RUTHERFORDO EKSPERIMENTAS: ISTORIJA, APRAŠYMAS IR IŠVADOS - MOKSLAS - 2025

Eksperimentas Rutherford , atliekamas tarp 1908 ir 1913 sudarė bombarduoti ploną aukso plėvelė .0004 mm storio, su alfa dalelių ir analizuoti dispersijos modelio minėtų dalelių kairėje ant fluorescencinio skydo.

Tiesą sakant, Rutherfordas atliko daugybę eksperimentų, vis tiksliau tobulindamas detales. Atidžiai išanalizavus rezultatus, padarytos dvi labai svarbios išvados:

- Teigiamas atomo krūvis yra sukoncentruotas srityje, vadinamoje branduoliu.

-Šis atomo branduolys yra neįtikėtinai mažas, palyginti su atomo dydžiu.

1 pav. Rutherfordo eksperimentas. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. Kurzonas

Ernestas Rutherfordas (1871–1937) buvo iš Naujosios Zelandijos kilęs fizikas, kurio interesų sritis buvo radioaktyvumas ir materijos prigimtis. Radioaktyvumas buvo nesenas reiškinys, kai Rutherfordas pradėjo savo eksperimentus, jį atrado Henri Becquerel 1896 m.

1907 m. Rutherfordas išvyko į Mančesterio universitetą Anglijoje ištirti atomo struktūros, naudodamas šias alfa daleles kaip zondus, kad supyktų tokios mažytės struktūros vidų. Jį kartu su užduotimi lydėjo fizikai Hansas Geigeris ir Ernestas Marsdenas.

Jie tikėjosi pamatyti, kaip alfa dalelė, kuri yra dvigubai jonizuotas helio atomas, sąveikauja su vienu aukso atomu, įsitikinti, kad bet kokį nukrypimą, kurį ji patyrė, lemia vien elektrinė jėga.

Tačiau dauguma alfa dalelių per aukso foliją praėjo tik šiek tiek nukrypdamos.

Šis faktas visiškai atitiko Thomsono atominį modelį, tačiau tyrėjų nuostabai mažas procentas alfa dalelių patyrė gana puikų nukrypimą.

Ir dar mažesnis procentas dalelių sugrįš, visiškai atšokdamas. Dėl ko atsirado šie netikėti rezultatai?

Eksperimento aprašymas ir išvados

Tiesą sakant, alfa dalelės, kurias Rutherfordas naudojo kaip zondą, yra helio branduoliai, ir tuo metu buvo tik žinoma, kad šios dalelės yra teigiamai įkrautos. Šiandien yra žinoma, kad alfa dalelės yra sudarytos iš dviejų protonų ir dviejų neutronų.

Rutherfordas nustatė, kad alfa ir beta dalelės yra dvi skirtingos urano radiacijos rūšys. Alfa dalelės, daug masyvesnės už elektroną, turi teigiamą elektrinį krūvį, o beta dalelės gali būti elektronai arba pozitronai.

2 pav. Detali Rutherfordo, Geigero ir Marsdeno eksperimento schema. Šaltinis: R. Knight. Fizika mokslininkams ir inžinerijai: strategijos metodas. Pearsonas.

Supaprastinta eksperimento schema parodyta 2 paveiksle. Alfa dalelių pluoštas yra iš radioaktyvaus šaltinio. Geigeris ir Marsdenas kaip skleidėjas naudojo radono dujas.

Švininiai blokai buvo naudojami radiacijai nukreipti į aukso foliją ir neleisti jai patekti tiesiai į fluorescencinį ekraną. Švinas yra medžiaga, sugerianti radiaciją.

Tokiu būdu nukreipta sija buvo uždedama ant plonos auksinės folijos ir dauguma dalelių tęsė kelią į cinko sulfato fluorescencinį ekraną, kur paliko nedidelį šviesos pėdsaką. Geigeris buvo atsakingas už jų skaičiavimą po vieną, nors vėliau jie suprojektavo įrenginį, kuris tai padarė.

Tai, kad kai kurios dalelės patyrė nedidelį įlinkį, nenustebino Rutherfordo, Geigero ir Marsdeno. Galų gale, atomas turi teigiamų ir neigiamų krūvių, veikiančių jėgas alfa dalelėms, tačiau kadangi atomas yra neutralus, kurį jie jau žinojo, nuokrypiai turėjo būti maži.

Eksperimento staigmena yra tai, kad kelios teigiamos dalelės atšoko beveik tiesiai atgal.

