Rutherfordov eksperiment i njegovi prototipovi



Rutherfordov eksperiment dopustio je skupini znanstvenika da otkriju da svaki atom ima pozitivno nabijenu jezgru.

Ernest Rutherford, bio je novozelandski fizičar i kemičar. Usredotočio se na proučavanje radioaktivnih čestica i proveo nekoliko istraživanja koja su mu omogućila da dobije Nobelovu nagradu za kemiju 1908. godine..

Pod vodstvom Rutherforda, Hansa Geigera i Ernesta Marsdena, pomogli su stvoriti atomski model, u laboratorijima Sveučilišta u Manchesteru.

Jedna od prvih atomskih teorija koje postoje jest ona koju je formulirao Thomson, pronalazač elektrona. Smatrao je da su atomi sfere s pozitivnim nabojem i da su elektroni raspoređeni u njemu.

Thomsonova teorija kaže da ako se alfa čestica sudarila s atomom, ova čestica bi prolazila kroz atom. Na to bi utjecalo električno polje atoma prema ovom modelu.

U to vrijeme protoni i neutroni nisu otkriveni. Thomson nije mogao dokazati svoje postojanje, a znanstvenu zajednicu njegov model nije prihvatio.

Da bi pokazao postojanje Thomsonove teorije, Rutherford, Geiger i Marsdend eksperiment u kojem su bombardirali alfa čestice, načinjene od jezgre plina helija, na ploču metala.

Ako je Thomsonov model radio, čestice bi morale proći kroz lim bez ikakvog odstupanja.

Razvoj Rutherfordovog eksperimenta

Prvi prototip

Prvi prototip dizajna eksperimenta, proveden 1908. godine, Geiger je objasnio u članku pod naslovom O raspršivanju čestica po materiji.

Izgradili su staklenu cijev dugu oko dva metra, na jednom kraju je bio radio izvor, a na suprotnom kraju je bio postavljen fosforescentni zaslon. U sredini cijevi postavljena je vrsta lijevka kako bi alfa čestice prolazile kroz njega.

Proces koji je uslijedio bio je proći alfa čestice kroz prorez, tako da bi projicirao snop svjetlosti na fosforescentni zaslon.

Crpljenjem cijelog zraka iz cijevi, dobivena slika bila je bistra i odgovarala je otvoru u sredini cijevi. Kada se količina zraka u cijevi spusti, slika postaje sve difuznija.

Zatim, kako bi vidjeli koje putanje slijedile čestice ako su udarile nešto ili ga prešle, kao što je Thomsonova teorija držala, zlatni list je umetnut u utor.

To je pokazalo da zrak i krute tvari uzrokuju disperziju čestica koje se reflektiraju u fosforescentnom zaslonu s više difuznih slika..

Problem s ovim prvim prototipom je u tome što je pokazao samo rezultat disperzije, ali ne i putanju koju su slijedile alfa čestice..

Drugi prototip

Geiger i Marsden objavljuju članak 1909. u kojem objašnjavaju eksperiment koji pokazuje kretanje alfa čestica.

U difuznom odrazu alfa čestica objašnjeno je da eksperiment ima za cilj otkriti da se čestice kreću pod kutom većim od 90 stupnjeva.

Stvorili su drugi prototip eksperimenta, gdje je stvoren stakleni spremnik s koničnim oblikom. Postavili su olovnu ploču, tako da su se alfa čestice sudarile s njom, a kako bi vidjeli njezinu disperziju, iza nje je bila postavljena fluorescentna ploča.

Problem s konfiguracijom ovog uređaja je da su čestice izbjegle olovnu ploču, odbijajući se od molekula zraka.

Oni su testirali postavljanjem metala i vidjeli na fluorescentnom zaslonu da je bilo više udaraca čestica.

Pokazalo se da metali koji imaju višu atomsku masu odražavaju više čestica, ali Geiger i Masden željeli su znati točan broj čestica. No eksperiment s radiom i radioaktivnim materijalima ne može biti točan.

Treći prototip

Članak Disperzija α-čestica tvari iz 1910. objašnjava treći eksperiment koji je Geiger osmislio. Ovdje je već bila usredotočena na mjerenje kuta raspršivanja čestica, ovisno o materijalu u kojem dolaze u kontakt.

Ovaj put, cijev je bila vodonepropusna i živa je pumpala radon-222 na fluorescentni zaslon. Pomoću mikroskopa su izbrojani bljeskovi koji su se pojavili na fluorescentnom zaslonu.

Izračunati su kutevi koji su slijedili čestice i došli do zaključka da se kutovi progiba povećavaju s većom atomskom masom materijala i da je također proporcionalna atomskoj masi tvari..

Međutim, najvjerojatniji kut otklona smanjuje se s brzinom i vjerojatnost da ona odstupa više od 90º je zanemariva.

