RUTHERFORDA EKSPERIMENTS: VĒSTURE, APRAKSTS UN SECINĀJUMI - ZINĀTNE - 2025

Eksperiments Rutherford , veikta starp 1908 un 1913 sastāvēja bumbu plānas zelta plēvi .0004 mm biezs, ar alfa daļiņas un analizēt dispersijas modeli minētās daļiņas, kas atstātas fluorescèjoøâ ekrâna.

Faktiski Rutherfords veica daudzus eksperimentus, arvien vairāk un vairāk precizējot detaļas. Rūpīgi izanalizējot rezultātus, tika izdarīti divi ļoti svarīgi secinājumi:

-Atoma pozitīvais lādiņš ir koncentrēts reģionā, ko sauc par kodolu.

-Šis atoma kodols ir neticami mazs, salīdzinot ar atoma lielumu.

1. attēls. Rutherforda eksperiments. Avots: Wikimedia Commons. Kurzons

Ernests Rutherfords (1871–1937) bija Jaunzēlandē dzimis fiziķis, kura interešu lauks bija radioaktivitāte un matērijas būtība. Radioaktivitāte bija nesena parādība, kad Rutherford sāka savus eksperimentus, un to 1896 atklāja Henri Becquerel.

1907. gadā Rutherfords devās uz Mančesteras Universitāti Anglijā, lai izpētītu atoma struktūru, izmantojot šīs alfa daļiņas kā zondes, lai salīdzinātu tik mazu struktūru. Viņu pavadīja uzdevumā fiziķi Hanss Geigers un Ernests Marsdens.

Viņi cerēja redzēt, kā alfa daļiņa, kas ir divkārt jonizēts hēlija atoms, mijiedarbosies ar vienu zelta atomu, lai pārliecinātos, ka visas novirzes, ko tā pieredzēja, ir saistītas tikai ar elektrisko spēku.

Tomēr lielākā daļa alfa daļiņu caur zelta foliju izgāja tikai ar nelielu novirzi.

Šis fakts pilnībā saskanēja ar Thomsona atomu modeli, tomēr, par pārsteigumu pētniekiem, neliels procents alfa daļiņu piedzīvoja diezgan ievērojamu novirzi.

Un vēl mazāks daļiņu procents atgriezīsies, pilnībā atlecot. Kāds bija šo negaidīto rezultātu rezultāts?

Eksperimenta apraksts un secinājumi

Faktiski alfa daļiņas, kuras Rutherfords izmantoja kā zondi, ir hēlija kodoli, un tajā laikā bija tikai zināms, ka šīs daļiņas ir pozitīvi lādētas. Mūsdienās ir zināms, ka alfa daļiņas sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem.

Rutherfords ir identificējis alfa un beta daļiņas kā divus dažādus urāna starojuma veidus. Alfa daļiņām, kas ir daudz masīvākas nekā elektronam, ir pozitīvs elektriskais lādiņš, savukārt beta daļiņām var būt elektroni vai pozitroni.

2. attēls. Detalizēta Rutforforda, Geigera un Marsdena eksperimenta shēma. Avots: R. Knight. Fizika zinātniekiem un inženierija: stratēģijas pieeja. Pīrsons.

Eksperimenta vienkāršota shēma parādīta 2. attēlā. Alfa daļiņu stars nāk no radioaktīva avota. Geigers un Marsdens izmantoja radona gāzi kā emitētāju.

Svina bloki tika izmantoti, lai novirzītu starojumu uz zelta foliju un neļautu tam nokļūt tieši uz dienasgaismas ekrāna. Svins ir materiāls, kas absorbē starojumu.

Pēc tam šādi novirzītais stars tika iespiests uz plānas zelta folijas un lielākā daļa daļiņu turpināja ceļu uz dienasgaismas cinka sulfāta sietiņu, kur tās atstāja nelielu gaismas pēdas. Geigers bija atbildīgs par to skaitīšanu pa vienam, lai gan vēlāk viņi izstrādāja ierīci, kas to darīja.

Fakts, ka dažas daļiņas piedzīvoja nelielu novirzi, nepārsteidza Rutherfordu, Geigeru un Marsdenu. Galu galā atomam ir pozitīvas un negatīvas lādiņas, kas iedarbojas uz alfa daļiņām, bet, tā kā atoms ir neitrāls, ko viņi jau zināja, novirzēm bija jābūt mazām.

Eksperimenta pārsteigums ir tas, ka dažas pozitīvas daļiņas tika atdurtas gandrīz tieši atpakaļ.