Išvados

Maždaug 1 iš 8000 alfa dalelių buvo deformuotas didesnis nei 90º kampas. Nedaug, bet pakanka abejoti kai kuriais dalykais.

Ankstyvasis Rutherfordo Cavendisho laboratorijos profesorius Thomsonas, tačiau, Rutherfordas, abejojo, ar atomo, neturinčio branduolio ir su elektronų, įterptų kaip razinos, idėja, buvo razinos pudros modelis.

Nes paaiškėja, kad šie dideli alfa dalelių įlinkiai ir tai, kad nedaugelis sugeba grįžti, gali būti paaiškinta tik tuo atveju, jei atomas turi mažą, sunkų, teigiamą branduolį. Rutherfordas padarė prielaidą, kad už bet kokius nukrypimus atsakingos tik elektrinės patraukliosios ir atstumiančiosios jėgos, kaip nurodyta Kulono įstatyme.

Kai kai kurios alfa dalelės artėja tiesiai prie šio branduolio ir kadangi elektrinė jėga kinta priklausomai nuo atvirkštinio atstumo kvadrato, jie jaučia atstumimą, dėl kurio jie gali išsibarstyti dideliu kampu arba pasislinkti atgal.

Norėdami būti tikras, Geigeris ir Marsdenas eksperimentavo su skirtingų metalų, ne tik aukso, lakštų bombardavimu, nors šis metalas ir buvo tinkamiausias dėl savo kalimo, kad būtų sukurti labai ploni lakštai.

Gavęs panašius rezultatus, Rutherfordas buvo įsitikinęs, kad teigiamas atomo krūvis turi būti branduolyje, o ne pasiskirstyti po visą jo tūrį, kaip teigia Thomsonas savo modelyje.

Kita vertus, kadangi didžioji dauguma alfa dalelių praėjo be nukrypimų, branduolys turėjo būti labai, labai mažas, palyginti su atomo dydžiu. Tačiau šis branduolys turėjo sukoncentruoti didžiąją atomo masės dalį.

Įtaka atomo modeliui

Rezultatai labai nustebino Rutherfordą, kuris konferencijoje Kembridže pareiškė: „… tai yra tarsi šaudant 15 colių patrankos sviedinį ant popieriaus lapo ir sviedinys atsimuša tiesiai į jus ir trenkia į jus“.

Kadangi šių rezultatų nepavyko paaiškinti Thomsono atominiu modeliu, Rutherfordas pasiūlė, kad atomas būtų sudarytas iš branduolio, labai mažo, labai masyvaus ir teigiamai įkrauto. Elektronai išliko orbitose aplink jį, tarsi miniatiūrinė saulės sistema.

3 pav. Rutherfordo atominis modelis kairėje ir Thomsono razinų pudingo modelis dešinėje. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. Vaizdas kairėje: Jcymc90

Štai koks yra atomo branduolinis modelis, parodytas 3 paveiksle kairėje. Kadangi elektronų taip pat labai, labai mažai, paaiškėja, kad atomas yra beveik viskas…. tuščia! Todėl dauguma alfa dalelių praeina per lapą sunkiai deformuotos.

O analogija su miniatiūrine saulės sistema yra labai tiksli. Atominis branduolys vaidina Saulės vaidmenį, kuriame yra beveik visa masė ir teigiamas krūvis. Aplink juos orbita elektronai skrieja kaip planetos ir neigiamai veikia krūvį. Agregatas yra elektriškai neutralus.

Apie elektronų pasiskirstymą atome Rutherfordo eksperimentas nieko neparodė. Galite pamanyti, kad alfa dalelės turės tam tikrą sąveiką su jomis, tačiau elektronų masė yra per maža ir jie nesugebėjo žymiai atitraukti dalelių.

Rutherfordo modelio trūkumai

Viena šio atominio modelio problemų buvo būtent elektronų elgsena.

Jei jie būtų ne statiniai, o apeidami atominį branduolį žiedinėmis ar elipsinėmis orbitomis, varomi elektrinės traukos, jie galų gale skubėtų link branduolio.

Taip yra todėl, kad pagreitinti elektronai praranda energiją, ir jei tai atsitiks, tai bus atomo ir materijos griūtis.

Laimei, taip nėra. Yra tam tikras dinaminis stabilumas, kuris neleidžia žlugti. Kitas atominis modelis po Rutherfordo buvo Bohro, kuris pateikė keletą atsakymų, kodėl atominis žlugimas neįvyksta.

