RUTHERFORD KÍSÉRLETE: TÖRTÉNELEM, LEÍRÁS ÉS KÖVETKEZTETÉSEK - TUDOMÁNY - 2026

Az 1908 és 1913 között elvégzett Rutherford-kísérlet során egy 0,0004 mm vastag vékony aranyfóliát bombáztak alfa-részecskékkel, és elemezték az említett részecskék diszperziós mintázatát a fluoreszcens képernyőn.

Valójában Rutherford számos kísérletet végzett, egyre jobban finomítva a részleteket. Az eredmények alapos elemzése után két nagyon fontos következtetés merült fel:

-Az atom pozitív töltése egy atommagnak nevezett régióban koncentrálódik.

-Ez az atommag hihetetlenül kicsi az atom méretéhez képest.

1. ábra. Rutherford kísérlete. Forrás: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) egy új-zélandi származású fizikus volt, akinek érdeklődési területe a radioaktivitás és az anyag jellege volt. A radioaktivitás nemrégiben jelenik meg, amikor Rutherford megkezdi kísérleteit. Ezt Henri Becquerel fedezte fel 1896-ban.

1907-ben Rutherford költözött az angliai manchesteri egyetemhez az atom szerkezetének tanulmányozására, ezeket az alfa-részecskéket próbákként felhasználva, hogy megkíséreljék egy ilyen apró szerkezet belsejét. Hans Geiger és Ernest Marsden fizikusok kísérték őt a feladaton.

Azt remélték, hogy meglátják, hogy az alfa részecske, amely egy kétszeresen ionizált hélium atom, kölcsönhatásba lép egyetlen aranyatommal, hogy megbizonyosodjon arról, hogy minden eltérést kizárólag elektromos erő okoz.

Az alfa-részecskék többsége azonban csak kis eltéréssel haladt át az aranyfólián.

Ez a tény teljesen egyetértett Thomson atommodelljével, azonban a kutatók meglepetésére az alfa-részecskék kis százaléka meglehetősen figyelemre méltó eltérést tapasztalt.

És még kisebb százalékban a részecskék jönnének vissza, teljesen visszaugródnának. Melyek voltak ezek a váratlan eredmények?

A kísérlet leírása és következtetései

Valójában azok az alfa-részecskék, amelyeket Rutherford próbaként használtak, héliummagok, és akkoriban csak azt tudták, hogy ezek a részecskék pozitív töltésűek. Manapság ismert, hogy az alfa-részecskék két protonból és két neutronból állnak.

Az alfa- és béta-részecskéket Rutherford az urán kétféle sugárzásaként azonosította. Az alfa részecskék, amelyek sokkal masszívabbak, mint az elektronok, pozitív elektromos töltéssel rendelkeznek, míg a béta részecskék elektronok vagy pozitronok lehetnek.

2. ábra: A Rutherford, Geiger és Marsden kísérlet részletes vázlata. Forrás: R. Knight. Fizika a tudósok és a mérnökök számára: stratégiai megközelítés. Pearson.

A kísérlet egyszerűsített sémáját a 2. ábra mutatja. Az alfa-részecskenyaláb radioaktív forrásból származik. Geiger és Marsden radongázt használtak kibocsátóként.

Az ólomtömböket arra használták, hogy a sugárzást az arany fólia felé irányítsák, és megakadályozzák, hogy az közvetlenül a fluoreszkáló szitára kerüljön. Az ólom anyag, amely elnyeli a sugárzást.

Ezt követően az így irányított sugarat egy vékony aranyfóliára helyezték és a részecskék többsége tovább haladt a fluoreszcens cink-szulfát szitán, ahol kis fénynyomot hagytak. Geiger volt a feladata, hogy egyenként megszámolja őket, bár később készültek egy eszközre, amely ezt megtette.

Az a tény, hogy egyes részecskék kis mértékben eltértek, nem lepte meg Rutherfordot, Geigert és Marsdenot. Végül is az atomnak vannak pozitív és negatív töltései, amelyek erőt gyakorolnak az alfa-részecskékre, de mivel az atom semleges, amit már tudtak, az eltéréseknek kicsinek kellett lenniük.

A kísérlet meglepője, hogy néhány pozitív részecskét szinte közvetlenül visszaugrottak.

