RUTHERFORDOV POSKUS: ZGODOVINA, OPIS IN ZAKLJUČKI - ZNANOST - 2026

Poskus Rutherford , izvedena med 1908 in 1913 sestavljalo bomb tanko zlato plast .0004 mm debeline, z delci alfa in analizirali disperzije vzorec omenjenih delcev levo na fluorescentno zaslonu.

V resnici je Rutherford izvedel številne poskuse, ki so podrobneje izpopolnjevali podrobnosti. Po natančni analizi rezultatov sta se pojavila dva zelo pomembna zaključka:

-Pozitiven naboj atoma je koncentriran v območju, ki se imenuje jedro.

-To atomsko jedro je v primerjavi z velikostjo atoma neverjetno majhno.

Slika 1. Rutherfordov poskus. Vir: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) je bil novozelandski fizik, katerega področje zanimanja sta bila radioaktivnost in narava snovi. Radioaktivnost je bil nedavni pojav, ko je Rutherford začel z eksperimenti, odkril ga je Henri Becquerel leta 1896.

Leta 1907 je Rutherford odšel na univerzo v Manchestru v Angliji, da bi preučil strukturo atoma, pri čemer je te alfa delce uporabil kot sonde za pregledovanje znotraj tako drobne strukture. Pri nalogi sta ga spremljala fizika Hans Geiger in Ernest Marsden.

Upali so, da bodo videli, kako bo alfa delček, ki je dvojno ioniziran atom helija, medsebojno povezan z enim samim atomom zlata, da bi se prepričal, da je vsako odstopanje posledica le električne sile.

Vendar je večina alfa delcev prešla skozi zlato folijo le z majhnim odstopanjem.

To dejstvo se je popolnoma ujemalo s Thomsonovim atomskim modelom, vendar je na presenečenje raziskovalcev majhen odstotek alfa delcev doživel precej odklon.

In še manjši odstotek delcev bi se vrnil, popolnoma odskočil nazaj. Kateri so bili ti nepričakovani rezultati?

Opis in zaključki poskusa

Dejansko so alfa delci, ki jih je Rutherford uporabil kot sondo, helijeva jedra, in takrat je bilo znano le, da so ti delci pozitivno nabiti. Danes je znano, da alfa delce sestavljata dva protona in dva nevtrona.

Retherford je alfa delce in delce beta opredelil kot dva različna razreda sevanja iz urana. Delci alfa, veliko bolj masivni od elektrona, imajo pozitiven električni naboj, medtem ko so beta delci lahko elektroni ali pozitroni.

Slika 2. Podrobna shema eksperimenta Rutherford, Geiger in Marsden. Vir: R. Knight. Fizika za znanstvenike in inženiring: strateški pristop. Pearson.

Poenostavljena shema poskusa je prikazana na sliki 2. Žare alfa delcev prihajajo iz radioaktivnega vira. Geiger in Marsden sta kot oddajalec uporabljala radonski plin.

Svinčeni bloki so bili namenjeni usmerjanju sevanja proti zlati foliji in preprečevanju, da bi šlo neposredno na fluorescenčni zaslon. Svinec je material, ki absorbira sevanje.

Nato je bil usmerjen snop narejen tako, da je naletel na tanko zlato folijo in večina delcev je nadaljevala pot do fluorescentnega cinkovega sulfata, kjer so pustili majhno sled. Geiger je bil zadolžen za štetje enega po enega, čeprav so kasneje zasnovali napravo, ki je to storila.

Dejstvo, da so nekateri delci doživeli majhen odklon, ni presenetilo Rutherforda, Geigerja in Marsdena. Navsezadnje na atomu obstajajo pozitivni in negativni naboji, ki izvajajo sile na alfa delce, a ker je atom nevtralen, kar so že poznali, so morala biti odstopanja majhna.

Presenečenje eksperimenta je, da je nekaj pozitivnih delcev odbilo skoraj neposredno nazaj.

