RUTHERFORDOV EXPERIMENT: HISTÓRIA, POPIS A ZÁVERY - VEDA - 2025

Experiment Rutherford , vykonávané medzi rokmi 1908 a 1913 sa skladal bombardujú tenký zlatý film .0004 mm hrubé, s časticami alfa a analyzovať rozptyľovanie týchto častíc vľavo na fluorescenčným tienidle.

Rutherford v skutočnosti uskutočnil početné experimenty, čím viac podrobností vylepšoval. Po dôkladnej analýze výsledkov sa dospelo k dvom veľmi dôležitým záverom:

- Kladný náboj atómu je sústredený v oblasti nazývanej jadro.

- Toto atómové jadro je neuveriteľne malé v porovnaní s veľkosťou atómu.

Obrázok 1. Rutherfordov experiment. Zdroj: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) bol fyzik z Nového Zélandu, ktorého oblasťou záujmu bola rádioaktivita a povaha hmoty. Rádioaktivita bola nedávnym fenoménom, keď Rutherford začal experimentovať, objavil ho Henri Becquerel v roku 1896.

V roku 1907 Rutherford odišiel na univerzitu v Manchestri v Anglicku, aby študoval štruktúru atómu, pomocou týchto alfa častíc ako sondy, aby si nahliadol do takej malej štruktúry. Pri tejto úlohe ho sprevádzali fyzici Hans Geiger a Ernest Marsden.

Dúfali, že uvidia, ako alfa častica, ktorá je dvojnásobne ionizovaným atómom hélia, bude interagovať s jediným atómom zlata, aby sa ubezpečila, že akákoľvek odchýlka, ktorú zažila, je spôsobená výlučne elektrickou silou.

Väčšina častíc alfa však prešla zlatou fóliou iba s malou odchýlkou.

Táto skutočnosť bola v úplnom súlade s Thomsonovým atómovým modelom, avšak na prekvapenie vedcov malo malé percento alfa častíc pomerne výraznú odchýlku.

A ešte menšie percento častíc by sa vrátilo a úplne by sa odrazilo. Aké boli tieto neočakávané výsledky?

Opis a závery experimentu

V skutočnosti sú alfa častice, ktoré Rutherford použil ako sonda, jadrá hélia a vtedy bolo známe iba to, že tieto častice boli nabité pozitívne. Dnes je známe, že alfa častice sú tvorené dvoma protónmi a dvoma neutrónmi.

Rutherford označil alfa častice a beta častice za dva rôzne druhy žiarenia z uránu. Alfa častice, oveľa masívnejšie ako elektrón, majú kladný elektrický náboj, zatiaľ čo beta častice môžu byť elektróny alebo pozitróny.

Obrázok 2. Podrobná schéma experimentu Rutherford, Geiger a Marsden. Zdroj: R. Knight. Fyzika pre vedcov a techniku: strategický prístup. Pearson.

Zjednodušená schéma experimentu je znázornená na obrázku 2. Lúč alfa častíc pochádza z rádioaktívneho zdroja. Geiger a Marsden použili ako žiarič radónový plyn.

Olovené bloky sa použili na nasmerovanie žiarenia na zlatú fóliu a zabránenie tomu, aby smerovala priamo na fluorescenčnú obrazovku. Olovo je materiál, ktorý absorbuje žiarenie.

Následne bol nasmerovaný lúč narúšaný narážať na tenkú zlatú fóliu a väčšina častíc pokračovala na svojej ceste k fluorescenčnému sitá síranu zinočnatého, kde zanechali malú stopu svetla. Geiger mal na starosti ich počítanie jeden po druhom, hoci neskôr navrhli zariadenie, ktoré to urobilo.

Skutočnosť, že niektoré častice prešli malými priehybmi, neprekvapila Rutherforda, Geigera a Marsdena. Koniec koncov, na atóme sú kladné a záporné náboje, ktoré vyvíjajú sily na častice alfa, ale pretože atóm je neutrálny, čo už vedeli, odchýlky museli byť malé.

Prekvapením z experimentu je, že niekoľko pozitívnych častíc bolo odrazených takmer priamo späť.

závery

Okolo 1 z 8 000 alfa častíc malo sklon k uhlom väčším ako 90 °. Málo, ale dosť na to, aby som spochybnil niektoré veci.

