Експеримент Резерфорда та його прототипи



The Рутерфордський експеримент дозволила групі вчених виявити, що кожен атом має позитивно заряджене ядро.

Ернест Резерфорд був новозеландським фізиком і хіміком. Він зосередився на вивченні радіоактивних частинок і провів декілька досліджень, які дозволили йому отримати Нобелівську премію з хімії в 1908 році..

Під керівництвом Резерфорда, Ганса Гайгера і Ернеста Марсдена вони допомогли створити атомну модель в лабораторіях Манчестерського університету..

Однією з перших атомних теорій, що існують, є те, що сформулював Томсон, першовідкривач електрона. Він вважав, що атоми були сферами з позитивним зарядом, і що в ньому були розподілені електрони.

Теорія Томсона сказала, що якщо альфа-частинка зіткнулася з атомом, ця частинка пройде через атом. На це впливає електричне поле атома відповідно до цієї моделі.

У цей час протони і нейтрони не були виявлені. Томсон не міг довести свого існування, і його модель не була прийнята науковою спільнотою.

Щоб продемонструвати існування теорії Томсона, Резерфорд, Гайгер і Марсденд експериментують, коли вони обстрілюють альфа-частинки, зроблені з ядер гелію, проти листа металу.

Якщо модель Томсона працювала, частинки повинні проходити через металевий лист без будь-яких відхилень.

Розробка Рутерфордського експерименту

Перший прототип

Перший зразковий прототип експерименту, проведений в 1908 році, пояснив Гейгеру в статті під назвою Про розсіювання частинок речовиною.

Вони побудували скляну трубку довжиною близько двох метрів, на одному кінці - джерело радіо, а на протилежному кінці - фосфоресцентний екран. У середині трубки був поміщений вид воронки для проходження альфа-частинок.

Після цього процес пропускали альфа-частинки через щілину, щоб він проеціював промінь світла на фосфоресцентний екран.

За допомогою відкачування всього повітря з трубки отримане зображення було чітким і відповідало отвору в середині трубки. Коли кількість повітря в трубці було знижено, зображення стало більш дифузним.

Потім, щоб побачити, яка траєкторія слідувала частинам, якщо вони потрапили в щось або пройшли через неї, як утримувала теорія Томсона, в слот був вставлений золото..

Це показало, що повітря і тверді речовини викликали дисперсію частинок, що відбилося на фосфоресцентном екрані з більш дифузними зображеннями.

Проблема цього першого прототипу полягає в тому, що вона лише показала результат дисперсії, але не траєкторію, за якою слідували альфа-частинки.

Другий прототип

Гейгер і Марсден опублікували статтю в 1909 році, в якій вони пояснили експеримент для демонстрації руху альфа-частинок.

У дифузному відображенні альфа-частинок пояснюється, що експеримент має на меті з'ясувати, що частинки рухаються під кутами понад 90 градусів.

Вони створили другий прототип для експерименту, де був створений скляний контейнер з конічною формою. Вони встановили свинцеву пластину, так що альфа-частинки зіткнулися з нею, і щоб побачити її дисперсію, за флюоресцентною пластиною було розміщено позаду.

Проблема з конфігурацією цього пристрою полягає в тому, що частинки уникали свинцевої пластини, відбиваючись від молекул повітря.

Вони випробовувалися розміщенням листа металу і бачили на флуоресцентному екрані, що було більше ударів частинок.

Було показано, що метали, які мали вищу атомну масу, відбивали більше частинок, але Гейгер і Масден хотіли знати точне число частинок. Але експеримент з наявністю радіо та радіоактивних матеріалів не може бути точним.

Третій прототип

Стаття Дисперсія α-частинок речовиною 1910 пояснює третій експеримент, який розробив Гейгер. Тут вона вже була зосереджена на вимірюванні кута дисперсії частинок в залежності від матеріалу, в якому вони вступають в контакт.

Цього разу трубка була водонепроникною, а ртуть нагнітала радон-222 на флуоресцентний екран. За допомогою мікроскопа підраховували спалахи, що з'явилися на флуоресцентному екрані.

Розраховані кути, що слідують за частинками, і були зроблені висновки, що кути відхилення збільшуються з більшою атомною масою матеріалу, і що він також пропорційний атомній масі речовини..

Однак найбільш ймовірний кут відхилення зменшується зі швидкістю, і ймовірність того, що вона відхиляється більше ніж на 90º, є незначною.

З результатами, отриманими в цьому прототипі, Резерфорд розрахував дисперсійний малюнок математично.

