RUTHERFORDS EXPERIMENT: HISTORIA, BESKRIVNING OCH SLUTSATSER - VETENSKAP - 2025

Den Experimentet Rutherford , som genomfördes mellan 1908 och 1913 bestod bomba en tunn guldfilm av 0,0004 mm tjock, med alfapartiklar och analysera spridningsmönster av nämnda partiklar kvar på en fluorescerande skärm.

I själva verket genomförde Rutherford många experiment och förädlade detaljerna mer och mer. Efter noggrant analys av resultaten framkom två mycket viktiga slutsatser:

-Atomens positiva laddning koncentreras i en region som kallas kärnan.

-Denna atomkärna är otroligt liten jämfört med atomens storlek.

Figur 1. Rutherfords experiment. Källa: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) var en Nya Zeeland-född fysiker vars intresseområde var radioaktivitet och materiens natur. Radioaktivitet var ett nyligen fenomen när Rutherford började sina experiment, det hade upptäckts av Henri Becquerel 1896.

År 1907 flyttade Rutherford till University of Manchester i England för att studera strukturen hos atomen genom att använda dessa alfapartiklar som sonder för att kika in i en så liten struktur. Fysikerna Hans Geiger och Ernest Marsden åtföljde honom på uppgiften.

De hoppades se hur en alfapartikel, som är en dubbelt joniserad heliumatom, skulle samverka med en enda guldatom, för att säkerställa att all avvikelse den upplevde enbart berodde på elektrisk kraft.

De flesta alfapartiklar passerade emellertid genom guldfolien med endast en liten avvikelse.

Detta faktum var helt överens med Thomsons atommodell, men till forskarnas överraskning upplevde en liten procentdel av alfapartiklarna en ganska anmärkningsvärd avvikelse.

Och en ännu mindre andel partiklar skulle komma tillbaka och studsa helt tillbaka. Vad berodde dessa oväntade resultat på?

Beskrivning och slutsatser av experimentet

Faktum är att alfapartiklarna som Rutherford använde som sond är heliumkärnor, och vid den tiden var det bara känt att dessa partiklar var positivt laddade. Idag är det känt att alfapartiklar består av två protoner och två neutroner.

Alfapartiklar och beta-partiklar hade identifierats av Rutherford som två olika slags strålning från uran. Alfapartiklar, mycket massivare än elektronen, har en positiv elektrisk laddning, medan betapartiklar kan vara elektroner eller positroner.

Figur 2. Detaljerat schema för Rutherford, Geiger och Marsden-experimentet. Källa: R. Knight. Fysik för forskare och teknik: en strategi. Pearson.

Ett förenklat schema för experimentet visas i figur 2. Alfapartikelstrålen kommer från en radioaktiv källa. Geiger och Marsden använde radongas som emitter.

Blyblocken användes för att rikta strålningen mot guldfolien och förhindra att den gick direkt till den lysrörsskärm. Bly är ett material som absorberar strålning.

Därefter fick den sålunda riktade strålen att påverka en tunn guldfolie och de flesta av partiklarna fortsatte sin väg till den fluorescerande zinksulfatskärmen, där de lämnade ett litet spår. Geiger var ansvarig för att räkna dem en efter en, även om de senare designade en enhet som gjorde det.

Det faktum att vissa partiklar genomgick en liten avböjning överraskade inte Rutherford, Geiger och Marsden. Det finns ju positiva och negativa laddningar på atomen som utövar krafter på alfapartiklarna, men eftersom atomen är neutral, vilket de redan visste, måste avvikelserna vara små.

Överraskningen av experimentet är att några positiva partiklar studsades nästan direkt tillbaka.

Slutsatser

Cirka 1 av 8000 alfapartiklar upplevde avböjning i vinklar större än 90 °. Få, men tillräckligt för att ifrågasätta vissa saker.

Atommodellen på mode var den av russinpudding av Thomson, Rutherfords tidigare professor vid Cavendish Laboratory, men Rutherford undrade om tanken på en atom utan en kärna och med elektroner inbäddade som russin, var korrekt.

Eftersom det visar sig att dessa stora avböjningar av alfapartiklar, och det faktum att några få kan återvända, kan bara förklaras om en atom har en liten, tung, positiv kärna. Rutherford antog att endast de elektriska attraktiva och avvisande krafterna, som antyds av Coulombs lag, var ansvariga för varje avvikelse.

När några av alfapartiklarna närmar sig direkt mot denna kärna och eftersom den elektriska kraften varierar med det omvända kvadratet på avståndet, känner de en avvisning som orsakar dem vidvinkelspridningen eller bakåtböjningen.

För att vara säker experimenterade Geiger och Marsden med bombardering av ark av olika metaller, inte bara guld, även om denna metall var den mest lämpliga för sin formbarhet, för att skapa mycket tunna ark.

Genom att uppnå liknande resultat var Rutherford övertygad om att den positiva laddningen på atomen borde vara belägen i kärnan och inte spridas i hela sin volym, som Thomson hävdade i sin modell.

Å andra sidan, eftersom den stora majoriteten av alfapartiklar passerade utan avvikelse, måste kärnan vara mycket, mycket liten jämfört med atomstorlek. Emellertid var denna kärna tvungen att koncentrera sig till det mesta av atomens massa.

Påverkningar på atomens modell

Resultaten förvånade Rutherford, som förklarade vid en konferens i Cambridge: "… det är som när du avfyra en 15-tums kanonboll på ett pappersduk och projektilen studsar direkt mot dig och träffar dig".

