RUTHERFORDIN KOE: HISTORIA, KUVAUS JA PÄÄTELMÄT - TIEDE - 2026

Koe Rutherford, suoritetaan välillä 1908 ja 1913 koostui pommittaa ohutkultakalvosta on 0,0004 mm, alfa-hiukkasia ja analysoida hajontakuvion mainittujen hiukkasten vasemmalle fluoresoivalla näytöllä.

Itse asiassa Rutherford teki useita kokeiluja, jalosti yksityiskohtia yhä enemmän. Tulosten huolellisen analysoinnin jälkeen tuli kaksi erittäin tärkeää johtopäätöstä:

-Tomin positiivinen varaus on keskittynyt ytimeksi kutsuttuun alueeseen.

-Tämä atominen ydin on uskomattoman pieni verrattuna atomin kokoon.

Kuva 1. Rutherfordin koe. Lähde: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) oli Uudessa-Seelannissa syntynyt fyysikko, jonka kiinnostuksen kohteina olivat radioaktiivisuus ja aineen luonne. Radioaktiivisuus oli viimeaikainen ilmiö, kun Rutherford aloitti kokeilunsa, Henri Becquerel oli löytänyt sen vuonna 1896.

Vuonna 1907 Rutherford meni Manchesterin yliopistoon Englantiin tutkimaan atomin rakennetta käyttämällä näitä alfahiukkasia koettimina vertaistuakseen niin pieneen rakenteeseen. Fyysikot Hans Geiger ja Ernest Marsden seurasivat häntä tehtävässä.

He toivoivat näkevänsä, kuinka alfahiukkas, joka on kaksinkertaisesti ionisoitunut heliumiatomi, olisi vuorovaikutuksessa yhden kultaatomin kanssa varmistaakseen, että kaikki sen kokemat poikkeamat johtuvat yksinomaan sähköisestä voimasta.

Suurin osa alfahiukkasista kulki kultafolion läpi vain pienellä poikkeamalla.

Tämä tosiasia oli täysin yhdenmukainen Thomsonin atomimallin kanssa, mutta tutkijoiden yllätykseksi pienellä prosentilla alfahiukkasista tapahtui melko huomattava poikkeama.

Ja vielä pienempi prosenttiosuus hiukkasista tulisi takaisin, pomppiessa kokonaan takaisin. Mistä nämä odottamattomat tulokset johtuivat?

Kokeen kuvaus ja päätelmät

Itse asiassa alfahiukkaset, joita Rutherford käytti koettimena, ovat heliumydimiä, ja tuolloin tiedettiin vain, että nämä partikkelit olivat positiivisesti varautuneita. Nykyään tiedetään, että alfahiukkaset koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista.

Rutherford oli tunnistanut alfa- ja beetapartikkelit kahtena erityyppisenä uraanin säteilynä. Alfahiukkasilla, paljon massiivisemmilla kuin elektronilla, on positiivinen sähkövaraus, kun taas beetapartikkelit voivat olla elektroneja tai positroneja.

Kuvio 2. Yksityiskohtainen kaavio Rutherford, Geiger ja Marsden -kokeesta. Lähde: R. Knight. Fysiikka tutkijoille ja tekniikka: strateginen lähestymistapa. Pearson.

Kokeen yksinkertaistettu kaavio on esitetty kuvassa 2. Alfahiukkaspalkki tulee radioaktiivisesta lähteestä. Geiger ja Marsden käyttivät radonikaasua emitterina.

Lyijylohkoja käytettiin ohjaamaan säteilyä kultakalvoa kohti ja estämään sitä menemästä suoraan loisteputkeen. Lyijy on materiaalia, joka imee säteilyä.

Myöhemmin tällä tavalla suunnattu säde saatettiin vaikuttamaan ohuelle kultakalvolle ja suurin osa hiukkasista jatkoi matkallaan fluoresoivaan sinkkisulfaattiseulaan, missä ne jäivät pienen valon jäljen. Geiger oli vastuussa laskea heidät yksitellen, vaikka he myöhemmin suunnittelivat laitteen, joka teki sen.

Se, että jotkut hiukkaset läpikäyivät pienen taipuman, eivät yllättäneet Rutherfordia, Geigeriä ja Marsdenia. Loppujen lopuksi atomilla on positiivisia ja negatiivisia varauksia, jotka kohdistavat voimia alfahiukkasiin, mutta koska atomi on neutraali, minkä he jo tiesivät, poikkeamien piti olla pieniä.