Protonas ir neutronas

Rutherfordas toliau darė išsibarstymo eksperimentus. 1917–1918 m. Jis ir jo padėjėjas Williamas Kay'as pasirinko bombarduoti dujinius azoto atomus labai energingomis alfa dalelėmis iš bismuto-214.

Jis vėl nustebo, kai aptiko vandenilio branduolius. Tai yra lygties reakcija, pirmoji kada nors pasiekta dirbtinė branduolio transmutacija:

Atsakymas buvo: iš to paties azoto. Rutherfordas vandeniliui priskyrė atominį skaičių 1, nes tai yra paprasčiausias elementas iš visų: teigiamas branduolys ir neigiamas elektronas.

Rutherfordas rado pagrindinę dalelę, kurią jis pavadino protonu, vardu, kilusiu iš graikų kalbos žodžio. Tokiu būdu protonas yra pagrindinė kiekvieno atomo branduolio sudedamoji dalis.

Vėliau, apie 1920 m., Rutherfordas pasiūlė, kad turi būti neutrali dalelė, kurios masė turėtų būti labai panaši į protono masę. Šią dalelę jis pavadino neutronu ir tai yra beveik visų žinomų atomų dalis. Fizikas Jamesas Chadwickas tai galutinai nustatė 1932 m.

Kaip atrodo vandenilio atomo mastelinis modelis?

Kaip jau minėjome, vandenilio atomas yra pats paprasčiausias. Tačiau sukurti šio atomo modelį nebuvo lengva.

Iš eilės atradimų atsirado Kvantinė fizika ir visa teorija, apibūdinanti reiškinius atominiu mastu. Šio proceso metu taip pat vystėsi atominis modelis. Tačiau pažvelkime į dydžių klausimą:

Vandenilio atomas turi branduolį, sudarytą iš vieno protono (teigiamo) ir turi vieną elektroną (neigiamą).

Apskaičiuotas, kad vandenilio atomo spindulys yra 2,1 x ^10–10 m, o protono - 0,85 x ^10–15 m arba 0,85 femtometro. Šio mažo vieneto vardas kilo dėl Enrico Fermi ir yra daug naudojamas dirbant tokiu mastu.

Na, o atomo ir branduolio spindulio santykis yra 10 ⁵ m, tai yra, atomas yra 100 000 kartų didesnis už branduolį!

Tačiau reikia nepamiršti, kad šiuolaikiniame modelyje, paremtame Quantum Mechanics, elektronas apgaubia branduolį tam tikrame debesyje, vadinamame orbitale (orbitalė nėra orbita), o elektronas, esant atominei mastei, nėra punktualus.

Jei vandenilio atomas, įsivaizduojamai, būtų padidintas iki futbolo lauko dydžio, tada branduolys, sudarytas iš teigiamo protono, būtų skruzdėlės dydis lauko centre, o neigiamas elektronas būtų tarsi savotiškas vaiduoklis, išsibarstę po lauką ir supantys teigiamą šerdį.

Atominis modelis šiandien

Šis „planetų tipo“ atominis modelis yra labai įsiskverbęs ir yra atomo įvaizdis, kurį turi dauguma žmonių, nes jį labai lengva vizualizuoti. Tačiau tai nėra šiandien priimtas modelis mokslo srityje.

Šiuolaikiniai atominiai modeliai yra pagrįsti kvantine mechanika. Ji pabrėžia, kad atomo elektronas nėra neigiamai įkrautas taškas, einantis po tikslių orbitų, kaip įsivaizdavo Rutherfordas.

Atvirkščiai, elektronas yra išsibarstęs vietose, esančiose aplink teigiamą branduolį, vadinamuose atominėmis orbitalėmis. Iš jo galime sužinoti tikimybę būti vienoje ar kitoje valstybėje.

Nepaisant to, Rutherfordo modelis reiškė didžiulę pažangą atomo vidinės struktūros pažinime. Tai sudarė kelią daugiau tyrėjų toliau tobulinti.

Nuorodos

1. Andriessen, M. 2001. HSC kursai. Fizika 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Universiteto fizika. Akademinė spauda.
3. Knight, R. 2017. Fizika mokslininkams ir inžinerijai: strategijos metodas. Pearsonas.
4. Fizikos „OpenLab“. „Rutherford-Geiger-Marsden“ eksperimentas. Atkurta iš: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Fizikos pagrindai. Pearsonas.
6. Tyson, T. 2013. The Rutherford Scattering Experiment. Gauta iš: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherfordo eksperimentai. Atkurta iš: xaktly.com.
8. Vikipedija. Rutherfordo eksperimentas. Atkurta iš: es.wikipedia.org.