RUTHERFORDOV EKSPERIMENT: POVIJEST, OPIS I ZAKLJUČCI - ZNANOST - 2026

Eksperiment Rutherford, provodi između 1908. i 1913. godine sastojao bomba tanki film od zlata.0004 mm debljine, alfa čestice i analizirati disperzije uzorak spomenutih čestica lijevo na fluorescentnom ekranu.

U stvari, Rutherford je provodio brojne eksperimente, sve više i više precizirajući detalje. Nakon pomne analize rezultata, pojavila su se dva vrlo važna zaključka:

-Pozitivni naboj atoma koncentriran je u regiji koja se zove jezgra.

-Ovo je atomsko jezgro nevjerojatno malo u usporedbi s veličinom atoma.

Slika 1. Rutherfordov eksperiment. Izvor: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) bio je fizičar rođen na Novom Zelandu, čije je polje interesa bilo radioaktivnost i priroda materije. Radioaktivnost je bila nedavna pojava kada je Rutherford započeo svoje eksperimente, to je otkrio Henri Becquerel 1896. godine.

1907. Rutherford je otišao na sveučilište u Manchesteru u Engleskoj kako bi proučio strukturu atoma, koristeći ove alfa čestice kao sonde zaviriti u tako malu strukturu. Na zadatku su ga pratili fizičari Hans Geiger i Ernest Marsden.

Nadali su se da će vidjeti kako će alfa čestica, koja je dvostruko ionizirani atom helija, komunicirati s jednim atomom zlata, kako bi se osiguralo da svako odstupanje koje doživi nastane isključivo električnom silom.

Međutim, većina alfa čestica prošla je kroz zlatnu foliju sa samo malim odstupanjem.

Ova je činjenica u potpunosti u skladu s Thomson-ovim atomskim modelom, međutim, na iznenađenje istraživača, mali postotak alfa čestica doživio je prilično značajno odstupanje.

A još manji postotak čestica vratio bi se, potpuno odskakujući. Zbog čega su nastali ovi neočekivani rezultati?

Opis i zaključci eksperimenta

U stvari, alfa čestice koje je Rutherford koristio kao sonda su helijske jezgre, a u to se vrijeme samo znalo da su te čestice pozitivno nabijene. Danas je poznato da se alfa čestice sastoje od dva protona i dva neutrona.

Retherford je identifikovao alfa čestice i beta čestice kao dvije različite vrste zračenja urana. Čestice alfa, mnogo veće mase od elektrona, imaju pozitivan električni naboj, dok beta čestice mogu biti elektroni ili pozitroni.

Slika 2. Detaljna shema eksperimenta Rutherford, Geiger i Marsden. Izvor: R. Knight. Fizika za znanstvenike i inženjerstvo: strateški pristup. Pearson.

Pojednostavljena shema pokusa prikazana je na slici 2. Zraka alfa čestica dolazi iz radioaktivnog izvora. Geiger i Marsden koristili su radonski plin kao odašiljač.

Olovni blokovi korišteni su za usmjeravanje zračenja prema zlatnoj foliji i sprečavali ga da izravno ide na fluorescentni ekran. Olovo je materijal koji apsorbira zračenje.

Nakon toga napravljena je tako usmjerena greda da se utisne u tanku zlatnu foliju i većina čestica nastavila je svoj put do fluorescentnog sito-sulfatnog ekrana, gdje su ostavili mali svjetlosni trag. Geiger je bio zadužen za brojanje jednog po jednog, iako su kasnije dizajnirali uređaj koji je to učinio.

Činjenica da su neke čestice prolazile kroz mali odboj nije iznenadila Rutherforda, Gegera i Marsdena. Uostalom, na atomu postoje pozitivni i negativni naboji koji djeluju na sile na alfa čestice, ali budući da je atom neutralan, što su već znali, odstupanja su morala biti mala.

Iznenađenje eksperimenta je da je nekoliko pozitivnih čestica odbijeno gotovo izravno.

