DOŚWIADCZENIE RUTHEFORDA
Opis i historia życia Ernesta Rutheforda.
W 1898 roku Thomson stworzył wizję atomu jako naładowanej dodatnio kuli, w której umieszczone są ładunki ujemne- model "ciasta z rodzynkami". Tak więc w sumie, cały atom był obojętny.
W latach 1909-1911 Ernest Rutheford i jego studenci Hans Geiger i Ernest Marsden przeprowadzili szereg eksperymentów, których celem było zbadanie rozpraszania przez cienką folię złota cząsteczek alfa (Rutheford wiedział, że cząstki te zawierają ładunek 2*e). Doświadczenie zaowocowało zbudowaniem nowego modelu atomu- modelu "planetarnego".
Rutheford zaproponował, aby bardzo cienka złota folia E , była bombardowana szybkimi cząstkami alfa ze źródła 214Po R (źródło R było w obudowie ołowianej F). Ze źródła cząsteczki padały na folię E i były na niej rozpraszane. Rozpraszanie to mogło być obserwowane przez mikroskop M. Całe urządzenie znajdowało się w obudowie metalowej A i było przykryte płytą szklaną P. Urządzenie zostało przymocowane do podstawy B. Folia złota miała grubość około 5*10-7 metra. Naukowcy wiedzieli, że wyznaczenie kątów rozpraszania cząsteczek pozwoli lepiej poznać strukturę atomów, z których zbudowana jest złota tarcza.
Rutheford przeprowadził teoretyczną analizę kątów rozproszenia zgodnie z teorią atomu Thomsona i zgodnie z wysuniętą przez siebie teorią- założył, że atom zbudowany jest z dodatnio naładowanego jądra i ujemnie naładowanych elektronów krążących wokół niego. Następnie teoretycznie obliczone wyniki porównał z wynikami eksperymentu. Cząsteczka alfa przelatująca przez atom zbudowany zgodnie z modelem "ciasta z rodzynkami" doznawałaby niedużego odchylenia, gdyż pole elektryczne wewnątrz tego atomu byłoby słabe. W modelu Rutheforda pole to jest znacznie silniejsze (bliżej jądra- gdzie jest skupiony cały dodatni ładunek), a więc niektóre cząstki alfa są znacznie bardziej odchylana. Inne natomiast, przechodzące daleko jądra, są prawie nie odchylane. Prawdopodobieństwo trafienia cząsteczki alfa w jądro jest małe, ale również istnieje.
Doświadczenie wykazało, iż obok cząsteczek alfa niedużo odchylonych od pierwotnego kierunku, występują również cząstki odchylone o bardzo duży kąt 135-150 stopni. Zjawiska tego nie można było wytłumaczyć kilkoma małymi zsumowanymi odchyleniami. Dane doświadczalne potwierdziły "planetarny" model atomu.
Pomiędzy cząstką alfa, a jądrem atomu istnieje oddziaływanie- odpychanie zgodnie z siłą kolombowską:
F = (1/(4*pi()*y0*))*((2*Z*e2)/(r2)) (1)
gdzie (2*e)- ładunek cząstki alfa, (Z*e)- ładunek jądra atomowego, y0- przenikalność elektryczna próżni, r- odległość jądra od cząstki. Następnie zgodnie z wzorem, do którego doszedł Rutheford (jego tok myślowy nie zostanie tu przytoczony, gdyż jest skomplikowany od strony matematycznie) dN- liczba cząstek alfa rozproszonych w jednostce czasu wewnątrz kąta przestrzennego dQ jest równa:
dN/dQ = n*(((2*e)*(Z*e))/(4*pi*y*4*E))*1/(sin4(G/2)) (2)
gdzie n- gęstość strumienia cząstek alfa, G- kąt rozproszenia alfa (patrz rys2), E- energia cząstek.
Rutheford stwierdził, że liczba ta jest równa liczbie porządkowej pierwiastka w układzie okresowym.
Jeżeli znamy ładunek jądra można wyznaczyć górną granicę jego promienia (przy założeniu że jądro jest kulą). Suma promienia cząstki alfa i jądra jest mniejsza od minimalnej odległości r0 pomiędzy ich środkami w momencie zderzenia. Aby oszacować wartość r0 rozpatrzmy zderzenie centralne- rozproszenie pod kątem G = 180 stopni. Z prawa zachowania energii wynika, iż w momencie, gdy odległość pomiędzy cząstką alfa, a jądrem jest minimalna, jej energia kinetyczna zostaje całkowicie zamieniona na energię ich oddziaływania:
(m*v2)/2 = ((2*e)*(Z*e))/(4*pi()*y0*r0) (3)
gdzie m- masa cząstki alfa, v- prędkość cząstki alfa przed zderzeniem.
Po przekształceniu jest:
r0 = ((2*e)*(Z*e))/2*pi()*y0*m*v2) (4)
Z równania (4) dla złota z niniejszego doświadczenia otrzymano r0 około 3,1*10-14 metra (prędkość cząstek alfa wynosiła 1,9*107 metra na sekundę). Wymiary jądra muszą być mniejsze od tej wielkości.
Podsumowywując wyniki prac Rutheford stwierdził, że atom składa się z jądra o rozmiarach 10-15-10-14 metra. Znajduje się w nim, cały ładunek dodatni i właściwie cała jego masa. Dookoła jądra po obszarze o rozmiarach rzędu 10-10 metra krążą lekkie elektrony. Elektrony muszą krążyć wokół jądra po orbitach, aby przyciągane przez ładunki dodatnie nie spadły na jądro. Orbity te zależne są od energii elektronów. Elektrony w atomach tego samego pierwiastka krążą po tych samych charakterystycznych dla niego orbitach- widmo optyczne atomów tego samego pierwiastka jest takie same.
Model Rutheforda miał jednak kilka poważnych niezgodności. Zgodnie z klasyczną mechaniką poruszający się dookoła jądra elektron powinien emitować falę elektromagnetyczną. Emisja taka jest związana z ucieczką pewnej energii z układu elektron-jądro. Elektron powinien poruszać się więc nie po okręgu lecz po spirali i ostatecznie zderzyć się z jądrem. Atom jednakże jest trwały. Inne sprzeczności dotyczyły promieniowania- miało ono być ciągłe (gdyż czas obiegu elektronu zgodnie ze stratą energii powinien się w sposób ciągły zmieniać), a linie widmowe nie powinny występować.
Model atomu Rutheforda nie mógł być, więc ostatecznym modelem budowy materii.
Powrót do strony głównej
Bibliografia
English version