RUTHERFORDS EKSPERIMENT: HISTORIE, BESKRIVELSE OG KONKLUSIONER - VIDENSKAB - 2025

Den eksperiment Rutherford, udført mellem 1908 og 1913 bestod bombe en tynd guldfilm af 0,0004 mm tyk, med alfapartikler og analysere spredningsmønsteret af partiklerne tilbage på en fluorescerende skærm.

Faktisk udførte Rutherford adskillige eksperimenter og forbedrede detaljerne mere og mere. Efter omhyggelig analyse af resultaterne fremkom to meget vigtige konklusioner:

-Atomets positive ladning koncentreres i et område kaldet kernen.

-Denne atomkerne er utroligt lille sammenlignet med størrelsen på atomet.

Figur 1. Rutherfords eksperiment. Kilde: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) var en New Zealand-født fysiker, hvis interesseområde var radioaktivitet og materiens natur. Radioaktivitet var et nyligt fænomen, da Rutherford begyndte sine eksperimenter, det var blevet opdaget af Henri Becquerel i 1896.

I 1907 rejste Rutherford til University of Manchester i England for at studere strukturen af ​​atomet ved hjælp af disse alfapartikler som sonder til at kigge inde i en så lille struktur. Fysikerne Hans Geiger og Ernest Marsden ledsagede ham med opgaven.

De håbede at se, hvordan en alfa-partikel, som er et dobbelt ioniseret heliumatom, ville interagere med et enkelt guldatom for at sikre, at enhver afvigelse, den oplevede, udelukkende skyldtes elektrisk kraft.

De fleste alfapartikler passerede imidlertid gennem guldfolien med kun en lille afvigelse.

Denne kendsgerning var i fuld overensstemmelse med Thomsons atommodel, men til forskernes overraskelse oplevede en lille procentdel af alfapartiklerne en ret bemærkelsesværdig afvigelse.

Og en endnu mindre procentdel af partikler ville komme tilbage og hoppe helt tilbage. Hvad skyldtes disse uventede resultater?

Beskrivelse og konklusioner af eksperimentet

Faktisk er alfa-partiklerne, som Rutherford anvendte som sonde, heliumkerner, og på det tidspunkt var det kun kendt, at disse partikler var positivt ladede. I dag vides det, at alfapartikler består af to protoner og to neutroner.

Alfapartikler og beta-partikler var blevet identificeret af Rutherford som to forskellige slags stråling fra uran. Alfapartikler, meget mere massiv end elektronet, har en positiv elektrisk ladning, mens betapartikler kan være elektroner eller positroner.

Figur 2. Detaljeret skema af Rutherford-, Geiger- og Marsden-eksperimentet. Kilde: R. Knight. Fysik for forskere og teknik: en strategi-tilgang. Pearson.

Et forenklet skema af eksperimentet er vist i figur 2. Alfa-partikelstrålen kommer fra en radioaktiv kilde. Geiger og Marsden brugte radongas som emitter.

Blyblokkene blev brugt til at rette strålingen mod guldfolien og forhindre, at den gik direkte til den lysstofrør. Bly er et materiale, der absorberer stråling.

Den således rettede stråle blev derefter påvirket af en tynd guldfolie, og de fleste af partiklerne fortsatte på vej til den fluorescerende zinksulfat, hvor de efterlod et lille let spor. Geiger var ansvarlig for at tælle dem en efter en, skønt de senere designet en enhed, der gjorde det.

At nogle partikler gennemgik en lille nedbøjning overraskede ikke Rutherford, Geiger og Marsden. Der er trods alt positive og negative ladninger på atomet, der udøver kræfter på alfa-partiklerne, men da atomet er neutralt, hvilket de allerede vidste, måtte afvigelserne være små.

Overraskelsen ved eksperimentet er, at et par positive partikler blev hoppet næsten direkte tilbage.

konklusioner

Cirka 1 ud af 8000 alfapartikler oplevede afbøjning i vinkler over 90 °. Få, men nok til at stille spørgsmålstegn ved nogle ting.

Atommodellen på mode var den med rosinbudding fra Thomson, Rutherfords tidligere professor ved Cavendish Laboratory, men Rutherford spekulerede på, om ideen om et atom uden en kerne og med elektroner indlejret som rosiner, var korrekt.

Fordi det viser sig, at disse store afbøjninger af alfa-partikler, og det faktum, at nogle få er i stand til at vende tilbage, kun kan forklares, hvis et atom har en lille, tung, positiv kerne. Rutherford antog, at kun de elektriske attraktive og frastødende kræfter, som angivet i Coulombs lov, var ansvarlige for enhver afvigelse.

Når nogle af alfapartiklerne nærmer sig direkte mod denne kerne, og da den elektriske kraft varierer med afstandens inverse firkant, føler de en frastødning, der får dem til at sprede vidvinklen eller vende tilbage.

For at være sikker eksperimenterede Geiger og Marsden med bombardering af plader af forskellige metaller, ikke kun guld, skønt dette metal var det mest passende til dets formbarhed, for at skabe meget tynde plader.

Ved at opnå lignende resultater var Rutherford overbevist om, at den positive ladning i atomet skulle være placeret i kernen og ikke spredt i hele dens volumen, som Thomson postulerede i sin model.

På den anden side, da det store flertal af alfapartikler passerede uden afvigelse, måtte kernen være meget, meget lille sammenlignet med atomstørrelse. Imidlertid måtte denne kerne koncentrere det meste af atomens masse.

Indflydelse på atomet

Resultaterne overraskede Rutherford meget, der erklærede på en konference i Cambridge: “… det er som når du skyder en 15-tommer kanonkugle på et ark tissuepapir, og projektilet springer direkte mod dig og rammer dig”.