Secinājumi

Apmēram 1 no 8000 alfa daļiņām piedzīvoja novirzi leņķī, kas lielāks par 90º. Maz, bet pietiekami, lai apšaubītu dažas lietas.

Atomiskais modelis modē bija Rutherforda bijušā Kavendišas laboratorijas profesora Thomsona veidotais rozīņu pudiņš, taču Rutherfords domāja, vai pareiza ir ideja par atomu bez kodola un ar elektroniem, kas iestrādāti kā rozīnes.

Tā kā izrādās, ka šīs lielās alfa daļiņu novirzes un to, ka dažas spēj atgriezties, var izskaidrot tikai tad, ja kādam atomam ir mazs, smags, pozitīvs kodols. Rutherfords pieņēma, ka par novirzēm ir atbildīgi tikai elektriski pievilcīgie un atgrūdošie spēki, kā norādīts Kulona likumā.

Kad dažas alfa daļiņas tuvojas tieši šim kodolam un tā kā elektriskais spēks mainās atkarībā no attāluma apgrieztā kvadrāta, viņi izjūt atgrūšanos, kas viņiem izraisa platleņķa izkliedi vai atpakaļejošu novirzi.

Protams, Geigers un Marsdens eksperimentēja ar dažādu metālu, ne tikai zelta, loksņu bombardēšanu, lai gan šis metāls bija vispiemērotākais tā kaļamībai, lai izveidotu ļoti plānas loksnes.

Iegūstot līdzīgus rezultātus, Rutherfords bija pārliecināts, ka atoma pozitīvajam lādiņam jāatrodas kodolā, nevis jāizkliedē visā tā tilpumā, kā Thomsons postulēja savā modelī.

No otras puses, tā kā lielais vairums alfa daļiņu izgāja bez novirzēm, kodolam bija jābūt ļoti, ļoti mazam salīdzinājumā ar atoma lielumu. Tomēr šim kodolam bija jākoncentrē lielākā daļa atoma masas.

Ietekme uz atoma modeli

Rezultāti ļoti pārsteidza Rutherfordu, kurš konferencē Kembridžā paziņoja: “… tas ir tāpat kā tad, ja jūs izšaujat 15 collu lielgabala lodes pie salvešu lapas un šāviņš atlec tieši pret jums un trāpa jums”.

Tā kā šos rezultātus nevarēja izskaidrot ar Thomsona atomu modeli, Rutherfords ierosināja, ka atoms sastāv no kodola, ļoti maza, ļoti masīva un pozitīvi lādēta. Elektroni palika orbītā ap viņu, tāpat kā miniatūra Saules sistēma.

3. attēls. Rutherforda atomu modelis kreisajā pusē un Thomsona rozīņu pudiņa modelis labajā pusē. Avots: Wikimedia Commons. Kreisais attēls: Jcymc90

Par to ir domāts atoma kodolmodelis, kas parādīts 3. attēlā kreisajā pusē. Tā kā elektronu ir arī ļoti, ļoti maz, izrādās, ka atoms ir gandrīz viss…. tukšs! Tāpēc lielākā daļa alfa daļiņu cauri loksnei iziet gandrīz neizliekti.

Un analoģija ar miniatūru saules sistēmu ir ļoti precīza. Atomu kodolam ir Saules loma, kas satur gandrīz visu masu plus pozitīvo lādiņu. Elektroni riņķo ap tām kā planētas un nes negatīvu lādiņu. Montāža ir elektriski neitrāla.

Par elektronu sadalījumu atomā Rutherforda eksperiments neko neliecināja. Jūs varētu domāt, ka alfa daļiņām būs zināma mijiedarbība ar tām, bet elektronu masa ir pārāk maza, un viņi nespēja ievērojami novirzīt daļiņas.

Rutherforda modeļa trūkumi

Viena no šī atomu modeļa problēmām bija tieši elektronu izturēšanās.

Ja tie nebūtu statiski, bet, riņķojot atoma kodolā apļveida vai eliptiskās orbītās, ko virza elektriskā pievilcība, viņi galu galā steidzas uz kodola virzienā.

Tas notiek tāpēc, ka paātrinātie elektroni zaudē enerģiju, un, ja tas notiks, tas būtu atoma un matērijas sabrukums.

Par laimi tas nenotiek. Pastāv sava veida dinamiska stabilitāte, kas novērš sabrukumu. Nākamais atomu modelis pēc Rutherforda modeļa bija Bohrs, kurš sniedza dažas atbildes, kāpēc nenotiek atomu sabrukums.

Protons un neitrons

Rutherford turpināja veikt izkliedes eksperimentus. Laikā no 1917. līdz 1918. gadam viņš un viņa palīgs Viljams Kajs izvēlējās bombardēt gāzveida slāpekļa atomus ar ļoti enerģētiskām alfa daļiņām no bismuta-214.

