Experiment Rutherford a jeho prototypy



Rutherfordov experiment umožnila skupine vedcov zistiť, že každý atóm má kladne nabité jadro.

Ernest Rutherford, fyzik a chemik z Nového Zélandu. Zameral sa na štúdium rádioaktívnych častíc a uskutočnil niekoľko výskumov, ktoré mu umožnili získať Nobelovu cenu za chémiu v roku 1908.

Pod vedením Rutherforda, Hansa Geigera a Ernesta Marsdena pomáhali pri vytváraní atómového modelu v laboratóriách University of Manchester.

Jedna z prvých atómových teórií, ktorá existuje, je tá, ktorú formuloval Thomson, objaviteľ elektrónu. Veril, že atómy sú sféry s kladným nábojom a že v ňom sú distribuované elektróny.

Thomsonova teória hovorí, že ak sa alfa častica zrážala s atómom, táto častica by prešla cez atóm. Toto by bolo ovplyvnené elektrickým poľom atómu podľa tohto modelu.

V tejto dobe neboli objavené protóny a neutróny. Thomson nemohol dokázať svoju existenciu a jeho model nebol vedeckou komunitou akceptovaný.

Na demonštrovanie existencie Thomsonovej teórie, Rutherford, Geiger a Marsdend experiment, v ktorom bombardovali alfa častice vyrobené z jadier héliového plynu proti plechu..

Ak Thomsonov model fungoval, častice by mali prechádzať cez plech bez akejkoľvek odchýlky.

Vývoj Rutherfordovho experimentu

Prvý prototyp

Prvý prototyp dizajnu experimentu, uskutočnený v roku 1908, bol vysvetlený Geigerom v článku s názvom O rozptyle častíc hmotou.

Postavili sklenenú trubicu dlhú asi dva metre, na jednom konci bol rádiový zdroj a na opačnom konci bola umiestnená fosforeskujúca obrazovka. V strede trubice bol umiestnený druh lievika na to, aby cez ňu prešli alfa častice.

Nasledujúci proces mal prejsť časticami alfa cez štrbinu tak, aby vyžaroval lúč svetla na fosforeskujúcu obrazovku.

Čerpaním všetkého vzduchu z trubice bol získaný obraz číry a korešpondoval s otvorom v strede trubice. Keď sa množstvo vzduchu v trubici znížilo, obraz sa stal viac difúznym.

Potom, aby sme zistili, ktorou trajektóriou nasledovali častice, keď niečo zasiahli alebo prešli, ako tvrdí Thomsonova teória, do slotu sa vložil zlatý list..

To ukázalo, že vzduch a tuhé látky spôsobili rozptýlenie častíc, ktoré sa odrazili na fosforeskujúcej obrazovke s viac difúznymi obrazmi..

Problém s týmto prvým prototypom spočíva v tom, že ukazoval iba výsledok rozptylu, ale nie trajektóriu, po ktorej alfa častice nasledovali..

Druhý prototyp

Geiger a Marsden publikujú článok v roku 1909, v ktorom vysvetľujú experiment na demonštráciu pohybu častíc alfa.

V difúznom odraze častíc alfa je vysvetlené, že cieľom experimentu je zistiť, či sa častice pohybujú v uhloch väčších ako 90 stupňov.

Vytvorili druhý prototyp experimentu, kde sa vytvorila sklenená nádoba s kužeľovitým tvarom. Namontovali olovenú dosku tak, aby sa s ňou zrazili alfa častice a aby sa zistila jej disperzia, za ňou bola umiestnená fluorescenčná platňa.

Problém s konfiguráciou tohto zariadenia spočíva v tom, že sa častice vyhýbali olovenej doske a odrazili sa od molekúl vzduchu.

Testovali umiestnením kovového plechu a na fluorescenčnom tienidle videli, že častice častíc sú väčšie.

Ukázalo sa, že kovy, ktoré mali vyššiu atómovú hmotnosť, odrážali viac častíc, ale Geiger a Masden chceli poznať presný počet častíc. Experiment s rádiom a rádioaktívnymi materiálmi však nemohol byť presný.

Tretí prototyp

Článok Disperzia a-častíc hmotou z roku 1910 vysvetľuje tretí experiment, ktorý Geiger navrhol. Tu sa už zameral na meranie disperzného uhla častíc v závislosti od materiálu, v ktorom sa dostanú do styku.

Tentokrát bola trubica vodotesná a ortuť bola čerpaná radónom-222 na fluorescenčné sito. Pomocou mikroskopu sa spočítali záblesky, ktoré sa objavili na fluorescenčnej obrazovke.

Boli vypočítané uhly, ktoré nasledovali po časticiach a boli dosiahnuté závery, že uhly vychýlenia sa zvyšujú s väčšou atómovou hmotnosťou materiálu a že je tiež úmerná atómovej hmotnosti látky..

Najpravdepodobnejší uhol vychýlenia však klesá s rýchlosťou a pravdepodobnosť, že sa odchýli o viac ako 90 °, je zanedbateľná..