Da disse resultater ikke kunne forklares ved Thomsons atommodel, foreslog Rutherford, at atomet var sammensat af en kerne, meget lille, meget massiv og positivt ladet. Elektronerne forblev i kredsløb omkring ham, som et miniature solsystem.

Figur 3. Rutherfords atommodel til venstre og Thomsons rosinpuddingmodel til højre. Kilde: Wikimedia Commons. Venstre billede: Jcymc90

Dette er, hvad den nukleare model for atomet vist i figur 3 til venstre handler om. Da elektroner også er meget, meget små, viser det sig, at atomet er næsten alt…. tom! Derfor passerer de fleste alfapartikler gennem arket næppe afbøjet.

Og analogien med et miniature solsystem er meget nøjagtig. Atomkernen spiller solens rolle, der indeholder næsten hele massen plus den positive ladning. Elektroner kredser omkring dem som planeter og bærer en negativ ladning. Enheden er elektrisk neutral.

Om fordelingen af ​​elektroner i atomet viste Rutherfords eksperiment intet. Du skulle måske tro, at alfapartiklerne ville have en vis interaktion med dem, men massen af ​​elektronerne er for lille, og de var ikke i stand til at afbøje partiklerne markant.

Ulemper ved Rutherford-modellen

Et problem med denne atommodel var netop elektronernes adfærd.

Hvis disse ikke var statiske, men kredsede atomkernen i cirkulære eller elliptiske baner, drevet af elektrisk tiltrækning, ville de ende med at skynde sig mod kernen.

Dette skyldes, at de accelererede elektroner mister energi, og hvis det sker, ville det være sammenbruddet af atomet og materien.

Heldigvis er det ikke det, der sker. Der er en slags dynamisk stabilitet, der forhindrer sammenbrud. Den næste atommodel efter Rutherfords var Bohrs, som gav nogle svar på, hvorfor atomisk sammenbrud ikke forekommer.

Protonen og neutronen

Rutherford fortsatte med at sprede eksperimenter. Mellem 1917 og 1918 valgte han og hans assistent William Kay at bombardere gasformige nitrogenatomer med de meget energiske alfa-partikler fra bismuth-214.

Han blev overrasket igen, da han opdagede brintkerner. Dette er ligningen af ​​reaktionen, den første kunstige nukleare transmutation, der nogensinde er opnået:

Svaret var: fra det samme nitrogen. Rutherford havde tildelt det atomære nummer 1 hydrogen, fordi det er det enkleste element af alle: en positiv kerne og en negativ elektron.

Rutherford havde fundet en grundlæggende partikel, som han navngav en proton, et navn, der stammer fra det græske ord for første gang. På denne måde er protonet en væsentlig bestanddel af hver atomkerne.

Senere, omkring 1920, foreslog Rutherford, at der skulle være en neutral partikel med en masse, der meget ligner protonens. Han kaldte denne partikel en neutron, og den er en del af næsten alle kendte atomer. Fysiker James Chadwick identificerede det endelig i 1932.

Hvordan ser en skalamodel af brintatom ud?

Hydrogenatom er som sagt det enkleste af alle. Det var dog ikke let at udvikle en model for dette atom.

På hinanden følgende opdagelser gav anledning til kvantefysik og en hel teori, der beskriver fænomener i atomskala. Under denne proces udviklede også atommodellen sig. Men lad os se på spørgsmålet om størrelser:

Hydrogenatom har en kerne, der består af et proton (positivt) og har et enkelt elektron (negativt).

Hydrogenatomets radius er estimeret til 2,1 x ^10-10 m, medens protonens radius er 0,85 x ^10-15 m eller 0,85 femm. Navnet på denne lille enhed skyldes Enrico Fermi og bruges meget, når man arbejder i denne skala.

Nå, kvotienten mellem atomets radius og kernen er i størrelsesordenen 10 ⁵ m, dvs. atomet er 100.000 gange større end kernen!

Det må dog tages i betragtning, at elektronen i den moderne model, der er baseret på kvantemekanik, omgiver kernen i en slags sky kaldet en orbital (en orbital er ikke en bane), og elektronet i atomskalaen er ikke punktlig.

Hvis brintatomet blev udvidet - fantasifuldt - til størrelsen på en fodboldbane, ville kernen, der består af en positiv proton, være størrelsen på en maur i midten af ​​feltet, mens den negative elektron ville være som en slags spøgelse, spredt over marken og omkring den positive kerne.

Atommodellen i dag

Denne "planetariske" atommodel er meget indgroet og er det billede, som de fleste mennesker har af atomet, da det er meget let at visualisere. Imidlertid er det ikke den accepterede model i dag inden for det videnskabelige område.

Moderne atommodeller er baseret på kvantemekanik. Hun påpeger, at elektronet i atomet ikke er en negativt ladet prik, der følger nøjagtige bane, som Rutherford forestillede sig.

Tværtimod er elektronet spredt i områder omkring den positive kerne, kaldet atomiske orbitaler. Fra ham kan vi kende sandsynligheden for at være i en eller anden tilstand.

På trods af dette repræsenterede Rutherfords model et enormt fremskridt i viden om atomets indre struktur. Og det banede vejen for flere forskere at fortsætte med at forfine det.

Referencer

1. Andriessen, M. 2001. HSC-kursus. Fysik 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Universitetsfysik. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fysik for forskere og teknik: en strategi-tilgang. Pearson.
4. Fysik OpenLab. Rutherford-Geiger-Marsden-eksperimentet. Gendannes fra: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. Rutherford Scattering Experiment. Hentet fra: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherfords eksperimenter. Gendannes fra: xaktly.com.
8. Wikipedia. Rutherfords eksperiment. Gendannet fra: es.wikipedia.org.