Рутхерфордов експеримент и његови прототипови



Тхе Рутхерфордов експеримент дозволио је групи научника да открију да сваки атом има позитивно наелектрисано језгро.

Ернест Рутхерфорд, био је новозеландски физичар и хемичар. Фокусирао се на проучавање радиоактивних честица и спровео неколико истраживања која су му омогућила да добије Нобелову награду за хемију 1908. године..

Под водством Рутхерфорда, Ханса Геигера и Ернеста Марсдена, они су помогли у стварању атомског модела, у лабораторијама Универзитета у Манчестеру..

Једна од првих атомских теорија која постоји је формулисана од стране Тхомсона, проналазача електрона. Сматрао је да су атоми сфере са позитивним набојем и да су електрони распоређени у њему.

Тхомсонова теорија каже да ако се алфа честица сударила са атомом, ова честица би прошла кроз атом. На то би утицало електрично поље атома према овом моделу.

У то време протони и неутрони нису откривени. Томсон није могао да докаже своје постојање, а његов модел није прихваћен од стране научне заједнице.

Да би показао постојање Тхомсонове теорије, Рутхерфорд, Геигер и Марсденд, експеримент у коме су бомбардовали алфа честице, направљене од језгара гаса хелијума, на лист метала.

Ако је Тхомсонов модел радио, честице би морале проћи кроз лим без икаквог одступања.

Развој Рутхерфордовог експеримента

Фирст Прототипе

Први прототип дизајна експеримента, спроведен 1908. године, Геигер је објаснио у чланку под насловом О дисперзији честица по материји.

Изградили су стаклену цев дугу око два метра, на једном крају је био радио извор, а на супротном крају је био постављен фосфоресцентни екран. У средини цеви постављена је врста левка да алфа честице пролазе кроз њу.

Процес који је уследио био је пролаз алфа честица кроз прорез, тако да би пројицирао сноп светлости на фосфоресцентни екран.

Пумпајући сав ваздух из цеви, добијена слика је била бистра и одговарала отварању у средини цеви. Када се количина ваздуха у цеви спусти, слика постаје све дифузнија.

Затим, да би се видело које путање прате честице ако ударе нешто или пређу, као што је Тхомсонова теорија држала, златни лист је убачен у прорез.

Ово је показало да ваздух и чврсте материје изазивају дисперзију честица које се рефлектују у фосфоресцентном екрану са више дифузних слика..

Проблем са овим првим прототипом је у томе што је он само показао резултат дисперзије, али не и путању коју су слиједиле алфа честице..

Други прототип

Геигер и Марсден објавили су 1909. године чланак у којем су објаснили експеримент који показује кретање алфа честица.

У дифузној рефлексији алфа честица објашњено је да експеримент има за циљ да открије да се честице крећу под угловима већим од 90 степени.

Створили су други прототип експеримента, гдје је створен стаклени спремник с коничним обликом. Поставили су оловну плочу, тако да су се алфа честице судариле са њом, а да би се видела његова дисперзија, постављена је флуоресцентна плоча иза.

Проблем са конфигурацијом овог уређаја је да су честице избјегле оловну плочу, одбијајући се од молекула ваздуха.

Они су тестирали постављањем метала и видели на флуоресцентном екрану да има више удараца честица.

Показало се да метали који имају вишу атомску масу одражавају више честица, али су Геигер и Масден жељели знати точан број честица. Али експеримент са радиом и радиоактивним материјалима не може бити тачан.

Трећи прототип

Чланак Дисперзија α-честица материјом 1910 објашњава трећи експеримент који је Геигер дизајнирао. Овде је већ био усредсређен на мерење угла дисперзије честица, у зависности од материјала у који долазе у контакт.

Овај пут, цев је била водонепропусна и жива је пумпала радон-222 на флуоресцентни екран. Уз помоћ микроскопа, броје се бљескови који су се појавили на флуоресцентном екрану.

Израчунати су углови који су пратили честице и дошли до закључка да се углови прогиба повећавају с већом атомском масом материјала и да је пропорционална атомској маси супстанце..

Међутим, највјероватнији кут отклона се смањује са брзином и вјероватноћа да она одступа више од 90º је занемарива.

Са резултатима добијеним у овом прототипу, Рутхерфорд је математички израчунао узорак дисперзије.

Кроз математичку једнаџбу, израчунато је како лист треба распршити честице, под претпоставком да атом има позитивни електрични набој у свом средишту. Иако је ово друго сматрано само хипотезом.