Kokeilun yllätys on, että muutama positiivinen partikkeli palautui melkein suoraan takaisin.

johtopäätökset

Noin yhdellä 8000 alfahiukkasesta tapahtui taipuma yli 90 asteen kulmissa. Harvat, mutta tarpeeksi kyseenalaistamaan joitain asioita.

Muodossa oleva atomimalli oli Rutherfordin entisen professori Cavendishin laboratoriossa olleen Thomsonin ruusinkuppi, mutta Rutherford pohti, oliko ajatus atomista, jossa ei olisi ydintä ja rusinoihin upotetut elektronit.

Koska käy ilmi, että nämä suuret alfahiukkasten taipumat ja se, että muutamat pystyvät palaamaan, voidaan selittää vain, jos atomilla on pieni, raskas, positiivinen ydin. Rutherford oletti, että vain sähköiset houkuttelevat ja torjuvat voimat, kuten Coulombin laki osoittavat, ovat vastuussa mahdollisista poikkeamista.

Kun osa alfahiukkasista lähestyy suoraan tätä ydintä kohti ja koska sähköinen voima vaihtelee etäisyyden käänteisneliön kanssa, he tuntevat heijastumisen, joka aiheuttaa niiden hajonta suuressa kulmassa tai taipumisen taaksepäin.

Varmasti, Geiger ja Marsden kokeilivat eri metallien, ei pelkästään kullan, pommittamista, vaikka tämä metalli oli sopivin muovattavuuteensa, luodakseen erittäin ohuita levyjä.

Saatuaan samanlaisia ​​tuloksia Rutherford oli vakuuttunut siitä, että atomin positiivisen varauksen tulisi sijaita ytimessä eikä sitä pitäisi hajautua koko tilavuuteensa, kuten Thomson olettaa mallissaan.

Toisaalta, koska suurin osa alfahiukkasista kulki ilman poikkeamista, ytimen piti olla erittäin, hyvin pieni atomikokoon verrattuna. Tämän ytimen piti kuitenkin keskittää suurin osa atomin massasta.

Vaikutus atomin malliin

Tulokset yllättyivät suuresti Rutherfordista, joka julisti Cambridgessa pidetyssä konferenssissa: "… se on kuin ampuessasi 15-tuumaista tykinkuulaa pehmopaperiarkille ja ammus pomppii suoraan sinua kohti ja osuu sinuun".

Koska näitä tuloksia ei voitu selittää Thomsonin atomimallissa, Rutherford ehdotti, että atomi koostuisi ytimestä, hyvin pienestä, erittäin massiivisesta ja positiivisesti varautuneesta. Elektronit pysyivät kiertoradalla hänen ympärillään, kuten pienois aurinkojärjestelmä.

Kuva 3. Rutherfordin atomimalli vasemmalla ja Thomsonin rusinavaahto malli oikealla. Lähde: Wikimedia Commons. Vasen kuva: Jcymc90

Tästä on kysymys vasemmalla olevassa kuvassa 3 esitetystä atomin ydinmallista. Koska elektronit ovat myös hyvin, hyvin pieniä, käy ilmi, että atomi on melkein kaikki…. tyhjä! Siksi suurin osa alfahiukkasista kulkee arkin läpi tuskin taipumalta.

Ja analogia pienen aurinkojärjestelmän kanssa on erittäin tarkka. Atomiytimellä on Auringon rooli, joka sisältää lähes kaiken massan plus positiivisen varauksen. Elektronit kiertävät niiden ympärillä kuin planeetat ja kantavat negatiivisen varauksen. Kokoonpano on sähköisesti neutraali.

Rutherfordin kokeilu ei osoittanut mitään elektronien jakautumisesta atomissa. Saatat ajatella, että alfahiukkasilla olisi jonkin verran vuorovaikutusta niiden kanssa, mutta elektronien massa on liian pieni eikä he pystyneet siirtämään hiukkasia merkittävästi.

Rutherford-mallin haitat

Yksi ongelma tässä atomimallissa oli tarkalleen elektronien käyttäytyminen.

Jos nämä eivät olisi staattisia, vaan kiertävät atomin ydintä pyöreillä tai elliptisillä kiertoradalla, sähköisen vetovoiman ohjaamana, ne lopulta ryntävät kohti ydintä.

Tämä johtuu siitä, että kiihdytetyt elektronit menettävät energiaa, ja jos näin tapahtuu, se olisi atomin ja aineen romahtamista.

Onneksi näin ei tapahdu. On eräänlainen dynaaminen vakaus, joka estää romahtamisen. Seuraava atomimalli Rutherfordin jälkeen oli Bohrin malli, joka antoi vastauksia siihen, miksi atomiromahdus ei tapahdu.