S výsledkami získanými v tomto prototype Rutherford matematicky vypočítal disperzný obrazec.

Prostredníctvom matematickej rovnice sa vypočítalo, ako by mal list rozptýliť častice, za predpokladu, že atóm má kladný elektrický náboj v jeho strede. Aj keď táto bola považovaná len za hypotézu.

Vyvinutá rovnica bola takto:

Kde, s = počet častíc alfa, ktoré spadajú na jednotku plochy s uhlom vychýlenia Φ

  • r = vzdialenosť bodu dopadu alfa lúčov na disperznom materiáli
  • X = celkový počet častíc padajúcich na disperzný materiál
  • n = počet atómov v jednotkovom objeme materiálu
  • t = hrúbka plechu
  • Qn = kladný náboj atómového jadra
  • Qa = kladný náboj častíc alfa
  • m = hmotnosť alfa častíc
  • v = rýchlosť alfa častíc

Konečný prototyp

S modelom Rutherfordových rovníc bol pokus o demonštráciu toho, čo bolo postulované a že atómy mali jadro s kladným nábojom.

Navrhnutá rovnica predpovedala, že počet zábleskov za minútu (y), ktoré sa majú pozorovať v danom uhle (Φ), by mal byť úmerný:

  • csc42/2
  • hrúbka plechu t
  • veľkosť centrálneho zaťaženia Qn
  • 1 / (mv2)2

Na demonštráciu týchto štyroch hypotéz sú vytvorené štyri experimenty, ktoré sú vysvetlené v článku Zákony vychýlenia častíc α veľkých uhlov z roku 1913.

Na otestovanie účinku úmerného csc42/2, postavený valec na vrchole točne, na stĺpe.

Kolóna čerpajúca vzduch a mikroskop pokrytý fluorescenčným sitom umožňovali pozorovať častice, ktoré sa odchýlili až do 150 °, s ktorými bola preukázaná hypotéza Rutherforda..

Na testovanie hypotézy hrúbky plechu sa namontuje disk so 6 otvormi pokrytými plechmi rôznej hrúbky. Bolo pozorované, že počet zábleskov bol úmerný hrúbke.

Opakovane použili disk z predchádzajúceho experimentu na meranie disperzného obrazca, za predpokladu, že zaťaženie jadra bolo úmerné atómovej hmotnosti, meranej, ak disperzia bola úmerná štvorcovej hmotnosti..

Získané záblesky, vydelené ekvivalentom vzduchu a potom delené druhou odmocninou atómovej hmotnosti, zistili, že pomery boli podobné

A napokon, s rovnakým diskom experimentu, umiestnili viac sľudových diskov na spomalenie častíc a s prijateľným rozsahom chýb ukázali, že počet scintilácií bol úmerný 1 / v4, ako predpovedal Rutherford vo svojom modeli.

Prostredníctvom experimentov dokázali, že všetky Rutherfordove hypotézy boli splnené spôsobom, ktorý určil Rutherfordov atómový model. V tomto modeli, ktorý bol nakoniec publikovaný v roku 1917, sa predpokladá, že atómy majú centrálne jadro s kladným nábojom.

Ak centrálne jadro atómu je jedno s kladným nábojom, zvyšok atómu bude prázdny s elektrónmi obiehajúcimi okolo neho..

S týmto modelom sa ukázalo, že atómy majú neutrálny náboj a že kladný náboj, ktorý je v jadre, je ovplyvnený rovnakým počtom elektrónov, ktoré obiehajú okolo..

Ak odstránime elektróny z atómu, potom budú ponechané s kladným nábojom. Atómy sú stabilné, pretože odstredivá sila je rovná elektrickej sile, pričom elektróny sú na mieste

referencie

  1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PREREZ MIRANDA, Royman. Atómový model E. Rutherforda.Výučba vied, 2008, zv. 26.
  2. BOHR, Niels. Pamätník Rutherforda Prednáška 1958 Pripomienky zakladateľa jadrovej vedy a niektorých vývojov založených na jeho práci.Zborník fyzickej spoločnosti, 1961.
  3. JUSTI, Rosaria; GILBERT, John. História a filozofia vedy prostredníctvom modelov: niektoré výzvy v prípade „atómu“.International Journal of Science Education, 2000, zv. 22.
  4. COHEN-TANNOUDJI, Claude a kol.Interakcie medzi atómom a fotónom: základné procesy a aplikácie. New York: Wiley, 1992.
  5. AGUILERA, Damarys a kol. Koncepčné modely vysokoškolských študentov o atómovej štruktúre na základe experimentov Thomson, Rutherford a Bohr / Koncepčné modely vysokoškolských študentov o atómovej štruktúre na základe experimentov Thomsona, Rutherforda a Bohr.Journal of Science Education, 2000, zv. 1, č.
  6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.Anorganická chémia. Editorial Progreso, 2001.
  7. TORRES, Amalia Williartová. Historický experiment: objav atómového jadra: Rutherfordov experiment.100cias UNED, 2003, č. 6, str. 107-111.