If the plum pudding model were correct, the positive "pudding", being more spread out than in the correct model of a concentrated nucleus, would not be able to exert such large coulombic forces, and the alpha particles should only be deflected by small angles as they pass through. However, the intriguing results showed that around 1 in 20,000 alpha particles were deflected by very large angles (over 90°), while the rest passed through with little deflection. From this, Rutherford concluded that the majority of the mass was concentrated in a minute, positively charged region (the nucleus) surrounded by electrons. When a (positive) alpha particle approached sufficiently close to the nucleus, it was repelled strongly enough to rebound at high angles. The small size of the nucleus explained the small number of alpha particles that were repelled in this way. Rutherford showed, using the method outlined below, that the size of the nucleus was less than about e= 14 (how much less than this size, Rutherford could not tell from this experiment alone; see more below on this problem of lowest possible size). As a visual example, Figure 1 shows the deflection of an alpha particle by a nucleus in the gas of a cloud chamber. Rutherford scattering is now exploited by the materials science community in an analytical technique called Rutherford backscattering.
Релятивистік бөлшектер мен нысананың кері қайтуы бар жағдайларға кеңейту
Ратфорд типті төмен энергиялы шашыраудың релятивистік энергияларға және ішкі спині бар бөлшектерге кеңеюі осы мақаланың шегінен тыс. Мысалы, протоннан электрон шашырауы Мотт шашырауы ретінде сипатталады, қимасы релятивистік емес электрондар үшін Ратфорд формуласына дейін азаяды. Егер сәуле немесе нысана бөлшегінің ішкі энергиясы қоздырылмаса, бұл процесс «эластикалық шашырау» деп аталады, себебі энергия мен импульс кез келген жағдайда сақталуы тиіс. Егер соқтығысу нәтижесінде бір немесе екінші құрамдас бөлшектердің қоздырылуына немесе өзара әрекеттесу кезінде жаңа бөлшектер пайда болса, онда бұл процесс «инеластикалық шашырау» деп аталады. Нысананың кері соққысын оңай басқаруға болады. Біз әлі де жоғарыда сипатталған жағдайды қарастырамыз, онда 2-ші бөлшек бастапқыда зертханалық жүйеде тыныш күйде болады. Жоғарыда келтірілген нәтижелердің барлығы масса орталығының жүйесінде қолданылады. Зертханалық жүйеде, L индексімен белгіленетін, жалпы орталық потенциал үшін шашырау бұрышы:
мұндағы , үшін , үшін , яғни, түсетін бөлшек өте кішкентай бұрышқа бұрылады. Зертханалық жүйедегі 2-ші бөлшектің соңғы кинетикалық энергиясы:
F 0 мен 1 аралығында және , яғни, бөлшектердің массаларын ауыстырсақ, мәні өзгермейді. Егер , немесе түсетін бөлшек ауыр болса, нөлге жақындасады, яғни түсетін бөлшек өзінің кинетикалық энергиясының басым бөлігін сақтайды. Кез келген орталық потенциал үшін зертханалық жүйедегі дифференциалдық қима, масса орталығының жүйесіндегі қимамен былай байланысты:
Кері соққының маңыздылығын түсіну үшін алтын ядросынан (массалық саны ) шашыраған альфа бөлшегінің (массалық саны ) энергия қатынасын F есептейміз. Алтынның альфаға түсуінің кері жағдайында F жоғарыда айтылғандай бірдей мәнге ие. Электронның протондан шашырауының ең экстремалды жағдайы үшін және .