Zaključci

Oko 1 od 8000 alfa čestica imalo je otklon pod kutima većim od 90 °. Malo, ali dovoljno za ispitivanje nekih stvari.

Atomski model bio je modni puding od grožđica Thomson-a, Rutherfordovog bivšeg profesora u Cavendish Laboratoryju, ali Rutherford se pitao je li ideja o atomu bez jezgre i s elektronima ugrađenim u grožđice.

Jer ispada da se ti veliki odstupi alfa čestica i činjenica da se nekolicina može vratiti mogu objasniti samo ako atom ima malo, teško, pozitivno jezgro. Rutherford je pretpostavio da su samo električne privlačne i odbojne sile, kako je nagovijestio Coulombov zakon, odgovorne za svako odstupanje.

Kad se neke alfa čestice približe izravno ovom jezgru i budući da električna sila varira s obrnutim kvadratom udaljenosti, osjećaju odbojnost koja im uzrokuje rasipanje u širokom kutu ili odstupanje unatrag.

Da budemo sigurni, Geiger i Marsden eksperimentirali su s bombardiranjem listova različitog metala, a ne samo zlata, mada je ovaj metal bio najprikladniji za svoju kovnost, kako bi stvorio vrlo tanke listove.

Dobivanjem sličnih rezultata, Rutherford je bio uvjeren da se pozitivni naboj atoma treba nalaziti u jezgri, a ne rasipati po njegovom volumenu, kako je Thomson postulirao u svom modelu.

S druge strane, budući da je velika većina alfa čestica prošla bez odstupanja, jezgro je moralo biti vrlo, vrlo malo u usporedbi s atomskom veličinom. Međutim, ovo je jezgro moralo koncentrirati većinu mase atoma.

Utjecaji na model atoma

Rezultati su uvelike iznenadili Rutherforda, koji je na konferenciji u Cambridgeu izjavio: "… to je kao kad bacate 15-inčnu topnu kuglu u list papirnog papira, a projektil odskače izravno prema vama i udara vas".

Kako se ovi rezultati nisu mogli objasniti Thomsonovim atomskim modelom, Rutherford je predložio da se atom sastoji od jezgre, vrlo malog, vrlo masivnog i pozitivno nabijenog. Elektroni su ostali u orbiti oko njega, poput minijaturnog Sunčevog sustava.

Slika 3. Rutherford-ov atomski model s lijeve strane i Thomson-ov model pudinga od grožđica s desne strane. Izvor: Wikimedia Commons. Lijeva slika: Jcymc90

O tome se radi nuklearni model atoma prikazan na slici 3 s lijeve strane. Kako su i elektroni vrlo, vrlo mali, ispada da je atom gotovo sve. prazan! Stoga većina alfa čestica prolazi kroz lim jedva da se odbije.

A analogija s minijaturnim solarnim sustavom vrlo je točna. Atomsko jezgro igra ulogu Sunca, sadrži gotovo svu masu plus pozitivni naboj. Elektroni orbitiraju oko njih poput planeta i nose negativan naboj. Sklop je električno neutralan.

O raspodjeli elektrona u atomu, Rutherfordov eksperiment nije pokazao ništa. Mogli biste pomisliti da bi alfa čestice imale neku interakciju s njima, ali masa elektrona je premala i oni nisu bili u stanju značajno odbiti čestice.

Nedostaci Rutherfordovog modela

Jedan problem ovog atomskog modela bilo je upravo ponašanje elektrona.

Da nisu statični, ali da su okružili atomskom jezgrom u kružnim ili eliptičnim orbitama, vođeni električnom privlačnošću, oni bi naletjeli prema jezgri.

To je zato što ubrzani elektroni gube energiju, a ako se to dogodi, to bi bio kolaps atoma i materije.

Srećom to se ne događa. Postoji vrsta dinamičke stabilnosti koja sprečava kolaps. Sljedeći atomski model, nakon Rutherfordove, bio je Bohrov, koji je dao neke odgovore zašto ne dolazi do kolapsa atoma.

