De Rutherford eksperiment, utført mellom 1908 og 1913, besto den av å bombardere en tynn 0,0004 mm tykk gullfolie med alfapartikler og analysere dispersjonsmønsteret som disse partiklene etterlot på en lysrør.
Faktisk gjennomførte Rutherford mange eksperimenter, og foredlet detaljene mer og mer. Etter å ha analysert resultatene nøye, kom to svært viktige konklusjoner:
-Atomens positive ladning er konsentrert i en region som kalles kjerne.
-Denne atomkjernen er utrolig liten i forhold til størrelsen på atomet.
Ernest Rutherford (1871-1937) var en New Zealand-født fysiker hvis interesseområde var radioaktivitet og materiens natur. Radioaktivitet var et nylig fenomen da Rutherford startet eksperimentene sine, det ble oppdaget av Henri Becquerel i 1896.
I 1907 dro Rutherford til University of Manchester i England for å studere atomets struktur, ved å bruke disse alfapartiklene som sonder for å kikke inn i en så liten struktur. Fysikerne Hans Geiger og Ernest Marsden fulgte ham på oppgaven..
De håpet å se hvordan en alfapartikkel, som er et dobbelt ionisert heliumatom, ville samhandle med et enkelt gullatom for å sikre at ethvert avvik den opplevde skyldtes utelukkende elektrisk kraft..
Imidlertid passerte de fleste av alfapartiklene gjennom gullfolien med bare et lite avvik..
Dette faktum var helt enig med Thomsons atommodell, men til forskernes overraskelse opplevde en liten prosentandel av alfapartiklene et ganske bemerkelsesverdig avvik..
Og en enda mindre prosentandel av partikler ville komme tilbake og spratt helt tilbake. Hva var disse uventede resultatene pga?
Artikkelindeks
Faktisk er alfapartiklene som Rutherford brukte som sonde heliumkjerner, og på det tidspunktet var det bare kjent at disse partiklene var positivt ladede. I dag er det kjent at alfapartikler består av to protoner og to nøytroner..
Alfapartikler og betapartikler hadde blitt identifisert av Rutherford som to forskjellige typer stråling fra uran. Alfapartikler, mye mer massive enn elektronet, har en positiv elektrisk ladning, mens betapartikler kan være elektroner eller positroner..
En forenklet skjema for eksperimentet er vist i figur 2. Alfa-partikkelstrålen kommer fra en radioaktiv kilde. Geiger og Marsden brukte radongass som senderen.
Blyblokkene ble brukt til å rette strålingen mot gullfolien og forhindre at den gikk direkte til lysstoffrøret. Bly er et materiale som absorberer stråling.
Strålen som således ble rettet ble deretter laget for å ramme en tynn gullfolie, og de fleste partiklene fortsatte på vei til sinksulfatlysrør, hvor de satte et lite lysspor. Geiger hadde ansvaret for å telle dem en etter en, selv om de senere designet et apparat som gjorde det.
Det at noen partikler gjennomgikk en liten avbøyning overrasket ikke Rutherford, Geiger og Marsden. Tross alt er det 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 ved eksperimentet er at noen få positive partikler ble spratt nesten direkte tilbake..
Omtrent 1 av 8000 alfapartikler ble avbøyd i vinkler større enn 90 °. Få, men nok til å stille spørsmål ved noen ting.
Atommodellen som var på moten var den for 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 komme tilbake, kan bare forklares hvis et atom har en liten, tung, positiv kjerne. Rutherford antok at bare de elektriske tiltrekkende og frastøtende kreftene, som indikert av Coulombs lov, var ansvarlige for ethvert avvik..
Når noen av alfapartiklene nærmer seg direkte mot denne kjernen, og siden den elektriske kraften varierer med den omvendte firkanten av avstanden, føler de en frastøting som forårsaker dem vidvinkelspredning eller bakoverbøyning..
For å være sikker eksperimenterte Geiger og Marsden med å bombardere ark av forskjellige metaller, ikke bare gull, selv om dette metallet var det mest hensiktsmessige for dets smidighet, for å lage veldig tynne ark..
Ved å oppnå lignende resultater, var Rutherford overbevist om at den positive ladningen i atomet skulle være plassert i kjernen, og ikke spredt over hele volumet, 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 det meste av atommassen.
Resultatene overrasket Rutherford, som erklærte på en konferanse i Cambridge: “... Det er som når du skyter en 15-tommers kanonkule mot et ark med silkepapir og prosjektilet spretter rett mot deg og treffer deg.".
