Eksperyment Rutherforda i jego prototypy

The Eksperyment Rutherforda Pozwoliło grupie naukowców odkryć, że każdy atom ma dodatnio naładowane jądro.

Ernest Rutherford, fizyk i chemik z Nowej Zelandii. Skupił się na badaniu cząstek radioaktywnych i przeprowadził kilka badań, które pozwoliły mu zdobyć Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1908 roku.

Pod kierownictwem Rutherforda, Hansa Geigera i Ernesta Marsdena pomogli stworzyć model atomowy w laboratoriach Uniwersytetu w Manchesterze.

Jedną z pierwszych istniejących teorii atomowych jest sformułowana przez Thomsona, odkrywcę elektronu. Uważał, że atomy są sferami z ładunkiem dodatnim i że elektrony są w nim rozmieszczone.

Teoria Thomsona mówi, że jeśli cząstka alfa zderzy się z atomem, cząstka ta przejdzie przez atom. Wpływ na to miałoby pole elektryczne atomu według tego modelu.

W tym czasie protony i neutrony nie zostały odkryte. Thomson nie mógł udowodnić swojego istnienia, a jego model nie został zaakceptowany przez społeczność naukową.

Aby zademonstrować istnienie teorii Thomsona, Rutherford, Geiger i Marsdend przeprowadzili eksperyment, w którym bombardowali cząstki alfa wytworzone za pomocą jąder gazowego helu na kawałku metalu.

Jeśli model Thomsona zadziałał, cząstki powinny przejść przez blachę bez żadnych odchyleń.

Opracowanie eksperymentu Rutherforda

Pierwszy prototyp

Pierwszy prototyp projektu eksperymentu, przeprowadzony w 1908 r., Został wyjaśniony przez Geigera w artykule zatytułowanym O dyspersji cząstek według materii.

Zbudowali szklaną rurę o długości około dwóch metrów, na jednym końcu znajdowało się źródło radiowe, a na drugim końcu umieszczono fosforyzujący ekran. W środku rury umieszczono rodzaj lejka, przez który przechodzą cząstki alfa.

Zastosowano proces polegający na przepuszczeniu cząstek alfa przez szczelinę, tak aby rzutowała wiązkę światła na fosforyzujący ekran.

Przez pompowanie całego powietrza z rury uzyskany obraz był czysty i odpowiadał otworowi w środku rury. Gdy ilość powietrza w rurze została obniżona, obraz stał się bardziej rozproszony.

Następnie, aby zobaczyć, jaką trajektorię cząstki podążyły, jeśli uderzyły w coś lub przeszły przez niego, jak utrzymywała teoria Thomsona, do szczeliny włożono złoty liść.

Pokazało to, że powietrze i ciała stałe spowodowały rozproszenie cząstek, które zostało odbite na fosforyzującym ekranie z bardziej rozproszonymi obrazami.

Problem z tym pierwszym prototypem polega na tym, że pokazał on tylko wynik dyspersji, ale nie trajektorię, za którą podążały cząstki alfa.

Drugi prototyp

Geiger i Marsden opublikowali artykuł w 1909 r., W którym wyjaśnili eksperyment pokazujący ruch cząstek alfa.

W rozproszonym odbiciu cząstek alfa wyjaśniono, że eksperyment ma na celu ustalenie, że cząstki poruszają się pod kątem większym niż 90 stopni.

Stworzyli drugi prototyp eksperymentu, w którym utworzono szklany pojemnik o stożkowym kształcie. Zamontowali płytkę ołowiową, tak że cząstki alfa zderzyły się z nią i aby zobaczyć jej rozproszenie, umieszczono fluorescencyjną płytę za.

Problem z konfiguracją tego urządzenia polega na tym, że cząstki unikają płytki prowadzącej, odbijając się od cząsteczek powietrza.

Testowali, umieszczając arkusz metalu i widzieli na ekranie fluorescencyjnym, że było więcej uderzeń cząstek.

Wykazano, że metale o wyższej masie atomowej odbijają więcej cząstek, ale Geiger i Masden chcieli znać dokładną liczbę cząstek. Ale eksperyment z posiadaniem radia i materiałów radioaktywnych nie mógł być dokładny.

Trzeci prototyp

Artykuł Dyspersja cząstek α ​​przez materię z 1910 roku wyjaśnia trzeci eksperyment zaprojektowany przez Geigera. Tutaj skupiono się już na pomiarze kąta dyspersji cząstek, w zależności od materiału, z którym się stykają.

Tym razem rura była wodoszczelna, a rtęć pompowała radon-222 na ekran fluorescencyjny. Z pomocą mikroskopu zliczono błyski, które pojawiły się na ekranie fluorescencyjnym.

Obliczono następujące po cząstkach kąty i wyciągnięto wnioski, że kąty ugięcia zwiększają się wraz z większą masą atomową materiału i że jest ona również proporcjonalna do masy atomowej substancji.

Jednak najbardziej prawdopodobny kąt odchylenia zmniejsza się wraz z prędkością, a prawdopodobieństwo, że odbiega ono o więcej niż 90º jest pomijalne.

Dzięki wynikom uzyskanym w tym prototypie Rutherford obliczył wzorzec dyspersji matematycznie.