Következtetések

Kb. 8000 alfa-részecskéből kb. Kevés, de elég ahhoz, hogy megkérdőjelezzen néhány dolgot.

A divatos modell a Thomson, a Cavendish laboratóriumi egykori professzora, Thomson mazsola pudingjának modellje volt, de Rutherford azon tűnődött, vajon helyes-e egy atommag ötlet és a mazsolatba ágyazott elektronok.

Mivel kiderül, hogy az alfa-részecskék ilyen nagy eltérései és az a tény, hogy kevés visszatér, csak akkor magyarázható, ha egy atomnak kicsi, nehéz, pozitív atommagja van. Rutherford feltételezte, hogy csak az elektromos vonzó és visszatükröző erők felelősek az eltérésekért, amint azt Coulomb törvénye jelzi.

Amikor az alfa-részecskék közvetlenül ennek a magnak a megközelítéséhez közelítik meg, és mivel az elektromos erő a távolság fordított négyzetével változik, visszatükröződést éreznek, amely a széles látószögű szóródást vagy hátrahajlást okozza számukra.

Valóban Geiger és Marsden kísérletezett nemcsak az arany, hanem különféle fémek lemezének bombázásával, bár ez a fém volt a legmegfelelőbb alakíthatósága szempontjából, hogy nagyon vékony lapokat készítsen.

Hasonló eredmények elérésével Rutherford meg volt győződve arról, hogy az atom pozitív töltésének a magban kell elhelyezkednie, és nem szabad szétszóródnia az egész térfogatában, amint azt Thomson a modelljében állította.

Másrészt, mivel az alfa-részecskék túlnyomó része eltérés nélkül haladt át, a atommagnak nagyon-nagyon kicsinek kellett lennie az atommérethez képest. Ennek a magnak azonban az atom tömegének nagy részét kell koncentrálnia.

Hatások az atom modelljére

Az eredmények nagymértékben meglepte Rutherfordot, aki egy Cambridge-i konferencián kijelentette: „… olyan, mint amikor egy 15 hüvelykes ágyúgömböt lő egy papírtörlő lapra, és a lövedék közvetlenül felé fordul, és eltalál”.

Mivel ezeket az eredményeket nem lehet megmagyarázni Thomson atommodelljével, Rutherford azt javasolta, hogy az atom egy nagyon kicsi, nagyon masszív és pozitív töltésű atommagból álljon. Az elektronok körüli pályákon maradtak, mint egy miniatűr naprendszer.

3. ábra: Rutherford atommodellje a bal oldalon és Thomson mazsola pudingmodellje a jobb oldalon. Forrás: Wikimedia Commons. Bal oldali kép: Jcymc90

Erről szól a bal oldali 3. ábrán bemutatott atommag-modell. Mivel az elektronok nagyon, nagyon kicsik is, kiderül, hogy az atom szinte mindent tartalmaz. üres! Ezért a legtöbb alfa-részecske alig halad át a lemezen.

És az analógia egy miniatűr napenergia rendszerrel nagyon pontos. Az atommag a Nap szerepét játszik, amely szinte az összes tömeget plusz pozitív töltéssel tartalmazza. Az elektronok keringnek körülöttük, mint a bolygók, és negatív töltést hordoznak. A szerelvény elektromosan semleges.

Az elektronok atomban történő eloszlásáról Rutherford kísérlete semmit nem mutatott. Gondolhatja, hogy az alfa-részecskék kölcsönhatásba lépnek velük, de az elektronok tömege túl kicsi, és nem tudták jelentősen eltéríteni a részecskéket.

A Rutherford modell hátrányai

Ennek az atommodellnek az egyik problémája éppen az elektronok viselkedése volt.

Ha ezek nem statikusak, de az atommag körkörös vagy ellipszis alakú pályáin kering, és ezeket villamos vonzás hajtja, akkor a mag felé rohannak.

Ennek oka az, hogy a gyorsított elektronok veszítik az energiát, és ha ez megtörténik, akkor az atom és az anyag összeomlása lenne.

Szerencsére nem ez történik. Van egyfajta dinamikus stabilitás, amely megakadályozza az összeomlást. A következő atommodell Rutherford után a Bohr-modell volt, amely néhány választ adott arra, hogy miért nem fordul elő atomi összeomlás.