Ettersom disse resultatene ikke kunne forklares av Thomsons atommodell, foreslo Rutherford at atomet var sammensatt av en kjerne, veldig liten, veldig massiv og positivt ladet. Elektronene forble i baner rundt ham, som et miniatyr solsystem.
Dette handler kjernemodellen til atomet vist i figur 3 til venstre. Siden elektronene er veldig, veldig små også, viser det seg at atomet er nesten alt ... tømme! Derfor passerer de fleste av alfapartiklene gjennom arket knapt avbøyd..
Og analogien med et miniatyr solsystem er veldig nøyaktig. Atomkjernen spiller rollen som Solen, og inneholder nesten all massen pluss den positive ladningen. Elektroner kretser rundt dem som planeter og har en negativ ladning. Enheten er elektrisk nøytral.
Om fordelingen av elektroner i atomet viste Rutherfords eksperiment ingenting. Du tror kanskje at alfapartiklene ville ha en viss interaksjon med dem, men massen til elektronene er for liten, og de klarte ikke å avlede partiklene betydelig..
Et problem med denne atommodellen var nettopp elektronenes oppførsel.
Hvis disse ikke var statiske, men som kretser rundt atomkjernen i sirkulære eller elliptiske baner, rettet av elektrisk tiltrekning, vil de ende opp med å falle mot kjernen..
Dette er fordi de akselererte elektronene mister energi, og hvis det skjer, vil det være at atom og materie kollapser..
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.
Rutherford fortsatte å gjøre spredningseksperimenter. Mellom 1917 og 1918 valgte han og hans assistent William Kay å bombardere gassformige nitrogenatomer med de svært energiske alfapartiklene fra vismut-214..
Han ble overrasket igjen, da han oppdaget hydrogenkjerner. Dette er ligningen til reaksjonen, den første kunstige kjernefysiske transmutasjonen som noensinne er oppnådd:
Svaret var: fra samme nitrogen. Rutherford hadde tilordnet hydrogen atomnummer 1, fordi det er det enkleste elementet av alle: en positiv kjerne og en negativ elektron.
Rutherford hadde funnet en grunnleggende partikkel som han kalte proton, et navn avledet av det greske ordet for Først. På denne måten er protonen en essensiell bestanddel av alle atomkjerner..
Senere, rundt 1920, foreslo Rutherford at det måtte være en nøytral partikkel med en masse som var veldig lik protonens. Han kalte denne partikkelen nøytron og det er en del av nesten alle kjente atomer. Fysiker James Chadwick identifiserte det endelig i 1932.
Hydrogenatomet er, som vi har sagt, det enkleste av alle. Det var imidlertid ikke lett å utvikle en modell for dette atomet..
Suksessive funn ga opphav til kvantefysikk og en hel teori som beskriver fenomener i atomskala. I løpet av denne prosessen utviklet atommodellen seg også. Men la oss ta en titt på spørsmålet om størrelser:
Hydrogenatomet har en kjerne som består av en proton (positiv) og har et enkelt elektron (negativt).
Radien til hydrogenatomet er estimert til 2,1 x 10-10 m, mens protonen er 0,85 x 10 -femten m eller 0,85 femtometre. Navnet på denne lille enheten skyldes Enrico Fermi og brukes mye når du arbeider i denne skalaen.
Vel, kvotienten mellom atomens radius og kjernen er i størrelsesorden 105 m, det vil si atomet er 100.000 ganger større enn kjernen!!.
Det må imidlertid tas i betraktning at i den moderne modellen, basert på kvantemekanikk, omslutter elektronen kjernen i en slags sky kalt orbital (en bane er ikke en bane) og elektronet, på atomskala, er ikke punktlig.
Hvis hydrogenatomet ble forstørret - fantasifullt - til størrelsen på en fotballbane, ville kjernen bestående av et positivt proton være størrelsen på en maur i midten av feltet, mens det negative elektronet ville være som et slags spøkelse , spredt over hele feltet og omgir den positive kjernen.
Denne "planetariske" atommodellen er veldig inngrodd og er det bildet de fleste mennesker har av atomet, siden det er veldig enkelt å visualisere. derimot, Det er ikke modellen akseptert i dag i det vitenskapelige feltet.
Moderne atommodeller er basert på kvantemekanikk. Hun påpeker at elektronet i atomet ikke er en negativt ladet prikk som følger nøyaktige baner, som de Rutherford så for seg..
Snarere er elektronet det spredt i soner, rundt den positive kjernen, kalt atomorbitaler. Fra ham kan vi vite sannsynlighet å være i en eller annen tilstand.
Til tross for dette representerte Rutherfords modell et enormt fremskritt i forståelsen av atomets indre struktur. Og det banet vei for flere forskere å fortsette å foredle det..
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.