この実験の結果、原子核はほとんど空であることがわかりました。しかし、私が考えているのは、アルファ粒子が薄い金箔に近づくと、なぜそれが金から電子を捕獲して非常に安定したヘリウムガスに変換できないのかということです。すべての教科書はアルファ粒子の逸脱についてのみ言及しています。なぜ上記が起こらなかったのですか、それとも私の質問に何か問題がありますか?
この実験の結果、原子核はほとんど空であることがわかりました。しかし、私が考えているのは、アルファ粒子が薄い金箔に近づくと、なぜそれが金から電子を捕獲して非常に安定したヘリウムガスに変換できないのかということです。すべての教科書はアルファ粒子の逸脱についてのみ言及しています。なぜ上記が起こらなかったのですか、それとも私の質問に何か問題がありますか?
原子核ではなく原子はほとんど空です。これはかなり大きな概念上の違いです。
今では、アルファ粒子が金箔に当たる前に、金箔に向かう途中で電子を拾っていないと信じる理由はありません。反対側の検出器は高エネルギー粒子を検出するだけなので、それらがどのように帯電しているかを実際に知ることはできません。アルファ粒子の偏差(せいぜいごくわずか)は、それでもほぼ同じです。
あなたの仮定は正しいです。アルファ粒子の場合、総阻止能への主な寄与は、電子阻止能、すなわち電子との非弾性衝突に起因する可能性があります。核の阻止能、すなわち反跳エネルギーが原子に与えられる弾性クーロン衝突から生じる寄与はごくわずかです。
材料の阻止能は、アルファの経路長あたりの平均エネルギー損失として定義されます。材料を通過するときに粒子が苦しむ。
国際放射線ユニットおよび測定委員会(ICRU)レポート49 プロトンおよびアルファ粒子の阻止能および範囲(1993)によると、金のアルファ粒子の総阻止能への寄与は次のとおりです。
$ E = 1 \ \ mathrm {MeV} $の典型的な低エネルギーアルファ粒子:
$ E = 10 \ \ mathrm {MeV} $の典型的な高エネルギーアルファ粒子:
励起またはイオン化に必要なエネルギーは、数個の$ \ mathrm {eV} $、数個の$ \ mathrm {MeV} $の初期エネルギーを持つアルファ粒子は、その経路上で多くの電子を解放することができます。相互作用の停止によりアルファ粒子が十分に減速すると、最終的に2つの電子を捕らえて、中性のヘリウム原子を形成することができます。したがって、ウランやトリウムの古い鉱物を溶かすと、ヘリウムを放出して検出できます。
ただし、ラザフォードの実験では、使用した金箔は非常に薄いものでした($ <1 \ \ mathrm {\ mu m} $;金は非常に可鍛性があり、半透明になるほど薄く叩くことができることに注意してください)。 わずか$ E = 1 \ \ mathrm {MeV} $の低エネルギーアルファ粒子の場合でも、金の範囲は$ r / \ rho = 3.974 \ times10 ^ {-3} \ \ mathrm {g \ cm ^ { -2}} $。これは、連続減速近似(CSDA)を使用して、つまり、エネルギーに対する総阻止能の逆数を積分することによって計算できます。金の密度が$ \ rho = 19.3 \ \ mathrm {g \ cm ^ {-3}} $であることを考慮すると、範囲$ r $は次のように計算できます
$$ \ begin {align} r& = \ frac {3.974 \ times10 ^ {-3} \ \ mathrm {g \ cm ^ {-2}}} {19.3 \ \ mathrm {g \ cm ^ {-3}}} \\ [6pt] & = 2.06 \ times10 ^ {-4} \ \ mathrm {cm} \\ [6pt] & = 2.06 \ \ mathrm {\ mu m} \ end {align} $$
つまり、実験は意図的に設計されましたアルファ粒子が完全に停止せず、金箔内で中性のヘリウム原子に変換されないようにしました。