A proton és a neutron

Rutherford továbbra is szétszórt kísérleteket végzett. 1917 és 1918 között ő és asszisztense, William Kay úgy döntöttek, hogy a gáznemű nitrogénatomokat bombázzák a bizmut-214 nagy energiájú alfa-részecskéivel.

Újra meglepte, amikor felismerte a hidrogénmagokat. Ez a reakció egyenlete, az első mesterséges nukleáris transzmutáció, amelyet valaha elértek:

A válasz: ugyanazon nitrogénből származik. Rutherford hidrogént rendelte el az 1. atomszámmal, mert az a legegyszerűbb elem: egy pozitív mag és egy negatív elektron.

Rutherford talált egy alapvető részecskét, melyet protonnak nevezett, amely név a görög szóból származott először. Ilyen módon a proton minden atommag nélkülözhetetlen alkotóeleme.

Később, 1920 körül Rutherford javasolta, hogy legyen semleges részecske, amelynek tömege nagyon hasonló a protonhoz. Ezt a részecskét neutronnak nevezte, és szinte az összes ismert atom része. James Chadwick fizikus 1932-ben végül azonosította.

Hogyan néz ki a hidrogénatom méretarányos modellje?

A hidrogénatom, amint mondtuk, a legegyszerűbb. Ennek az atomnak a modelljét azonban nem volt könnyű kidolgozni.

Az egymást követő felfedezések eredményeként létrejött a kvantumfizika és egy egész elmélet, amely atom jelenségekben írja le a jelenségeket. E folyamat során az atommodell is fejlődött. De vessünk egy pillantást a méretek kérdésére:

A hidrogénatom atommagja egy protonból (pozitív) és egyetlen elektronból (negatív) áll.

A sugara hidrogénatom becsülik 2,1 x 10 ^-10 m, míg a proton 0,85 x 10 ^-15 m vagy 0,85 femtometers. Ennek a kis egységnek a neve Enrico Ferminek köszönhető, és sokat használnak ezen a skálán dolgozva.

Nos, a hányados közötti sugara atom és az atommag is nagyságrendileg 10 ⁵ m, azaz az atom 100.000-szer nagyobb, mint a nucleus!

Nem szabad azonban megfeledkezni arról, hogy a kvantummechanikán alapuló kortárs modellben az elektron körülveszi a magot egyfajta felhőben, amelyet orbitalnak hívnak (az orbital nem pálya), és az atom atom skálán nem pontos.

Ha a hidrogénatomot - elképzelhető módon - egy futballpálya méretére növeljük, akkor a pozitív protonból álló atommag egy hangya méretű legyen a mező közepén, míg a negatív elektron olyan, mint egyfajta szellem, szétszórtan a mezőn, és körülveszi a pozitív magot.

Az atomi modell ma

Ez a "bolygótípusos" atommodell nagyon elmélyült, és ez a kép a legtöbb embernek az atomról szól, mivel ezt nagyon könnyű megjeleníteni. A tudományos területen azonban nem ez az elfogadott modell.

A kortárs atommodellek a kvantummechanikán alapulnak. Rámutat arra, hogy az atomban lévő elektron nem negatív töltésű pont, amely pontos körüli pályákat követi, amint azt Rutherford elképzelte.

Inkább az elektron szétszórt a pozitív atommag körüli területeken, atom atomok körül. Tőle megtudhatjuk annak valószínűségét, hogy egy vagy másik állapotban van.

Ennek ellenére Rutherford modellje hatalmas előrelépést jelentett az atom belső szerkezetének ismeretében. Ez előkészítette az utat arra, hogy további kutatók tovább finomítsák azt.

Irodalom

1. Andriessen, M. 2001. HSC tanfolyam. Fizika 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Egyetemi fizika. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fizika tudósok és mérnökök számára: stratégiai megközelítés. Pearson.
4. Fizika OpenLab. A Rutherford-Geiger-Marsden kísérlet. Helyreállítva a következőtől: fizicsopenlab.org
5. Rex, A. 2011. A fizika alapjai. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. A Rutherford szóráskísérlet. Vissza a következőhöz: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherford kísérletei. Helyreállítva: xaktly.com.
8. Wikipedia. Rutherford kísérlete. Helyreállítva: es.wikipedia.org.