Sklepi

Približno 1 od 8000 alfa delcev je imel odklon pod kotom 90 °. Malo, a dovolj, da podvomim v nekatere stvari.

Model atoma je bil modni puding Thomson-a, nekdanjega profesorja Rutherforda v Cavendish Laboratoryju, toda Rutherford se je vprašal, ali je ideja o atomu brez jedra in z elektroni, vdelanimi kot rozine, pravilna.

Ker se izkaže, da je te velike odklone alfa delcev in dejstvo, da se jih nekaj lahko vrne, mogoče razložiti le, če ima atom majhno, težko, pozitivno jedro. Rutherford je domneval, da so za vsako odstopanje odgovorne le električne privlačne in odbijajoče sile, kot jih navaja Coulombov zakon.

Ko se nekateri alfa delci približajo neposredno temu jedru in ker se električna sila spreminja z obratnim kvadratom razdalje, občutijo odbojnost, ki jim povzroči širjenje širokega kota ali odklon nazaj.

Zagotovo sta Geiger in Marsden eksperimentirala z bombardiranjem pločevin iz različnih kovin, ne le zlata, čeprav je bila ta kovina najprimernejša zaradi svoje kovljivosti, da bi ustvarili zelo tanke pločevine.

S podobnimi rezultati je bil Rutherford prepričan, da mora biti pozitiven naboj atoma lociran v jedru in ne razpršen po celotnem volumnu, kot je Thomson postuliral v svojem modelu.

Ker je velika večina alfa delcev minila brez odstopanja, je moralo biti jedro v primerjavi z atomsko velikostjo zelo, zelo majhno. Vendar je moralo to jedro koncentrirati večino mase atoma.

Vplivi na model atoma

Rezultati so zelo presenetili Rutherforda, ki je na konferenci v Cambridgeu izjavil: "… to je tako, kot če izstreliš 15-palčno topovsko kroglico na list papirja in izstrelk se odbije neposredno proti tebi in te zadene".

Ker teh rezultatov Thomson-ovega atomskega modela ni bilo mogoče razložiti, je Rutherford predlagal, da atom sestavlja jedro, zelo majhno, zelo masivno in pozitivno nabiti. Elektroni so ostali v orbiti okoli njega, kot miniaturni sončni sistem.

Slika 3. Rutherfordov atomski model na levi in ​​Thomson-ov model pudinga iz rozin na desni. Vir: Wikimedia Commons. Leva slika: Jcymc90

O tem govori jedrski model atoma, prikazan na sliki 3 na levi strani. Ker so tudi elektroni zelo, zelo majhni, se izkaže, da je atom skoraj vse. prazno! Zato večina alfa delcev prehaja skozi pločevino komaj odkrito.

In analogija z miniaturnim sončnim sistemom je zelo natančna. Atomsko jedro igra vlogo Sonca, ki vsebuje skoraj vso maso in pozitiven naboj. Elektroni krožijo okoli njih kot planeti in nosijo negativen naboj. Sklop je električno nevtralen.

O porazdelitvi elektronov v atomu Rutherfordov poskus ni pokazal ničesar. Morda bi si mislili, da bi alfa delci imeli nekaj interakcije z njimi, vendar je masa elektronov premajhna in delcev ne bi mogli bistveno odkloniti.

Slabosti modela Rutherford

Ena težava tega atomskega modela je bilo ravno obnašanje elektronov.

Če ne bi bile statične, ampak bi krožile atomsko jedro v krožnih ali eliptičnih orbitah, ki jih poganja električna privlačnost, bi na koncu hiteli proti jedru.

To je zato, ker pospešeni elektroni izgubljajo energijo in če bi se to zgodilo, bi šlo za propad atoma in materije.

Na srečo se to ne zgodi. Obstaja neke vrste dinamična stabilnost, ki preprečuje propad. Naslednji atomski model, po Rutherfordovem, je bil Bohrov, ki je dal nekaj odgovorov, zakaj se ne zgodi atomski kolaps.