Poprzez równanie matematyczne obliczono, w jaki sposób arkusz powinien rozpraszać cząstki, zakładając, że atom ma dodatni ładunek elektryczny w środku. Chociaż ta druga była tylko hipotezą.

Opracowane równanie wyglądało następująco:

Gdzie, s = liczba cząstek alfa, które spadają na obszar jednostki z kątem odchylenia Φ

• r = odległość punktu padania promieni alfa na materiał dyspersyjny
• X = całkowita liczba cząstek spadających na materiał dyspersyjny
• n = liczba atomów w jednostkowej objętości materiału
• t = grubość arkusza
• Qn = dodatni ładunek jądra atomowego
• Qα = dodatni ładunek cząstek alfa
• m = masa cząstki alfa
• v = prędkość cząstki alfa

Ostateczny prototyp

Za pomocą modelu równań Rutherforda podjęto próbę zademonstrowania tego, co jest postulowane, a atomy miały jądro z dodatnim ładunkiem.

Zaprojektowane równanie przewidywało, że liczba błysków na minutę obserwowanych pod danym kątem (Φ) powinna być proporcjonalna do:

• csc⁴Φ / 2
• grubość blachy t
• wielkość obciążenia centralnego Qn
• 1 / (mv²)²

Aby zademonstrować te cztery hipotezy, tworzone są cztery eksperymenty, które są wyjaśnione w artykule Prawa ugięcia cząstek α ​​o duże kąty z 1913 roku.

Aby przetestować efekt proporcjonalny do csc⁴Φ / 2, zbudował cylinder na szczycie gramofonu, na kolumnie.

Kolumna pompująca powietrze i mikroskop pokryty fluorescencyjnym ekranem pozwoliły zaobserwować cząstki, które odchyliły się do 150º, z którymi wykazano hipotezę Rutherforda.

Aby przetestować hipotezę grubości arkusza, zamontuj dysk z 6 otworami pokrytymi arkuszami o różnej grubości. Zaobserwowano, że liczba błysków była proporcjonalna do grubości.

Ponownie wykorzystali dysk z poprzedniego eksperymentu do pomiaru wzorca rozproszenia, zakładając, że obciążenie jądra było proporcjonalne do ciężaru atomowego, zmierzono, czy dyspersja była proporcjonalna do kwadratu masy atomowej.

Po uzyskaniu błysków, podzielonych przez ekwiwalent powietrza, a następnie podzielonych przez pierwiastek kwadratowy z masy atomowej, odkryli, że proporcje były podobne

I wreszcie, z tym samym dyskiem eksperymentu, umieszczali więcej dysków mikowych, aby opóźnić cząstki, a przy dopuszczalnym zakresie błędów wykazali, że liczba scyntylacji była proporcjonalna do 1 / v⁴, jak przewidział Rutherford w swoim modelu.

Dzięki eksperymentom udowodnili, że wszystkie hipotezy Rutherforda zostały spełnione w sposób, który określa model atomowy Rutherforda. W tym modelu, opublikowanym ostatecznie w 1917 roku, postuluje się, że atomy mają jądro centralne z ładunkiem dodatnim.

Jeśli centralne jądro atomu jest tym z ładunkiem dodatnim, reszta atomu będzie pusta, a elektrony krążą wokół niego.

Za pomocą tego modelu wykazano, że atomy mają ładunek neutralny i że ładunek dodatni znajdujący się w jądrze jest przeciwdziałany przez tę samą liczbę elektronów krążących wokół.

Jeśli usuniemy elektrony z atomu, zostaną one pozostawione z ładunkiem dodatnim. Atomy są stabilne, ponieważ siła odśrodkowa jest równa sile elektrycznej, utrzymując elektrony na miejscu

Referencje

1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Royman. Model atomowy E. Rutherforda.Nauczanie nauk, 2008, obj. 26.
2. BOHR, Niels. The Rutherford Memorial Lecture 1958 Reminiscencje założyciela nauki nuklearnej i pewnych opracowań opartych na jego pracy.Postępowanie Towarzystwa Fizycznego, 1961.
3. JUSTI, Rosaria; GILBERT, John. Historia i filozofia nauki poprzez modele: niektóre wyzwania w przypadku atomu.International Journal of Science Education, 2000, obj. 22.
4. COHEN-TANNOUDJI, Claude i in.Oddziaływania atom-foton: podstawowe procesy i zastosowania. Nowy Jork: Wiley, 1992.
5. AGUILERA, Damarys i in. Modele koncepcyjne studentów uniwersytetu dotyczące struktury atomowej w oparciu o eksperymenty Thomsona, Rutherforda i Bohra / Modele koncepcyjne studentów uniwersytetu dotyczące struktury atomowej na podstawie eksperymentów Thomsona, Rutherforda i Bohra.Journal of Science Education, 2000, obj. 1, nr 2.
6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.Chemia nieorganiczna. Progreso wydawnicze, 2001.
7. TORRES, Amalia Williart. Eksperyment historyczny: odkrycie jądra atomowego: eksperyment Rutherforda.100cias UNED, 2003, nr 6, s. 107-111.