Viņš atkal bija pārsteigts, kad atklāja ūdeņraža kodolus. Tas ir reakcijas vienādojums, pirmā mākslīgā kodola transmutācija, kas jebkad sasniegta:

Atbilde bija: no tā paša slāpekļa. Rutherfords ūdeņradim bija piešķīris atomu numuru 1, jo tas ir vienkāršākais elements no visiem: pozitīvs kodols un negatīvs elektrons.

Rutherford bija atradis pamatdaļiņu, ka viņš nosauca protonu, vārdu, kas vispirms radies no grieķu vārda. Tādā veidā protons ir būtiska katra atoma kodola sastāvdaļa.

Vēlāk, ap 1920. gadu, Rutherfords ierosināja, ka jābūt neitrālām daļiņām, kuru masa ir ļoti līdzīga protona masai. Viņš nosauca šo daļiņu par neitronu, un tā ir daļa no gandrīz visiem zināmajiem atomiem. Fiziķis Džeimss Čadviks to beidzot identificēja 1932. gadā.

Kā izskatās ūdeņraža atoma mēroga modelis?

Ūdeņraža atoms, kā jau teicām, ir vienkāršākais no visiem. Tomēr nebija viegli izstrādāt šī atoma modeli.

Secīgi atklājumi radīja Kvantu fiziku un veselu teoriju, kas apraksta parādības atomu mērogā. Šī procesa laikā attīstījās arī atomu modelis. Bet apskatīsim jautājumu par izmēriem:

Ūdeņraža atomā ir kodols, kas sastāv no viena protona (pozitīvs), un tam ir viens elektrons (negatīvs).

Ūdeņraža atoma rādiuss ir novērtēts 2,1 x 10 ^-10 m, bet protona rādiuss ir 0,85 x 10 ^-15 m vai 0,85 femtometri. Šīs mazās vienības nosaukums radies Enriko Fermi dēļ, un to daudz izmanto, strādājot šajā mērogā.

Nu, koeficients starp atoma rādiusu un kodola lielumu ir 10 ⁵ m, tas ir, atoms ir 100 000 reizes lielāks par kodolu!

Tomēr jāpatur prātā, ka mūsdienu modelī, kura pamatā ir kvantu mehānika, elektrons apņem kodolu sava veida mākonī, ko sauc par orbitāli (orbitāle nav orbīta), un elektrons atomu mērogā nav punktuāls.

Ja ūdeņraža atoms būtu iztēles izteiksmē palielināts līdz futbola laukuma lielumam, tad kodols, kas sastāv no pozitīva protona, būtu skudras lielums lauka centrā, bet negatīvais elektrons būtu kā sava veida spoks, izkaisīti pa visu lauku un ap pozitīvo kodolu.

Atomu modelis šodien

Šis "planētu tipa" atomu modelis ir ļoti iesakņojies, un tas ir attēls, kas lielākajai daļai cilvēku ir par atomu, jo to ir ļoti viegli vizualizēt. Tomēr tas nav šodien pieņemtais modelis zinātnes jomā.

Mūsdienu atomu modeļi ir balstīti uz kvantu mehāniku. Viņa norāda, ka elektrons atomā nav negatīvi lādēts punkts, kas seko precīzām orbītām, kā to iedomājās Rutherfords.

Drīzāk elektrons ir izkliedēts apgabalos ap pozitīvo kodolu, ko sauc par atomu orbitāļiem. No viņa mēs varam uzzināt varbūtību atrasties vienā vai otrā stāvoklī.

Neskatoties uz to, Rutherforda modelis parādīja milzīgu progresu zināšanās par atoma iekšējo struktūru. Un tas pavēra ceļu lielākam skaitam pētnieku, lai turpinātu to pilnveidot.

Atsauces

1. Andriessen, M. 2001. HSC kurss. Fizika 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Universitātes fizika. Akadēmiskā prese.
3. Knight, R. 2017. Fizika zinātniekiem un inženierija: stratēģijas pieeja. Pīrsons.
4. Fizikas OpenLab. Rutherford-Geiger-Marsden eksperiments. Atgūts no: physicsopenlab.org.
5. Rekss, A. 2011. Fizikas pamati. Pīrsons.
6. Tyson, T. 2013. Rutherforda izkliedes eksperiments. Saturs iegūts no: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherforda eksperimenti. Atgūts no: xaktly.com.
8. Wikipedia. Rutherforda eksperiments. Atgūts no: es.wikipedia.org.