Eftersom dessa resultat inte kunde förklaras med Thomsons atommodell föreslog Rutherford att atomen bestod av en kärna, mycket liten, mycket massiv och positivt laddad. Elektronerna förblev i banor runt honom, som ett miniatyr solsystem.

Bild 3. Rutherfords atommodell till vänster och Thomsons russinpuddingmodell till höger. Källa: Wikimedia Commons. Vänster bild: Jcymc90

Detta är vad kärnmodellen för atomen som visas i figur 3 till vänster handlar om. Eftersom elektroner också är väldigt små, visar det sig att atomen är nästan allt … tömma! Därför passerar de flesta alfapartiklar genom arket som knappast avböjs.

Och analogin med ett miniatyrsolsystem är mycket exakt. Atomkärnan spelar solens roll och innehåller nästan hela massan plus den positiva laddningen. Elektroner kretsar runt dem som planeter och har en negativ laddning. Enheten är elektriskt neutral.

Om distributionen av elektroner i atomen visade Rutherfords experiment ingenting. Du kanske tror att alfapartiklarna skulle ha en viss interaktion med dem, men elektronernas massa är för liten och de kunde inte avleda partiklarna avsevärt.

Nackdelar med Rutherford-modellen

Ett problem med denna atommodell var just elektronernas beteende.

Om dessa inte var statiska, utan kretsar om atomkärnan i cirkulära eller elliptiska banor, drivna av elektrisk attraktion, skulle de hamna rusa mot kärnan.

Detta beror på att de accelererade elektronerna förlorar energi, och om det händer skulle det vara kollapsen av atomen och materien.

Lyckligtvis är det inte detta som händer. Det finns en slags dynamisk stabilitet som förhindrar kollaps. Nästa atommodell, efter Rutherfords, var Bohrs, som gav några svar på varför atomkollaps inte inträffar.

Protonen och neutronen

Rutherford fortsatte att sprida experiment. Mellan 1917 och 1918 valde han och hans assistent William Kay att bombardera gasformiga kväveatomer med de mycket energiska alfapartiklarna från vismut-214.

Han blev förvånad igen när han upptäckte vätekärnor. Detta är ekvationen av reaktionen, den första konstgjorda nukleära transmutationen som någonsin uppnåtts:

Svaret var: från samma kväve. Rutherford hade tilldelat väte atomnummer 1, eftersom det är det enklaste elementet av alla: en positiv kärna och en negativ elektron.

Rutherford hade hittat en grundläggande partikel som han namngav en proton, ett namn som härstammar från det grekiska ordet för det första. På detta sätt är protonen en väsentlig beståndsdel i varje atomkärna.

Senare, omkring 1920, föreslog Rutherford att det måste finnas en neutral partikel med en massa som var mycket lik protonen. Han kallade denna partikel en neutron och den är en del av nästan alla kända atomer. Fysikern James Chadwick identifierade det äntligen 1932.

Hur ser en skalmodell av väteatomen ut?

Väteatomen är som sagt den enklaste av alla. Men det var inte lätt att utveckla en modell för denna atom.

Påföljande upptäckter gav upphov till kvantfysik och en hel teori som beskriver fenomen på atomär skala. Under denna process utvecklades också atommodellen. Men låt oss ta en titt på storleken:

Väteatomen har en kärna som består av en proton (positiv) och har en enda elektron (negativ).

Väteatomens radie har uppskattats till 2,1 x ^10-10 m, medan protonens radie är 0,85 x ^10-15 m eller 0,85 femm. Namnet på denna lilla enhet beror på Enrico Fermi och används mycket när man arbetar i denna skala.

Tja, kvoten mellan atomens radie och kärnans storlek är i storleksordningen 10 ⁵ m, dvs atomen är 100 000 gånger större än kärnan!

Man måste dock komma ihåg att elektroniken i den moderna modellen, baserad på kvantmekanik, omsluter kärnan i ett slags moln som kallas en orbital (en orbital är inte en bana) och elektronen, i en atomskala, är inte punktlig.

Om väteatomen utvidgades - fantasifullt - till storleken på ett fotbollsplan, skulle kärnan bestående av en positiv proton vara storleken på en myra i mitten av fältet, medan den negativa elektronen skulle vara som ett slags spöke, spridda över fältet och omger den positiva kärnan.

Atommodellen idag

Denna "planetariska" atommodell är väldigt inbyggd och är den bild som de flesta människor har av atomen, eftersom den är väldigt lätt att visualisera. Men det är inte den accepterade modellen idag inom det vetenskapliga området.

Samtida atommodeller är baserade på Quantum Mechanics. Hon påpekar att elektronen i atomen inte är en negativt laddad prick som följer exakta banor, som Rutherford föreställde sig.

Snarare är elektronen spridd i områden runt den positiva kärnan, som kallas atomiska orbitaler. Från honom kan vi veta sannolikheten för att vara i ett eller annat tillstånd.

Trots detta representerade Rutherfords modell ett enormt framsteg i kunskapen om atomens inre struktur. Och det banade vägen för fler forskare att fortsätta att förfina det.

referenser

1. Andriessen, M. 2001. HSC-kurs. Fysik 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Universitetsfysik. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fysik för forskare och teknik: en strategi-strategi. Pearson.
4. Fysik OpenLab. Rutherford-Geiger-Marsden-experimentet. Återställd från: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. Rutherford Scattering Experiment. Hämtad från: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherfords experiment. Återställd från: xaktly.com.
8. Wikipedia. Rutherfords experiment. Återställd från: es.wikipedia.org.