Через математичне рівняння було розраховано, яким чином лист повинен розсіювати частинки, припускаючи, що атом має позитивний електричний заряд у своєму центрі. Хоча остання лише вважалася гіпотезою.

Розроблене рівняння було таким:

Де, s = кількість альфа-частинок, що потрапляють на одиницю площі з кутом відхилення

  • r = відстань точки падіння альфа-променів на дисперсійний матеріал
  • X = загальна кількість частинок, що потрапляють на дисперсійний матеріал
  • n = кількість атомів в одиниці об'єму матеріалу
  • t = товщина листа
  • Qn = позитивний заряд атомного ядра
  • Qα = позитивний заряд альфа-частинок
  • m = маса альфа-частинки
  • v = швидкість альфа-частинки

Остаточний прототип

За допомогою моделі рівнянь Резерфорда був проведений експеримент, щоб продемонструвати те, що було постулюється, і що атоми мали ядро ​​з позитивним зарядом..

Розрахункове рівняння передбачало, що кількість спалахів у хвилину (хвилинах), які слід спостерігати за заданим кутом (), має бути пропорційним:

  • csc42/2
  • товщина листа t
  • Величина центрального навантаження Qn
  • 1 / (mv2)2

Для демонстрації цих чотирьох гіпотез створено чотири експерименти, які пояснюються статтею Закони відхилення α-частинок великими кутами 1913.

Для перевірки ефекту пропорційно csc42/2, збудований циліндр поверх вертушки, на колоні.

Стовпчик накачування повітря і мікроскоп, покритий флуоресцентним екраном, дозволив спостерігати частинки, які відхилялися до 150º, з якими була продемонстрована гіпотеза Резерфорда..

Для перевірки гіпотези товщини листа, встановлений диск з 6 отворами, покритими листами різної товщини. Було відмічено, що кількість спалахів було пропорційно товщині.

Вони повторно використовували диск попереднього експерименту для вимірювання картини дисперсії, припускаючи, що навантаження ядра пропорційно атомній вазі, вони виміряли, якщо дисперсія була пропорційна атомній вазі в квадраті.

З отриманих спалахів, розділених на еквівалент повітря, а потім розділених на квадратний корінь з атомної ваги, вони виявили, що пропорції були схожі

І, нарешті, за допомогою того самого диска експерименту, вони розміщували більше дисків слюди для уповільнення частинок, і з допустимим діапазоном помилок, вони показали, що кількість сцинтиляцій було пропорційно 1 / v4, як передбачив Резерфорд у своїй моделі.

За допомогою експериментів вони довели, що всі гіпотези Резерфорда були виконані таким чином, що визначило атомну модель Резерфорда. У цій моделі, остаточно опублікованій в 1917 році, постулюється, що атоми мають центральне ядро ​​з позитивним зарядом.

Якщо центральним ядром атома є той, що має позитивний заряд, то залишок атома буде порожнім з електронами, що обертаються навколо нього.

За допомогою цієї моделі було показано, що атоми мають нейтральний заряд і що позитивний заряд, що знаходиться в ядрі, протидіє тому ж самому кількості електронів, які обертаються навколо нього.

Якщо ми видалимо електрони з атома, вони будуть залишені з позитивним зарядом. Атоми стабільні, оскільки відцентрова сила дорівнює електричній силі, утримуючи електрони на місці

Список літератури

  1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Луїджі; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Ройман. Атомна модель Е. Резерфорда.Викладання наук, 2008, vol. 26.
  2. BOHR, Niels. Меморіальна лекція "Резерфорд" 1958 р. Спогади про засновника ядерної науки та про деякі події, засновані на його роботі.Праці фізичного товариства, 1961.
  3. JUSTI, Rosaria; ГІЛБЕРТ, Джон. Історія та філософія науки через моделі: деякі виклики у випадку «атома».Міжнародний журнал з наукової освіти, 2000, vol. 22.
  4. COHEN-TANNOUDJI, Claude et al.Атомно-фотонні взаємодії: основні процеси та застосування. Нью-Йорк: Wiley, 1992.
  5. AGUILERA, Damarys, et al. Концептуальні моделі університетських студентів з атомної структури на основі експериментів Томсона, Резерфорда та Бор / Концептуальні моделі студентів університету про атомну структуру на основі експериментів Томсона, Резерфорда і Бора.Журнал наукової освіти, 2000, vol. 1, № 2.
  6. DE LA LLATA LOYOLA, Марія Долорес.Неорганічна хімія. Редакція Progreso, 2001.
  7. TORRES, Амалія Вільярт. Історичний експеримент: відкриття атомного ядра: Рутерфордський експеримент.100cas UNED, 2003, № 6, с. 107-111.