Protoni ja neutroni

Rutherford jatkoi sirontakokeita. Vuosina 1917 - 1918 hän ja hänen assistenttinsa William Kay päättivät pommittaa kaasumaisia ​​typpiatomeja vismutti-214: n erittäin energisillä alfahiukkasilla.

Hän yllättyi uudestaan, kun hän havaitsi vetyydyt. Tämä on yhtälö reaktiolle, joka on koskaan saavutettu ensimmäinen keinotekoinen ydinmuuntaminen:

Vastaus oli: samasta typestä. Rutherford oli antanut vedylle atominumeron 1, koska se on yksinkertaisin elementti kaikista: positiivinen ydin ja negatiivinen elektroni.

Rutherford oli löytänyt perushiukkasen, jonka hän nimitti protoniksi, ensin kreikan sanasta johdetun nimen. Tällä tavalla protoni on jokaisen atomin ytimen olennainen osa.

Myöhemmin, noin 1920, Rutherford ehdotti, että on oltava neutraali hiukkas, jonka massa on hyvin samanlainen kuin protonin. Hän kutsui tätä hiukkasta neutroniksi ja se on osa melkein kaikkia tunnettuja atomeja. Fyysikko James Chadwick tunnisti sen lopulta vuonna 1932.

Miltä vetyatomin mittakaava näyttää?

Vetyatomi on, kuten olemme sanoneet, yksinkertaisin kaikista. Tätä atomia varten ei kuitenkaan ollut helppoa kehittää mallia.

Peräkkäiset löytöt antoivat kvanttifysiikan ja koko teorian, joka kuvaa ilmiöitä atomitasolla. Tämän prosessin aikana myös atomimalli kehittyi. Mutta katsotaanpa kysymystä koosta:

Vetyatomissa on ydin, joka koostuu yhdestä protonista (positiivinen) ja jossa on yksi elektroni (negatiivinen).

Vetyatomin sädeksi on arvioitu 2,1 x ^10-10 m, kun taas protonin säde on 0,85 x ^10-15 m tai 0,85 femtometriä. Tämän pienen yksikön nimi johtuu Enrico Fermistä, ja sitä käytetään paljon työskennellessään tällä mittakaavalla.

No, osamäärä säde atomin ja että ytimen on suuruusluokkaa 10 ⁵ m, eli atomi on 100000 kertaa suurempi kuin ytimen!

On kuitenkin otettava huomioon, että kvanttimekaniikkaan perustuvassa nykyisessä mallissa elektroni ympäröi ytimen sellaisessa pilvessä, jota kutsutaan kiertoradaksi (kiertorata ei ole kiertorata) ja elektroni ei atomitasolla ole täsmällinen.

Jos vetyatomi laajennettaisiin - mielikuvituksellisesti - jalkapallokentän kokoon, niin positiivisesta protonista koostuva ydin olisi antin kokoinen kentän keskellä, kun taas negatiivinen elektroni olisi kuin eräänlainen haamu, hajallaan ympäri kenttää ja ympäröivän positiivisen ytimen.

Atomimalli tänään

Tämä "planeettatyyppinen" atomimalli on hyvin juurtunut ja on imago, joka useimmilla ihmisillä on atomista, koska se on erittäin helppo visualisoida. Se ei kuitenkaan ole nykyään hyväksytty malli tieteen alalla.

Nykyaikaiset atomimallit perustuvat kvanttimekaniikkaan. Hän huomauttaa, että atomissa oleva elektroni ei ole negatiivisesti varautunut piste, joka seuraa tarkkoja kiertoratoja, kuten Rutherford kuvasi.

Sen sijaan elektroni on hajallaan positiivisen ytimen ympärillä olevilla alueilla, joita kutsutaan atomiorbitaaleiksi. Häneltä voimme tietää todennäköisyyden olla yhdessä tai toisessa tilassa.

Tästä huolimatta Rutherfordin malli edusti valtavaa edistystä atomin sisärakenteen tuntemisessa. Ja se loi tietä uusille tutkijoille jatkaa sen hienosäätöä.

Viitteet

1. Andriessen, M. 2001. HSC-kurssi. Fysiikka 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. University Physics. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fysiikka tutkijoille ja tekniikoille: strateginen lähestymistapa. Pearson.
4. Fysiikan OpenLab. Rutherford-Geiger-Marsden-kokeilu. Palautettu osoitteesta: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Fysiikan perusteet. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. The Rutherford Scattering Experiment. Haettu osoitteesta 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherfordin kokeilut. Palautettu osoitteesta: xaktly.com.
8. Wikipedia. Rutherfordin kokeilu. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.