Uz rezultate dobivene u ovom prototipu, Rutherford je matematički izračunao uzorak disperzije.

Kroz matematičku jednadžbu izračunato je kako bi list trebao raspršiti čestice, pod pretpostavkom da atom ima pozitivni električni naboj u središtu. Iako je potonje smatrano samo hipotezom.

Razvijena jednadžba je bila takva:

Gdje je s = broj alfa čestica koje padaju na područje jedinice s kutom otklona Φ

  • r = udaljenost točke upadanja alfa zraka na disperzijski materijal
  • X = ukupan broj čestica koje padaju na disperzijski materijal
  • n = broj atoma u jedinici volumena materijala
  • t = debljina lima
  • Qn = pozitivni naboj atomske jezgre
  • Qα = pozitivni naboj alfa čestica
  • m = masa alfa čestice
  • v = brzina alfa čestice

Konačni prototip

Uz model Rutherfordovih jednadžbi, pokus je pokušao pokazati što se postulira, te da atomi imaju jezgru s pozitivnim nabojem.

Projektirana jednadžba predviđa da broj bljeskova po minuti koji se promatra pod danim kutom () treba biti proporcionalan:

  • CSC42/2
  • debljina lima t
  • magnituda središnjeg opterećenja Qn
  • 1 / (mv2)2

Da bi se prikazale ove četiri hipoteze, stvorena su četiri eksperimenta, koja su objašnjena u članku Zakoni otklona α čestica velikim kutovima 1913.

Ispitati učinak proporcionalno csc42/2, na vrhu stupca je izgrađen cilindar.

Stupac koji pumpa zrak i mikroskop pokriven fluorescentnim zaslonom omogućio je promatranje čestica koje su odstupale do 150º, s kojima je pokazana hipoteza Rutherforda..

Da bi se testirala hipoteza o debljini lima, montirao je disk sa 6 rupa prekrivenih listovima različite debljine. Primijećeno je da je broj bljeskova bio proporcionalan debljini.

Ponovno su upotrijebili disk prethodnog eksperimenta kako bi izmjerili raspored disperzije, pod pretpostavkom da je opterećenje jezgre proporcionalno atomskoj masi, izmjerili su ako je disperzija bila proporcionalna kvadratu atomske mase.

Uz dobivene bljeskove, podijeljene ekvivalentom zraka, a zatim podijeljene s kvadratnim korijenom atomske mase, otkrili su da su proporcije slične.

I konačno, s istim diskom eksperimenta, postavili su više mica diskova kako bi usporili čestice, i uz prihvatljiv raspon pogrešaka, pokazali su da je broj scintilacija proporcionalan 1 / v.4, kao što je Rutherford predvidio u svom modelu.

Kroz eksperimente su dokazali da su sve Rutherfordove hipoteze bile zadovoljene na način koji je odredio Rutherfordov atomski model. U ovom modelu, konačno objavljenom 1917., pretpostavlja se da atomi imaju središnju jezgru s pozitivnim nabojem.

Ako je središnja jezgra atoma ona s pozitivnim nabojem, ostatak atoma će biti prazan s elektronima koji kruže oko njega.

Ovim modelom pokazano je da atomi imaju neutralan naboj i da se pozitivni naboj koji se nalazi u jezgri suprotstavlja istom broju elektrona koji kruže oko.

Ako uklonimo elektrone iz atoma, oni će ostati s pozitivnim nabojem. Atomi su stabilni, jer je centrifugalna sila jednaka električnoj sili, zadržavajući elektrone na mjestu

reference

  1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Royman. Atomski model E. Rutherforda.Podučavanje znanosti, 2008, vol. 26.
  2. BOHR, Niels. Memorijalno predavanje Rutherforda 1958. Reminiscencije osnivača nuklearne znanosti i nekih razvoja na temelju njegova rada.Zbornik radova Fizičkog društva, 1961.
  3. JUSTI, Rosaria; GILBERT, John. Povijest i filozofija znanosti kroz modele: neki izazovi u slučaju "atoma".Međunarodni časopis za znanstveno obrazovanje, 2000, vol. 22.
  4. COHEN-TANNOUDJI, Claude i sur.Atom-fotonske interakcije: osnovni procesi i primjene. New York: Wiley, 1992.
  5. AGUILERA, Damarys i sur. Konceptualni modeli sveučilišnih studenata o atomskoj strukturi na temelju eksperimenata Thomsona, Rutherforda i Bohra / Konceptualnih modela studenata o atomskoj strukturi temeljenoj na eksperimentima Thomsona, Rutherforda i Bohra.Časopis za znanstveno obrazovanje, 2000, vol. 1, br.
  6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.Anorganska kemija. Uvodnik Progreso, 2001.
  7. TORRES, Amalia Williart. Povijesni eksperiment: otkriće atomske jezgre: Rutherfordov eksperiment.100cias UNED, 2003, br. 6, str. 107-111.