Proton i neutron

Rutherford je nastavio raditi eksperimente raspršivanja. Između 1917. i 1918., on i njegov pomoćnik William Kay odlučili su bombardirati plinovite atome dušika visokoenergetskim alfa česticama iz bizmut-214.

Opet se iznenadio kad je otkrio jezgre vodika. Ovo je jednadžba reakcije, prva postignuta umjetna nuklearna transmutacija:

Odgovor je bio: iz istog dušika. Rutherford je dodijelio vodiku atomski broj 1, jer je to najjednostavniji element od svih: pozitivno jezgro i negativni elektron.

Rutherford je pronašao temeljnu česticu koju je nazvao protonom, imenom koje je najprije nastalo od grčke riječi. Na taj je način proton esencijalni sastojak svakog atomskog jezgra.

Kasnije, oko 1920., Rutherford je predložio da mora postojati neutralna čestica s masom koja je vrlo slična masi protona. Nazvao je ovu česticu neutronom i ona je dio gotovo svih poznatih atoma. Fizičar James Chadwick konačno ga je identificirao 1932. godine.

Kako izgleda model vodikova atoma na skali?

Atom vodika je, kao što smo rekli, najjednostavniji od svih. Međutim, nije bilo lako razviti model za ovaj atom.

Uzastopna otkrića urodila su kvantnom fizikom i čitavom teorijom koja opisuje pojave na atomskoj skali. Tijekom tog procesa razvijao se i atomski model. No, pogledajmo pitanje veličina:

Atom vodika ima jezgru sastavljenu od jednog protona (pozitivna) i ima jedan elektron (negativan).

Polumjer atoma vodika procijenjen je na 2,1 x 10 ^-10 m, dok je protonov na 0,85 x 10 ^-15 m ili na 0,85 femtometra. Naziv ove male jedinice zaslužan je zbog Enrica Fermija i puno se koristi kada se radi u ovoj skali.

Pa, kvocijent između radijusa atoma i onog u jezgri je reda 10 ⁵ m, to jest, atom je 100 000 puta veći od jezgre!

Međutim, treba imati na umu da u suvremenom modelu, temeljenom na kvantnoj mehanici, elektron omotava jezgru u nekakav oblak koji se naziva orbitala (orbitala nije orbita), a elektron, u atomskoj skali, nije točan.

Kada bi se atom vodika povećao - maštovito - na veličinu nogometnog igrališta, tada bi jezgro sastavljeno od pozitivnog protona bilo veličina mrava u središtu polja, dok bi negativni elektron bio poput svojevrsnog duha, razbacani po polju i okružujući pozitivnu jezgru.

Atomski model danas

Ovaj atomski model "planetarnog tipa" je vrlo usađen i slika je koju većina ljudi ima od atoma, jer je vrlo lako vizualizirati. Međutim, to danas nije prihvaćeni model na znanstvenom polju.

Suvremeni atomski modeli temelje se na kvantnoj mehanici. Ona ističe da elektron u atomu nije negativno nabijena točka koja slijedi precizne orbite, kao što je zamislio Rutherford.

Umjesto toga, elektron se raspršuje u područjima oko pozitivne jezgre, koja se nazivaju atomska orbitala. Iz njega možemo znati vjerojatnost da se nalazimo u jednom ili drugom stanju.

Unatoč tome, Rutherford-ov model predstavljao je ogroman napredak u poznavanju unutarnje strukture atoma. I utrlo je put daljnjim usavršavanjima više istraživača.

Reference

1. Andriessen, M. 2001. HSC tečaj. Fizika 2. Jacaranda HSC znanost.
2. Arfken, G. 1984. Sveučilišna fizika. Akademska štampa.
3. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike i inženjerstvo: strateški pristup. Pearson.
4. Fizika OpenLab. Eksperiment Rutherford-Geiger-Marsden Oporavilo od: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. Rutherford Scattering Experiment. Preuzeto s: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherfordovi pokusi. Oporavak od: xaktly.com.
8. Wikipedia. Rutherfordov eksperiment. Oporavilo sa: es.wikipedia.org.