RUTHERFORDS ATOMMODELL: HISTORIE, EKSPERIMENTER, POSTULATER - FYSISK - 2026

Den Rutherford Atom modellen er beskrivelsen av atom som er opprettet av det britiske fysiker Ernest Rutherford (1871-1937) oppdaget i 1911, da atomkjernen ved de kjente sprednings eksperimenter som tar sitt navn.

Ideen om atomet ("udelbar" på gresk) som den minste komponenten i materien, var en intellektuell skapelse født i Antikkens Hellas, rundt 300 f.Kr. Som så mange andre greske konsepter, utvikles atomkonseptet basert på logikk og argumentasjon, men ikke eksperimentering.

Rutherfords atommodell

De mest kjente atomistfilosofene var Democritus of Abdera (460 - 360 f.Kr.), Epicurus of Samos (341 - 270 f.Kr.) og Titus Lucretius (98 - 54 f.Kr.). Grekerne unnfanget fire forskjellige typer atomer som tilsvarte de fire elementene som ifølge dem utgjorde materie: luft, vann, jord og ild.

Senere vil Aristoteles legge til et femte element: eteren som dannet stjernene, siden de fire andre elementene var rent landlige.

Erobringene av Alexander den store, hvor Aristoteles var lærer, utvidet sin tro over hele den eldgamle verden, fra Spania til India, og dermed skapte ideen om atomet i århundrer sin egen plass i vitenskapens verden.

Atomet er ikke lenger udelelig

Ideene fra de greske filosofer om materiens struktur gikk i oppfyllelse i hundrevis av år, til en engelsk kjemiker og skolelærer ved navn John Dalton (1776-1844) publiserte resultatene fra eksperimentene hans i 1808.

Dalton var enig i at elementer består av ekstremt små partikler, kalt atomer. Men han gikk videre ved å oppgi at alle atomene til det samme elementet er like, har samme størrelse, samme masse og de samme kjemiske egenskapene, noe som gjør at de forblir uendret under en kjemisk reaksjon.

Dette er den første vitenskapelig baserte atommodellen. I likhet med grekerne, betraktet Dalton fortsatt atomet som udelelig, og derfor manglet struktur. Imidlertid førte Daltons geni til å observere et av fysikkens store bevaringsprinsipper:

• I kjemiske reaksjoner blir atomer verken skapt eller ødelagt, de endrer bare fordelingen.

Og han slo fast hvordan kjemiske forbindelser dannes av "sammensatte atomer" (molekyler):

• Når to eller flere atomer av forskjellige elementer kombineres for å danne den samme forbindelsen, gjør de det alltid i definerte og konstante masseproporsjoner.

1800-tallet var det store århundret med elektrisitet og magnetisme. Noen få år etter Daltons publikasjoner, forsker resultatene fra noen eksperimenter forskere om at atomets udelelighet er.

Crookes tube

Crookes-røret var et apparat designet av den britiske kjemikeren og meteorologen William Crookes (1832-1919). Eksperimentet som Crookes utførte i 1875, besto av å plassere, i et rør fylt med gass ved lavt trykk, to elektroder, den ene kalt katoden og den andre kalt anoden.

Ved å etablere en potensiell forskjell mellom de to elektrodene, glødet gassen med en farge som var karakteristisk for den anvendte gassen. Dette faktum antydet at det var en bestemt organisasjon i atomet, og at den derfor ikke var udelbar.

Videre ga denne strålingen en svak fluorescens på veggen av glassrøret foran katoden, og skar ut skyggen av et tverrformet merke plassert inne i røret.

Det var en mystisk stråling kjent som "katodestråler", som reiste i en rett linje til anoden og var svært energisk, i stand til å produsere mekaniske effekter, og ble avbøyd mot en positivt ladet plate eller også av magneter.

Oppdagelsen av elektronet

Strålingen inne i Crookes-røret kunne ikke være bølger, da det hadde en negativ ladning. Joseph John Thomson (1856 - 1940) kom med svaret i 1887 da han fant forholdet mellom ladning og masse av denne strålingen, og fant ut at det alltid var det samme: 1,76 x 10 ¹¹ C / kg, uavhengig av gass lukket i røret eller materialet som brukes til å lage katoden.

Thomson kalte disse partiklene korpuskler. Ved å måle massen i forhold til den elektriske ladningen, konkluderte han med at hvert korpuskel var langt mindre enn et atom. Derfor foreslo han at de skulle være en del av disse, og dermed oppdage elektronet.

Den britiske forskeren var den første som tegnet en grafisk modell av atomet, ved å tegne en kule med innsatte punkter, som på grunn av sin form fikk kallenavnet "plommepudding". Men denne oppdagelsen vakte andre spørsmål:

• Hvis materien er nøytral, og elektronet har en negativ ladning: hvor i atomet er den positive ladningen som nøytraliserer elektronene?
• Hvis massen til elektronet er mindre enn atomet, hva består resten av atomet av?
• Hvorfor ble partiklene således oppnådd alltid elektroner og aldri av en annen type?

Rutherford spredningseksperimenter: atomkjernen og protonen

I 1898 hadde Rutherford identifisert to typer stråling fra uran, som han kalte alfa og beta.

Naturlig radioaktivitet hadde allerede blitt oppdaget av Marie Curie i 1896. Alfapartikler er positivt ladet og er ganske enkelt heliumkjerner, men på det tidspunktet var konseptet om en kjerne ennå ikke kjent. Rutherford var i ferd med å finne ut av det.