Развијена једначина је била оваква:

Где, с = број алфа честица које падају на површину јединице са углом отклона Φ

  • р = растојање тачке упадања алфа зрака на дисперзиони материјал
  • Кс = укупан број честица које падају на дисперзиони материјал
  • н = број атома у јединици запремине материјала
  • т = дебљина лима
  • Кн = позитивни набој атомског језгра
  • Кα = позитивни набој алфа честица
  • м = маса алфа честице
  • в = брзина алфа честице

Финал прототипе

Уз модел Рутхерфордових једначина, покус је покушао да покаже шта је постулирано, и да атоми имају нуклеус са позитивним набојем..

Пројектована једначина је предвидела да број бљескова по минути који се посматра под датим углом (схоулд) треба да буде пропорционалан:

  • цсц42/2
  • дебљина лима т
  • магнитуда централног оптерећења Кн
  • 1 / (мв2)2

Да би се приказале ове четири хипотезе, створена су четири експеримента, која су објашњена у чланку Закони отклона α честица великим угловима од 1913.

Тестирати ефекат пропорционално цсц42/2, изграђен цилиндар на врху грамофона, на колони.

Колона која пумпа ваздух и микроскоп покривен флуоресцентним екраном омогућава посматрање честица које су одступале до 150º, са којима је демонстрирана Рутхерфордова хипотеза..

Да би се тестирала хипотеза о дебљини лима, постављен је диск са 6 отвора покривених листовима различите дебљине. Примећено је да је број бљескова био пропорционалан дебљини.

Они су поново користили диск претходног експеримента да би измерили шему дисперзије, под претпоставком да је оптерећење нуклеуса пропорционално атомској тежини, мерено је да ли је дисперзија пропорционална атомској тежини на квадрат.

Са добијеним блицевима, подељеним еквивалентом ваздуха, а затим подељеним са квадратним кореном атомске масе, утврдили су да су пропорције сличне.

И на крају, са истим диском експеримента, они су поставили више мица дискова да успоравају честице, и са прихватљивим опсегом грешке, показали су да је број сцинтилација пропорционалан 1 / в4, као што је Рутхерфорд предвидио у свом моделу.

Кроз експерименте су доказали да су све Рутхерфордове хипотезе испуњене на начин који је одредио Рутхерфордов атомски модел. У овом моделу, коначно објављеном 1917. године, претпоставља се да атоми имају централно језгро са позитивним набојем.

Ако је централно језгро атома оно са позитивним набојем, остатак атома ће бити празан са електронима који круже око њега.

Овим моделом је показано да атоми имају неутралан набој и да је позитивни набој који се налази у језгру супротстављен истим бројем електрона који круже око.

Ако уклонимо електроне из атома, они ће остати са позитивним набојем. Атоми су стабилни, јер је центрифугална сила једнака електричној сили, задржавајући електроне на мјесту

Референце

  1. ЦУЕЛЛАР ФЕРНАНДЕЗ, Луиги; ГАЛЛЕГО БАДИЛЛО, Ромуло; ПЕРЕЗ МИРАНДА, Роиман. Атомски модел Е. Рутхерфорд.Теацхинг оф Сциенцес, 2008, вол. 26.
  2. БОХР, Ниелс. Меморијално предавање Рутхерфорда 1958. Реминисценције оснивача нуклеарне науке и неких развоја заснованих на његовом раду.Зборник радова Физичког друштва, 1961.
  3. ЈУСТИ, Росариа; ГИЛБЕРТ, Јохн. Историја и филозофија науке кроз моделе: неки изазови у случају "атома".Интернатионал Јоурнал оф Сциенце Едуцатион, 2000, вол. 22.
  4. ЦОХЕН-ТАННОУДЈИ, Цлауде, ет ал.Атом-фотонске интеракције: основни процеси и апликације. Нев Иорк: Вилеи, 1992.
  5. АГУИЛЕРА, Дамарис, ет ал. Концептуални модели универзитетских студената о атомској структури засновани на експериментима Тхомсона, Рутхерфорда и Бохра / Концептуалних модела студената универзитета о атомској структури заснованој на експериментима Тхомсона, Рутхерфорда и Бохра.Јоурнал оф Сциенце Едуцатион, 2000, вол. 1, бр.
  6. ДЕ ЛА ЛЛАТА ЛОИОЛА, Мариа Долорес.Неорганска хемија. Уводник Прогресо, 2001.
  7. ТОРРЕС, Амалиа Виллиарт. Историјски експеримент: откриће атомског језгра: Рутхерфордов експеримент.100циас УНЕД, 2003, бр. 6, стр. 107-111.