Atómový model v móde bol model hrozienkového pudingu Thomsona, bývalého Rutherfordovho profesora v Cavendish Laboratory, ale Rutherford sa pýtal, či je myšlienka atómu bez jadra a elektrónov zabudovaných ako hrozienka správna.

Pretože sa ukazuje, že tieto veľké výchylky alfa častíc a skutočnosť, že niektoré z nich sú schopné sa vrátiť, možno vysvetliť iba vtedy, ak má atóm malé, ťažké, pozitívne jadro. Rutherford predpokladal, že za každú odchýlku sú zodpovedné iba elektrické atraktívne a odpudivé sily, ako ukazuje Coulombov zákon.

Keď sa niektoré alfa častice priblížia priamo k tomuto jadru a pretože elektrická sila sa mení s inverzným štvorcom vzdialenosti, cítia odpor, ktorý im spôsobuje rozptyl širokouhlého uhla alebo spätné vychýlenie.

Geiger a Marsden experimentovali s bombardujúcimi doskami rôznych kovov, nielen zlata, hoci tento kov bol pre svoju tvárnosť najvhodnejší, aby vytvorili veľmi tenké pláty.

Dosiahnutím podobných výsledkov bol Rutherford presvedčený, že kladný náboj na atóme by mal byť umiestnený v jadre a nemal by byť rozptýlený v celom objeme, ako Thomson vo svojom modeli predpokladal.

Na druhej strane, pretože drvivá väčšina alfa častíc prešla bez odchýlky, jadro muselo byť veľmi, veľmi malé v porovnaní s atómovou veľkosťou. Toto jadro však muselo sústrediť väčšinu hmoty atómu.

Vplyvy na model atómu

Výsledky veľmi prekvapili Rutherforda, ktorý na konferencii v Cambridge vyhlásil: „… je to, akoby ste vystrelili 15 palcovú kanónovú guľu na hárok hodvábneho papiera a projektil sa odrazil priamo k vám a zasiahol vás“.

Pretože tieto výsledky nebolo možné vysvetliť pomocou Thomsonovho atómového modelu, Rutherford navrhol, aby bol atóm tvorený jadrom, veľmi malým, veľmi masívnym a pozitívne nabitým. Elektróny zostali na obežných dráhach okolo neho ako miniatúrna slnečná sústava.

Obrázok 3. Rutherfordov atómový model vľavo a Thomsonov model hrozienkového pudingu vpravo. Zdroj: Wikimedia Commons. Ľavý obrázok: Jcymc90

To je to, o čom je jadrový model atómu znázorneného na obrázku 3 vľavo. Keďže elektróny sú veľmi, veľmi malé, ukázalo sa, že atóm je takmer všetko … vyprázdniť! Preto väčšina alfa častíc prechádza plátom ťažko vychýleným.

A analógia s miniatúrnym solárnym systémom je veľmi presná. Atómové jadro zohráva úlohu Slnka a obsahuje takmer celú hmotu plus kladný náboj. Elektróny obiehajú okolo nich ako planéty a nesú záporný náboj. Zostava je elektricky neutrálna.

Pokiaľ ide o distribúciu elektrónov v atóme, Rutherfordov experiment neukázal nič. Možno si myslíte, že alfa častice by s nimi mali nejakú interakciu, ale hmotnosť elektrónov je príliš malá a neboli schopné tieto častice významne odkloniť.

Nevýhody modelu Rutherford

Jedným z problémov tohto atómového modelu bolo presne chovanie elektrónov.

Keby to nebolo statické, ale obiehajúce okolo atómového jadra v kruhových alebo eliptických dráhach, poháňané elektrickou príťažlivosťou, nakoniec by sa ponáhľali smerom k jadru.

Je to preto, že zrýchlené elektróny strácajú energiu a ak sa tak stane, bude to kolaps atómu a hmoty.

Našťastie to tak nie je. Existuje určitá dynamická stabilita, ktorá zabraňuje kolapsu. Ďalším atómovým modelom, ktorý nasledoval po Rutherfordovom, boli Bohrovy modely, ktoré dali niekoľko odpovedí, prečo nedochádza k atómovému kolapsu.