Et av eksperimentene som Rutherford utførte i 1911 ved University of Manchester, med bistand fra Hans Geiger, besto av å bombardere en tynn gullfolie med alfapartikler, hvis ladning er positiv. Rundt gullfolien plasserte han en lysstoffrør som tillot dem å visualisere effekten av bombardementet.

observasjoner

Rutherford og hans assistenter studerte innvirkningene på den lysrørskjermen og observerte at:

1. En veldig høy prosentandel av alfapartiklene passerte gjennom arket uten merkbart avvik.
2. Noen avvek i ganske bratte vinkler
3. Og veldig få spratt helt tilbake

Rutherford spredningseksperimenter. Kilde :.

Observasjoner 2 og 3 overrasket forskerne og førte dem til å anta at personen som var ansvarlig for spredningen av strålene må ha en positiv ladning, og at den som var ansvarlig var i kraft av observasjon nummer 1 mye mindre enn alfa-partiklene. .

Rutherford selv sa om det at det var "… som om du fyrte et 15-tommers marineprojektil på et papirark og prosjektilet sprang tilbake og slo deg." Dette kunne definitivt ikke forklares med Thompson-modellen.

Rutherford hadde analysert resultatene fra klassisk synspunkt og oppdaget eksistensen av atomkjernen, der den positive ladningen til atomet ble konsentrert, noe som ga det nøytralitet.

Rutherford fortsatte sine spredningseksperimenter. I 1918 var det nye målet for alfapartikler nitrogengassatomer.

På denne måten oppdaget han hydrogenkjerner og visste umiddelbart at det eneste stedet disse kjernene kunne komme fra, var fra selve nitrogenet. Hvordan var det mulig at hydrogenkjerner var en del av nitrogen?

Rutherford antydet da at kjernen av hydrogen, et element som allerede hadde fått tildelt atom nummer 1, må være en grunnleggende partikkel. Han kalte det proton, et gresk ord for det første. Dermed skyldes funnene av atomkjernen og protonen denne strålende New Zealanderen.

Rutherfords atommodell postulerer

Den nye modellen var veldig annerledes enn Thompson. Dette var postulatene hans:

• Atomet inneholder en positivt ladet kjerne, som til tross for at den er veldig liten, inneholder nesten all atomets masse.
• Elektroner går i bane rundt atomkjernen på store avstander og i sirkulære eller elliptiske baner.
• Atomens nettladning er null, siden ladningene til elektronene kompenserer for den positive ladningen som er tilstede i kjernen.

Rutherfords beregninger pekte på en kjerne med en sfærisk form og en radius så liten som 10 - ¹⁵ m, og verdien av atomradiusen er omtrent 100 000 ganger større, siden kjernene er relativt langt fra hverandre: i størrelsesorden 10 - ¹⁰ m.

Unge Ernest Rutherford. Kilde: Ukjent, utgitt i 1939 i Rutherford: being the life and letters of the Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M

Dette forklarer hvorfor de fleste alfapartikler passerte glatt gjennom arket eller bare hadde veldig liten avbøyning.

Sett på skalaen fra hverdagsobjekter, ville Rutherford-atomet være sammensatt av en kjerne på størrelse med en baseball, mens atomradiusen ville være omtrent 8 km. Derfor kan atomet betraktes som nesten alt som tomt rom.

Takket være dens likhet med et miniatyr solsystem ble det kjent som "planetens modell av atomet." Den elektrostatiske tiltrekningskraften mellom kjernen og elektroner ville være analog med gravitasjonsattraksjonen mellom solen og planetene.

begrensninger

Imidlertid var det visse uenigheter om noen observerte fakta:

• Hvis ideen om at elektronet går i bane rundt kjernen aksepteres, hender det at elektronet kontinuerlig skal avgi stråling til det kolliderer med kjernen, med den følge ødeleggelsen av atomet i løpet av et sekund. Dette er heldigvis ikke det som faktisk skjer.
• Videre avgir atomen ved visse anledninger visse frekvenser av elektromagnetisk stråling når det er overganger mellom en tilstand med høyere energi til en med lavere energi, og bare disse frekvensene, ikke andre. Hvordan forklare det faktum at energi er kvantifisert?

Til tross for disse begrensningene, siden det i dag er mye mer sofistikerte modeller i tråd med de observerte fakta, er Rutherfords atommodell fremdeles nyttig for studenten å ha en første vellykket tilnærming til atomet og dets bestanddeler.

I denne modellen av atomet vises ikke nøytronet, en annen bestanddel av kjernen, som ikke ble oppdaget før i 1932.

Kort tid etter at Rutherford foreslo sin planetariske modell, i 1913 ville den danske fysikeren Niels Bohr endre det for å forklare hvorfor atomet ikke blir ødelagt, og vi er fortsatt her for å fortelle denne historien.

Artikler av interesse

Schrödingers atommodell.

De Broglie atommodell.

Chadwicks atommodell.

Heisenberg atommodell.

Perrins atommodell.

Thomsons atommodell.

Dirac Jordan atommodell.

Atommodell av Democritus.

Bohrs atommodell.

Daltons atommodell.

referanser

1. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Klasseanmerkninger for styreleder for Radiobiologi og radiologisk beskyttelse. School of Public Health ved Central University of Venezuela.