RUTHERFORDS EKSPERIMENT: HISTORIE, BESKRIVELSE OG KONKLUSJONER - VITENSKAP - 2025

Den eksperiment Rutherford , utføres mellom 1908 og 1913 besto bombe en tynn gullfilm på 0,0004 mm tykk, med alfa-partikler og analysere dispersjonen mønster av nevnte partikler igjen på en fluorescerende skjerm.

Faktisk gjennomførte Rutherford mange eksperimenter, og foredlet detaljene mer og mer. Etter nøye analyse av resultatene, kom to veldig viktige konklusjoner:

-Den positive ladning av atomet er konsentrert i et område som kalles kjernen.

-Denne atomkjernen er utrolig liten sammenlignet med størrelsen på atomet.

Figur 1. Rutherfords eksperiment. Kilde: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) var en New Zealand-født fysiker som hadde interesse for radioaktivitet og materiens natur. Radioaktivitet var et nylig fenomen da Rutherford begynte eksperimentene sine, det hadde blitt oppdaget av Henri Becquerel i 1896.

I 1907 flyttet Rutherford til University of Manchester i England for å studere strukturen til atomet, ved å bruke disse alfapartiklene som sonder for å kikke seg inn i en så liten struktur. Fysikerne Hans Geiger og Ernest Marsden akkompagnerte ham på oppgaven.

De håpet å se hvordan en alfapartikkel, som er et dobbelt ionisert heliumatom, ville samvirke med et enkelt gullatom, for å sikre at ethvert avvik den opplevde utelukkende skyldtes elektrisk kraft.

Imidlertid passerte de fleste alfapartikler gjennom gullfolien med bare et lite avvik.

Dette faktum var i full overensstemmelse med Thomsons atommodell, men overraskende for forskerne, opplevde en liten prosentdel av alfapartiklene et ganske bemerkelsesverdig avvik.

Og enda mindre prosentandel av partikler ville komme tilbake, og hoppe helt tilbake. Hva skyldes disse uventede resultatene?

Beskrivelse og konklusjoner av eksperimentet

Faktisk er alfapartiklene som Rutherford brukte som sonde heliumkjerner, og på det tidspunktet var det bare kjent at disse partiklene var positivt ladet. I dag er det kjent at alfapartikler består av to protoner og to nøytroner.

Alfapartikler og beta-partikler var blitt identifisert av Rutherford som to forskjellige typer stråling fra uran. Alfapartikler, mye massivere enn elektronet, har en positiv elektrisk ladning, mens beta-partikler kan være elektroner eller positroner.

Figur 2. Detaljert skjema for Rutherford, Geiger og Marsden-eksperimentet. Kilde: R. Knight. Fysikk for forskere og ingeniørfag: en strategi tilnærming. Pearson.

Et forenklet skjema for eksperimentet er vist i figur 2. Alfa-partikkelstrålen kommer fra en radioaktiv kilde. Geiger og Marsden brukte radongass som utsender.

Blyblokkene ble brukt for å rette strålingen mot gullfolien og forhindre at den gikk direkte til den lysrørskjermen. Bly er et materiale som absorberer stråling.

Deretter ble strålen som således ble rettet, gjort til å krenke på en tynn gullfolie, og de fleste av partiklene fortsatte på vei til den lysstoffskinnsulfat-silen, hvor de etterlot seg et lite lysspor. Geiger hadde ansvaret for å telle dem en etter en, selv om de senere tegnet en enhet som gjorde det.

At noen partikler gjennomgikk en liten avbøyning overrasket ikke Rutherford, Geiger og Marsden. Det er tross alt positive og negative ladninger på atomet som utøver krefter på alfapartiklene, men siden atomet er nøytralt, noe de allerede visste, måtte avvikene være små.

Overraskelsen av eksperimentet er at noen få positive partikler ble sprettet nesten direkte tilbake.

konklusjoner

Cirka 1 av 8000 alfapartikler opplevde avbøyning i vinkler større enn 90 °. Få, men nok til å stille spørsmål ved noen ting.

Atommodellen på moten var den fra rosinpudding av Thomson, Rutherfords tidligere professor ved Cavendish Laboratory, men Rutherford lurte på om ideen om et atom uten en kjerne og med elektroner innebygd som rosiner, var riktig.

Fordi det viser seg at disse store avbøyningene av alfapartikler, og det faktum at noen få er i stand til å returnere, kan bare forklares hvis et atom har en liten, tung, positiv kjerne. Rutherford antok at bare de elektriske attraktive og frastøtende krefter, som antydet av Coulombs lov, var ansvarlige for ethvert avvik.

Når noen av alfapartiklene nærmer seg rett mot denne kjernen, og siden den elektriske kraften varierer med det inverse kvadratet av avstanden, kjenner de en frastøtning som får dem vidvinkelspredningen eller bakoverbøyningen.

For å være sikker eksperimenterte Geiger og Marsden med bombardering av ark av forskjellige metaller, ikke bare gull, selv om dette metallet var det mest passende for sin formbarhet, for å lage veldig tynne ark.

Ved å oppnå lignende resultater var Rutherford overbevist om at den positive ladningen i atomet skulle være lokalisert i kjernen, og ikke spredt i hele sitt volum, slik Thomson postulerte i sin modell.

På den annen side, siden de aller fleste alfapartikler passerte uten avvik, måtte kjernen være veldig, veldig liten sammenlignet med atomstørrelse. Imidlertid måtte denne kjernen konsentrere seg mest av massen til atomet.

Påvirkning på modellen til atomet

Resultatene overrasket Rutherford, som erklærte på en konferanse i Cambridge: "… det er som når du skyter en 15-tommers kanonkule på et ark silkepapir og prosjektilet spretter direkte mot deg og treffer deg".