Proton in nevtronov

Rutherford je še naprej izvajal poskuse s sipanjem. Med letoma 1917 in 1918 sta se on in njegov pomočnik William Kay odločila za bombardiranje plinastih dušikovih atomov z visoko energijskimi alfa delci iz bizmut-214.

Spet je bil presenečen, ko je zaznal vodikova jedra. To je enačba reakcije, prve umetne jedrske transmutacije, kar je bilo kdaj doseženo:

Odgovor je bil: iz istega dušika. Rutherford je vodiku dodelil atomsko številko 1, ker je najpreprostejši element od vseh: pozitivno jedro in negativni elektron.

Rutherford je našel temeljni delček, ki ga je najprej poimenoval proton, ime, ki izhaja iz grške besede. Proton je na ta način bistvena sestavina vsakega atomskega jedra.

Kasneje, okrog leta 1920, je Rutherford predlagal, da mora obstajati nevtralen delec z maso, ki je zelo podobna masi protona. Ta delček je poimenoval nevtron in je del skoraj vseh znanih atomov. Fizik James Chadwick ga je leta 1932 končno identificiral.

Kako izgleda model lestvice vodikovega atoma?

Atom vodika je, kot rečeno, najpreprostejši od vseh. Vendar pa ni bilo enostavno razviti modela za ta atom.

Zaporedna odkritja so povzročila kvantno fiziko in celotno teorijo, ki opisuje pojave v atomskem merilu. V tem procesu se je razvil tudi atomski model. Poglejmo pa vprašanje velikosti:

Atom vodika ima jedro, sestavljeno iz enega protona (pozitivno) in ima en sam elektron (negativen).

Polmer vodikovega atoma je bil ocenjen na 2,1 x 10 ^-10 m, medtem ko je protonov 0,85 x 10 ^-15 m ali 0,85 femtometrov. Ime te majhne enote nosi Enrico Fermi in se veliko uporablja pri delu v tej lestvici.

No, količnik med polmerom atoma in jedrom je približno 10 ⁵ m, torej atom je 100.000-krat večji od jedra!

Upoštevati pa je treba, da v sodobnem modelu, ki temelji na kvantni mehaniki, elektron obda jedro v nekakšnem oblaku, ki se imenuje orbitala (orbitala ni orbita) in elektron v atomskem merilu ni točen.

Če bi atom vodika - domiselno - povečali na velikost nogometnega igrišča, bi bilo jedro, sestavljeno iz pozitivnega protona, velikost mravlje v središču igrišča, negativni elektron pa bi bil kot nekakšen duh, raztresene po polju in obdajajo pozitivno jedro.

Atomski model danes

Ta atomski model "planetarnega tipa" je zelo ukoreninjen in je podoba atoma, ki jo ima večina ljudi, saj jo je zelo enostavno predstaviti. Vendar danes na znanstvenem področju ni sprejet model.

Sodobni atomski modeli temeljijo na kvantni mehaniki. Poudarja, da elektron v atomu ni negativno nabita pika, ki sledi natančnim orbitam, kot je predvideval Rutherford.

Namesto tega se elektron razprši na območjih okoli pozitivnega jedra, imenovanih atomske orbitale. Iz njega lahko vemo, kakšna je verjetnost, da smo v takšnem ali drugačnem stanju.

Kljub temu je Rutherfordov model predstavljal ogromen napredek v poznavanju notranje strukture atoma. In utrlo je pot več raziskovalcem, da jo še naprej izpopolnjujejo.

Reference

1. Andriessen, M. 2001. Tečaj HSC. Fizika 2. Jacaranda HSC Znanost.
2. Arfken, G. 1984. Univerzitetna fizika. Akademski tisk.
3. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike in inženiring: strateški pristop. Pearson.
4. Fizika OpenLab. Eksperiment Rutherford-Geiger-Marsden Pridobljeno: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. Rutherford Scattering Experiment. Pridobljeno z: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherfordovi poskusi. Pridobljeno: xaktly.com.
8. Wikipedija. Rutherfordov poskus. Pridobljeno: es.wikipedia.org.