Protón a neutrón

Rutherford pokračoval v experimentoch s rozptylom. V rokoch 1917 až 1918 sa on a jeho asistent William Kay rozhodli bombardovať plynné atómy dusíka vysoko energetickými alfa časticami z bizmutu 214.

Znovu ho prekvapilo, keď zistil atóm vodíka. Toto je rovnica reakcie, prvá umelá jadrová transmutácia, ktorá sa kedy dosiahla:

Odpoveď bola: z toho istého dusíka. Rutherford pridelil atóm vodíka číslo 1, pretože je to najjednoduchší prvok zo všetkých: kladné jadro a záporný elektrón.

Rutherford našiel základnú časticu, ktorú pomenoval najskôr protónom, menom odvodeným od gréckeho slova. Týmto spôsobom je protón podstatnou súčasťou každého atómového jadra.

Neskôr, okolo roku 1920, Rutherford navrhol, že musí existovať neutrálna častica s hmotnosťou veľmi podobnou hmote protónu. Túto časticu nazval neutrón a je súčasťou takmer všetkých známych atómov. Fyzik James Chadwick to konečne identifikoval v roku 1932.

Ako vyzerá mierkový model atómu vodíka?

Atóm vodíka je, ako sme povedali, najjednoduchší zo všetkých. Nie je však ľahké vyvinúť model pre tento atóm.

Následné objavy viedli ku kvantovej fyzike a celej teórii, ktorá popisuje javy v atómovej mierke. Počas tohto procesu sa tiež vyvinul atómový model. Pozrime sa však na otázku veľkostí:

Atóm vodíka má jadro tvorené jedným protónom (pozitívny) a má jediný elektrón (negatívny).

Polomer atómu vodíka bol odhadnutý na 2,1 x ^10-10 m, zatiaľ čo polomer protónu je 0,85 x ^10-15 m alebo 0,85 femtometrov. Názov tejto malej jednotky je kvôli Enrico Fermi a používa sa pri práci v tomto meradle.

No, kvocient medzi polomerom atómu, a že z jadra je v poriadku 10 ⁵ m, ktorá je, atóm je 100.000 krát väčšia, než je jadro!

Je však potrebné vziať do úvahy, že v súčasnom modeli založenom na kvantovej mechanike elektrón obklopuje jadro v druhu mraku nazývaného orbitál (orbitál nie je obežnou dráhou) a elektrón v atómovej mierke nie je dochvíľni.

Keby sa atóm vodíka zväčšil - imaginatívne - na veľkosť futbalového ihriska, potom by jadro zložené z pozitívneho protónu malo veľkosť mravca v strede poľa, zatiaľ čo záporný elektrón by bol ako druh ducha, rozptýlené po celom poli a obklopujúce pozitívne jadro.

Atómový model dnes

Tento atómový model „planétového typu“ je veľmi zakorenený a je obrazom, ktorý má väčšina ľudí atómu, pretože jeho vizualizácia je veľmi jednoduchá. Vo vedeckej oblasti to však dnes nie je akceptovaný model.

Súčasné atómové modely sú založené na kvantovej mechanike. Poukazuje na to, že elektrón v atóme nie je záporne nabitá bodka, ktorá sleduje presné obežné dráhy, ako si Rutherford predstavoval.

Elektrón je skôr rozptýlený v oblastiach okolo pozitívneho jadra, ktoré sa nazývajú atómové orbitaly. Od neho vieme pravdepodobnosť, že bude v jednom alebo druhom štáte.

Napriek tomu Rutherfordov model predstavoval obrovský pokrok v poznaní vnútornej štruktúry atómu. A vydláždilo cestu ďalším výskumníkom, aby ju naďalej zdokonaľovali.

Referencie

1. Andriessen, M. 2001. HSC Course. Fyzika 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. University Physics. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fyzika pre vedcov a techniku: strategický prístup. Pearson.
4. Physics OpenLab. Experiment Rutherford-Geiger-Marsden. Získané z: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. The Rutherford Scattering Experiment. Zdroj: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherfordove experimenty. Získané z: xaktly.com.
8. Wikipedia. Rutherfordov experiment. Obnovené z: es.wikipedia.org.