Siden disse resultatene ikke kunne forklares med Thomsons atommodell, foreslo Rutherford at atomet var satt sammen av en kjerne, veldig liten, veldig massiv og positivt ladet. Elektronene forble i baner rundt ham, som et miniatyr solsystem.

Figur 3. Rutherfords atommodell til venstre og Thomsons rosinpuddingmodell til høyre. Kilde: Wikimedia Commons. Venstre bilde: Jcymc90

Dette er hva kjernefysiske modellen til atomet vist i figur 3 til venstre handler om. Ettersom elektroner også er veldig, veldig små, viser det seg at atomet nesten er alt…. tømme! Derfor passerer de fleste alfapartikler vanskelig gjennom arket.

Og analogien med et miniatyrsolsystem er veldig nøyaktig. Atomkjernen spiller solens rolle, som inneholder nesten all massen pluss den positive ladningen. Elektroner går i bane rundt seg som planeter og har en negativ ladning. Samlingen er elektrisk nøytral.

Om distribusjonen av elektronene i atomet viste Rutherfords eksperiment ingenting. Du kan tro at alfapartiklene ville ha en viss interaksjon med dem, men massen til elektronene er for liten og de klarte ikke å avlede partiklene nevneverdig.

Ulemper ved Rutherford-modellen

Et problem med denne atommodellen var nettopp atferden til elektronene.

Hvis disse ikke var statiske, men som går i bane rundt atomkjernen i sirkulære eller elliptiske baner, drevet av elektrisk tiltrekning, ville de ende med å skynde seg mot kjernen.

Dette er fordi de akselererte elektronene mister energi, og hvis det skjer, ville det være sammenbruddet av atomet og materien.

Heldigvis er det ikke dette som skjer. Det er en slags dynamisk stabilitet som forhindrer kollaps. Den neste atommodellen, etter Rutherfords, var Bohrs, som ga noen svar på hvorfor atomkollaps ikke forekommer.

Protonet og nøytronet

Rutherford fortsatte å gjøre spredningseksperimenter. Mellom 1917 og 1918 valgte han og hans assistent William Kay å bombardere gassformige nitrogenatomer med de meget energiske alfa-partiklene fra vismut-214.

Han ble overrasket igjen, da han oppdaget hydrogenkjerner. Dette er likningen av reaksjonen, den første kunstige kjernefysiske transmutasjonen som noen gang er oppnådd:

Svaret var: fra samme nitrogen. Rutherford hadde tildelt atom atom nummer 1, fordi det er det enkleste elementet av alle: en positiv kjerne og et negativt elektron.

Rutherford hadde funnet en grunnleggende partikkel som han navnga en proton, et navn avledet fra det greske ordet for første gang. På denne måten er protonet en essensiell bestanddel av hver atomkjerne.

Senere, rundt 1920, foreslo Rutherford at det måtte være en nøytral partikkel med en masse som var veldig lik protonen. Han kalte denne partikkelen et nøytron, og det er en del av nesten alle kjente atomer. Fysikeren James Chadwick identifiserte det endelig i 1932.

Hvordan ser en skalamodell av hydrogenatomet ut?

Hydrogenatom er som sagt det enkleste av alle. Imidlertid var det ikke lett å utvikle en modell for dette atomet.

Påfølgende funn ga opphav til kvantefysikk og en hel teori som beskriver fenomener i en atomskala. Under denne prosessen utviklet også atommodellen. Men la oss se på spørsmålet om størrelser:

Hydrogenatom har en kjerne som består av ett proton (positivt) og har et enkelt elektron (negativt).

Hydrogenatomets radius har blitt estimert til 2,1 x 10 ^-10 m, mens protonens radius er 0,85 x ^10-15 m eller 0,85 fm. Navnet på denne lille enheten skyldes Enrico Fermi og brukes mye når du jobber i denne skalaen.

Vel, kvotienten mellom radiusen til atomen og kjernen er i størrelsesorden 10 ⁵ m, det vil si atomet er 100 000 ganger større enn kjernen!

Imidlertid må det huskes at i den moderne modellen, basert på Quantum Mechanics, omslutter elektronet kjernen i en slags sky som kalles en orbital (en orbital er ikke en bane) og elektronet, i en atomskala, er ikke punktlig.

Hvis hydrogenatomet ble utvidet - fantasifullt - til størrelsen på en fotballbane, ville kjernen sammensatt av et positivt proton være på størrelse med en maur i midten av feltet, mens det negative elektronet ville være som et slags spøkelse, spredt over hele feltet og rundt den positive kjernen.

Atommodellen i dag

Denne "planetariske" atommodellen er veldig inngrodd og er det bildet som folk flest har av atomet, siden det er veldig enkelt å visualisere. Imidlertid er det ikke den aksepterte modellen i dag på det vitenskapelige feltet.

Moderne atommodeller er basert på Quantum Mechanics. Hun påpeker at elektronet i atomet ikke er en negativt ladet prikk som følger presise baner, slik Rutherford så for seg.

Snarere er elektronet spredt i områder rundt den positive kjernen, kalt atomorbitaler. Fra ham kan vi kjenne til sannsynligheten for å være i en eller annen tilstand.

Til tross for dette representerte Rutherfords modell en enorm fremgang i kunnskapen om det indre strukturen til atomet. Og det banet vei for flere forskere å fortsette å avgrense den.

referanser

1. Andriessen, M. 2001. HSC-kurs. Fysikk 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Universitetsfysikk. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
4. Fysikk OpenLab. Rutherford-Geiger-Marsden-eksperimentet. Gjenopprettet fra: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. Rutherford Scattering Experiment. Hentet fra: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherfords eksperimenter. Gjenopprettet fra: xaktly.com.
8. Wikipedia. Rutherfords eksperiment. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.org.